鉄鋼材の資源循環の現状
東京大学
大学院工学系研究科
マテリアル工学専攻
特任准教授 醍醐市朗
2012年12月4日 第2回 グリーン・スチール・セミナー講演内容
製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクル
銅やアルミのリサイクルと鉄鋼材のリサイクル
製品ライフサイクルと素材
天然資源
Materials
production
Distribution
Use
Collection
組立・加工
解体・分別
素材生産
販売
使用
廃棄
回収
最終処分
・散逸
加工 スクラップ 製品としての使用 自家発生 スクラップ 電炉粗鋼 鉄鉱石 高炉 転炉 加工 回収 電気炉 加工 転炉鋼材 電炉鋼材 自家発生 スクラップ
建設
埋立・散逸 自動車 機械類 転炉粗鋼製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクル
老廃スクラップIndustrial scrap
Use in Products (5 categories)
Landfill
Estimated
Obtained from statistics
EAF in - house scrap Converter crude steel
Obsolete scrap from products
EAF crude steel
E x p o rt Natural Resource Blast furnace Converter rolling Collection
Electric arc furnace (EAF)
rolling 22,324 (Unit : 1000t) 8,663 428 2,977 2,977 27,348 22,324 11,159 2,874 13,502 3,574 23,998 204 7,457 45,421 6,825 25,118 22,434 7,833 3,882 Converter Steel products EAF Steel products Converter in - house scrap
社会の中で何回使われているの？
社会の中で何年使われているの？
ランダム・ウォーク
酔っ払いが店Ａと店Ｂの間の道でフラフラして
いる
マルコフ連鎖モデルに必要なもの
状態と状態間の推移確率
店Ａ 店Ｂ 0.6 0.4 0.4 0.4 0.4 0.6 0.6 0.6 1.0 1.0マルコフ連鎖モデルの応用
Landfill
200ｔ
Virgin material
Product A
Landfill
Recycled
material
Product B
400ｔ
600ｔ
800ｔ
200ｔ
200ｔ
マルコフ連鎖モデル
20% Virgin material Product A Landfill Recycled material Product B 100% 75% 80% 25%マテリアルフロー
確率過程モデル
100% マルコフ連鎖は、未来の挙動が現在の値だけで決定され、過去の挙動と無関係であ る（マルコフ性）。平均使用回数の定義
平均使用回数は、以下の式
1×0.2＋2×0.32＋3×0.22+…=3.0
1 回
2 回
3 回
0.2
0.32
0.22
確率
最終処分までの間の 使用回数…
合計
1.00
平均使用回数
Landfill 20% Virgin material Product A Landfill Recycled material Product B 100% 75% 80% 25% 100% Initial state Final state 元素は、初期状態から様々な中間状態を経て、無限回遷移したのちに吸収状態（最 終処分）にたどり着く。その間に製品の状態を経た平均的な回数。吸収状態（最終処分と輸出）
遷移回数
Use in Japan
0 1 2 3 4 ・・・・・・・ ∞ ・・・・・・Landfill
Export
初期状態
85%
15%
日本で還元された鉄は、最終的に国内で最終処分される確率は15％で、残り85％は、 半製品輸出、鋼材輸出、最終製品輸出、中古品輸出、スクラップ輸出により海外に送 られている。平均使用回数
用途
平均寿命[年]
土木・建築
30
機械類
12
自動車
13
容器
1
その他諸成品
12
用途別平均使用回数（回数×確率） 平均 使用 回数 平均 滞留 年数 土木・ 建築 機械類 自動車 容器 その他 諸成品 結果 2.8 0.9 1.1 0.1 0.14.9
109
※2005年の鉄鋼材フローからの推計値平均使用回数とリサイクル率
r : リサイクル率 N: 平均使用回数 r :リサイクル率 N: 平均使用回数 50 % 2 回 60 % 2.5 回 70 % 3.3 回 80 % 5 回 90 % 10 回 100 % 無限回講演内容
製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクル
銅やアルミのリサイクルと鉄鋼材のリサイクル
銅素材の循環利用
代表的素材
Cu組成
純銅
無酸素銅
>99.90%
タフピッチ銅
>99.90%
りん脱酸銅
>99.90%
銅合金
黄銅 (亜鉛合金) 59.0 - 71.5%
快削黄銅
57.0 - 63.0%
純銅
銅合金
天然資源
電気銅
原料 ダウングレード リサイクル アップグ レード リサイ クルCu組成
銅スクラップ
>97%
銅合金スクラップ
>50%
0 200 400 600 800 1,000 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Year Coll ect ed p ure-Cu s crap s [1, 000t /y]
Obs. from Electric appliances Obs. from Automobiles Obs. from Construction Obs. from Other machinery Obs. from Electronic wire and cable Obs. from Others
Industrial scraps Statistics 0 200 400 600 800 1,000 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Year Coll ect ed Cu-al loy s crap s [1, 000t /y]
Obs. from Electric appliances Obs. from Automobiles Obs. from Construction Obs. from Other machinery Obs. from Electronic wire and cable Obs. from Others
Industrial scraps Statistics
純銅
銅合金
鉱物
ダウングレードリサイ クル アップグ レード リサイ クル 276 914 361 270 45 223銅素材のカスケードリサイクル
純銅
電気銅
銅合金
純銅と銅合金が区別されずに回収されることとめっきの存在がカスケードの要因I. Daigo et al.. Resources, Conservation & Recycling 53 (2009) 208-217.
散逸 散逸
アルミニウム素材の循環利用
圧延品
>95％
鋳物類
85％
一次地金
>99％
二次地金
>85％
Si Fe Cu Mn 1000系 0.3 0.4 0.1 0.05 2000系 0.8 0.7 4.9 0.8 3003 (3000系) 0.6 0.7 0.2 1.5 4000系 13.5 1.0 1.3 0.0 5052 (5000系) 0.3 0.4 0.1 0.1 6061 (6000系) 0.8 0.7 0.4 0.2 7000系 0.2 0.2 2.1 0.2 8000系 0.2 1.5 0.05 0.0 Si Fe Cu Mn 鋳物 7.0 1.0 4.0 0.5 ダイキャスト 12.0 1.3 3.5 0.5アルミニウムのカスケードリサイクル
圧延品
一次地金
二次
地金
鋳物
一次地金
合金地金
自動車
圧延品
2,403
62
325
110
2,403
1,276
401
650
529
304
日本
480
99％ Al
85％ Al
製品輸出入
原料・素材
輸出入
Unit: kt
畑山博樹，山田宏之，醍醐市朗，松野泰也，足立芳寛 : アルミニウムの合金元素を考慮した動的マテリアルフロー分析, 日本金属学会誌. 70(12), (2006) 975-980 合金種（系別）に回収されない ことがカスケードの要因 （日本, 2003）鉄鋼材リサイクルにおける銅の濃化
銅濃度の観測
大規模なサンプル調査
代表性の確保が困難
スクラップに混入する銅
の量は同定困難
A-Press⇒ モデルを構築し、マテリアルフロー分析に
よって銅の濃化挙動をシミュレーション
- 銅は酸化製錬で除去困難
- リサイクル時に混入
A-Press
0
5
10
15
20
25
転炉鋼 加工ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟ 転・ 土木建築 老廃ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟ 電・ 特殊鋼 加工ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟ 自動車A -SR 老廃ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟ 電炉・ 普通鋼 ﾘ ﾀ ｰﾝ ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟ 電炉・ 普通鋼 加工ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟ 機械 老廃ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟ 電・ 土木建築 老廃ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟ 自動車A P 老廃ｽ ｸ ﾗｯ ﾌﾟC
u量（千トン
）
随伴するCu総量：77.6千トン
うち巻込分：45.2千トン
13.8 19.6 9.8 1.9 +0.19%-Cu +0.27%-Cu +0.26%-Cu +1.11%-CuCu量で見るコンタミの状況
建設用電炉鋼材中の
Cuの濃化推計
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
Cu concentration in EAF crude st
eel
for
use in constructi
on （％）
ScenarioⅠ
ScenarioⅡ
ScenarioⅢ
現状維持シナリオ 建築物長寿命化シナリオ 高品位スクラップ輸出シナリオ 醍醐市朗, 藤巻大輔, 松野泰也, 足立芳寛：鋼材循環利用における環境負荷誘発量解析のための動態モデルの構築, 鉄と鋼, 91(1), pp. 171-178, (2005)スクラップ輸出と銅の濃縮との関係に着目
スクラップ 廃棄 リサイクル 製品 転炉鋼 電炉鋼 銅混入 銅混入 社会 輸出入スクラップ 鋼材の流れ 銅を含む鋼材の流れ 土木用・容器用等 転炉鋼 機械用・自動車用 電炉鋼 機械用・自動車用 転炉鋼 土木用・容器用等 電炉鋼 スクラップ 廃棄 リサイクル 製品 転炉鋼 電炉鋼 銅混入 銅混入 社会 輸出入スクラップ 鋼材の流れ 銅を含む鋼材の流れ 土木用・容器用等 転炉鋼 機械用・自動車用 電炉鋼 機械用・自動車用 転炉鋼 土木用・容器用等 電炉鋼 -8,000 -7,000 -6,000 -5,000 -4,000 -3,000 -2,000 -1,000 0 1,000 2,000 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 年 輸出 入計 （輸 入量 -輸 出量 ) /1, 000 t 輸入＞輸出 輸入＜輸出 -8,000 -7,000 -6,000 -5,000 -4,000 -3,000 -2,000 -1,000 0 1,000 2,000 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 年 輸出 入計 （輸 入量 -輸 出量 ) /1, 000 t 輸入＞輸出 輸入＜輸出 0 0.1 0.2 0.3 0.4 2000 2003 2006 2009 2012 2015 C u content s in E A F st eel f or const ruction [ %]High-grade scrap exports Low-grade scrap exports
0.2% 建設用電炉鋼材中 Cu 濃度（％ ） 低Cu濃度スクラップの輸出 高Cu濃度スクラップの輸出 藤巻大輔, 五十嵐佑馬, 醍醐市朗, 松野泰也, 足立芳寛 ：鉄スクラップの輸出による国内鋼材の品位変化に関す る考察, Cu濃度の推計結果（2003-2015） ネット輸入 ネット輸出
Crの物質フロー分析（システム境界）
特殊鋼サイクル 製 造 使用 処理 スクラップ 転炉普通鋼サイクル 電炉普通鋼サイクル 天然 資源 天然 資源 天然 資源 製 造 使用 処理 製造 使用 処理 スクラップ スクラップ0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
2002
2003
2004
2005
2006
C
ollect
ion
ra
tes
as
st
ainless
st
eel
Austenitic scrap
Ferritic scrap
使用済み製品からのステンレス鋼のス
テンレス鋼スクラップとしての回収率
フェロクロム 輸出入 廃 棄 物 処 理 加 工 ・ 組 立 普通鋼 サイクル 自家発生 スクラッ プ 加工 スクラッ プ 老廃 スクラップ 環境 501 213 353 正味輸出 151 未回収分 8 91 19 92 47 輸出 36 117 輸入 19 118 正味輸出 107 199 使用 蓄積 82 Unit: Gg Cr鉱石 32 特殊鋼ｽｸﾗｯﾌﾟ （除くSUS） 13 スラグ 2 特 殊 鋼 生 産 627 圧 延 ステンレス 粗鋼 -31 *1: ステンレス以外の特殊鋼の粗鋼 *1 210 Other cycles 4 スラグ 9
ステンレス鋼に含まれる
CrのSFA
電炉普通鋼の
Cr濃度の推計結果
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
1990
2000
2010
2020
2030 年
電炉普通
鋼中C
r濃度(
%)
推計値
実測値
熱間加工性：＞2.0％で影響
深絞り加工性：＞0.5％で影響
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
1987
1989
1991
1997
2001
2004
2008
調査年
電炉鉄筋棒鋼中濃度 (
%
)
Cu
C
Si
Cr
Mn
Ni
S
P
Sn
V
電炉鉄筋棒鋼の化学組成の推移
0
0.25
0.5
0.75
1.0
1.25
1.5
1.75
電炉鉄筋棒鋼中の濃度
(%
-Mn
)
講演内容
製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクル
銅やアルミのリサイクルと鉄鋼材のリサイクル
出典：平成24年版 環境白書
蓄積純増量（日本）の推移
年度 出典：環境省蓄積純増量は、資源投入量に対しほぼ一定割合で推移
循環利用の促進で減少 さらなる減少には、 蓄積純増の減少も必要天然資源投入量の削減のために
天然資源等 投入量 総物質 投入量 資源 資源循環 蓄積純増 廃棄物等 の発生 天然資源等投入量 総物質 投入量 資源 資源循環 廃棄物等 の発生 蓄積純増量が減少しなかった 場合のマテリアルフロー 定常的な人口を想定した場合の 理想的なマテリアルフロー 蓄積された結果、 都市鉱山となる都市鉱山は
大きい方がよい？小さい方がよい？
都市鉱山
（社会中の
物質ストック）
リサイクル
ポテンシャル
累積採掘量
大きい方がよい
小さい方がよい
将来まで考慮した資源の必要量
蓄積純増量
社会蓄積量の
有効利用による
天然資源消費
の回避
Mueller et al. (2006) J. Dargey et al. (2007)
P e r-ca p it a st e e l st o ck in u se in t h e U. S .
時間
V e h icl e s p e r 1 0 0 0 p e o p le変化量⊿
都市鉱山は人の手で造られる
地殻変 動 生産・ 消費都市鉱山
（社会中の物質ストック）
天然鉱山
（地中の物質ストック）
なるべく小さく かつ リサイクルし易い 都市鉱山を造る
都市鉱山から採掘（排出）される鉱物（廃棄物）ありきで、
選鉱・精錬（リサイクル）方法を考えている
都市鉱山の造山に必要な材料技術
なるべく小さな都市鉱山
少ない資源使用での機能発現
高機能化 （必要な機能の総量は一定）
リサイクル容易な都市鉱山
今のままで消費した多くの物質は
リサイクル困難な低品位な都市鉱山
これから
の課題
合金種の低減
（組織制御での多機能化など）
材料識別技術
（識別元素の添加など）
など
Historic U.S. iron stocks ,
1800–2004
(Müller et al., 2006)
