中国の新しい製鉄法、反応時間を数時間から数秒へ

鉄は依然として金属の王者

製造業の革新というと、ロボティクスや3Dプリンティングなどの先端技術、あるいはタングステン、チタン、ロジウムなどの希少金属や素材に注目が集まりがちです。各リンクでは、それぞれの投資対象について詳しく解説しています。

結局のところ、これらの進歩は重要であるものの、私たちが使用する材料の大部分ははるかに単純であり、現代生活にとって鉄ほど不可欠な金属はありません。

鉄と鋼は、インフラ（橋梁、鉄筋コンクリートなど）、物流・輸送（自動車、鉄道、列車、港湾、船舶）および無数の産業用途（配管、貯蔵タンク、炉など）に大量に必要とされる重要な材料です。

鉄の原料には、赤鉄鉱、褐鉄鉱、磁鉄鉱、針鉄鉱などの酸化物・水酸化物鉱物があります。黄鉄鉱も鉄を含みますが、酸化物ではなく硫化物です。鉄は、製錬される金属の約90％を占めるともいわれています。

出典: FTM Machinery

鉄は地球上に豊富に存在し、地殻の重量の約5％を占め、宇宙にも広く分布しています。ただし、利用できる形に加工するには、多くのエネルギーと時間が必要です。こうした中、中国の研究者が、製鉄の主要な反応段階を数時間から数秒へと短縮する方法を開発したと報じられました。報道で示された3,600倍という比較は、この反応時間に関するもので、製鉄所全体の生産量が同じ倍率で増えることを意味しません。

鉄はどのように作られるのか？

製鉄では、鉄を含む鉱石から酸素などを取り除き、金属鉄を得ます。高炉から取り出される溶融した銑鉄には炭素なども含まれており、純鉄ではありません。

古代の低温の炉から、中世、近代へと炉の技術は発達し、1,400〜1,500℃（2,550〜2,700°F）という高温を利用して、より効率的に鉄を生産できるようになりました。高温の銑鉄をそのまま製鋼所に送り、熱の損失を減らす場合もあります。

従来の高炉製鉄は時間のかかる工程で、今回の技術を紹介する報道では、比較対象として5〜6時間という処理時間が挙げられています。高温を維持する必要があり、通常はコークスなどを使うため、エネルギー消費も大きくなります。天然ガスを使う直接還元法など、異なる方式もあります。

このため、鉄鋼業は化石燃料の大きな消費者であり、温室効果ガスの主要な排出源でもあります。鉄鋼生産は世界のCO2排出量の約7％を占めると推計され、EU全体の排出量にも匹敵する規模です。

世界鉄鋼協会の2023年の粗鋼生産統計では、中国が世界全体の約54％、インドが約7.4％を占めています。

出典: GMK Center

中国とインドの鉄鋼生産では、石炭を原料とするコークスなどが広く使われており、CO2排出量を増やす要因となっています。

石炭の代わりに水素？

石炭への依存を減らす方法として、水素を使う低炭素製鉄が注目されています。水素は、単に炉を加熱する燃料というだけでなく、鉄鉱石中の酸素を取り除く還元剤として働きます。

課題の一つは、現在の商業的な直接還元製鉄では、不純物の少ない高品位の原料が一般に好まれることです。水素のコストが石炭より高い場合、鉄分の少ない安価な鉱石も効率よく使えれば、採算の改善につながる可能性があります。

こうした原料やコストの制約に対して、高炉とは異なる方式であるフラッシュ製鉄が、新たな選択肢となる可能性があります。

フラッシュ製鉄

張文海氏らが取り組んできたフラッシュ製鉄技術は、2024年に張仁杰氏が学術誌「有色金属（冶炼部分）」に発表した総説で紹介されています。報道によると、鉄鉱石粒子の還元反応に必要な時間は3〜6秒です。従来の高炉の5〜6時間という比較も報じられていますが、これは製鉄の全工程が数秒で完了するという意味ではありません。

基本的な考え方は、鉄鉱石をペレット状にする代わりに、細かい粉末として使うことです。粒子の表面積が大きくなるため、還元性ガスとの反応が速く進みます。爆発を起こして瞬時に純鉄を得る仕組みではありません。

この方法では、鉄鉱石粒子中の酸化鉄を、数秒という短い時間で還元します。

出典: MDPI

渦流式粉体吹き込みランス

鉄鉱石を細かく粉砕すること自体は、特別に難しい技術ではありません。より難しいのは、その粉末を炉内に安全かつ効率的に吹き込むことです。

報道によると、この課題に対応するため、張氏らは毎時450トンの鉄鉱石粒子を吹き込める渦流式ランスを開発しました。同様のランスを3本備えた反応炉について、年間711万トンの生産能力が示されています。これは報じられた設計上の能力であり、その量の商業生産がすでに実証されたという意味ではありません。

2024年の総説では、実験室試験とパイロット試験の成果を整理し、今後の産業化の可能性を評価しています。商業規模での本格稼働がすでに確認された、と断定することはできません。

この成果は一朝一夕に生まれたものではありません。張氏らの鉄のフラッシュ冶金装置に関する特許は2013年に公表され、その後も長年にわたって技術の改良やパイロット試験が進められてきました。大規模な実用化に向けては、安全性や安定操業、経済性などの検証が引き続き重要です。

出典: News.com.au

張文海氏は、非鉄金属の製錬技術でも知られています。報道では、1970年代から銅のフラッシュ製錬技術の発展に貢献したと紹介されています。同じ報道によると、2000年に国家科学技術進歩賞の一等賞を受賞し、2003年に中国工程院の院士に選出されました。

中国の戦略的目標

炭素排出

中国は世界最大の鉄鋼生産国であり、製鉄の石炭依存は炭素排出削減の課題です。また、中国は国内で大量の石炭を生産する一方、オーストラリアなどからも輸入しており、輸入燃料への依存も考慮する必要があります。

そのため、中国には代替技術を開発し、実用化を進める強い動機があります。特に、低炭素で製造された水素を使える方式は有望です。再生可能エネルギーの供給拡大と組み合わせれば、低炭素製鉄の競争力を高められる可能性があります。

世界の鉄市場を再構築するか？

この方法は、低品位・中品位の鉱石を効率よく処理できる可能性がある点でも注目されています。実用化が進めば、世界の鉄鉱石市場にも影響を与えるかもしれません。

オーストラリアは、中国の製鉄所にとって主要な鉄鉱石供給国です。ただし、輸入される鉱石の品位は一様ではありません。

出典: S&P Global

水素を使うフラッシュ製鉄が、石炭に依存する高炉の代替として実用化されれば、中国国内の低品位鉱石をより活用できる可能性があります。

中国とオーストラリアの関係は、貿易摩擦を経て、2023年には改善に向けた動きも見られました。2020年の貿易摩擦では、中国の依存度が高いことなどから、鉄鉱石は輸入制限の対象から外れていました。したがって、輸入鉱石への依存を減らすことは、コストだけでなく供給安全保障の観点からも、中国にとって重要になり得ます。

鉄鉱山会社

ヴァーレ

製鉄コストと炭素排出量の低下は、鉄鋼の利用をさらに広げる可能性があります。鉱山業では、事業規模や鉱床の条件が重要です。生産コストが低ければ利益を確保しやすく、商品市況の悪化にも対応しやすくなりますが、不況時の安全や収益が保証されるわけではありません。

ブラジルのヴァーレは、鉄鉱石とニッケルの主要生産企業です。2024年の鉄鉱石生産見通しを3億2,300万〜3億3,000万トンに引き上げました。これは当時の鉄鉱石の生産予想であり、鉄とニッケルの合計実績ではありません。

同社は、エネルギー転換に関係する銅などの金属も生産しています。これらの金属は将来の成長にとって重要ですが、鉄鉱石は同社の中核事業です。

ヴァーレは以前、より幅広い事業を手がけていましたが、近年は鉄鉱石などの中核事業への集中を進めてきました。同社の説明では、他の金属鉱山やパーム油などの非中核事業を、総額20億ドル規模で売却しています。

出典: Vale

大規模資産基盤

ヴァーレは鉱山会社ですが、鉄道、列車、港湾、船舶などの大規模な物流基盤も保有・運営し、採掘した鉱石を顧客に届けています。公益事業会社に分類されるわけではありません。

また、自社で使う電力の一部も確保しています。遠隔地で事業を行い、大量の電力を必要とするため、安定したエネルギー供給が重要です。

こうした電力確保には、水力発電も活用されてきました。水力発電施設の建設では、土工、発破による掘削、大量のコンクリート、重機、大規模工事、雨水管理など、鉱山開発と共通する技術や経験を生かせます。

こうした設備に加え、同社は研究開発センター、研究所、多数の地質専門家、研修施設なども備えています。

過去の環境災害への対応

ヴァーレのような大規模鉱山会社にとって、重大事故による人的被害や環境破壊は大きなリスクです。

2015年には、ヴァーレとBHPの合弁会社サマルコが運営するフンダン鉱滓ダムが決壊し、大災害を引き起こしました。さらに2019年には、ヴァーレのブルマジーニョのダムでも別の重大な決壊事故が起きました。

2015年の事故では、19人が死亡し、流出した鉱山廃棄物が2州の39自治体に影響を及ぼしました。これは2019年の事故とは別の被害です。

その後、同社は同種のダムの補修・強化や廃止を進めてきました。雨期を含めて事故リスクを減らすための対策ですが、リスクや責任がすべて解消したわけではありません。

同社は操業方法の見直しも進め、鉱滓の脱水に使う4つのろ過設備に25億ドルを投資すると説明しています。鉱滓とは、鉱石処理で生じる砕いた岩石や粉末、泥などです。脱水して積み上げる方式は、水分を多く含む鉱滓をダムに貯留する方式への依存を減らせますが、すべての鉱山でダムが不要になるという意味ではありません。

ヴァーレは企業イメージの改善にも取り組んでいます。同社は、鉱山事業と併せて資金を提供する大規模な自然保護区が、周辺で牧草地への転換が進む中、ブラジルの熱帯雨林の保全に貢献していると説明しています。

出典: Vale

ヴァーレはブラジルの主要な鉱山会社であり、中国をはじめとする世界の鉄鉱石需要を支えています。一方で、過去の環境災害に関する補償や修復などの責任は続いています。ブラジルと中国はいずれもBRICSの加盟国で、両国の経済関係は同社の事業環境にも関わります。