直接還元鉄

大地から採掘された鉄鉱石の中の鉄は、酸素と固く結びついています。そのため、鉄を手に入れるにはまずこの酸素を引き離さなければなりません。酸素を取り除くことを「還元」と呼びます。

高炉（溶鉱炉）では、コークスが燃えるときに生じる気体が鉄鉱石の酸素を奪い取ります。そうして還元された鉄が熱で溶け、炉の底にドロドロの鉄水（溶銑）として溜まり、それを取り出して鋼（はがね）を作ります。高炉から流れ出た鉄水が冷え固まったものが、炭素を多く含む「銑鉄（せんてつ）」です。酸素を奪うことと鉄を溶かすことが、一つの炉の中で一連の流れとして行われているわけです。 しかし、この2つの工程は必ずしも一緒に行う必要はありません。

鉄が溶ける温度よりも低い温度でも、酸素はしっかり離れていきます。タワーのような縦型の炉の上から鉄鉱石の塊を入れ、下から上へと高温のガスを通します。ガスが酸素を奪って外へ抜けていくと、塊は固体のまま、鉄だけが残ります。 塊の大きさや形もほとんど変わりません。

酸素があった場所には微細な穴が無数に残ります。その姿がスポンジに似ているため「スポンジ鉄」とも呼ばれます。本物のスポンジのように押しても縮みませんが、手にとるとれっきとした固い鉄です。直接還元鉄は溶かさず固体のまま酸素だけを抜いたものであり、銑鉄は高炉で溶かした鉄水が固まったものなので、たどってきた状態そのものがまったく異なります。

こうして得られた鉄は、まだ鋼としては使えません。穴の中に岩石成分や取り切れなかった酸素が残っており、炭素の量も調整する必要があるため、一度溶かして不純物を取り除く精錬を行って初めて鉄板や鉄筋になります。さらに、穴が多い分だけ空気中の酸素と再び結びつきやすいため、遠くへ運ぶときは熱いうちに圧縮して固めることもあります。この溶かす役割を担うのが、後ろに控える「電気炉（電炉）」です。

電気炉と聞くと、廃車などから集めた鉄スクラップを溶かす炉を思い浮かべがちです。しかし、電気炉に入るのはスクラップだけではありません。鉱石をガスや水素で還元して固体の鉄にしておき、それを電気炉で溶かすルートもあります。原料は鉱石でありながら、溶かす炉は電気炉というわけです。

そのため、鉄スクラップとも明確に区別する必要があります。スクラップは誰かが使い終わって捨てた鋼であり、直接還元鉄は鉱石から酸素を取り除いたばかりの新しい鉄です。 原料がリサイクルされた廃鋼材なのか、天然の鉱石なのかが両者を分ける本質です。

鉄スクラップが豊富に出回っておらず、還元に使う天然ガスなどの燃料を安く手に入れられる地域では、この直接還元鉄のルートが多く選ばれています。鉄を長く使ってきた国にはスクラップが溜まっていますが、急速に発展し始めたばかりの地域にはまだスクラップが溜まるだけの時間が経っていないからです。どちらを選ぶかは、技術の新旧というより原料や燃料の事情によります。

酸素を奪い取ってくれる物質を還元剤と呼びます。現在、この製法で最も広く使われている還元剤は、天然ガスを改質して作ったガスです。そのガスには一酸化炭素と水素が混ざっています。石炭を使って行う方法もあり、その場合は排出される気体もまた変わってきます。

ここで「水素還元製鉄」と混同してはいけません。直接還元とは溶かさずに酸素を取り除く製法全般を指し、一般に言われる水素還元製鉄は、その還元剤を水素へと置き換えた発展形です。 （なお、既存の高炉に水素を一部吹き込む方式も同じ名前で呼ばれることがあります。）現在使われているガスにもすでに水素が含まれているため、その分はすでに二酸化炭素ではなく水蒸気として排出されています。還元剤の中の水素の割合を高めるほど、二酸化炭素として排出される分が減っていく仕組みです。

2021年にはスウェーデンで水素還元によるスポンジ鉄が作られ、その鉄で作られた最初の鋼材がボルボ・グループに納入されました。ただし現時点では、商業規模で安定して稼働し続けている設備はまだごくわずかです。経済協力開発機構（OECD）も、多くの低炭素化プロジェクトの稼働が延期されていると報告しています。

二酸化炭素の排出量を比べると、直接還元鉄ルートはちょうど中間に位置します。鋼を1トン作る際に出る二酸化炭素は、鉱石から高炉を使う従来ルートでは2.34トン、スクラップから電気炉を使うルートでは0.69トンです。直接還元鉄を経て電気炉を使うルートは、その中間の1.47トンとなっています（世界鉄鋼協会の2024年活動データ基準）。ただしこの数値は、同協会の加盟企業が自主的に提出したデータを集計したものであり、参加企業の生産量合計は世界全体の生産量の半分強ほどです。