スパングアイアン：鋼の生産と製造プロセスにおける重要な材料
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定義と基本概念
スポンジ鉄（直接還元鉄とも呼ばれる）は、鉄鉱石（主にヘマタイトまたはマグネタイト）を溶融せずに固体の状態で直接還元することによって得られる多孔質の金属製品です。その特徴は、スポンジのような外観、高い鉄含有量、低い不純物であり、鉄鋼製造において重要な原材料となっています。
スポンジ鉄の基本的な目的は、電気アーク炉（EAF）による鋼の生産やその他の鋼製造プロセスのための高品質でコスト効果の高い鉄源として機能することです。これは、一貫性があり、制御可能な原料供給を提供し、鋼の品質を向上させ、スクラップ金属への依存を減らすのに役立ちます。
鋼製造チェーン内で、スポンジ鉄は直接還元プロセスで生産され、その後鋼製造ユニットに供給され、そこで溶融されてさまざまな鋼製品に精製されます。これは、原料鉱石と完成した鋼の間をつなぐ中間体として機能し、より効率的でクリーンな鋼の生産を可能にします。
技術設計と運用
コア技術
スポンジ鉄生産のコアエンジニアリング原則は、通常は天然ガス（メタン）または石炭ベースのガスを還元剤として使用し、高温で固体状態の鉄酸化物を還元することです。このプロセスは、鉄鉱石粒子から酸素が除去され、金属鉄が生成される制御された環境で行われます。
主要な技術コンポーネントには、回転炉またはシャフト炉、還元ガス、供給および排出システムが含まれます。回転炉は最も一般的な構成で、均一な還元を促進するためにゆっくりと回転する長い傾斜した円筒形の容器で構成されています。
主な運転メカニズムは、鉄鉱石の微粉またはペレットを炉に連続的に供給し、通常800°Cから1050°Cの温度で還元雰囲気にさらされることです。還元ガスは材料に対して逆流し、効率的な化学反応を促進します。その後、多孔質のスポンジ鉄は冷却され、さらなる処理のために排出されます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、温度、還元ガスの組成、滞留時間、鉱石粒子サイズが含まれます。典型的な運転範囲は次のとおりです：
| 性能パラメータ | 典型的範囲 | 影響要因 | 制御方法 |
|---|---|---|---|
| 温度 | 850°C – 1050°C | ガス組成、供給速度 | 熱電対、温度コントローラー |
| 還元ガス組成 | 85–95% H₂, 5–15% CO | ガス流量、供給品質 | ガス分析計、流量計 |
| 滞留時間 | 20–60分 | 供給速度、炉の長さ | 供給速度制御、プロセス自動化 |
| 鉄鉱石粒子サイズ | 0.5–10 mm | 供給準備、設備設計 | ふるい分け、粉砕 |
プロセスパラメータは、スポンジ鉄の品質に直接影響を与え、その金属化度（金属鉄の割合）や多孔性を含みます。正確な制御は、一貫した製品品質を確保し、エネルギー消費を最小限に抑え、炭素排出を削減します。
制御システムは、温度、ガス組成、材料の流れを監視するためにリアルタイムセンサー、自動化、フィードバックループを使用し、最適なプロセスの安定性と効率を実現します。
設備構成
典型的なスポンジ鉄プラントは、長さ対直径比が約20:1の回転炉を備えており、1日あたり数百トンを処理する能力があります。炉は高温および化学攻撃に耐える耐火レンガで内張りされています。
補助システムには、鉄鉱石の予熱器、ガス生成ユニット（改質器やガス化装置など）、冷却システム、粉塵収集装置が含まれます。現代のプラントは、エネルギー効率を向上させるために廃熱回収システムを組み込むことがあります。
設計のバリエーションには、シャフト炉、流動床反応器、マルチハースト炉が含まれ、それぞれ特定の原料や生産規模に適しています。時間が経つにつれて、設備はエネルギー効率を高め、排出を削減し、プロセス制御を改善するために進化してきました。
プロセス化学と冶金
化学反応
主な化学反応は、還元剤として水素（H₂）および一酸化炭素（CO）を使用して、鉄酸化物（Fe₂O₃またはFe₃O₄）を金属鉄（Fe）に還元することです：
- Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
- Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
- Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O
- Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂
これらの反応は高温で熱力学的に有利であり、還元は固体状態の拡散および気体-固体反応を介して進行します。プロセスの効率は、還元ガスの部分圧と温度に依存します。
副産物には水蒸気（H₂O）および二酸化炭素（CO₂）が含まれ、通常は排出されるか、他のプラントプロセスで利用されます。
冶金的変化
還元中、鉄酸化物はヘマタイト（Fe₂O₃）またはマグネタイト（Fe₃O₄）から金属鉄に相変化を遂げます。微細構造的には、多孔質のスポンジ鉄は、残留酸化物およびスラグ相の中に埋め込まれた相互接続された金属鉄粒子のネットワークを発展させます。
還元が進むにつれて、多孔性が増加し、ガスの拡散とさらなる還元を促進します。微細構造は、硬度、延性、溶接性などの特性に影響を与えます。完全な金属化（90%以上）は、鋼製造に適した高純度の金属製品をもたらします。
材料相互作用
金属鉄、スラグ、耐火ライニング、雰囲気の相互作用は、プロセ