電炉と高炉の基本的な違いを解説

鉄鋼産業において、鉄の製造方法は主に高炉と電炉の二つに分けられます。

高炉は鉄鉱石を原材料とし、一方で電炉はスクラップや鉄の再利用材を電気を使って溶解します。高炉ではコークスを用いて鉄鉱石から鉄を取り出す一方、電炉は電気エネルギーを利用してスクラップから鉄を製造します。

これらの違いにより、使用する材料、エネルギー効率、環境への影響などにおいて異なる特性が生まれます

高炉・電炉の仕組み

鉄鋼業界の加熱炉は、鉄の製造方法として主に「高炉」と「電炉」の二つの方式があります。

使用する原材料、製造プロセス、環境への影響、コスト効率など、多岐にわたる面で特徴が異なっています。以下に、電炉と高炉の仕組みの違いについて詳しく解説します。

高炉の仕組み

高炉の構造

高炉は、主に以下の部分から構成されています。

• 炉心（バストファーナス）: 炉の中心部で、原料が加熱される場所です。
• 炉頂: 原料の鉄鉱石、コークス、石灰石が投入される部分です。
• 吹き込み口（テュヤーズ）: 炉心の下部に配置され、ここから高温の空気が吹き込まれます。
• 溶鉱炉: 液体の鉄（生鉄）と不純物が分離され、外部に排出される場所です。

高炉での製鉄プロセス

1. 原料の準備と投入: 鉄鉱石、コークス、石灰石は適切な比率で炉頂から高炉に投入されます。
2. 加熱と融解: 炉内でコークスが燃焼し、その熱で鉄鉱石が溶け出します。この時、コークスから発生した一酸化炭素が鉄鉱石の酸素と反応し、鉄と二酸化炭素に分解されます。
3. 化学反応: 炉心では、鉄鉱石とコークスの間で化学反応が起こり、鉄が液体の状態で抽出されます。石灰石は炉内の不純物と反応し、スラグとして分離されます。
4. 生鉄とスラグの収集: 溶けた鉄（生鉄）は炉の底に溜まり、上層に軽いスラグが形成されます。生鉄とスラグは、定期的に高炉から取り出されます。

環境への影響

高炉は、大量のエネルギーを消費し、二酸化炭素を大量に排出します。

生産に加熱炉を使用する鉄鋼業界は、世界全体のCO2排出量の大きな割合を占めています。

現在、エネルギー効率の向上や排出ガスの処理技術の改善により、この影響を低減する努力が進められています。

電炉の仕組み

基本的な構造と原理

電炉の中心部分は、大型の鋼製容器であり、内部は耐火材料で覆われています。この容器の中央には電極が設置されており、電極から強力な電流を流すことで高温を発生させます。

電炉の種類は、直流電炉（DC）と交流電炉（AC）が存在します。いずれも電気アークを利用して鉄を溶解する点は共通しています。

電炉の製鋼プロセス

1. 原料の充填: 鉄スクラップやDRI（直接還元鉄）などの製鉄原料が電炉の中に充填されます。この時、質の高い鉄スクラップを選定することが、最終製品の品質に大きく影響します。
2. 加熱と溶解: 電極を用いて電気アークを発生させ、高温で鉄スクラップやDRIを溶解します。この過程で、温度は約1600℃以上に達し、鉄が液体状態に溶解します。
3. 精錬: 溶解した鉄から不純物を除去し、必要に応じて合金元素を添加して鋼の化学組成を調整します。
4. 連続鋳造: 精錬された液体鋼は連続鋳造機に送られ、冷却されながら固体の鋼製品（スラブ、ビレット、ブルームなど）に鋳造されます。

環境への配慮

電炉の最大のメリットは、鉄スクラップを原料とすることで、資源のリサイクルを促進し、廃棄物を減少させることができる点です。

また、再生可能エネルギーから得られた電力を使用することで、CO2排出量を大幅に削減することが可能です。このように、電炉は環境に優しい鋼の製造方法として注目されています。

高炉・電炉の違いについて

電炉と高炉は、生産過程、原材料、環境への影響、および最終製品の特性が異なります。

原材料と生産過程

• 高炉は、鉄鉱石、コークス（炭素源）、石灰石（融剤）を原材料として使用します。これらの材料は高炉内で化学反応を起こし、鉄鉱石から酸素を取り除いて生鉄を生成します。生産過程で、膨大な燃焼エネルギーを必要とするためCO2を大量に排出します。

• 電炉は主に鉄スクラップやDRIを原材料として利用します。原材料は、放電熱エネルギーを使用して加熱、溶解し、鋼を製造します。電炉は、鉄スクラップのリサイクルにより資源を有効活用し、CO2排出量を削減する点で環境に優しい製造方法です。

エネルギー源と環境への影響

• 高炉のプロセスは、コークスの燃焼による化石燃料を主なエネルギー源としており、これが大量のCO2排出の主要な原因となります。
• 電炉は、電気をエネルギー源として使用します。電炉の電力が再生可能エネルギーから供給される場合、高炉に比べCO2排出量が非常に低くなることが特徴です。

生産効率と柔軟性

• 高炉は、一度に大量の生鉄を製造できるため、大規模生産に適しています。しかし、生産するための高炉の起動と停止には時間とコストがかかり、生産量の調整が難しいことがデメリットです。
• 電炉は比較的小規模な設備で運用が可能であり、生産量の調整が容易です。これにより、市場の需要の変動に迅速に対応できます。

最終製品の質

• 高炉からの生鉄は、鋼の製造の基礎材料として使用されます。高炉プロセスは、特に大量生産において高品質な鋼を製造するのに適しています。
• 電炉では、原材料の質に大きく依存するものの、高品質の鋼スクラップを使用することで、高品質な鋼を効率的に製造することができます。

鉄鋼材料の製造プロセス

鉄鋼材料の製造プロセスは、高炉・電炉それぞれの方法で、使用する原材料、エネルギー効率、環境への影響、および生産される鋼の質において異なる特徴を持っています。

高炉を使用した製鉄

高炉は、鉄鉱石から鉄を抽出する伝統的な方法で、世界の鋼生産の大部分を占めています。鉄鉱石、コークス、石灰石を高炉に投入し、高温で反応させることにより、生鉄を生成します。

鉄鉱石は酸素と結合しており、高炉内での化学反応によってこの酸素が除去され、純度の高い鉄が得られます。この反応には大量の熱が必要であり、コークスが燃焼することでこの熱を供給します。得られた生鉄は、その後、鋼を製造するための基礎材料として使用されます。

電炉を使用した製鉄

電炉は、主に鉄スクラップやDRIを原材料として使用します。

この方法では、電気アーク炉（EAF）の放電熱によって高温が生成され、鉄スクラップを溶解させて鋼を製造します。

電炉プロセスの最大の利点は、エネルギー効率が良く、鉄スクラップの再利用を通じて資源を有効活用できる点にあります。さらに、電炉は高炉に比べてCO2排出量が少ないため、環境に優しい製鉄方法とされています。

鋼の精錬と成形

生鉄または電炉で得られた鋼は、精錬プロセスを経て、不純物を除去し、所望の化学組成に調整されます。基本酸素炉（BOF）や二次精錬設備がこの目的で使用され、鋼の品質を向上させます。

精錬された鋼は、連続鋳造機でスラブ、ビレット、またはブルームといった中間製品に鋳造されます。

その後、これらの中間製品は、熱間圧延や冷間圧延のプロセスを経て、最終製品の形状に加工されます。熱間圧延は、高温で行われ、鋼板や鉄筋などの製品に成形されます。

冷間圧延は室温で行われ、より細かい厚さや表面品質を要求される製品に使用されます。

日本の鋳造・製鉄業界の現状

日本の鋳造・製鉄業界は、世界でも有数の規模を誇りますが、近年は国内外のさまざまな要因によって変化しています。特に、電炉と高炉の使用量や技術の選択において、海外との比較や現状の問題点が注目されています。

電炉と高炉の使用量

近年、環境保護やリサイクルの観点から、電炉による生産が増加傾向にあります。

日本では、電炉による鋼の生産量が全体の約30%を占めており、高炉による生産量が約70%となっています。

海外との比較

世界的に見ると、特に中国やインドなどの新興国では、高炉による生産が主流です。

これらの国では、急速な経済成長に伴い、大量の鋼が必要とされており、高炉による生産が選択されています。一方、欧米では環境規制の厳格化やエネルギーコストの高騰により、電炉による生産が増加しています。

現状の問題点

日本の鋳造・製鉄業界は、国内外の市場環境の変化に直面しています。特に、以下の問題点が挙げられます。

• 環境問題: 高炉による生産は、CO2排出量が多いという問題があります。

国際的な環境規制の強化により、電炉による低炭素生産への移行が求められています。

• エネルギーコスト: 日本ではエネルギーコストが高く、特に電炉による生産のコストが高いという課題があります。
• 国際競争: 新興国の製鉄業の台頭により、国際市場における競争が激化しています。そのためコスト競争力の向上が求められています。

CO2排出削減における課題

• エネルギー源の選択: 電炉のCO2排出量は、使用する電力の発電方法によって決まります。再生可能エネルギーを使用すればCO2排出をさらに削減できますが、安定供給やコストが課題となります。
• 高炉の代替技術: 高炉に代わる低炭素製鉄技術の開発が求められています。例えば、水素を還元剤として使用する方法などが研究されていますが、技術的な課題やコストが問題となっています。
• 鉄スクラップの供給: 電炉による製鉄は鉄スクラップに依存していますが、高品質な鉄スクラップの確保が課題となります。鉄スクラップのリサイクル率の向上が求められています。

まとめ

電炉と高炉は、鉄鋼製造の重要なプロセスであり、それぞれが独自の利点と特性を持っています。電炉は主に鉄スクラップを原料とし、電気をエネルギー源として使用して鋼を製造します。このプロセスは、比較的低いCO2排出量と高い生産効率が特徴で、環境に優しい選択肢とされています。

一方、高炉は鉄鉱石とコークスを使用し、大規模な生産に適しており、長期間にわたる鉄鋼産業の基盤を形成してきました。

ホンテス工業では、弊社断熱性紡織品は電炉、高炉で多く使用されています。

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