鋼製造における酸プロセス：主要なステップと装置の説明

定義と基本概念

鋼製造における酸プロセスは、主に酸性フラックス（通常はシリカベース）を使用して、溶融鉄または鋼からリン、硫黄、その他の望ましくない元素などの不純物を除去する主要な精製方法を指します。このプロセスは、粗鋼を化学組成が制御された高品質の精製鋼に変換するために不可欠です。

基本的に、酸プロセスは、溶融金属と酸性フラックスとの間の化学反応を通じて不純物を除去することを目的とし、スラグ相を形成して分離できるようにします。これは、基本酸素または電気アーク炉の溶融段階に続き、二次精製または鋳造に先行する全体の鋼生産チェーンにおいて重要な役割を果たします。

鋼製造プロセスの流れの中で、酸プロセスは初期の溶融と合金化の後に位置し、目標とする化学仕様を達成するための精製ステップとして機能します。これは、特にオープンハース、ベッセマー、またはコンバータベースの鋼製造ルートで顕著であり、高グレード鋼を生産するためには不純物の除去が不可欠です。

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技術設計と運用

コア技術

酸プロセスは、化学的親和性と熱力学の基本原則に依存しており、酸性フラックスが溶融金属中の基本的な不純物と反応します。主要なエンジニアリングコンセプトは、溶融鋼または鉄浴にシリカリッチフラックス（クォーツやシリカ砂など）を導入することです。

主要な技術コンポーネントには以下が含まれます：

• フラックス添加システム： シリカベースのフラックスの正確な投与のための設備。
• 鋳型または容器設計： 高温と腐食性スラグに耐える耐火材で lined された容器。
• スラグスキミングおよびタッピングシステム： 精製された金属から不純物を含むスラグを分離するためのもの。

主要な運用メカニズムは、不純物を包み込むカルシウムシリケートやその他のスラグ相の形成を含みます。プロセスフローは通常、溶融金属にフラックスを追加し、反応を促進するためにかき混ぜまたは攪拌し、その後スラグを鋼から分離することを含みます。

プロセスパラメータ

酸プロセスに影響を与える重要な変数には以下が含まれます：

• フラックス添加率： 通常、溶融金属重量の1-3%、不純物レベルに基づいて調整されます。
• 温度： 流動性と反応動力学を維持するために1500°Cから1650°Cの範囲で運転します。
• 反応時間： 不純物濃度に応じて10分から30分の範囲です。
• スラグの塩基性： 低レベル（酸性スラグ）に維持され、CaOとSiO₂の比率は通常1未満です。

これらのパラメータは、不純物除去効率、スラグの粘度、最終的な鋼の組成に直接影響します。制御システムは、熱電対、スラグ組成分析装置、自動投与システムを使用して最適な条件を維持します。

設備構成

典型的な酸プロセスの設置には以下が含まれます：

• 精製鋳型または容器： 通常50-200トンの容量を持ち、酸に耐性のある耐火材で lined されています。
• フラックス添加システム： シリカ材料のための空気圧または機械的フィーダー。
• スラグ処理システム： スキマー、スラグポット、搬送コンベヤー。

設計のバリエーションには、連続精製容器やバッチ型鋳型の採用が含まれ、より自動化され、エネルギー効率の良い構成への進化があります。補助システムにはアルゴン攪拌、温度制御ユニット、スラグ調整装置が含まれます。

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プロセス化学と冶金

化学反応

コアの化学反応は、シリカフラックスと不純物元素との相互作用を含みます：

• リン除去：
  ( \text{P (金属中)} + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{P}_2\text{O}_5 \text{ (スラグ中)} )

• 硫黄除去：
  ( \text{S (金属中)} + \text{CaO} \rightarrow \text{CaS (スラグ)} )

• 不純物の包埋：
  ( \text{不純物} + \text{フラックス} \rightarrow \text{スラグ相} )

熱力学的には、反応は高温で好まれ、安定したシリケートおよび硫化物相が形成されます。動力学は温度、不純物濃度、攪拌に依存します。

反応生成物にはカルシウムシリケート、カルシウムリン酸塩、硫化物が含まれ、これらはスラグ相を形成します。これらの副産物は通常、タッピングまたはスキミングによって除去されます。

冶金的変化

酸プロセス中の微細構造の変化には以下が含まれます：

• 不純物の分離： 不純物はスラグ相に集中し、鋼中の含有量が減少します。
• 微細構造の精製： 非金属的な包含物や不純物の除去により、鋼がクリーンになります。
• 相変化： 鋼の微細構造は化学的には大きく変わらないが、不純物の減少により延性、靭性、溶接性が向上します。

このプロセスは、不純物レベルを指定された閾値以下に減少させることにより、冶金的特性を向上させ、鋼の機械的性能を改善します。

材料相互作用

相互作用には以下が含まれます：

• 金属-スラグ相互作用： 不純物は溶融金属からスラグに移動し、化学的親和性によって駆動されます。
• 耐火材の腐食： 酸性スラグは、スラグの塩基性が適切に制御されていない場合、耐火ライニングを侵食する可能性があります。
• 大気との相互作用： 最小限であり、プロセスは密閉