2013/1/9

製鉄の地位と現状
第10講義

炭素材の鉄精錬への応用
尹 聖昊
九州大学先導物質化学研究所

製鉄の化学

酸化鉄の還元反応

COガスによる酸化鉄（Fe2O3）の還元平衡は以下のように示される。
3Fe2O3(s) + CO(g) = 2Fe3O4(s) + CO2(g) ΔH0298/kJ= -52.46 (1-5)
Fe3O4(s) + CO(g) = 3FeO(s) + CO2(g) ΔH0298/kJ= 40.45 (1-6)
FeO(s) + CO(g) = Fe(s) + CO2(g)ΔH0298/kJ= -18.56 (1-7)
上記反応の平衡図は図1-7で示され、温度範囲により次のように還元が進行する。
<833K
Fe2O3→Fe3O4→Fe
833～1650K Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe(1-5)～(1-7)式のように、CO(g)による鉄鉱石の還元反応を間接還元と呼ぶ。
一方、固体炭素による還元を直接還元と呼び、還元の総括反応式は字式で示される。
Fe2O3(s) + 3C(s) = 2Fe(s) + 3CO(g) ΔH0298/kJ= 489.76
(1-8)

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高炉法
鉱石、コークス

炉頂部

炉内反応

温度分布
炉頂鉱石
コークス

塊状帯

直接還元法

固体装入物

上部還元帯（～1000℃
上部還元帯（～℃）
Fe2 O3+CO→→Fe3O4+CO2

ガス

Fe3 O4+CO→→FeO+CO2

還元帯

FeO+CO→→ Fe+CO2
融着帯

熱保存帯

滴下帯

溶解帯

燃焼帯
（レースウェイ）熱風、酸素

下部還元帯（1000～～1300℃℃）
下部還元帯（FeO（（ｓ 、ｌ）+CO→→ Fe+CO２、ｌ）
CO2+C→→２CO

COガス
ガス

燃焼帯（2000～～ 2400℃℃）
燃焼帯（羽口C+O2→CO２

融体

微粉炭、プラスチック

CO2 +C→→２CO

炉床湯溜まり
炉床湯溜まり0出銑

500 1000 1500 2000 2500
温度（℃）
温度（℃）

溶銑 スラグ

図 1-9

高炉

炭材内装還元法CH4 (g) + CO 2(g) = 2H 2(g) + 2CO(g)∆H0 298 = 247.26 kJ/mol(1-12)Fe xO y (s) + yH2(g) = xFe (s) + yH2 O(g)∆H0 298 = 95.90 kJ/mol(1-13)Fe xO y (s) + yCO(g) = xFe (s) + yCO2 (g)∆H 0298 = -27.64 kJ/mol(1-14)

高炉法の概要とコークスの役割
高炉プロセスの概要は以下の通りである。
・鉄鉱石（焼結鉱／ペレット／塊鉱石）とコークスを炉頂から互いに層状に装入する。一回当たりの装入量は、日一回当たりの装入量は、日トンを生産する高炉の場合、鉱石は約120～～130トン、コークスは約トン、コークスは約30～トンである。
産10,000トンを生産する高炉の場合、鉱石は約トンを生産する高炉の場合、鉱石は約トン、コークスは約 ～40トンである。
・炉下部の熱風吹き込み口（羽口）から約1200～1250℃の熱風を送風（6,000～8,000Nｍ3/min）してコークスを燃焼させる。
・燃焼で発生する高温の還元ガス（CO＋H2＋N2）によって鉄鉱石中の酸化鉄を還元・溶解する。
・高炉は徳利型の圧力容器（炉内圧力は羽口部で4.5kg/cm2、炉頂部で約2.5kg/cm2）であり、炉口部、炉胸部、炉腹部、朝顔部、炉床部で構成され、円錐が部分的に組み合わされた縦型円筒形である（図2-1）1)。
・羽口は炉周方向に約30～40本配置されており、羽口の奥のコークス充填層が高圧・高速（約220～280m/s）で吹き込まれた熱風によって旋回しながら燃焼するレースウエイという空間が形成される。

炉壁側

炭化室
中心側

・高炉上部の塊状帯では、炉内における原燃料の消費に伴って炉頂から装入された鉱石とコークスが降下し、その間に鉱石の昇温及び還元ガスによって還元が進行する。
・炉腹部で昇温され、還元の進んだ鉱石粒子は部分的に溶融を開始し、1200℃以上の高温領域で相互に融着し、空隙率の低い融着層を形成する。
・融着帯は通気性の悪い鉱石の融着層とコークス層（コークススリット）が交互に並んだ構造となる。融着帯より下部の滴下帯では，融着帯で生成した溶鉄及び溶融スラグがコークス充填層及び炉芯を滴下し、滴下した溶鉄及び溶スラグは炉下部の炉床部に溜まり、出銑口から銑鉄及びスラグとして排出される。
・原料は粉鉄鉱石を焼き固めた焼結鉱が主体で、他にペレット、塊鉱石がある。原料性状としては被還元性や高温性状が重要な指標となる。
・コークスは羽口で燃焼して発生する
コークスは羽口で燃焼して発生するCOガスが鉄鉱石の還元材となるが、あわせて昇温のための熱源となる。更コークスは羽口で燃焼して発生する ガスが鉄鉱石の還元材となるが、あわせて昇温のための熱源となる。更に高炉内の通気・通液性を確保する役目があり、強度の高いコークス製造（冷間強度DI約、熱間強度CSR約約に高炉内の通気・通液性を確保する役目があり、強度の高いコークス製造（冷間強度 約85%、熱間強度68%等）が要望されている。
等）が要望されている。

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コークス製造プロセスの概要

コークス炉
石炭装入孔
燃焼室

炭化室
蓄熱室

図3-4 コークス炉の概要

図3-5 コークス炉内での石炭の乾留状況

石炭のコークス化機構

図3-8 X線
線CT乾留炉による石炭乾留過程の観察結果
乾留炉による石炭乾留過程の観察結果

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コークス製造用原料としての非微粘結炭多量使用技術の開発
DAPSプロセス（Dry-cleaned and Agglomerated Precompaction
System）

コークス製造工程における新しい事前処理技術として，石炭を乾燥して微粉炭を分離した後，発塵性の高い微粉炭を乾燥状態で塊成化することにより，コークス強度を向上させるとともに発塵を抑制して環境対応力を高めるDAPSプロセスが開発された。
DAPSプロセスは，石炭資源の有効利用および省エネルギーに大きく貢献する技術である。

新コークス製造技術
スコープ21（SCOPE21；Super Coke Oven for Productivity and Environmental enhancement toward the 21st century）(1)石炭資源の有効利用技術の開発
石炭をコークス炉に装入する前に高温（約330～380℃）に急速加熱処理することにより，低品位原料炭の粘結性を向上させる。さらに，微粉炭を塊成化してコークス強度を向上させる。その結果として，従来のコークス製造方法に比べてSCOPE21プロセスでは低品位原料炭の使用比率を上昇させる技術が検討された。
(2)高生産性技術の開発
事前処理工程で高温に急速加熱処理した高温炭をコークス炉に装入することにより，コークス製造に要する乾留時間を大幅に短縮する技術が検討された（図図4-2）。
(3)環境対策技術の開発
乾留炉のNOx発生削減技術と乾留炉の高シール化による発神領低減技術が検討された。

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コールタール利用産業の現状と新たな展開
コールタール利用産業の現状と新たな展開

コールタールの蒸留による分離

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ピッチコークスの製造プロセス

Delayed coker

カーボンサイクル

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2013/1/9

メゾフェーズピッチの形成・成長

炭素材の外観と組織QI除去技術除去技術

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2013/1/9

電極棒の製造プロセス

黒鉛化

電気製鋼炉

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2013/1/9

電極棒の消耗

黒鉛電極の物性

アルミ精錬炉構造9

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原料の変化

電極棒の概要高炉における今後の省CO2技術
技術
高炉における今後の省高炉における今後の省CO2技術
技術
高炉における今後の省
ScenarioScenario-２：Improvement
２：Improvement of COG in order to expanding application area

Theme２：Theme２：expanding
２：expanding application field by reforming COG(1) Reforming technology for COG(2) Direct reduction ore using reforming COG（
（pre-reduction or blowing to BF））(3) Utilization of C-Neutral energy(3) Utilization of biomass
Coke Oven

Biomass carbon

COG

Cokes
Waste
heat

Gas treatment

Reforming COG(1) Reforming COG

Blast
furnaceOven in worksDR

H2 ：65%
CO ：35%(2) Direct reduction
using COG
Offer to H2
in regional society

Power generation
in works
Power genarationfor sale

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図 2-72

環境調和型製鉄プロセス技術開発の概要

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高炉スラグの利用技術

高炉スラグの用途

表2-1 高炉水砕スラグの特性と用途
肥料他
1%

特性

用途

急冷、微粉砕による強い潜在水硬性

高炉セメント原料
ポルトランドセメント混合材
コンクリート用混和材

軽量・内部摩擦角大土木用材料(裏込材・覆土材・盛土材・路床材等)

SiO2 溶解少→アルカリ骨材
反応小・塩化物無コンクリート用細骨材

肥料成分(CaO，SiO2)

珪酸石灰肥料・土壌改良材

自社使用
4%

ｺﾝｸﾘｰﾄ
9%

道路
14%

地盤改良
2%
土木工事
1%
国内ｾﾒﾝﾄ
3%

徐冷
25%

輸出22%

ｺﾝｸﾘｰﾄ
1%
肥料他
1%

水砕
75%

土木工事
4%

自社使用
1%
道路
0%

国内ｾﾒﾝﾄ37%

図 2-8 高 炉 スラグ の用 途結論• 鉄は産業を支えるもっとも重要な材料であり、その使用量は2030年以後まで続けると予測される。
• 鉄は酸化鉄の還元によって生産されており、還元剤としてのコークスは重要。
• 電炉業における電極棒の需要も増加している。
• 低品位炭を用いた高品質のコークス生産は重要である。低エネルギー・CO2放出によるコークスの生産はさらに重要である。
• コールタールの効用は重要である。
• さらに、低品位になる鉄鉱石・石炭・原油に対する賢明な対応はますます重要になる。
• 今後さらに悪くなるコールタールや重質油に関する対応が要求される。
• この国を支えてきた鉄産業に対するより高い関心が必要な時期である。

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