基本酸素炉（BOF）：主要な製鋼プロセスと設備
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定義と基本概念
基本酸素炉（BOF）、または基本酸素鋼製造（BOS）コンバータは、溶融鉄を高炉から鋼に変換する主要な鋼製造プロセスであり、酸素を吹き込むことによって行われます。このプロセスは、高い生産性、効率性、および制御された化学組成で大量の鋼を生産できる能力のため、鋼鉄業界において基本的なものです。
BOFの主な目的は、溶融鉄中の炭素含量を減少させ、シリコン、マンガン、リン、硫黄などの不純物を除去し、特定の品質基準を満たすために鋼を精製することです。これは、高炉と二次精製または鋳造操作をつなぐ統合鋼製造チェーンの重要なステップとして機能します。
鋼の生産フローにおいて高炉の後に位置するBOFは、高炭素含量と不純物を特徴とする鋳鉄を、鋳造およびさらなる処理に適した液体鋼に変換します。その運用は、最終的な鋼の品質、エネルギー消費、および環境排出に大きな影響を与えます。
技術設計と運用
コア技術
BOFの基本的な工学原理は、溶融鉄に超音速の高純度酸素を吹き込むことで、発熱性酸化反応を開始することです。これらの反応は熱を生成し、溶融プロセスを維持し、外部エネルギーの投入を減少させます。
主要な技術コンポーネントには、コンバータ容器、酸素ランス、スラグスキミングやタッピングメカニズムなどの補助システム、および耐火ライニングが含まれます。コンバータは、大きな耐火ライニングを施した水冷鋼シェルで、円筒形または円錐形の容器の形をしており、通常150トンから400トンの容量があります。
酸素ランスは、溶融金属に酸素を導入する垂直パイプです。これは、吹き込み中に正確な位置決めと移動を可能にする機械的マニピュレーターに取り付けられています。このプロセスは、ランスを通じて酸素を注入し、炭素や不純物と反応してガスやスラグを形成します。
材料の流れには、酸素の注入、不純物の酸化、スラグの形成、および溶融鋼のタッピングが含まれます。このプロセスは非常に動的であり、反応を最適化するために温度、化学組成、スラグ特性を継続的に監視します。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、酸素流量、ランスの高さ、吹き込み時間、温度、およびスラグ組成が含まれます。典型的な酸素流量は、炉のサイズと望ましい反応強度に応じて、10,000から30,000 Nm³/hの範囲です。
吹き込み時間は一般的に15分から30分で、初期の鉄の組成と望ましい鋼のグレードに基づいて調整されます。温度は、完全な溶融と反応動力学を確保するために、1,600°Cから1,700°Cの間に維持されます。
これらのパラメータ間の関係は、鋼の化学、温度制御、および不純物除去効率に影響を与えます。たとえば、酸素流量が高いと脱炭が加速しますが、エネルギー消費やスラグ形成が増加する可能性があります。
制御システムは、光学式温度計、ガス分析計、スラグモニターなどの高度なセンサーを自動化プラットフォームに統合して使用します。これらのシステムは、プロセスの安定性、エネルギー使用、および製品品質を最適化するためにリアルタイムで調整を可能にします。
設備構成
典型的なBOF設置は、タッピングを容易にするために傾斜機構に取り付けられた耐火ライニングの鋼シェルで構成されています。容器の寸法は、容量に応じて直径4メートルから8メートル、高さは最大15メートルまで異なります。
設計のバリエーションには、異なる耐火ライニング、水冷パネル、およびランス配置を持つ基本酸素コンバータが含まれます。時間が経つにつれて、耐火性の耐久性、ランスの自動化、および環境制御が改善されました。
補助システムには、スラグ処理装置、粉塵抽出ユニット、および粒子状排出物を捕捉するための静電気沈殿器やバッグフィルターなどのガス清浄システムが含まれます。現代のプラントは、全体的な効率を改善するために廃熱ボイラーなどのエネルギー回収システムも組み込んでいます。
プロセス化学と冶金
化学反応
主要な化学反応は、炭素、シリコン、マンガン、リン、および硫黄の酸化を含みます：
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炭素の酸化：
C + ½ O₂ → CO (ガス)
C + O₂ → CO₂ (ガス) -
シリコンの酸化：
Si + O₂ → SiO₂ (スラグ) -
マンガンの酸化：
Mn + ½ O₂ → MnO (スラグ) -
リンの除去：
P + 5/2 O₂ → P₂O₅ (スラグ) -
硫黄の除去は、硫化物または酸化物として硫黄を吸収する基本スラグによって促進されます。
熱力学的に、これらの反応は発熱性であり、プロセスを維持する熱を放出します。動力学は温度、酸素流量、および不純物濃度に依存します。
反応生成物には、オフガスと共に逃げる気体のCOおよびCO₂、ならびにシリコン、マンガン、リン、および他の不純物の酸化物を含むスラグが含まれます。スラグの組成は、不純物除去を最適化するために慎重に制御されます。
冶金的変化
吹き込み中、溶融金属の微細構造は、不純物が酸化されて除去されるにつれて進化します。炭素含量は、鋳鉄の約4-5%から鋼の0.1-0.2%未満に減少します。
相変化には、制御された組成を持つ均一な液体鋼の形成が含まれ、その後、鋳造中に固化します。このプロセスには、不純物吸収を促進する基本スラグ層の形成も含まれます。
これらの変化は、強度、延性、および靭性などの機械的特性に影響を与えます。適切な制御により、微細構造が細かく均一な粒子