“鉄から学び、鉄作りを進化させる" 最初に鉄ありきで38年

“鉄から学び、鉄作りを進化させる" 最初に鉄あり

きで38年

著者 有山 達郎

有山達郎

東北大学最終講義

“鉄から学び、鉄作りを進化させる”

最初に鉄ありきで38年

②1982-1984 静岡 1948- ①1975-1982 ③1984-1989 ④1989-1990 ⑤1990-1996 ⑥1996-2005 ⑦2005-2006 ⑧2006-2013

西ドイツアーヘン工大

東北大仙台

NKK福山

福山その1

NKK福山→JFE(2003)

福山その2

JFE千葉

NKK川崎

早稲田大 1969-1975

勤務地の変遷

USA 1989?

大学時代の恩師平田教授のテキスト

早稲田大学にて化学工学専攻

移動速度論、主にガス吸収を

テーマに修士論文研究

1980 1990 2000 2010 高炉の装入物分布 西ドイツ留学 石炭、酸素高炉 多結晶Si 溶融還元プロジェクト 高炉微粉炭吹き込み スクラップ利用 廃棄物リサイクル CO2削減 高炉プロセス マネージャー職

東北大

2006 2013 高炉モデル研究

JFE誕生

鉄を学ぶ

鉄から離れ

鉄に戻る

2003

鉄作りを変える

新プロセスの開発研究 部分還元焼結鉱、フェロコークス 廃プラ、塩ビ、ASR、RDF

取り組んできた研究

NKK 1997 COP3 京都議定書

基礎研究による

検証、解析

実用化研究

アイデア創出

ニーズ

シーズ

実機での改善

スケールアップ

今まで携わってきた研究開発の流れ

生産現場のサポート

大学

企業研究所

企業研究所

企業研究所

生産現場

海外展開

1000 0 50 100 150 200 250 300 0 200 400 600 800 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 02 04 :日本 :中国 :韓国 :インド :USA :EU15 :世界

EU15

中国

世界

USA 1200

世界15.5億トン(2012)

06 日本1億0760万トン(2011)

中国 7億1700万トン(2012)

世界の46%

国別粗鋼生産量

（百万トン

/年）

世界の粗鋼生産量

（百万トン

/年

)

400 500 1400 韓国 インド 08 10 1500 1600 600 700

経験してきた時代

日本

新日本製鐵 USスチール British Steel Bethlehem Steel 日本鋼管 ATH 住友金属 川崎製鉄 Finsider Republic Steel ArcelorMittal 新日本製鐵 宝山製鉄 POSCO 河北製鉄 JFEスチール 武漢製鉄 TATA Steel 江蘇沙鋼 US Steel ArcelorMittal 新日鐵住金 河北製鉄 宝山製鉄 POSCO 武漢製鉄 新日本製鐵 江蘇沙鋼 首都集団 JFEスチール 鞍山鋼鉄 ・・ 住友金属 34.6 28.5 25.6 18.7 12.9 12.2 11.2 11.0 9.7 8.7 103.3 37.5 35.4 34.7 33.3 33.0 27.7 24.4 23.3 23.2 97.5 46.1 44.4 43.3 39.1 37.7 33.4 31.9 30.0 29.9 29.8 12.7

1970年 5.95億トン

2008年 13.41億トン 2011年 15.27億トン

世界主要メーカー別粗鋼生産量

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 WSA資料

製銑

鉄鋼プロセスとは

海外から

石炭、鉄鉱石を輸入

転炉

連続鋳造

圧延

表面処理

常温

1500℃

溶銑

鉱石、コークス

ガス

2200℃

の燃焼温度

150℃

気体、液体、固体

伝熱

流動

反応

半径、高さ方向に不均一な系

・天然資源を扱うため性状

が不均一

・生産量の確保が使命

・鉄の生産コストを決定

冶金工学、化学工学など

_{広範な知識体系を必要}

高炉の特徴と研究課題、むずかしさ

扱う相が多く、温度場としても

非常に広い

実験とモデル解析の両面

からのアプローチが不可欠

熱 還元ガス

原典はフランス語文献

JFE21世紀財団 「大学教材鉄鋼工学」より

上司から鉄を学ぶ

フランスのRist教授の考案したRist線図

10

化学工学の蒸留操作の考えを適用

物質収支、エネルギー収支が基本

研究テーマ

高炉の解体研究

高炉の大型化→4000m

3

高炉の出現

原料炭の削減、成型コークスなど

NKG還元ガス吹き込み

原子力製鉄

当時の研究課題

変成期

_蓄熱期

COG

O₂ O₂ 空気 Oil Oil

高温還元ガス

炉頂ガス

予熱COG

改質炉 Bガス 加熱炉

還元ガス吹き込みNKGプロセス

熱風

CH

₄

+CO

₂

→2CO+2H

₂

空気

鉱石 コークス

高炉の装入物分布の研究

ガス流れの影響の発見

最近のDEM-CFDによるシミュレーション

1982年 西ドイツアーヘンにて

1982年 西ドイツアーヘンにて

カール大帝像

IEHK, today (corner Turmstraße / Intzestraße)

アーヘン工科大学にて

Researchers of 1983

Members of the team at IEHK:

当時のGudenau研究室

教授室にて企業研究者と

Ausbildung

Erziehung

BF-Injection Rig

アーヘン工科大学での研究

アーヘン工科大学での研究

(1) シミュレーション

(2) 試験高炉 BF

(3) 商用高炉 BF

(4) シャフトガス吹き込み

R & D

Period

実高炉での試験

試験高炉BF

PC

Steam

O

₂

Oxy-Coal PC バーナー

(1) モデル開発

(2) I.V. 3.9m

3

_1.5月×4

(3) ランス耐久テスト 2.5month

(4) 予熱用バーナー

1983 - 1984

1984 - 1995

1987 - 1988

1987 - 1988

Activities

酸素高炉プロセスの開発

後にガソリン合成、DMEの研究に展開

Si+3HCl＝SiHCl

₃

+H

₂

Si+4HCl＝SiCl

₄

+2H

₂

SiHCl

₃

+H

₂

=Si+3HCl

SiO

₂

→金属Si

精製

多結晶Si

半導体用多結晶シリコンの製造研究

Siemens法

単結晶Si

1987-1988年の研究

多結晶シリコンの製造研究

金属Si

SiHCl3

多結晶Si

当時のコークス生産量予測

(百万t/年) 2000 2005 2010 2015 2020 (年) 60 50 40 30 20 10 0 コ ク ス 生 産 量 1995 1990 1985

コ－クス不足

PCR 100kg/t コ－クス需要量 70 前提条件 ・コークス炉命35年 ・粗鋼生産量１億ｔ ・高炉法／電気炉法比率 70/30% （専業メ－カ－＋鉄鋼6社） 既存コ－クス炉によるコ－クス生産量 既存コ－クス炉によるコ－クス生産量 （鉄鋼6社） PC増加

溶融還元プロセスのナショプロ研究

: 726kg/ ton HM (VM = 31.2%)

Coal consumption

Ore: 193 ton/Hr

59,000 Nm3/Hr

Oxygen:

Coal :

3000 ton/D

125 ton/Hr

Hot Metal

91 ton/Hr

Export Energy

2.7 Gcal/ ton

Based on HVM coal

DIOSプロセス

DIOS : Direct Iron Ore Smelting Reduction

O2

溶銑

ホット サイクロン

粉鉱石

Fe

2

O

3

予備還元

流動層

溶融還元炉

余剰ガス（電力へ）

予備還元鉱石

FeO

還元ガス

溶融還元プロセス（DIOS)の概念と課題

特徴 ・粉鉄鉱石、一般炭を直接利用できる。 ・設備が簡素で操業弾力性に富む。 課題 溶融還元炉 ・高二次燃焼率と着熱効率の確保 ・耐火物の耐久性 予備還元流動層 ・粉鉄鉱石の均一流動化 ・還元率予測 ・鉄鉱石の粉化防止

石炭

攪拌ガス

飛出し速度=At K*(dp) Pb(dp)=F2P2(dp) K*=F2P2(dp)/AtPb(dp)

予備還元流動層の還元率予測モデルの研究



流動層は完全混合であるが、

高流速の流動層で微粉の飛

出し挙動が還元率予測の上で

重要。 確率論的なモデル

を構築し、飛出し速度を解析

Fig. 予備還元流動層の物質収支

Specifications

3.7 m ID x 9.3 m H

type: mud gun & opener Items Specifications plant capacity equipment 500 ton/D (21 ton/H) operation pressure: dimension:

less than 2.0 atm G

bore dia. : 70 mm furnace smelting reduction tapping 3.7 m ID x 9.3 m H

溶融還元プロセスの中間プラント

溶融還元プロセスの研究総括



高ガス流速で処理されるため、微粉、粗粒に分級された運動挙動に合致した

飛出し速度モデルを考案。→ISIJ Int.への投稿論文（鉄鋼協会澤村論文賞）



溶融還元プロセス（DIOS）の設計指針となる。



本質的な課題

高炉では発熱帯が下に

還元帯は上に。

溶融還元は逆

溶銑

石炭

攪拌ガス

二次燃焼帯

(発熱帯）

還元帯

DIOS

高炉

44

新プロセスのインドへの技術売り込み

当時のコークス生産量予測

(百万t/年) 2000 2005 2010 2015 2020 (年) 60 50 40 30 20 10 0 コ ク ス 生 産 量 1995 1990 1985 200 300 0 PCR (k g /t) 100 コ－クス不足量 PCR 100kg/t 150kg/t 200kg/t 250kg/t コ－クス需要量 70 前提条件 ・コークス炉命35年 ・粗鋼生産量１億ｔ ・高炉法／電気炉法比率 70/30% ・溶融還元 0% （専業メ－カ－＋鉄鋼6社） 既存コ－クス炉によるコ－クス生産量 既存コ－クス炉によるコ－クス生産量 （鉄鋼6社） PCR平均 PCR max PCR実績 PC増加

微粉炭多量吹き込み時の技術課題

課題

解決手段

高炉の適切な分布制御

高効率燃焼バーナーの開発、適用

良好な性状の装入物使用

（低シリカ焼結、大粒径コークス

C O PC シェル 炉芯 融着帯

通気性悪化

壁への熱負荷大

燃焼性悪化

炉下部の熱負荷制御

微粉炭多量吹き込み時の燃焼に関する課題

微粉炭

（PC)

熱風

未燃チャー

コークス

ランス構造の最適化

150m/s 20m/s

滞留時間

～

30ms

レースウェイ

微粉炭の分散性

強化

微粉炭燃焼実験ホットモデルの製作

Coke

N

₂

プローブ

空気

LPG

O

₂

600 mm

排ガス

ランス

PC

測定用プローブ

コークス

コークス充填層

フィダー

羽口径: 65mm

ブローパイプ径: 90mm

微粉炭燃焼の流れの一次近似モデル

高速気流中の燃焼であり、半径方向の拡散は少ない。

(c) 偏芯ダブルランス

(a) シングルランス

熱風

(b) ダブルランス

微粉炭インジェクションランスの開発

63％

72％

46％

ランス先端から600mm 位置の燃焼率 ホットモデル 写真

3次元数式モデルによる微粉炭燃焼シミュレーション

T emp er atu re ( C )

(b) 偏芯ダブルランス

(a) シングルランス

(a) シングルランス

Oxy g en co n cen tr ati o n (v o l% )

(b) 偏芯ダブルランス

温度分布

_{酸素濃度分布}

(Front view)

羽口

PC

PC

熱風

(Side view)

(Top view)

218kg/t, 10月 (日本での記録達成)

偏芯ダブルランスの考案と実機適用

福山4BF に1994年4月に適用

その後、F3BF(Mar.,1998), F2BF(Sep.,1998), F5BF(Jun.,1999)に適用

実機での多量吹き込み操業の実施

Oxy-coalランスの構造

100%

60%

21%

Straight end

先端構造の酸素濃度への影響

PC

O

₂

O

₂

Focused end (45 )

Air

Air

さらに多量吹き込み用のoxy-coal ランスの開発

オキシコールランスへの展開

O

₂

羽口

PC

熱風

PC

O

₂

O

₂

O

₂

PC

偏芯ダブルランスと酸素ランスの組み合わせ

ソルーションロス反応

による炭素消費

0

20

40

60

80

100

300

200

100

0

50

150

250

80

消費

60

70

50

燃焼率 (%)

ダスト発生

未燃チャーの発生量

Ca

rbon

ra

te

(kg

/t)

90

120

400

350

シングルランス

ダブルランス

偏芯ダブルランス

微粉炭吹き込みの限界予測

April May June, 1998 2.3 1.9 1.5 P rod. (T /D/m 3) 500 400 300 200 CR (kg/ T) 0 100 200 300 P CR (kg/ T) S i (% ) 0.1 0.2 0.3 0.4 350 300 250 S la g Ra te (kg/T)

1 point by 5 days 1 point by 1 days

1998年4月福山3高炉での世界記録達成

月間平均

6月時 :266kg/t

世界記録達成

酸素送風

微粉炭

廃プラ

高カロリーガス

溶銑



特徴

スクラップを鉄源に微粉炭

と廃プラを大量に吹き込み

高カロリーガスを回収

安価に溶銑を製造

スクラップ

高炉用コークス

1995年、環境調和型鉄源プロセスの提案

PRISM：

P

rocess for

R

egeneration

I

ron by

S

crap

M

elting

我が国における廃プラスチック発生状況

生産量

,発生量

（百万トン

/年）

年

廃プラ発生量

1980

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1985

1990

1995

2000

2005

生産量 フィードストック/サーマル リサイクル マテリアルリサイクル 埋め立て、単純焼却 66

スクラップ溶解炉試験設備概要

バケット 秤量機 ガス処理設備 Cooler 微粉炭 プラスチック 酸素 ﾊﾞｰﾅｰ x3 燃焼炉 ｻｲｸﾛﾝ ﾊﾞｸﾞ

炉口径: 0.8 m

炉床径: 0.85 m

羽口-ストックライン: 3.1 m

内容積: 2.0 m

3 窒素 Probes 羽口 酸素 ﾊﾞｰﾅ 微粉炭 ﾌﾟﾗ 羽口径: 100mmφ 微粉炭ー酸素バーナー （酸素、微粉炭乱流拡散強化）

スクラップ溶解試験操業時のメンバー

試験操業

1994年12月5日

～1995年1月20日

スクラップ溶解炉写真

1994～1995年

の研究

試験材のプラスチック

ポリエチレン（0.2～1.0mm） ポリエチレン（4mmφ×2T）

ポリエチレン（1.0～2.0mm） PLP端材（4mm以下）

冷凍破砕

0 100 200 300 400 1250 1300 1350 1400 1450 0 50 75 25 0 0 1 2 3 4 5 6 -1mm -1mm _{2-4mm 2-4mm} 炉頂ガ ス温度 . (ºC) プラ吹込量 (k g /h) 溶銑温度 . (ºC) PC I coal (k g /h) PE PVC PS PVC PE

経過 (日)

PLP 100 150 50 200

(Fuel rate : constant)

粒子径 d

_p

終末速度

u

微粉炭

粗粒

u

_c

d

_pc

循環

通過

レースウェイ内の運動挙動

レースウェイ境界 h = 100 (d_p3 – d pc3) / dp3 限界粒子径

0

20

40

60

80

100

0

2

4

6

平均粒子径 ( mm )

燃焼・ガ

ス化率

(

%

)

破砕プラスチック 造粒プラスチック 微粉炭

レースウエイ内における廃プラスチック燃焼ガス化モデル

微粉炭、廃プラスチックの運動挙動

造粒プラスチック

未燃焼チャー

破砕プラスチック

(粗粒、硬い粒子)

微粉炭

1-pass 燃焼

(微粒、壊れやすい)

循環 + 1-pass

循環

粉化

廃プラスチックの実高炉吹き込みテスト

浅沼君撮影

廃プラスチックのリサイクルとしての認知

ケミカルリサイクルとして

認められる

廃プラスチック吹き込みの商用化

容器包装プラスチックは

2000年から開始

廃プラスチック吹き込みの発表

82

廃プラスチック吹き込みの受賞

ドイツの廃プラスチック吹き込みの記事

福山に研究所移転後メンバー

鉄鋼プロセスのリサイクルへの展開構想

自 動 車 プ ラ 家 電 建 材 鉄鋼製品として世の中へ （製鉄所を中心としたサイクルの確立） ｴﾈﾙｷﾞｰ利用

再生材料利用技術

（鉄鋼分野）

高炉原料 製鋼原料 使用済みプラ 鉄 ｼｭﾚｯﾀﾞｰﾀﾞｽﾄ 非鉄 木屑

鉄鋼製品

製鉄原料へ（分別・破砕・造粒）

予備乾留炉 ﾊﾞｲﾝﾀﾞｰ 活性炭 炭化炉 高炉 再生搭 吸着塔 ガス処理施設 水処理施設 下水，産業排水処理・河川浄化 成型 微粉炭代替 各種有機系廃棄物 使用済み活性炭 細粒の炭化物 水 10mm 試作材 建設発生木材 廃プラスチック 紙製容器

有機系廃棄物からの活性コークス製造プロセス



間接加熱式ロータリーキルンで塩化ビニルより塩化水素を高濃度で回収。



塩化ビニル凝集防止及びキルン内付着防止に

粉コークスを利用

。

脱塩素プラは高炉原料に、塩素は塩酸として回収・利用。 

並流方式により脱塩素に最適な温度を長く保持。

高炉

塩酸回収

塩化水素

脱塩素プラ

外熱式並流型ロータリーキルン

加熱ガス

粉コークス

塩ビ

新たに考案した脱塩素プロセス

5000t/y高濃度塩ビ脱塩素設備

化学工学会技術賞

自動車シュレッダーダスト処理への挑戦

鉄鋼メーカー 非鉄精錬メーカー プラスチック類 浮上物 沈降物 溶銑 高炉 鉄 非鉄金属

サーモバス

砂、ガラス

自動車由来のシュレッダーダスト

金属 ガラス・砂



ｺｰﾙﾀｰﾙをベースとした有機熱媒中での低温処理、高速比重分離



280℃で処理しウレタンが選択的に分解、塩ビ脱塩素も可能



密閉系での処理でガス処理が容易

有機熱媒体

浮上物

沈降物

粉砕

粉砕

高炉原料化

金属 砂 ガラス

磁選

鉄

非鉄金属

プラスチック

サーモバスによって処理された浮上物、沈降物

熱媒タンク

溶解分離槽

浮上ﾌﾟﾗ

ｼｭﾚｯﾀﾞｰﾀﾞｽﾄ

国の補助金で建設、ASR処理能力1000t/y

サーモバスパイロットプラント

高炉を活用した廃車スクラップの利用構想

2002年作成

ｼｭﾚｯﾀﾞｰｽｸﾗｯﾌﾟ （鉄、銅、ｱﾙﾐなど） ｴﾝｼﾞﾝ、ﾊﾞｯﾃﾘｰ、ﾀｲﾔなど 500万台/年

80万トン/年

_{ｼｭﾚｯﾀﾞｰﾀﾞｽﾄ}

(ASR)

部品回収 44% 鉄・非鉄回収 36% 焼結鉱 コークス

圧縮裁断

サーモバス 浮上物

金属回収物

シュレッダー鉄 中心 装入 羽口

ソフトプレス

JFE発足2003年、鉄鋼と環境の研究を指向

高炉、コークス炉、転炉

発電所、ﾕｰﾃｨﾘﾃｨｰ供給設備

②ｴﾈﾙｷﾞｰ関連ｲﾝﾌﾗが完備

③陸、海上アクセスが便利

バース、荷役設備保有

高炉、コークス炉など

高温プロセスを有する

発電所、ﾕｰﾃｨﾘﾃｨｰが

完備されている

鉄鉱石、石炭等、大量の

原料ハンドリングに習熟

①高温プロセスを有する

高炉、コークス炉、転炉

臨海に立地し、広大な

敷地を有する

環境調和型製鉄所の構想

製銑・環境プロセス研究部の名称

98

CO

₂

削減の指針

（C） 製鉄所内部での削減

化石原料の削減 _製鉄所 鉄製品 CO₂の削減

（B） 廃棄物リサイクルによる削減 （System Extension)

製鉄所 廃プラなど 国内周辺社会 化石原料 CO₂削減

（A） 京都メカニズムによるCDM、JIの活用

製鉄所 海外 CO2削減 資金、技術 Credit (ERU、CER） 先進国間共同実施：JI (京都議定書６条） ｸﾘｰﾝ開発ﾒｶﾆｽﾞﾑ：CDM （京都議定書１２条）

提案プロセス内容

効 果

・既存設備を利用し、安定した高炉多量吹込みが可能

特 徴

・熱処理、溶融脱塩素による_{・熱、溶媒処理等でのプラ改質による}プラ中塩素の選択的除去（乾式脱塩素） _{微粉化の達成（0.5mm以下）} ・微粉化により微粉炭吹き込み設備が利用可能 簡易 前処理 容リプラ _{溶媒 ガス} 処理 高炉 高炉 還元材 熱処理による ﾌﾟﾗ改質・脱塩素 粗粉砕 冷却 微粉砕 異物 HCl 廃プラ脱塩素・微粉化技術 微粉炭 （<75μm） 微粉炭 吹込設備

全羽口へ

製鉄所をシステム的に捉えてCO

2

削減を考える

CO -110 CO₂ -393 H₂O -285 CH₄ -74 C 0 CH₃OH -239 生成熱 ΔHf0 (kJ/mol)

CCS

CO

₂

_CO

₂

石炭

製銑工程

エネルギー供給

入力炭素の削減

下工程

鉄製品

所要炭素量削減

脱炭素

脱炭素

省エネ

End of pipe

Input

carbon

還元、熱源 熱源

還元と熱発生の同時効果あり

CO

2

は炭素の最終形態

製鉄所のCO

₂

発生量予測モデルの構築

あ 発電所 241kg/t (11.8%) 700kg/t (34.4%)

11.4kg/t (0.6%)

Total 2031kg/t

石炭

高炉 焼結機 熱風炉 コークス炉 下工程 石灰焼成 70.0kg/t (3.4%) 390kg/t (19.2%) 還元材比 495kg/t

104 高反応性コークス 鉱石 コークス 送風 廃プラ バイオマス 天然ガス 還元ガス吹き込み 還元平衡制御 ガス還元 平衡制約あり 直接還元 （吸熱）

低炭素製鉄プロセス

 脱炭素 ・バイオマスなどカーボン ニュートラル物質、廃プラ などの活用 ・天然ガスなど水素系還元材 の活用 ・還元平衡を動かす ・ガス還元の強化 高反応コークス性に よる低温高炉 還元ガス吹き込み  インプット炭素量削減  排出CO₂の隔離 ・CO₂の分離回収・貯蔵

酸素高炉プロセスの展開

100

80

60

40

20

0

0

2

4

6

酸素濃度 (%)

生産性

(t

/d

m

3

)

m 3) 微粉炭: 300kg/t 酸素 : 300Nm3_/t 温度 : 25℃ 循環ガス : 300Nm3_/t 現行高炉 コークス 300kg/t コークス 350kg/t 酸素高炉 低炉化も可能 微粉炭: 200kg/t 熱風: 1050Nm3_/t 酸素: 40Nm3_/t 熱風温度 : 1200℃ 特徴 ・ 高生産、高速還元 ・ 微粉炭多量吹き込み ・ 窒素フリーガスの発生

_{JFEスチールの}

試験高炉

(a) 酸素高炉の原型

還元材比：533kg/t

(b) 酸素高炉+CO

₂

分離

還元材比：434kg/t 燃焼 予熱ガス 循環ガス 脱水 H₂O 1000℃ 25℃ 25℃ 750℃ 鉱石 : コークス 余剰ガス : 797Nm3_/t (1424kcal/Nm3₎ 酸素 微粉炭 酸素 加熱 予熱ガス 循環ガス 脱水 H₂O 1000℃ 25℃ 25℃ 750℃ 鉱石 コークス 余剰ガス : 205Nm3_/t (1805kcal/Nm3₎ 脱CO₂ CO₂ 微粉炭 酸素

酸素高炉のCO2削減への展開

高炉の還元機構の解析

直接 還元 CO 還元 水素 還元 H₂ CO 熱風 レース _ウエイ CO,CO_{2 H2,H2O}

Fe

₂

O

₃

必要なカーボン: 2.5mol-C/mol-Fe

発熱

必要なカーボン : 1.5mol-C/mol-Fe

大きな吸熱

FeO

1.5

+

2.5

CO=Fe+

1.5CO

2

+

CO

FeO

1.5

+

1.5

C

=Fe+1.5CO



CO還元：60%



直接還元:30%



水素還元：10%

吸熱

溶銑 Ｃ

方向

還元平衡の制御

→低温化

未利用COの循環

現行高炉と酸素高炉の還元機構比較

直接還元（吸熱） ガス還元

熱風

微粉炭

酸素

天然ガス、バイオマス

還元ガス

CO, H2

炉頂ガス

脱CO

₂

CO

₂

酸素高炉

現行高炉

予熱 CO, H₂, N₂ CO, H₂ CO還元 30% _10% 10% 80% 水素還元 60% 10%

ガス還元

カーボンによる

直接還元

炉頂ガス循環

CO

2

分離への対応性

熱風炉が不要

ガス還元を強化

予熱ガス

鉄鉱石

コークス

酸素高炉を主体にした製銑プロセスでのCO2発生

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

現有高炉 酸素高炉+ CO₂ 分離、炉頂ガス循環 CO₂分離、固定 出口側ベース

100

90

80

70

60

50

110

CO

2

排出量

(%)

ベース ULCOS インプットカーボン 現状の下行程の 所要エネルギー

欧州のULCOS計画

• A funnel approach will be followed:

– Initially a large panel of technologies will be evaluated

– Then, technologies will be selected or rejected according to specific criteria: potential for CO₂ mitigation, sustainability, cost, industrial size

– After 5 years, 1 or 2 technologies will be retained, to be demonstrated on semi-industrial scale -> further project

30 techno-logies 2004 1 or 2 techno-logies 2009 Selection steps Industrial demo project ULCOS Technolo-gy(ies) Industria-lisation 2015 ₂₀₂₅ 5 years ULCOS 2050 50% Reduction

欧州の長期計画の目標に対応

Ore 1584 kg Coke 201 kg

VPSA

Dust 11 kg db Exported gas 16 m3 _(STP) L.C.V. 104 MJ 1t hot metal 260 kg slag Coal 150 kg

C-Input

289 kg

- 28 %

1200C Oxygen 188 m3 Heater 1341 MJ 900C Vol. 303 m3_(STP) Vol. 448 m3_(STP) Ind. Red. 89.7 % RAFT 2000 °C Tail gas Vol. 446.0 m3 (STP) CO₂ 92.1 % CO 6.0 % H₂ 0.6 % N₂ 1.3 % L.C.V. 366.0 MJ Top gas Vol. 1213 m3 _{(STP) Temp. 147°C} CO 44.7 % CO₂ 36.1 % H₂ 7.2 % N₂ 12.0 % Product gas Vol. 751.0 m3 (STP) CO 67.6 % CO₂ 2.9 % H₂ 11.1 %

ULCOSプロジェクトにおけるNew Blast Furnaceプロセス

ThyssenKruppの製銑部にて

低炭素高炉に向けた新しい高炉原料の提案

コークス

金属鉄

部分還元焼結鉱

従来の高炉装入物

焼結鉱

フェロコークス

金属鉄装入効果

金属鉄触媒による

反応性向上効果

炭材内装鉱

複合系の新原料の追求

３元系

塊成化物

粉鉱石

炭材

超微粒鉄

部分還元、フェロコークス

:ナショプロで実施

2000年頃

114 114

金属鉄

コークス

フェロコークス

C+CO

₂

→2CO（吸熱反応）

Fe+

CO

₂

→FeO+

CO

FeO+

C

→Fe+

CO

鉄が触媒として炭素のガス化を促進

コークス

Fe/FeO

フェロコークス(CIC)の反応機構

REDOX反応

CO,CO2

反応温度：1100℃、反応ガス：CO

₂

100%

10mm

反応時間 ：１ｈ

◆

高温反応試験

反応後CICと室炉コークスの断面写真

CIC

_{室炉コークス}

10mm

CRI 53％

_{CRI 32％}

反応速度が速く拡散律速になっている

O/Fe 高反応性コークス使用 による熱的保存帯温度の 降下 FｅO Fe 温度 CO₂/(CO+CO₂) 目標 金属鉄投入効果 800℃ 1000℃

熱的保存帯

温度

金属鉄触媒効果による 反応性向上 金属鉄 コークス フェロコークス 還元平衡点 FeO-Fe)

低温からのコークスガス化

1000℃ 800℃

フェロコークス(CIC)使用時の高炉内現象と効果

ミキサー 粉砕 ブリケット 石炭 鉄鉱石 ガス加熱 冷却 焼結機 コークス炉 フェロコークスプロセス 60kg/ｔの 還元材比低減 非微粘炭 混合装入 縦型シャフト炉

フェロコークス製造プロセスを組み入れた製銑プロセス

ナショプロとして推進中

東北大学にて研究を開始

大学には大きな実験装置はないが、知恵があれば良い

自由な雰囲気で研究可能

鉄鋼は材料プロセスの根幹であるが、プロセス技術

については教えられていないのでは？

日本では製銑研究者は非常に少ない

鉄鋼は地球温暖化、資源、エネルギーに関わる分野であ

るが学術として継承させたい

有山研究室のテーマ

主な研究内容 1.プロセスシミュレーションによる地球環境負荷低減技術の探索 2.二酸化炭素の高速吸収体の設計 3.バイオマスなど有機系廃棄物の高機能化による酸化鉄還元反応の高速化 4.製鋼スラグ中有害元素の固定化によるスラグの利材化、リサイクルとの連携 による環境調和型製鉄プロセスの開発 転炉 鉄鉱石 石炭 高炉 還元鉄 鉄製品 バイオマスなど カーボンニュートラ ル原料 高機能化 廃棄物の 高度利用 改質 スラグの利材化

高炉の次世代数式モデル

_CO 2 CO₂高速分離

スラグ

フェロコークス

炭材内装鉱

コークス層 混合層 コークス混合装入 装入方法の高精度化 鉱石層 コークス層

大型高炉における

還元材比低減

装入方法の多様化、

新しい原料使用

不均一な炉下部現象

の解析と制御

低炭素高炉に対応できるモデル開発



層構造、炉芯形成など実現象

に合致した固体運動の表現



離散的な粒子運動の精緻な

モデル化



低還元材比操業など今後の

極限的な操業への対応力

固体温度 ガスベクトル



固体運動を疑似流体化近似

局所的、不均一な現象への対応力

粒子運動には離散要素

法（DEM）、気相には

連続体モデルを用いた

ハイブリッドモデル

次世代高炉数式モデルの研究に着手

従来型連続体モデルの課題

今後のニーズ

General conservation equation





_

_

_

_

i i S U t i i i i i i i i i           _{   }   grad div div 

ガス流れ

連続体モデル

気相





  _n F_s dt d I F dt dv m 　 

Newton’s 2nd low

DEM

固相

粒子運動

Interactive between two particles

Euler method

Lagrange method

新しいハイブリッドモデルの提案

122

夏井君の学位論文

転写

DEM-CFDの基礎方程式

Particle movement

Gas phase

Interaction between particle and gas

𝑚_𝑝𝑑𝒗𝑝 𝑑𝑡 = 𝑭𝑐 𝑁_𝑐 𝑗≠𝑖 + 𝑭_𝑓 + 𝑭_𝑔 ⋯ 𝑇ranslational displacement 𝐼_𝑝𝑑𝝎𝑝 𝑑𝑡 = 𝑟𝑝 𝑭𝑐𝑠 − 𝑭𝑟 𝑁_𝑐 𝑗≠𝑖 ⋯ 𝑅otational displacement 𝜕 𝜕𝑡 𝜀𝜌𝑔 + 𝛻 ∙ 𝜀𝜌𝑔𝒖𝑔 = 0 ⋯ 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑖𝑡𝑦 𝑒𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝜕 𝜕𝑡 𝜀𝜌𝑔 + 𝛻 ∙ 𝜀𝜌𝑔𝒖𝑔𝒖𝑔 = −𝜀𝛻𝑝𝑔 + 𝜀𝜇𝑔𝛻2𝒖𝑔 + 𝜀𝜌𝑔𝒈 + 𝑭𝑓 ⋯ 𝑁𝑎𝑣𝑖𝑒𝑟 − 𝑆𝑡𝑜𝑘𝑒𝑠′_{𝑠 𝑒𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛} 𝑭_𝑓 = 𝛽_𝑡 𝒗_𝑝− 𝒖_𝑔 ⋯ 𝐷𝑟𝑎𝑔 𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒 𝑏𝑦 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑 𝛽_𝑡 = 𝜇_𝑔 1 − 𝜀 𝜌_𝑔𝜀𝑑_𝑝2 150 1 − 𝜀 + 1.75Re𝑝 𝜀 ≤ 0.8 3 4𝐶𝐷 𝜇_𝑔 1 − 𝜀 𝜌𝑔𝜀2.7𝑑𝑝2 Re𝑝 𝜀 > 0.8 𝐶_𝐷 = 24 Re_𝑝 1 + 0.15Re𝑝0.687 Re𝑝 ≤ 1000

DEM-CFDによるシミュレーション

固相運動

ガス流れ

125 ヒーター 鉱石層 入口ガス

Perm

eabil

ity

[MK

S]

Shri nk ag e [%]

固相から液相に変わる現象のシミュレーション

夏井、黒澤君の研究

3500MPa

350MPa

35MPa

3.5MPa

荷重軟化モデルによる鉱石軟化のシミュレーション

充填層

構造

応力

ヤング率

Melting zone Young’s modulus 20MPa

ε

コークス比 350kg/t

空隙率

ガス流れベクトル

炉内の等圧面分布の比較

コークス比

130

基準

シャフト上部への

吹き込み

シャフト下部への

吹き込み

シャフトガス吹き込みの効果予測

コークス混合装入のガス流れへの影響

層状装入

コークス50%混合

コークス100%混合

鉱石が溶けた後の滴下シミュレーション

Gas velocity

2.0m/s

3.0m/s

4.0m/s

DEMによる充填層内の粉体の運動シミュレーション

菊地君の修論研究

日本の製鉄所の将来像は何か、存続しうるか

BF

Super BF

焼結機

コークス炉

酸素プラント

CO

₂

分離

発電所

ガス貯蔵 CO₂

貯蔵

鉄鉱石

CO₂ CO₂ 溶銑 CO₂ Off gas CO,H₂ 酸素

MinΣCO2

_i

Coal

C_nH_m CO₂

輸送

石炭 焼結機 コークス炉 高炉 炉内容積をdownsizing 粉鉱石 焼結鉱 コークス 原料強度を大幅緩和 乾留エネルギー減 焼成エネルギー減

最後に新しい製銑プロセスの提案



製銑工程の

省エネ



劣質資源の

使用拡大



CO2削減

エネルギー供給 高炉ガスの _{熱量を倍加} 酸素 天然ガス 混合装入 炭材内装鉱

2012年後半よりNEDOのプロジェクトとして研究開始



1975年旧NKKに入社

1975～1982 ・当時の大型高炉稼動を背景に高炉の装入物分布制御技術の開発 ・コークス炉ガスの顕熱回収など省エネ技術の研究開発 ・還元鉄製造を意図した還元ガス製造のプロセス研究 1982～1984 ・アーヘン工科大学に留学（鉄冶金学科Gudenau 教授の指導を受ける） 微粉炭多量吹き込みの基礎研究 1984～1986 ・石炭水スラリー（CWM)の製造研究 ・酸素高炉プロセスの研究開発 1987～1989 ・半導体用多結晶シリコンの製造研究 （TCS、モノシランからのポリシリコン製造の基礎研究）

今までの研究 その１

鉄を学ぶ

異分野の経験

1989～1991 ・溶融還元（DIOS)のプロセス開発 1991～1993 ・高炉のプロセス開発、特に微粉炭多量吹き込みの技術開発 ・スクラップ溶解プロセスの開発を提唱 ・廃プラスチックのリサイクルを提唱、開発に取り組む 1993～2006 ・高炉全般の研究及び指導 ・環境リサイクル、地球環境に関わる研究を開始 廃プラスチック（研究から商用化へ） 自動車リサイクル（ASR処理を目的とした新プロセスの提唱） 木材リサイクル（バイオマスからの活性炭製造） ・固体電解質による酸素分離膜の研究 ・CO2削減プロセスの研究開発（新プロセス開発、システム解析） ・部分還元プロセスの開発→ナショプロとして推進

鉄鋼のプロセス

研究

自ら提案へ

環境技術

エネルギー

研究開発

に取り組む

今までの研究概要 その２

2006～2013 東北大にて 高炉のオリジナルなモデリング研究 CO2削減プロセスの提唱と基礎研究 資源対応強化新製銑プロセスの提唱 →ナショプロとして基礎研究開始 共同研究者 井上 亮 准教授 植田 滋 准教授 課程博士 夏井俊悟（平成25年3月学位取得） 社会人博士 山本哲也（平成24年3月学位取得） 浅沼 稔（平成24年9月学位取得) 林 明夫（平成24年9月学位取得）

東北大での研究と研究の仲間

138

大きな目標を念頭に、プロセス研究

の面白さを伝え、何かを残す

次世代の育成、教育

修士15名 及川雅史（平成21年修了） 柳谷和成（平成21年修了） 夏井俊悟（平成22年修了） 和久田康司（平成22年修了） 渡辺健太郎（平成22年修了） 五十嵐 覚（平成23年修了） 小島克利（平成23年修了） 佐々木光平（平成23年修了） 黒澤弘行（平成24年修了） 徳田夏樹（平成24年修了） 松橋昌平（平成24年修了） 昆 竜也（平成25年修了、博士課程進学） 斎藤 諒（平成25年修了） 柴崎 亮（平成25年修了） 菊地 辰（平成26年修了予定） 留学生 Fan ZhengYun 北京科技大、2008-2010 （2011年5月北京科技大にて学位取得) Seyed Reza Safavi Nick（学位取得） スウェーデン王立工科大、2009-2010 Nils Andersson（学位取得） スウェーデン王立工科大、2008-2009 Tamoghna Mitra オボ大学（フィンランド）、2013- 技術補佐員の方々 伊藤昭久 木村里香 早坂未穂

今までの研究の仲間

多元研の方々