基本酸素鋼製造：現代鋼鉄生産の重要なプロセス
共有
Table Of Content
Table Of Content
定義と基本概念
基本酸素鋼製造（BOS）、または基本酸素プロセス（BOP）としても知られるこの方法は、溶融鉄を高炉から鋼に変換する主要な鋼製造方法であり、液体金属に酸素を吹き込むことによって行われます。その基本的な目的は、ピグアイアン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することによって、高品質の鋼を生産することです。
このプロセスは、鋼製造チェーンにおいて中心的な役割を果たし、生の鉄を使用可能な鋼製品に変換するための主要なステップとして機能します。これは、鉄鉱石がピグアイアンに還元される鉄製造段階に続き、二次精錬または鋳造操作に先行します。BOSは、その高い生産性、柔軟性、および幅広い鋼グレードを効率的に生産する能力から好まれています。
技術設計と運用
コア技術
BOSのコアエンジニアリング原則は、高純度の酸素を高速度で溶融ピグアイアンに注入し、不純物を除去する酸化反応を誘発することに依存しています。このプロセスは、酸化の発熱特性を利用しており、外部加熱なしで溶融状態を維持するための熱を供給します。
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、およびスラグスキマー、トゥイレ、ガス清浄ユニットなどの補助システムが含まれます。コンバータは、高温と化学攻撃に耐えるように設計された耐火材で lined された水冷式の容器です。酸素ランスは、長く高圧のパイプで、溶融金属に直接酸素を供給するためにコンバータの中央に配置されています。
運転中、酸素はランスを通じて高速度で吹き込まれ、急速な酸化を促進する乱流を生成します。このプロセスには、しばしば予熱された酸素を使用した制御された吹き込みシーケンスと、所望の鋼組成を達成するためのフラックスや合金の追加が含まれます。酸化反応は熱を生成し、これが溶融状態を維持し、不純物の除去を促進します。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、酸素流量、吹き込み時間、温度、およびスラグ化学が含まれます。典型的な酸素流量は、コンバータのサイズや鋼グレードの要求に応じて、10,000から20,000 Nm³/hの範囲です。
吹き込み時間は通常15分から30分の間で、初期のピグアイアンの組成や所望の最終鋼品質に基づいて変動します。コンバータの温度は約1,600°Cから1,700°Cに維持され、最適な反応動力学を確保します。
制御システムは、酸素圧力、温度、オフガス組成などのパラメータを監視するために高度なセンサーと自動化を利用します。リアルタイムデータにより、オペレーターは不純物除去を最適化し、エネルギー消費を最小限に抑えるために、吹き込み強度、時間、およびフラックスの追加を調整できます。
設備構成
典型的なBOS設置は、通常100トンから350トンの容量を持つ耐火材で lined された鋼コンバータ容器を特徴としています。コンバータは回転プラットフォームに取り付けられ、タッピングやスラグ除去のために傾けることができます。
設計のバリエーションには、酸素底吹きコンバータ、上吹きコンバータ、および複合システムが含まれます。時間が経つにつれて、耐火材料、ガス清浄システム、および自動化制御の革新が進み、効率と寿命が向上しました。
補助システムには、酸素の予熱ユニット、粉塵収集およびガス洗浄設備、スラグ処理施設が含まれます。現代のプラントは、リモート操作機能と高度な監視を組み込んで、安全性と生産性を向上させています。
プロセス化学と冶金
化学反応
主要な化学反応は、ピグアイアン中の炭素、シリコン、マンガン、リン、および硫黄の酸化を含みます。例えば、炭素の酸化は次のように進行します：
$$\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \quad \text{または} \quad \text{CO}_2 $$
同様に、シリコンとマンガンも酸化されます：
$$\text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 $$
$$\text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO} $$
リンの除去は、フラックスとの反応によってリン酸塩を形成し、スラグに吸収されることによって行われます。これらの反応は、高温で熱力学的に有利であり、酸化が進むにつれてギブス自由エネルギーが減少します。
酸素流量、温度、不純物濃度などの動的要因が反応速度に影響を与えます。このプロセスは、ターゲット鋼組成を効率的に達成するために、これらの反応を最適化するように設計されています。
反応の副産物には、CO、CO₂、および窒素酸化物などのガスが含まれ、これらはオフガスシステムで捕捉され処理されます。スラグの形成は、シリコン、マンガン、リン、および他の不純物の酸化物から生じ、溶融鋼から分離されます。
冶金的変化
BOS中には、微細構造の変化や相変化を含む重要な冶金的変化が発生します。急速な酸化により、典型的なピグアイアンの炭素含量（約4-4.5%）が0.1-1%未満に減少し、微細構造がフェライト/パーライトから主にフェライト、パーライト、またはマルテンサイト構造に変化します。
このプロセスには、脱リンおよび脱硫も含まれ、鋼の延性、靭性、および溶接性に影響を与えます。酸化物が豊富なスラグ層の形成は、不純物を吸収し、微細構造の制御を促進する精製媒体として機能します。
タッピング中の冷却速度と合金の追加は、相変化に影響を与え、硬度、強度、および耐腐食性などの特性に影響を与えます。適切な制御により、さまざまな用途に適した微細構造を持つ鋼の生産が確保されます。
材料相互作用
溶融鋼、スラグ、耐火 lining、及び大気中のガスとの相互作用は、プロセスの安定性にとって重要です。スラグは不純物の