鉄鋼の溶銑脱硫（HMD）を推進する要因は、環境と材料のトレンドです。環境保護団体が設定した持続可能性目標は、製鉄プロセスからのCO2排出量の削減を求めています。その結果、硫黄やリンなどの不純物含有量が高いスクラップ金属への依存が高まります。
スクラップ金属を原料として使用する場合、脱硫の需要は増加するでしょう。そこで、主要な疑問が生じます。カルシウムカーバイド、マグネシウム、石灰のうち、どの脱硫剤が最も総コストが低いのでしょうか？この分析では、カルシウムカーバイド、マグネシウム、石灰と鋼中の硫黄やその他の不純物との反応を評価する必要があります。単純に原価を比較するだけでは、それぞれの経済性を評価する正しい方法とは言えません。 この記事では、脱硫のメカニズムとプロセス、そして鋼材の改質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ます。最後に、全体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。
なぜ鋼鉄から硫黄を除去するのでしょうか?
鋼中の硫黄の存在は、その物理的特性を変化させます。硫黄はモーテル鋼中の不純物であり、除去することで「クリーン鋼」が得られます。鋼中の硫黄は、熱間脆性、溶接性の低下、耐食性の低下、 SO2排出などの問題を引き起こします。そのため、様々なメカニズムと試薬を用いて、不要な元素を除去することができます。
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。硫黄含有量は通常、重量比で0.02%から0.06%です。試薬を添加することで、不純物はスラグとして上部に集まり、容易に除去できます。また、混合物はガスとして排出されます。
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、そして試薬と金属間の物質移動です。スラグの種類によって、硫黄を保持する能力である硫化物容量は異なります。硫黄の移動速度は拡散速度であり、約1.2×10です。-8 1350℃でm 2 /s。
化学反応
石灰（CaO）
CaO + [S] → CaS + [O]
石灰は石灰と反応して硫化カルシウムを形成し、酸素を放出します。しかし、この反応は、すぐ近くに緻密な層（例えば2CaO・SiO 2 ）が形成され、それ以上の反応が阻害されるため、反応速度が遅くなります。溶融金属に石灰を添加しても、副作用はありません。
CaC 2 + [S] → CaS + 2[C]
炭化カルシウムは硫黄と反応すると、石灰に似た硫化カルシウムを生成します。しかし、炭素が生成され、粒子の周囲に黒鉛層が形成されます。このプロセスにより拡散が制限されますが、これは粒子サイズを管理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、放出する熱で、溶融金属の温度を維持するのに役立ちます。
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です。マグネシウムは1090℃で反応すると蒸発します。硫黄化合物は気相で核生成し、溶融金属に熱を加え、スラグの生成を最小限に抑えます。
パフォーマンスと効率データ
●マグネシウム (Mg):最も高い効率を誇り、5 分以内に 85% ～ 95% の硫黄を除去します。
●炭化カルシウム（CaC 2):炭化カルシウム粒子は65～90%の除去率を達成できます。ただし、その効果は粒子サイズに敏感です。11.8µmの粒子を使用すれば、除去率は90%まで向上します。 ●石灰（KR）：最も効率が低く、10～20分で50～70％を除去します。
液中ランスを用いて溶融金属にダストとして注入した場合、試薬粒子は金属と接触する時間が非常に短く、約0.4秒です。一方、2～10mmの炭化カルシウムを添加する場合は、この時間は20～40秒に長くなります。比較のため、ここでは全てダストの場合を想定します。試薬の注入深度を表す浸透率（β）は、通常23～29%です。
脱硫プロセス
● KR（神原原子炉）
石灰を100rpmで回転するインペラで撹拌し（10～20分）、スラグは多くなりますが、試薬コストは低くなります。このプロセスは、混合物の塩基度を確保し、固形分損失による鉄の損失を抑えるように制御されています。
● 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分未満で注入しました。反応は1090℃（蒸気）で高速です。プロセス全体でスラグ生成量が少なくなっています。MMIの主な欠点は、硫黄が高温の金属に再吸収される再加硫です。
●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します。この混合物は粉末状で、窒素などの不活性ガスを用いて溶融金属に注入され、混合を促進します。このガスは気泡を形成することで混合を促進します。
●トルペドレードル共射出
トーピード・レードルは、高炉から製鋼工場へ溶銑を運ぶ搬送用レードルです。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銑に共注入し、混合します。これにより、溶銑から硫黄が除去されます。発熱反応によって温度降下が抑制されます。
試薬の詳細な特性と取り扱い
3 つの脱硫試薬のプロファイルを箇条書きにまとめると次のようになります。
1. 石灰（CaO）プロファイル
●欠点:厚いスラグが生成されるため、0.5～2.5% の大きな鉄損が発生します。
●反応速度論:反応は遅く、2CaO.SiO 2などの層によって制限されます。
●パフォーマンス: 50 ～ 70% が単純な CaO プロセスの基準ですが、強力な撹拌とフラックス処理を備えた KR プロセスなどの現代の最適化された取鍋冶金では、通常、初期の溶銑硫黄レベルから 90% を超える高い脱硫率を達成します。
2. 炭化カルシウム（CaC 2 ）プロファイル
●コストと用途:コスト効率の高い共注入混合物に使用されます ( $380/トン). ●速度論：除去は粒子の周囲に形成される黒鉛殻によって制限されます。適切な粒子サイズを選択すれば、非常に効率的に除去できます。最も好ましい、そして費用対効果の高い粒子サイズは2～10mmで、取鍋の底に沈降します。
●安全性:主なリスクは水と激しく反応することです (アセチレンを形成)。
3. マグネシウム（Mg）プロファイル
●コストと用途：最も高価な試薬（2,270ドル/トン） 。MMIプロセスにおける超低硫黄目標（10ppm未満）に使用されます。 ●動態:最も速い薬剤で、より高い除去率を実現します。
●損失:スラグ/鉄の損失は最小限ですが、沸騰による試薬の損失を受けやすくなります。
●制限:高炭素金属 (例: HIsarna) ではグラファイトが反応を阻害するため効率が低下します。
メトリック | ライム | 炭化カルシウム | マグネシウム |
除去率 | 50-70 | 65-90（90罰金） | 85-95 |
時間（分） | 10-20 | 5-12 | 5歳未満 |
スラグ（kg/トン） | 10-15 | 8-12 | 5歳未満 |
鉄分の損失率 | 2-3 | 1歳未満 | 1歳未満 |
温度低下 °C | 25-40 | 15-25 | 熱を加える |
最終硫黄濃度（400から） | 100-200 | 10-50 | 10歳未満 |
コスト分析
前述の通り、試薬を分析するには、それぞれの方法における価格、消費率、そして鉄損失やエネルギー損失といったプロセスペナルティを比較する必要があります。単純に初期コストを比較するだけでは、誤解を招く可能性があります。ここでは、石灰、マグネシウム、カルシウムカーバイドの異なるプロセスにおけるコスト分析を行います。Schrama, FNH (2021) が「21世紀の鉄鋼製造における脱硫」で使用したコスト分析を使用し、2025年第3四半期時点の最新価格を使用します。続行する前に、以下の注意事項をご確認ください。
コストモデルとデータソースに関する注意:
消費量、鉄損値、温度ペナルティ、および摩耗/N₂コストは、Schrama, FNH (2021)「21世紀の鉄鋼製造における脱硫」（デルフト工科大学）から直接引用したものです。本論文の産業データの大部分は、タタ・スチール・アイマイデン（2017～2020年の操業条件）のデータに基づいています。
他の製鉄所における実際のコストは、現地の溶銑組成、設備設計、試薬の品質、労働賃金、エネルギー価格などによって異なります。相対的な順位（マグネシウムが最も安い → 共吹込 → 炭酸カルシウム＋石灰 → カリ石灰が最も高い）とペナルティの規模は、欧州およびアジアの複数の一貫製鉄所で確認されていますが、絶対的な$/tHM値は普遍的に適用できるものではなく、あくまでも参考値として捉えるべきです。
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）
●カルシウムカーバイド：380ドル/トン（カルシウムカーバイドレポート、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:
プロセス | 石灰（kg/tHM） | CaC 2 (kg/tHM) | マグネシウム（kg/tHM） |
KR-ライム | 12～15歳 | — | — |
MMI-Mg | — | — | 0.6～0.8 |
共注入（Mg+石灰） | 4～5 | — | 0.3～0.4 |
CaC 2 +ライムブレンド | 4～6 | 6～8 | — |
Schrama (2021) からのペナルティ要因:
要素 | 価値 | ソース |
鉄損（KR-Lime） | 25 kg/tHM | 第3章、61ページ |
鉄損（その他） | 8 kg/tHM | 第3章、62ページ |
温度低下（ライム） | 30℃ | 第2章、30ページ |
温度低下（CaC 2 ） | 15℃ | 第2章、30ページ |
温度低下（Mg） | 0°C ネット | 第2章、30ページ |
鉄の価格 | $420/MT | 第8章、164ページ |
一時費用 | 0.045ドル/℃ | 第8章、165ページ |
N 2 + 摩耗 (KR) | 1.25ドル/tHM | 第8章、165ページ |
N 2 + 摩耗（MMI/Co-inj） | 0.55～0.80ドル/tHM | 第8章、166ページ |
ステップバイステップのコスト計算（tHMあたり）
プロセス | 試薬コスト | 鉄損 | 温度 | 着用/N 2 | 環境 | TOTAL |
KR-ライム | 13.5 kg × 150ドル/1000 = 2.04ドル | 25 kg × 0.42ドル = 10.50ドル | 30℃ × 0.045ドル = 1.35ドル | $1.25 | $0.25 | $15.39 |
MMI-Mg | 0.7 kg × 2,270ドル / 1000 = 1.59ドル | 8 kg × 0.42ドル = 3.36ドル | $0.00 | $0.55 | $0.15 | $5.65 |
共注入（Mg+石灰） | （4.5 kg × 150.67ドル + 0.35 kg × 2,270ドル）/ 1000 = 1.47ドル | $3.36 | 10℃ × 0.045ドル = 0.45ドル | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
CaC 2 +ライムブレンド | （5 kg × 150.67ドル + 7 kg × 380ドル）/ 1000 = 3.41ドル | $3.36 | 15℃ × 0.045ドル = 0.68ドル | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
2025年のコスト概要表（IMARC + Schramaのみ）
プロセス/エージェント | 試薬 | 鉄損 | 温度 | 着用/N 2 | 環境 | 合計（$/tHM） |
KR-ライム | $2.04 | $10.50 | $1.35 | $1.25 | $0.25 | $15.39 |
MMI-Mg | $1.59 | $3.36 | $0.00 | $0.55 | $0.15 | $5.65 |
共注入（Mg+石灰） | $1.47 | $3.36 | $0.45 | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
CaC 2 +ライムブレンド（トルペド） | $3.41 | $3.36 | $0.68 | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
CHMD（継続的）貯蓄
Schrama (2021)、第 8 章、p. 167:
「連続脱硫により、試薬は10～15％、鉄損は50％、摩耗は20％削減されます。」
プロセス | バッチコスト | CHMDコスト | 貯蓄 |
CaC 2 +石灰（魚雷→CHMD） | $8.75 | $7.44 | −15% |
Mg+石灰共注入 | $6.23 | $5.30 | −15% |
最終評決 - IMARC + Schrama のみ
エージェント | コストランク | 合計（$/tHM） | 最適な用途 |
MMI-Mg | 1位 | $5.65 | 超低速S、スピード |
共注入（Mg+石灰） | 2位 | $6.23 | バランスの取れたコストとパフォーマンス |
CaC 2 +石灰（CHMD） | 3位 | $7.44 | P除去、HIsarna、加熱、連続流 |
CaC 2 +石灰（トルペド） | 4番目 | $8.75 | バッチ式魚雷の高温金属 |
KR-ライム | 5番目 | $15.39 | 注入ランスがない場合のみ |
CaC 2 + 石灰 (CHMD) を使用した共注入プロセスは、初期コストが 380 ドル/MT で、マグネシウムに対して競争力のある価格を提供します。
結論：コスト最適化の選択
3種類の試薬を徹底的に分析した結果、カルシウムカーバイド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鉄1トンあたり5.65ドルと推定されます。初期コストが低いため、カルシウムカーバイドは優れた選択肢であり、MMI-マグネシウムプロセスよりも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、蒸発や発煙を引き起こし、安全上の問題が生じる可能性があるといった課題があります。これに対し、カルシウムカーバイドの使用は、鋼の強度をさらに高め、脆化を防ぐという利点があります。カルシウムカーバイドは緻密な材料であり、より安全で管理が容易です。さらに、試薬として使用される純粋なマグネシウムよりもスラグ量が少なくなっています。
炭化カルシウム（CaC 2 ）の使用は、産業界にとって理想的な選択肢です。リスクが低く、初期コストも低いからです。直列反応器を用いた連続HMD（CHMD）こそが、今後の方向性です。試薬消費量が少なく、鉄の損失が最小限（1%未満）であるため、バッチプロセスと比較して、全体的な運用コストを10～15%削減できると予測されています。
