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HOMEDiscover MHI三菱重工グラフ特集

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三菱重工グラフ表紙
2016年2月180号
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SPECIAL FEATURE

三菱日立製鉄機械とドイツのシーメンスVAI社による製鉄プラント事業の統合によって発足した三菱重工グループのプライメタルズテクノロジーズ(Primetals Technologies)は、製鉄工程上流の製銑(せいせん)・製鋼技術から下流の圧延・プロセス技術まで、製鉄技術における世界トップクラスの人材が結集し、フルラインの製品提供を実現する。現在、鉄鋼産業はかつてない危機に直面している。世界中の鉄鋼メーカーがまさに救いを求めている今、ドリームチームが誕生した。

写真:鉄鋼産業を危機から救うドリームチーム

産業革命の夜明け以来、鉄鋼産業は現代生活におけるさまざまな必需品をつくる上で不可欠な存在として、産業界に君臨してきた。また鉄鋼生産能力は長年、国力をはかる重要な物差しとされ、世界の主要工業都市はどこも鉄鋼生産に適した場所で成長を遂げてきた。鉄鋼生産で成功するための基本原則は高校の地理試験の定番の問題であるが、それは立地にほかならない。膨大な鉄鉱石、石炭、石灰岩を集積できる生産拠点であり、完成品となる鋼材が必要とされる場所、すなわち立地が何より重要であった。

しかし現在、鉄鋼メーカーは過去200年間に例のない危機に直面している。どれほど最適な立地であっても、もはや成功は保証されない。世界中の鉄鋼メーカーにとって、突如「進化するか、衰退するか」が第一命題となり、「誰がどのように助けてくれるのか」が喫緊の課題となった。

こうした背景を受け、三菱日立製鉄機械とシーメンスVAI社は製鉄事業を統合し、2015年1月に新たな合弁会社プライメタルズテクノロジーズを発足させた。上流である一次製鉄技術の世界トップクラスの人材と、下流である金属加工分野における一流のエキスパート達が集結し、グローバルなサービスネットワークのもと、鉄鋼メーカーに革新的なソリューションと、卓越した研究開発のパイプラインを提供する。プライメタルズテクノロジーズなら、世界中の鉄鋼メーカーをこの危機から救えるかもしれない。

解決策を探るにはまず、課題を知ることが必要だ。この特集では、鉄鋼産業が直面する4つの課題、温室効果ガス、世界的な供給過剰、スクラップの再利用、代替材料に焦点を当てながら、プライメタルズテクノロジーズが提供するそれぞれのソリューションについて見ていく。

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Challenge 1 気候変動と石炭

安価で豊富な石炭は、産業革命時代の原動力であり、今も世界の長期エネルギー需給の面で重要な資源である。しかし、ほかの化石燃料と比べ、燃焼時に極めて大量の有害物質を排出するため、気候変動への影響が懸念され、石炭の使用に対し削減や禁止を促す動きが強まっている。現在、石炭は主に発電や製鉄に使用されているが、この二つの用途には決定的な違いがある。発電に使用する「一般炭」は単なる熱源で、天然ガスなどのクリーンな燃料に代替可能である。一方、製鉄に使用する「原料炭」は同じく熱源であるが、製鉄の製造工程には原料炭に含まれる大量の炭素成分が必要となる。つまり、現在導入されている技術では、石炭を使用せずにゼロから鉄鋼を製造することはほぼできないのである。よって、発電は石炭なしでもできるが、製鉄には代替手段がないと言ってよい。とはいっても製鉄所からのCO2排出量は、世界のCO2排出量の6パーセント以上を占めるため、これらを理由に石炭使用削減の流れから逃れられないのもまた事実である。

写真:製鉄機械特集のイメージ

解決策

より少ない石炭でより多くの鉄鋼を
世界中の鉄鋼メーカーが炭素排出量を減らす手段を模索しているが、理想は低コストで、より質の高い鉄鋼の製造法を見つけることである。最善の方法は、さまざまな設備投資の目的を達成しつつ、少量の石炭で多くの鉄鋼を製造すること。プライメタルズテクノロジーズは、この問題に対するソリューションを提供している。

ESPでの連続加熱
効率を向上させ、さらにCO2排出量を削減する方法の一つは、原料の加熱・冷却の繰り返しで生じる廃熱を減らすことである。そのためには、原料となる溶けた鉄から最終製品の圧延コイル仕上げまでを、加熱状態のままで加工し続けることが必要だ。この精緻に統合された工法こそが、イタリアのArvedi社が創案し、プライメタルズテクノロジーズが実現したエンドレス圧延技術(ESP)の核を成すコンセプトである。ESPは従来の方式と比較し、最大45パーセントエネルギー消費量を削減し、CO2排出量も削減した。これは、ここ数十年間で最も重要な製鉄技術の進歩と言える。ESPを使えば、溶鋼を冷却して一時保管する代わりに、連続鋳造から直接圧延ラインに流し込み、質のばらつきが少ない鋼板をさまざまな幅・厚さで製造することができる。原料の温度を正確に制御することで、質の高い鉄鋼の製造を実現したのである。ほかにも、加工時間が短縮されることによるエネルギー消費・CO2排出量の削減や、工場面積の縮小など、さまざまなメリットがある。

排煙処理
環境保全に対するもう一つの解決策は、環境装置(AQCS)の設置である。三菱重工グループのAQCSは、触媒脱硝装置(SCR)、電気集じん機(EP)、排煙脱硫装置(FGD)、CO2回収システムから成る多層的な排煙処理システムだ。まずSCRで排煙から窒素酸化物(NOx)を除去し、EPによって灰(煤じん)を取り除き、さらにFGDでは酸性雨を引き起こす硫黄酸化物(SOx)を除去する。最後に残ったCO2は、回収され隔離される。三菱重工グループは、CO2を回収するためKM-CDR Process®という独自技術を開発し、燃焼ガスからのCO2回収装置として世界最大のプラントを米国テキサス州に建設中だ。これらの技術を活かし、鉄鋼メーカーが有害物質の排出量を大幅に削減するために、信頼性が高く商業ベースに乗る環境ソリューションの開発が進められている。

直接的かつ効率的なプロセス
従来の鉄鋼製造では、溶銑(注)を精錬する前に、鉄鉱石を焼き固める「焼結」と原料炭を純度の高い炭素に加工する「コークス製造」という二つの工程が必要であった。どちらの工程も大量のエネルギー消費とCO2排出をともない、しかも複雑であるため、これらを省くことができれば大きな飛躍となる。プライメタルズテクノロジーズは、これを実用化したソリューションであるCOREX®およびFINEX®プロセスを提供する唯一の会社である。

写真:製鉄機械特集のイメージ

COREXは、コークスではなく一般炭を燃料・還元剤として直接使用し、鉄鉱石の塊や粉状の鉱石を固めたペレットを酸化鉄原料としてそのまま使用する。そのため、COREXは従来の類似設備より導入コストが低く、柔軟性に優れ、なおかつエネルギー消費も低くCO2排出量が削減できる。すでに4カ国で、7つのCOREXプラントが建設されている。

一方FINEXは、プライメタルズテクノロジーズと韓国の鉄鋼メーカーであるポスコが共同開発した技術で、COREXの一歩先を行く。現在、ポスコの浦項(ポハン)製鉄所で2基のFINEXが稼働しているが、質の低い微粉状の酸化鉄、微粉炭を処理できるため、従来施設より15パーセント低いコストで鉄鋼を製造することに成功している。この実証設備は10年以上順調に稼働を続けており、現在、インドへの移転を計画している。

COREXとFINEXはともに、中国以外では製鉄所の新設がほぼなかった時期に商用化された技術で、その最初の実証設備が実績をあげた。環境規制の厳格化により各社が再投資を迫られる今、既存の鉄鋼メーカーはこうした新たな技術の採用を求められており、COREXとFINEXのノウハウを持つプライメタルズテクノロジーズの役割は大きいものとなるだろう。

(注)銑鉄を加熱して溶かしたもの

発電量の増大とCO2排出量削減の両立
さらに、エネルギー効率を高めてCO2排出量を削減する方法として有望なのは、高炉から発生するガスを発電に使用する高炉ガス(BFG)焚き高効率GTCC発電技術の導入である。この技術により、従来のボイラータービン発電を導入するのに比べて発電効率を高められ、発電量は約35パーセント増加。さらにCO2排出量(単位発電量当たり)も約35パーセント削減することができる。鍵を握るのは、三菱日立パワーシステムズが開発した低カロリーのBFGをガスタービンで燃焼させる技術で、すでに世界で200万時間以上の運転実績を誇る。

Challenge 2 グローバル市場の供給過剰

数十年前まで世界中の鉄鋼産業は関税障壁に守られ、競争は国内での市場シェア争いに限られていた。しかし貿易自由化にともない、鉄鋼は国際的な商品になった。世界中のどこから競争相手が現れても、おかしくない。そこへ中国が目覚ましい台頭を果たした。30年前の製造量はわずかだった中国が、2013年には、世界総生産量約16億4,900万トンの半分を占める、約8億2,200万トンもの鉄鋼を製造したのである。中国で急激に需要が拡大する一方、他国の鉄鋼メーカーは多数の稼働休止中の設備を抱え、2013年時点で、世界の総設備の稼働率は約73パーセントであった。その後、中国で景気が減速すると事態は急速に悪化した。2015年には世界の鉄鋼製造量は前年比1.7パーセント減の15億トン強にまで落ち込み、また、中国メーカーが余剰製品を輸出したために価格も急落した。鉄鋼メーカーが社会から、気候変動対策への投資を求められたまさにそのタイミングで、市場原理により鉄鋼メーカー各社は生き残りをかけたコスト削減を要求されることになったのである。

写真:製鉄機械特集のイメージ

解決策

厳しい事業環境を乗り切るために
現在の厳しい事業環境から、多くの鉄鋼メーカーは老朽化した赤字施設の閉鎖を迫られている。しかし現状は、優良施設さえ稼働させ続けることが難しい。極限までコストを切り詰め、古い機器を使い続け、熟練スタッフが定年を迎えても代替要員を補充できないのである。

こうした苦境の中、生産設備のサプライヤーから積極的な保守サービス業者へと業務範囲を広げたプライメタルズテクノロジーズに、多くの企業が「ライフサイクル・パートナー」として助力を求めるようになった。多くの場合、導入したオートメーション化を通じて保守管理が向上し、必要人員が減少し、職場の安全性が向上するというメリットが得られている。さらに、プライメタルズテクノロジーズは、安全な距離からの工程監視を自動的、持続的に可能とするさまざまな先端ICTソリューションを提供している。
ほかにも、ハイエンド市場にシフトし、競争が少ない高付加価値のニッチ市場に狙いを定める戦略に着手。この分野でもプライメタルズテクノロジーズは、鉄鋼メーカーと緊密に協力して工程の効率改善や新商品開発を支援している。

とくに改善のターゲットとなっているのは、錆やスケール(酸化膜)など鉄鋼表面の不純物を化学的に除去する「酸洗」という工程である。同社のJET酸洗は、従来の酸洗と比べ2倍の速度で処理できるが、さらに、これと同等の処理速度でジェット噴流が不要な i BOX酸洗システムが開発された。

また、下流工程の圧延においても改善策の提供が可能だ。たとえばプライメタルズテクノロジーズがウジミナス(ブラジル)の圧延工場に提供した最新型熱延設備には、上下のワークロールとバックアップロールをペアでクロスさせることで、均一な厚さの鋼板が製造可能なペアクロスミルが投入されたが、さらに現在では、後流の冷延工程に圧延した板同士を瞬時に溶接して圧延能率を上げる新技術、クロスシームウェルダー(CSW)の導入も可能だ。

鉄鋼産業のように景気循環に左右される産業では、苦難の時がいつか終わることを誰もが知っている。しかし次の景気上昇局面で成功を収めるには、今こそ先を見据えて計画すべき時である。効率性や省エネ性能の向上、環境対応のほか、自動化、柔軟性やスピードの改善を大幅に進める必要がある。そのためのソリューションをプライメタルズテクノロジーズは提供できる。

Challenge 3 スクラップ再利用か、一からつくるか?

写真:製鉄機械特集のイメージ

製鉄事業者が200年にわたり大量の精錬を続けた結果、スクラップが世界中に山積しており、その効率的な再利用に注目が集まっている。スクラップの再利用は、鉄鉱石とコークス用炭を用いて最初から鉄をつくるよりもエネルギーを節減できるため、大きなメリットとなる。しかしながら、克服すべき障害がいくつかある。

鉄鋼を製造する際、従来は溶融鉄にスクラップを加える方法をとってきたが、溶融物の温度低下が生じるため使用量が限られていた。そのため現在、スクラップの大半はミニミルと呼ばれる電気炉で、リサイクルされている。ミニミルは比較的安価で、小規模なうえ、石炭を直接的に燃やす必要がない。しかしながら、溶鋼1トン当たり425キロワット時という膨大な電力が必要で、その電力を燃料炭でまかなった場合の環境負荷は膨大である。また、ミニミルは構造用鋼などの等級の低い製品の製造では競争力を持つ一方で、原料がスクラップ100パーセントまでになると等級の高い特殊鋼の製造には向かない。そのため、鉄鋼メーカーはスクラップの使用量を増やす新たな技術を求めている。また、ミニミルについては、より環境に優しい高効率なエネルギーを利用し、付加価値の高い製品の製造を目指す必要がある。

解決策

スクラップを最大限に活用
スクラップは一般に等級が低い商品(構造用鋼など)に使用され、等級の高い特殊鋼には使われない。しかし製鉄がこの2系統に分類される状態が続いていくのであれば、スクラップ利用は重要な鍵になっていくに違いない。プライメタルズテクノロジーズは、この両系統に解決策を提供している。

Jet Processでスクラップ使用量を増加
CO2排出量を減らし効率性を高めるため、鉄鋼メーカーはスクラップ使用量の増加を望んでいるが、現在の技術では使用量は約20パーセントに限られてしまう。しかしJet Processは、石炭に加えて酸素、石灰を転炉に投入して石炭の燃焼効率を高めることで、この比率を50パーセント以上に上げることができる。炭素の熱エネルギーを、より大きく放出することで、スクラップの溶融量を増やすことができるのである。これによりCO2排出量の大幅な削減、稼働の柔軟性向上などに貢献できる。

最高の性能を発揮するミニミル
プライメタルズテクノロジーズは、CO2排出量を抑えエネルギー利用を最大限に効率化するため、主な投入コストとなる電力消費を極限まで削減したミニミルのソリューションを提供している。このコンセプトの中核が、電力消費を既存のミニミル比で20パーセント減少させる新型の電気アーク炉EAFだ。EAFは、熱と排煙を巧みに再利用して、次に投入するスクラップを予熱することで、電力消費を10パーセント節減しCO2排出量も削減できる。この上流工程での効率改善に加え、下流工程においてArvedi ESPラインを活用した場合、ミニミルを用いてわずか2時間でスクラップを完成品の鋼に変えることができる。

図:Jet Processの構造

Challenge 4 代替材料

鉄鋼は、強度、耐久性、加工性、低コストという理由から、産業界で確固たる地位を築いた。1940年代に航空機の大量生産により軽量のアルミニウムが台頭するようになって初めて、鉄鋼の重さが課題となってきた。しかしアルミニウムは高いコストとリサイクルに課題があったため、それ以降も鉄鋼の重要な市場分野において今に至るまでシェアを獲得できずにいる。

車1台には平均900キログラムの鉄鋼が使用されるため、自動車メーカーは年間8,000万トンの鉄鋼を購入する。これは世界の製造量の約5パーセントに当たる。この5パーセントはわずかに見えるが、鉄鋼市場というパイの中で最も重要な分野のひとつを占め、鉄鋼各社は市場シェアの確保にいそしんでいる。

他方で自動車メーカーは現在、燃費・CO2排出量の削減目標を達成するため、最も簡単な方法として重量の削減を考えている。そのため新モデルの開発では、1グラムでも鉄鋼に代わってアルミニウムや航空機向けに開発された新たな炭素複合材で代替できないか、徹底的に検討されている。また、さらなる脅威となるのは、エンジンブロック、排気システム、ギアボックスなど、重い鉄鋼部品が不要となる電気自動車の誕生である。

鉄鋼業界にとっての最悪のシナリオは、環境規制の厳格化により、アルミニウムや炭素複合材に比べてコスト重量比で見た優位性が薄れる中、自動車部品分野で減少するシェアを争うことである。

解決策

未来の金属素材
自動車メーカーは重量削減に取り組み、あらゆる鉄鋼部品をアルミニウムや炭素複合材で代替できないか徹底的に検討しており、これを受けて各鉄鋼メーカーは、研究開発を強化し対応している。鉄鋼メーカーが目指すのは、より薄く軽量で、強度が従来品と同等以上の新商品を開発することである。

課題は、こうした高度な新商品の製造が困難であることだ。さまざまな新商品で望まれる特性を実現するためには、極めて精緻で確実な温度管理のもと加熱・冷却を行う必要があるのだ。そのため鉄鋼メーカーは、完璧で環境性能に優れた未来の鉄鋼を製造する新たな工程を開発するため、プライメタルズテクノロジーズのスペシャリスト達の意見を求めている。

しかしながら、将来ニーズとして最適な材料を決めるのは結局は最終ユーザである。プライメタルズテクノロジーズは、鉄鋼のみならず、アルミニウム、銅、他の非鉄金属に関する技術も提供可能で、最終ユーザがどの金属材料を選ぼうと最先端ソリューションの提供が可能である。

世界が求める金属が何であれ、ドリームチームはその目的達成の力となる。

図:鉄鋼製造の流れ
写真:プライメタルズテクノロジーズ 最高経営責任者兼会長 山﨑育邦氏

鉄鋼業界の
ジレンマ解決に
向けて

英語にも、日本の「一石二鳥」と同じ意味を持つ「two birds with one stone」という慣用句があります。一見矛盾する二つの目標を同時にかなえたいと考えるのは、どの国の人も同じなのでしょう。この言い回しは、社会や、当社の顧客である世界の鉄鋼メーカーが現在抱えるジレンマを見事に表現しています。現代社会は、生活を向上させる無数の製品に鉄を使用しています。他方で、CO2排出量削減の義務に対し世界的な合意が形成され、最大のCO2排出源として石炭が名指しされています。ほとんどの産業分野には石炭に代わる資源がありますが、世界のCO2排出量の6パーセント以上を占める鉄鋼業界にはほとんどありません。事態を悪化させているのは深刻な事業環境で、鉄鋼各社は現在、新たなソリューションへの投資が難しくなっています。

私たちプライメタルズテクノロジーズは、このジレンマに限界を感じるどころか、むしろ刺激を受け奮起しています。二つの目標を同時に達成できる素材、CO2排出量を大幅に削減しつつ、高品質な鉄鋼を効率的に生産するソリューションを手にしているからです。それどころか、私たちが提供できる素材はひとつだけでなく、さらに多くのソリューションを開発中です。この記事を読んでお分かりいただけたように、鉄鋼製造国が自国の鉄鋼業界に、未来への投資手段を与えてくれさえすればよいのです。

― プライメタルズテクノロジーズ 最高経営責任者兼会長
山﨑育邦