直接還元鉄（スポンジ鉄）：製造、特性、用途

製造方法

直接還元は複数の種類の反応炉で行うことができ、代表的なものにはシャフト炉、回転炉床ではなくロータリーキルン、流動床反応炉がある。現代の設備では、気体還元剤または固体の炭素質還元剤が用いられる。歴史的には、ブルーマリー炉による小規模な製錬でも鉱石から酸素を除去していたが、今日の直接還元は管理された工業プロセスである。

還元剤には主に次の二つの系統がある。

• ガス系プロセスでは、一酸化炭素と水素に改質された合成ガスまたは天然ガスを用いて鉄酸化物を還元する。
• 石炭またはコークスを基盤とする方式では固体燃料を使用し、天然ガスが乏しい地域でより一般的である。

製品の特性と形態

未加工のDRI製品は、多孔質の組織からスポンジ鉄と呼ばれることが多い。金属鉄、残留する鉄酸化物、少量の脈石および炭素を含む。DRIは反応性が高く、場合によっては粉じんを生じるため、輸送・保管の安全性を高める目的で熱間成形ブリケット鉄（HBI）に圧縮されることが多い。HBIとDRIはいずれも、製鋼における電気アーク炉（EAF）および誘導炉の原料として広く使用される。

用途、利点と制約

DRIは主として、特に電気炉を操業する製鋼事業者にとって代替的な鉄源となる。代表的な利点は次のとおりである。

• 一部の条件では、高炉・コークス炉の一貫設備に比べて必要な資本集約度が低い。
• EAF方式に適合し、水素または低炭素ガスを使用する場合にはCO2排出量を削減できる可能性がある。
• 石炭系DRIはガスを利用できない地域で有用であり、ガス系DRIはよりクリーンになり得るという柔軟性がある。

一方で、取扱い上の課題、金属化率のばらつき、追加の溶解または精錬の必要性が制約となる。高炉と比べると、DRIは大規模なコークス炉と液体銑鉄の生産を回避するが、あらゆる製鋼システムにおいて単純に一対一で置き換えられるものではない。

歴史と世界的背景

直接還元は、燃料と反応炉設計の改善に伴い、初期の製鉄技術から20世紀の工業プロセスへと発展した。現在、DRIの生産能力は世界的に大きく、数年にわたりインドが最大の単一生産国であり、とりわけ石炭系DRIで顕著である。豊富な天然ガスを有する地域ではガス系DRIプラントが推進されてきた一方、ライフサイクル排出量を抑えるため、水素などの低炭素還元剤に向けた技術革新も続いている。