鋼材の溶銑脱硫（HMD）を推進する要因は、環境および材料の動向である。環境機関が設定した持続可能性目標は、製鋼工程からのCO2排出量の削減を求めている。その結果、硫黄やリンなどの不純物を多く含むスクラップ金属への依存度が高まることになる。
スクラップ金属を原料として使用する場合、脱硫の需要が増加する。そこで、主な疑問点として、どの脱硫剤を使用するかという問題が生じる。炭化カルシウム炭化カルシウム、マグネシウム、石灰のうち、総コストが最も低いのはどれか？分析には、炭化カルシウム、マグネシウム、石灰が鋼鉄中の硫黄やその他の不純物とどのように反応するかを評価する必要がある。単にコストを比較するだけでは、経済性を正しく評価することはできない。
本稿では、脱硫のメカニズムとプロセス、すなわち鋼材改良に利用可能な試薬の比較について考察します。さらに、各材料の性能データについても触れ、最後に総合的なコスト分析を行います。まずは基本から始めましょう。
なぜ鉄から硫黄を除去するのか？
鋼に硫黄が存在すると、その物理的特性が変化します。硫黄はモーテル鋼に含まれる不純物であり、除去することで「清浄鋼」が得られます。高温脆性、溶接性の低下、耐食性の低下、SOなどの問題が発生します。2排出物は鋼に含まれる硫黄から発生する。したがって、不要な元素を除去するために、さまざまなメカニズムや試薬を利用することができる。
脱硫メカニズムとプロセス構成
脱硫の原理
私たちの目標は、溶融金属から硫黄を効率的に除去することです。溶融金属中の硫黄含有量は通常、重量比で0.02%から0.06%です。試薬を添加すると、不純物はスラグとして上部に沈殿し、容易に除去できます。また、混合物をガスとして残すことも可能です。
脱硫プロセスにおいて考慮すべき主要なパラメータは、除去率（効率）、硫化物容量、および反応物と金属間の物質移動です。スラグの種類ごとに硫化物容量（スラグが硫黄を保持する能力）が異なります。硫黄の移動速度は拡散速度であり、約1.2×10⁻⁶です。-8m21350℃で/秒。
化学反応
石灰（CaO）
CaO + [S] → CaS + [O]
石灰は硫黄と反応して硫化カルシウムを生成し、酸素を放出する。しかし、このプロセスは、すぐに層（例えば、2CaO・SiO₂）が形成されるため遅い。2高密度の物質が形成され、それ以上の反応を阻害する。溶融金属に石灰を加えることによる副次的な利点はない。
CaC2+ [S] → CaS + 2[C]
炭化カルシウムが硫黄と反応すると、石灰に似た硫化カルシウムが生成されます。しかし、同時に炭素も生成され、粒子周囲に黒鉛層が形成されます。このプロセスは拡散を制限しますが、粒子サイズを調整することで制御できます。炭化カルシウムの副次的な利点は、発熱量が多く、溶融金属の温度維持に役立つことです。
マグネシウム（Mg）
Mg + [S] → MgS (固体）
マグネシウムと硫黄の反応は、他の2つの反応よりもはるかに速い。マグネシウムは1090℃で反応して蒸発する。硫黄化合物は気相中で核生成する。これにより溶融金属に熱が加わり、スラグの生成が最小限に抑えられる。
性能および効率データ
●マグネシウム（Mg）：最高レベルの効率性を誇り、5分以内に硫黄の85%から95%を除去します。
●炭化カルシウム（CaC2): 炭化カルシウム粒子65～90%の除去率を達成できる。ただし、その効果は粒子サイズに左右される。11.8µmの粒子を使用すると、除去率を90%まで高めることができる。
●ライム（韓国）：効率は最も低く、10～20分で50～70％を除去する。
試薬粒子を粉末状で溶融金属に浸漬ランスを用いて注入した場合、接触時間は非常に短く、約0.4秒である。一方、2～10mmサイズの炭化カルシウムを添加する場合は、接触時間は20～40秒に増加する。比較のため、いずれの場合も粉末状と仮定する。試薬の注入深度を示す浸透率（β）は、通常23～29%である。
脱硫プロセス
●KR（カンバラ原子炉）
石灰を用い、回転インペラを100rpmで回転させながら混合する（10～20分）。スラグの発生量は多いが、試薬コストは低い。混合物の塩基度を確保し、固形物からの鉄の損失を最小限に抑えるため、工程は厳密に管理される。
●MMI（マグネシウムモノインジェクション）
マグネシウム顆粒を（5分以内に）注入した。反応は1090℃（蒸気）のため速い。全工程で発生するスラグは少ない。MMIの主な欠点は、再硫化、すなわち硫黄が溶融金属に再吸収されることである。
●共注入
このプロセスでは、マグネシウムと石灰の混合物を使用する。混合物は粉末状で、窒素などの不活性ガスを用いて溶融金属に注入され、混合を促進する。ガスは気泡を形成することで混合を改善する。
●魚雷型取鍋共注入
魚雷型取鍋は、溶鉱炉から製鋼所へ溶融金属を運ぶための取鍋です。不活性ガスを用いて炭化カルシウムと石灰の混合物を溶融金属に注入し、混合します。これにより金属から硫黄が除去されます。発熱反応によって温度低下が抑制されます。
試薬の詳細な特性と取り扱い方法
以下に、3種類の脱硫剤の特性を箇条書きで示します。
1. 石灰（CaO）プロファイル
●欠点：濃いスラグが発生するため、鉄の損失が0.5～2.5％とかなり大きくなる。
●反応速度論:反応速度が遅く、2CaO・SiOなどの層によって制限される。2。
●パフォーマンス：単純なCaOプロセスでは50～70%が基準値となるが、強力な攪拌とフラックスを用いたKRプロセスのような最新の最適化された取鍋冶金では、初期の溶銑硫黄濃度から90%を超える高い脱硫率が日常的に達成されている。
2. 炭化カルシウム（CaC2プロフィール
●費用と使用方法：費用対効果の高い共注入混合物に使用されます（380ドル/トン)
●反応速度論:粒子周囲に形成される黒鉛殻によって除去が制限される。適切な粒径を選択すれば非常に効率的である。最も好ましい、かつ費用対効果の高い粒径は2～10mmで、これは取鍋の底に沈殿する。
●安全性：主な危険性は、水と激しく反応すること（アセチレンを生成する）です。
3. マグネシウム（Mg）プロファイル
●費用と使用方法：最も高価な試薬（1トンあたり2270ドル）MMIプロセスにおいて、超低硫黄目標（10ppm未満）を達成するために使用されます。
●反応速度論:最速のエージェントで、より高い除去率を実現します。
●損失:スラグや鉄の損失は最小限に抑えられるが、沸騰による試薬の損失は非常に大きい。
●制限：高炭素金属（例えばHIsarna）では、グラファイトが反応を阻害するため、効率が低下する。
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メトリック
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ライム
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炭化カルシウム
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マグネシウム
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除去率
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50～70
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65～90（90は罰金）
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85-95
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時間（分）
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10-20
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5-12
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5歳未満
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スラグ（kg/トン）
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10-15
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8～12歳
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5歳未満
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鉄分損失率
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2-3
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1歳未満
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1歳未満
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気温低下 °C
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25～40歳
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15-25
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熱を加える
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最終硫黄濃度（ppm）（400から）
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100～200
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10-50
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10歳未満
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コスト分析
先に述べたように、試薬の分析には、各方法における価格、消費率、鉄損失やエネルギー損失などのプロセス上のペナルティを比較する必要があります。単に初期コストを比較するだけでは誤解を招く可能性があります。ここでは、さまざまなプロセスにおける石灰、マグネシウム、炭化カルシウムのコスト分析を行います。コスト分析には、Schrama, FNH (2021) の「21世紀の鉄鋼製造における脱硫」を使用し、2025年第3四半期時点の最新価格を使用します。先に進む前に、以下の注記をご覧ください。
コストモデルとデータソースに関する注記：
消費量、鉄損失値、温度ペナルティ、摩耗/窒素コストの数値は、Schrama, FNH (2021) – Desulphurisation in 21st century iron- and steelmaking, TU Delft から直接引用したものです。論文中のほとんどの産業データは、Tata Steel IJmuiden (2017～2020年の操業条件) に基づいています。
他の製鉄所における実際のコストは、現地の溶銑組成、設備設計、試薬品質、人件費、エネルギー価格によって異なります。相対的な順位（マグネシウムが最も安い → 共射出 → 塩化カルシウム＋石灰 → 塩化カリウム＋石灰が最も高い）とペナルティの規模は、複数の欧州およびアジアの総合製鉄所で確認されていますが、絶対的な$/tHMの数値は、普遍的に適用できるものではなく、あくまで目安として考えるべきです。
価格（IMARCグループのみ）：
●石灰：150ドル/トン（生石灰レポート、2025年第3四半期）
●炭化カルシウム：380ドル/トン（炭化カルシウムレポート、2025年10月）
●マグネシウム：2,270ドル/トン（マグネシウムレポート、2025年第3四半期）
Schrama (2021)、第 8.4.2 章、8.5.1 章の試薬消費量:
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プロセス
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石灰（kg/tHM）
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CaC2(kg/tHM)
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マグネシウム（kg/tHM）
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KRライム
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12～15
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—
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—
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MMI-Mg
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—
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—
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0.6～0.8
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共注入（マグネシウム＋石灰）
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4～5
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—
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0.3～0.4
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CaC2ライムブレンド
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4～6
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6～8
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—
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Schrama (2021) からのペナルティ要因:
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要素
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価値
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ソース
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鉄分損失（KR-石灰）
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25 kg/tHM
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第3章、61ページ
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鉄分損失（その他）
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8 kg/tHM
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第3章、62ページ
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温度低下（ライム）
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30℃
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第2章、30ページ
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温度低下（CaC）2）
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15℃
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第2章、30ページ
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温度低下（Mg）
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正味0℃
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第2章、30ページ
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鉄の価格
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$420/MT
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第8章、164ページ
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一時的なコスト
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0.045ドル/℃
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第8章、165ページ
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N2+ 着用 (KR)
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1.25ドル/tHM
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第8章、165ページ
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N2+ 着用 (MMI/Co-inj)
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0.55～0.80ドル/tHM
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第8章、166ページ
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段階的なコスト計算（1トン当たり）
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プロセス
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試薬コスト
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鉄分損失
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温度
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摩耗/N2
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環境
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TOTAL
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KRライム
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13.5 kg × 150ドル/1000 = 2.03ドル
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25kg × 0.42ドル = 10.50ドル
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30℃ × 0.045ドル = 1.35ドル
|
1.25ドル
|
0.25ドル
|
15.39ドル
|
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MMI-Mg
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0.7 kg × 2,270ドル/1000 = 1.59ドル
|
8kg × 0.42ドル = 3.36ドル
|
0.00ドル
|
0.55ドル
|
0.15ドル
|
5.65ドル
|
|
共注射（マグネシウム＋石灰）
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(4.5 kg × 150ドル + 0.35 kg × 2,270ドル) / 1000 = 1.47ドル
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3.36ドル
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10℃ × 0.045ドル = 0.45ドル
|
0.80ドル
|
0.15ドル
|
6.23ドル
|
|
CaC2ライムブレンド
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(5kg × 150ドル + 7kg × 380ドル) / 1000 = 3.41ドル
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3.36ドル
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15℃ × 0.045ドル = 0.68ドル
|
1.00ドル
|
0.30ドル
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8.75ドル
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2025年度費用概要表（IMARCおよびSchramaのみ）
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プロセス／エージェント
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試薬
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鉄分損失
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温度
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摩耗/N2
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環境
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合計（ドル/トンHM）
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KRライム
|
2.03ドル
|
10.50ドル
|
1.35ドル
|
1.25ドル
|
0.25ドル
|
15.38ドル
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MMI-Mg
|
1.59ドル
|
3.36ドル
|
0.00ドル
|
0.55ドル
|
0.15ドル
|
5.65ドル
|
|
共注射（マグネシウム＋石灰）
|
1.47ドル
|
3.36ドル
|
0.45ドル
|
0.80ドル
|
0.15ドル
|
6.23ドル
|
|
CaC2+ライムブレンド（トルペード）
|
3.41ドル
|
3.36ドル
|
0.68ドル
|
1.00ドル
|
0.30ドル
|
8.75ドル
|
CHMD（継続）貯蓄
Schrama (2021)、第 8 章、p. 167:
「連続脱硫処理により、試薬使用量を10～15％、鉄の損失を50％、摩耗を20％削減できます。」
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プロセス
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バッチコスト
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CHMDコスト
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節約
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CaC2+ライム（魚雷 → CHMD）
|
8.75ドル
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7.44ドル
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−15%
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マグネシウム＋石灰共注入
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6.23ドル
|
5.30ドル
|
−15%
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最終評決 - IMARC + Schrama のみ
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エージェント
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コストランキング
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合計（ドル/トンHM）
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最適な用途
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MMI-Mg
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1位
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5.65ドル
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超低S、スピード
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共注射（マグネシウム＋石灰）
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2位
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6.23ドル
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コストとパフォーマンスのバランスが取れている
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CaC2+ライム（CHMD）
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3番目
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7.44ドル
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リン除去、HIsarna、加熱、連続フロー
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CaC2+ライム（魚雷）
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4番目
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8.75ドル
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バッチ式魚雷における高圧溶融金属
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KRライム
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5番目
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15.39ドル
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注射針がない場合のみ
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CaCを用いた共注入プロセス2+Lime（CHMD）は、初期費用が1トンあたり380ドルで、マグネシウムに比べて競争力のある価格を提供している。
結論：コスト最適化のための意思決定
3種類の試薬を徹底的に分析した結果、炭化カルシウムとマグネシウムが最も費用対効果が高いと結論付けました。ただし、MMI-マグネシウム剤の総コストは鋼1トンあたり5.65ドルと見積もられています。初期費用が低いことから炭化カルシウムは優れた選択肢であり、MMI-Mgプロセスよりも1トンあたり1.8～3ドル高いだけです。
マグネシウムの使用には、沸点が低い（1090℃）ため蒸発や発煙を起こし、安全上の危険が生じるなどの課題があります。一方、炭化カルシウムを使用すると、鋼の強度をさらに高め、脆性を防ぐという利点があります。炭化カルシウムは密度が高く、より安全で扱いやすい材料です。さらに、試薬として使用される純マグネシウムよりもスラグ量が少なくて済みます。
炭化カルシウム（CaC）を使用する2連続水素化金属蒸着（CHMD）は、産業界にとって理想的な選択肢です。リスクが低く、初期費用も抑えられます。直列反応器を用いた連続水素化金属蒸着（CHMD）は、今後の主流となるでしょう。試薬消費量の削減と鉄損失の最小化（1%未満）により、バッチプロセスと比較して総運転コストを10～15%削減できると予測されています。
