2014 Volume 100 Issue 6 Pages 794-798
Various alloying elements are used in vehicle manufacture to reduce environmental impacts and advance technology. After being used in human economic activities, end-of-life vehicles (ELVs) return to the steel industry as scrap containing rare metals and are subjected to the electric arc furnace process. However, at present, these steel scraps are recovered with insufficient concern for alloying elements mainly because of economic reasons. The objective of this study is to analyze the cost and benefit of scrap sorting system with explicitly considering alloying elements. Sorting of six parts, drive shaft, rear axle, disk rotor, rear exhaust piece, catalyst unit, and exhaust pipe, are analyzed from the sorting cost and benefit of deduction of ferroalloy input for EAF steel making process.
Our results indicate that the sorting of exhaust pipe and catalyst unit deduce 711 ton and 1280 ton of ferrochromium in maximum, and 7.2 ton and 26.4 ton of ferronickel, and the sorting of rear exhaust piece is a feasible option from the cost and benefit perspective, while this amount is 0.1 kg per unit.
自動車リサイクル法が施行される2005年以前は年間約500万台の廃自動車(End of Life Vehicle:ELV)が排出され，うち約100万台が海外へ中古車として輸出，残りの約400万台が解体業者へ引き渡されていた1)。しかし，リサイクル法の施行後は徐々にELVの引取台数が減少し，現在は約300万台が解体業者により処理されている2)。
現在，主に行われているELVのリサイクルは，解体時にエンジンなどの部品を回収し，部品が取り除かれた廃車ガラを全部プレス処理するか，またはシュレッダー処理を行い電炉メーカーに引き渡す方法がとられている。ELV中のレアメタルは，基板や触媒等に随伴するもの，モーター等の回収部品に付随するもの，合金として存在するものが挙げられるが，このうち，基板や触媒，モーター等はリサイクル過程で回収が行なわれ，随伴元素についてもリサイクルが行なわれている。一方，電炉メーカーに渡るELVスクラップは，冷鉄源として電気炉に投入されるため，スクラップ中の合金元素として存在するレアメタルはリサイクルが行なわれておらず，スクラップの成分情報も把握されていない。現状では一部の特殊鋼生産においてこれらのうちの何割かが再資源化の際にフェロアロイ投入代替分として有効に循環しているが，大半は未利用のまま一部はスラグに向かって拡散，一部はコンタミ要因として銑鉄等によって成分調整をなされて，同じく鋼材中に拡散していることになる3,4,5,6,7)。アルミニウムをはじめ，軽金属についてはベースメタルの資源化の際に合金元素のコンタミが循環を阻害することが指摘されており8,9,10)，国内外で合金元素別のソーティング技術の開発と導入が進められつつある11)一方で，鉄鋼資源に目を向けると，老廃スクラップについてはステンレス以外のソーティングはほとんど行われていないのが現状である1,2,13)。
スクラップ市場において，これらの随伴元素の価値は埋没しており，ソーティングによって発生するコストとベネフィットが不明瞭となっている。本研究はELVを精緻解体した後，スクラップについて随伴する合金元素の流入を明らかにして，特殊鋼電炉でのフェロアロイ投入量を削減するためのシステムの実現可能性を検討するために，スクラップソーティングのコストベネフィット分析を行った。ここでコストとはソーティングを追加的に行うことにより発生する用役費であり，ベネフィットとしてはスクラップに随伴する合金元素を活用することで削減できるフェロアロイ投入を意味するものとする。
スクラップソーティングシステムは電気炉投入部品の中から合金元素濃度の高い部品をさらに選別し，部品の成分を基に，随伴元素を全て有効利用できる鋼材の生産を行うものと仮定した。一方，選別を行わなかった部品は，従来通りの用途で用いられるものとした。分析を行う際，解体業者と電気炉メーカーにおけるコストとベネフィットをTable 1に示す。解体業者は従来システムにおいて，リユース部品の取り外しと非鉄部品ならびに自動車ボディスクラップ回収を行い，これらを販売することでベネフィットを得る。スクラップソーティングを行う場合は，合金元素含有量を明示的にすることで販売価格を上乗せすることでベネフィットが得られるが，ソーティングに伴う追加的費用が発生する。従って，この追加的ベネフィットが解体作業の費用増加額を上回ることができれば，解体業者においてスクラップソーティングの実現可能性があるといえる。
| Cost | Benefit | |
|---|---|---|
| Conventional | Disassemble for recovery of Reuse parts | Sale of Reuse parts |
| Disassemble for non-ferrous materials and car body scrap recovery | Sale of non-ferrous materials and car body scrap | |
| Additional | Additional Disassemble for scrap sorting | Sorted parts with explicitly considering alloying elements |
電気炉メーカーにおけるコストとベネフィットをTable 2に示す。電気炉メーカーにおいては従来，スクラップの買い取りにコストが発生しているが，スクラップソーティングを行った合金元素含有量が明示的なスクラップ購入に伴う価格増分の追加的なコストが発生する。その一方でこれを投入することで得られるベネフィットとしてフェロアロイ投入量の削減が期待される。
| Cost | Benefit | |
|---|---|---|
| Conventional | Cost for scrap purchase | |
| Additional | Additional cost for sorted scrap | Deduction for ferroalloy input by using of scraps with explicitly considering alloying elements |
この際，部品に随伴する合金元素は著者らの実測結果を参照し12,13)，合金のメタル・スラグへの配分が行われるものとする。最終的に鋼材中へ残る合金元素量をフェロアロイ量に換算することで，フェロアロイ相当価値の推計を行い，これを控除額とみなして電気炉メーカーのベネフィットとした。従って，部品買取額に比べてフェロアロイ控除額が上回れば，電気炉メーカーにおいてスクラップソーティングの実現性があるといえる。
解体業者と電気炉メーカー間の費用について整理をすると，以下の式で表すことができる。まず解体業者において，単位重量当たりのスクラップ部品販売による価格増加額をPsi，スクラップ部品重量をXi，単位重量当たりの解体費用増加額をliとおくと，システムによる解体業者のコスト増分は以下のように表すことができる。ここで価格増分Psiは，ソーティングを行った場合はSUS430，SUS304スクラップとして取引され，ソーティングを行わない場合は炭素鋼スクラップ価格として取引されるものとして，それぞれの市況価格の差を参照するものとする。
| (1) |
同様に，電気炉メーカーにおいて，フェロアロイ相当量をEi，単位重量当たりのフェロアロイ価格をPeとおくと，システムによる電気炉メーカーのベネフィット変化分は以下のように表すことができる。
| (2) |
フェロアロイ相当量への換算は，各ソーティング部品の合金元素e濃度[%e]iから，スラグへの拡散分を除いた合金元素濃度を
| (3) |
以上より，システム全体で利益をあげるためには，(1)，(2)，(3)式より以下の条件を満たす必要がある。
| (4) |
| (5) |
これにより，フェロアロイ価格と各ソーティング部品の合金元素濃度から，システムで利益が生じるための単位重量当たりの解体費用増加額li，さらには各部品の解体費用増加額li×Xiの許容額を求めることができる。
推計に当たり，フェロアロイ価格は市況により常に変化することから単年の価格を用いずに，2005年から2011年までの価格における最高額と最低額を設定し，資源価格による許容額の取り得る価格帯の推計を行った14)。各年のフェロアロイ価格をTable 3に示す3)。スクラップソーティングを行う部品は，選別部品の合金元素濃度の他に解体のしやすさも検討する必要がある。このような観点から，著者らが行った精緻解体と組成分析をもとに，Table 4で示す部品をソーティングターゲットとした。
| Year | Ferro-Cr | Ferro-Mn | Ferro-Ni |
|---|---|---|---|
| 2005 | 9.8 | 8.5 | 47.1 |
| 2006 | 9.5 | 7.5 | 58.1 |
| 2007 | 11.1 | 11.3 | 114.4 |
| 2008 | 18.9 | 25.1 | 71.9 |
| 2009 | 15.0 | 14.2 | 36.5 |
| 2010 | 12.7 | 12.3 | 43.2 |
| 2011 | 11.9 | 10.3 | 48.8 |
| Parts | Weight [kg/Unit] | Alloy contents [%] | ||
|---|---|---|---|---|
| Cr | Mn | Ni | ||
| Exhaust pipe (Inner) | 2.4 | 11.1 | 0.3 | 0.1 |
| Catalyst unit (Inner) | 4.4 | 10.9 | 0.3 | 0.2 |
| Rear exhaust piece | 0.1 | 18.2 | 1.1 | 8.3 |
| Disk rotor | 14.3 | 0.0 | 0.5 | 0.0 |
| Rear axle | 17.5 | 0.0 | 0.7 | 0.0 |
| Drive shaft | 24.3 | 0.4 | 0.7 | 0.0 |
ここではソーティングに伴う追加的コストは人件費によるものと想定する。本来であれば，電力，燃料等の追加的用役費も考慮すべきであるが，ここでは分析の簡略化のためこれを考慮しない。電力・燃料等の費用は労働時間に平均的に追加されるものと考えられるため，本稿における仮定から導かれる実現可能なコストベネフィットの範囲を狭めるものと見なされる。本稿で考える仮定は実現可能性を最大限に斟酌するものであり，ここでは社会的に受け入れ可能なコストベネフィットに関わる最低限の条件を探索するものとする。
解体業者の勤務条件については，1労働者につき年間378.8万円の人件費がかかり15)，年間勤務日数は休日・有給休暇を考慮し，230日，1日の勤務時間は8時間と仮定した。
解体業者の売上分は，対象の7年間におけるSUS304スクラップと鉄スクラップ販売価格の最安価格，平均価格，最高価格の3種類を設定した。一方で，解体費用は上述の勤務条件より単位作業時間当たりの人件費を推計することで，解体作業時間を変数とした人件費と仮定した。
2・3 スクラップ利用のベネフィットの設定触媒ケース，排気パイプはSUS430スクラップの引取価格を，リアピースはSUS304スクラップの引取価格を用い16,17)，リアアクセル，ディスクローター，ドライブシャフトは特級スクラップの引取価格を用いた16,18)。また，フェロアロイに関しては「独立法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構(JOGMEC)」を参考にした14)。それぞれの純分換算率はフェロクロムで50%，フェロマンガンで72%，フェロニッケルで20%とした。
この際，部品に随伴する合金元素はTable 5で示す割合でスラグへ分配されるものとし，最終的に鋼材中へ残る合金元素量をフェロアロイ量に換算することで，フェロアロイ控除額の推計を行い，この控除額を電気炉メーカーの利益とした。従って，部品買取額に比べてフェロアロイ控除額が上回れば，電気炉メーカーにおいてスクラップソーティングの実現性があるといえる。
| Scenario | Cr | Mn | Ni |
|---|---|---|---|
| High allocation ratio | 15% | 45% | 0% |
| Low allocation ratio | 11% | 27% | 0% |
| Median | 13% | 36% | 0% |
各スラグ拡散率シナリオにおける年間フェロアロイ控除相当量をFig.1に示す。図中の各フェロアロイにおいて左側がスラグへの拡散率が低いシナリオ，右側が高いシナリオを示している。ただしフェロニッケルは全量がメタル中に残ることを想定しており，拡散率の変動はないものとする。対象の6部品をソーティングした場合，排気処理装置のステンレス量が多いことから，フェロクロムの控除量が他の2元素に比べて大きくなった。したがって，資源の有効利用のためには，特に排気処理装置部品の解体選別の必要性が高いといえる。また，スラグへの拡散率変動による感度はフェロクロムで4%と小さいのに対し，フェロマンガンでは25%と大きくなった。この点から，Mn分の高いスクラップを再資源化する際には，酸化ロスが少なくなるよう操業条件に留意しなければならないことが示唆されると同時に，マンガンを多く含む部品のソーティングを行う場合，追加的に発生するソーティングコストは，スラグへの配分率が高い場合に許容される範囲で設定することがシステムの頑健性を保つことに必要と思われる。
The estimated deduction of ferroalloy per year.
続いて，ソーティングに要する追加的コストについて検討するため，1台当たりの許容解体費用の推計を行った。推計結果をFig.2 に示す。検討に当たり，電気炉メーカーは合金元素拡散を低減するよう努めているものとし，スラグへの拡散率は低いシナリオを仮定した。
Acceptable time and cost for disassembly of one unit of ELV.
グラフ中の縦線は，対象部品を1台の自動車から解体する際の許容解体費用額の下限から上限までの範囲を示している。ここで下限はフェロアロイ価格が最小のケース，上限はフェロアロイ価格が最大のケースをそれぞれ想定する。グラフ中の横線は右軸に示す解体許容時間をしめし，時間が増加するごとに増大する人件費と，フェロアロイ控除に伴う社会的コスト削減値との交点から算出しており，ここで推計する作業時間より早く解体することができれば，システム全体で利益が生じることを意味している。
それぞれの部品別に考察を行う。解体業者における触媒ケース解体は，ケース内の触媒回収のために解体が行われていることが多いが，触媒回収後の触媒ケース選別はあまり行われていない。これを考慮すると，既にケースの解体が行われている，あるいはそれほど大きな解体作業増加も伴わないといえるため，約1分の解体作業時間は実現可能性が高いといえる。
排気パイプは2重構造となっており，外側部分には普通鋼，内側部分にCr系ステンレス鋼が用いられている。現状では解体業者におけるこれらの分別は行われておらず，システム導入のためには追加解体により選別を行う必要がある。排気パイプに用いられているステンレス鋼の量は大きいため解体作業時間は2~5分と長いが，内側部分を取りだす作業は，手解体では解体工具を用いたとしても時間内での選別が困難であると予想される。従って，排気パイプの解体選別は手解体のみではなく，シュレッダー機による破砕選別なども含めて検討していく必要があることが示唆される。
リアピースは一台あたりの重量は約100 gと非常に少量ではあるものの，触媒ケースに匹敵するニッケルを含有しており，ネジにより排気パイプと連結されている。現状ではこれらの分離は行われていないためシステム導入時には追加解体作業が生じるが，その追加作業は2本のネジを解体工具により取り外すだけであるといえる。またネジ式で無いタイプの場合はガス溶断等の取り外し方法が考えられるが，いずれにおいても約30秒の解体時間は比較的実現性が高いと思われる。
リアアクセルはリア足回りの主要部品であり，現状の解体作業で既に解体は行われている。従って，システム導入による追加解体は無し，あるいはそれほど大きな解体作業増加も伴わない。また，リアアクセルにはディスクローターが左右に2個取りつけられている。両部品の組成は類似していることから，これらを解体選別しなくとも同様の鋼材生産に用いることができると考えられる。しかし，これらの鋼材の解体選別を行うことを考慮すると，両部品における許容作業時間が短いことから，ソーティング効果は極めて小さくなると予想される。ドライブシャフトはリアアクセルと同様，足回りの主要部品であるため，現状でも解体が行われていることが多い。足回りは車種により構造が異なるため解体の容易さは異なるが，約1分の解体作業時間は十分に実現可能と思われる。ただ，リアアクセルと同様にドライブシャフトにはディスクローターが2個取りつけられていることから，これらの選別は必要であると考えられる。これらのことから足回り部品においては，特に負担の大きな追加解体は生じないものの，ディスクローターの解体選別効果は小さいといえる。
本研究で対象とした精緻解体の対象は1996年製の軽自動車1台である。対象車種は軽自動車の中で最も多く流通しているタイプであり，先行研究で調査を行っている車種の仕様に最も近いものを選択した。しかしながら各部品に含まれる合金元素量についての代表性を十分に担保することができないことから，合金元素の含有量について上下10%の誤差がある場合と，スラグへの分配比について最小値と最大値を考慮した感度分析を行った。その結果，Fig.2の結果について，それぞれ下限においては触媒ケースで14%，排気パイプで13%，リアピースで11%，リアアクスルとディスクローターで30%，ドライブシャフトで19%の差が発生し，上限については10%ずつの誤差が発生するものと算出された。
本稿ではスクラップソーティングによって随伴する合金元素を有効に活用する場合のコストとベネフィットを，合金元素控除と選別にかける人件費に着目して検討を行った。システムが実現可能性を持つには，解体業者，電炉メーカーともに利益を享受できる経済条件が求められる。本研究で検討を行った6種の部品については，重量の視点から排気処理装置部品の解体選別は重要な位置を占めており，解体に要する時間を考慮しても当該部品に随伴する合金元素を活用することで得られる社会的なベネフィットは大きいと考えられる。また量は少ないものの，リアピースは触媒ケース取り外しに匹敵するフェロニッケル控除の効果を持ち，30秒程度の追加的作業による取り外しが実現できるならば非常に有効なソーティングが行うことができることが示された。
マーケット全体でこのようなソーティングシステムを共有する場合，簡易分析手法の導入，たとえばスクラップ選別現場での携帯型蛍光X線分析装置等の成分調査機の設置等が求められる。また社会全体でこれらの費用を負担する場合，スクラップ市況，フェロアロイ等の資源価格，製品としての鋼材あるいは非鉄金属素材の市況等を総合的に判断する必要がある。さらにいくつかのレアメタルを含む特殊鋼を分別・回収できたとして，それを評価し引き取ってくれる市場を整備する必要がある。解体業者は零細企業が多く事業所の敷地も限られている。自動車1台から回収できる特殊鋼部品は僅かな量ではあるが，これをドラム缶等に貯めて置き，一定の量が貯まったらしかるべき流通業者に持っていってもらう必要がある。これらの課題や条件を解決するには，リサイクルの最終到達点になる特殊鋼メーカーやその他のレアメタル使用鉄鋼メーカー(鋳物メーカーも含む)のリサイクルに対する前向きな姿勢が重要な鍵になる。今後はこのような視点での市場，インフラ整備を進めることで，我が国基幹産業である自動車ならびに鉄鋼業での資源のさらなる有効利用率が高まり，社会全体の環境負荷低減に寄与できるものと期待される。
本研究は日本鉄鋼協会環境・エネルギー・社会工学部会「素材産業から見た自動車リサイクル」研究会ならびに科研費若手研究A(23686131)，環境省平成23年度自動車リサイクル連携高度化等支援事業の助成支援を受けたものである。ここに記して謝意を申し上げます。
