ベッセマー法：主要な製鋼方法とその産業への影響
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定義と基本概念
ベッセマー法は、19世紀中頃に開発された先駆的な製鋼技術であり、鋼の大量生産に革命をもたらしました。このプロセスは、特別に設計されたコンバーター内で液体金属に空気を吹き込むことによって、溶融生鉄を鋼に変換することを含みます。このプロセスの主な目的は、生鉄から過剰な炭素やその他の不純物を除去し、さまざまな産業用途に適した高品質で延性のある鋼を生産することです。
大規模な鋼生産の最も初期の方法の一つとして位置づけられるベッセマー法は、現代の製鋼の基礎となりました。これは、鍛鉄から鋼への移行において重要なステップであり、大量の鋼を迅速かつ経済的に製造することを可能にしました。このプロセスは、通常、初期の鉄の溶解に続き、全体の鋼生産チェーンにおける二次精錬または合金化のステップに先行します。
技術設計と運用
コア技術
ベッセマー法のコアエンジニアリング原理は酸化です。溶融生鉄に空気を吹き込むことによって、不純物（炭素、シリコン、マンガン、リンなど）の酸化を促進します。これらの不純物は酸素と反応して気体の酸化物やスラグを形成し、それが溶融金属から除去されます。
主な技術コンポーネントには、傾斜機構を備えた梨型の耐火ライニング容器であるベッセマーコンバーターと、底部に配置されたチュエール（空気ノズル）のシステムが含まれます。コンバーターはピボットに取り付けられており、充填、吹き込み、タッピング操作のために傾けることができます。空気はチュエールに接続されたブラスパイプを通じて供給され、酸素が均等に溶融金属に分配されます。
運転中、コンバーターには生鉄とオプションでスクラップ鋼または鉄が充填されます。一旦密閉されると、圧縮空気が高速度でチュエールを通じて吹き込まれ、急速な酸化反応が始まります。プロセスの期間は通常10〜20分で、その間に温度が維持され、完全な酸化を確保し、固化を防ぎます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、ブラスレート、酸素純度、温度、および初期生鉄の化学組成が含まれます。典型的なブラスレートは、コンバーターのサイズと望ましい反応速度に応じて、毎分10〜20立方メートルの空気です。
酸素流量は、不純物除去の速度とコンバーター内の温度プロファイルに影響を与えます。過度に高いブラスレートは乱流と熱損失を引き起こす可能性があり、不十分な流量はプロセスを延長し、不完全な脱炭を引き起こす可能性があります。
温度制御は重要であり、プロセスは通常、溶融状態を維持し、効率的な酸化を促進するために約1,600°Cから1,700°Cで運転されます。監視には熱電対とスラグおよび金属表面の視覚検査が含まれます。
制御システムは、自動吹き込み制御を利用し、温度、ガス組成、スラグ形成のリアルタイム測定に基づいて吹き込み強度を調整します。現代の実装には、最適化された運用のためのセンサーとコンピュータ制御が組み込まれています。
設備構成
典型的なベッセマーコンバーターは、高さ約4〜8メートル、直径2〜4メートルで、耐火ライニングが施されており、高温と腐食性ガスに耐えることができます。コンバーターは傾斜スタンドに取り付けられており、充填、吹き込み、タッピングが容易に行えます。
設計のバリエーションには、オープンハースベッセマーコンバーター、改良された耐火ライニングを備えた再生コンバーター、効率と環境性能を向上させるために元のベッセマー設計から進化した現代の基本酸素炉（BOF）が含まれます。
補助システムには、圧縮空気供給ユニット、スラグ処理設備、耐火ライニング用の冷却システムが含まれます。一部の設置では、エネルギー効率を改善するために、入ってくる空気の予熱システムが組み込まれています。
プロセス化学と冶金
化学反応
主な化学反応は、炭素やその他の不純物の酸化を含みます：
-
炭素の酸化：
( \mathrm{C} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2 \uparrow )
または一部酸化して一酸化炭素になる：
( 2\mathrm{C} + \mathrm{O}_2 \rightarrow 2\mathrm{CO} ) -
シリコンの酸化：
( \mathrm{Si} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{SiO}_2 ) (シリカスラグ) -
マンガンの酸化：
( \mathrm{Mn} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{MnO}_2 ) -
リンの除去は、スラグ中のリン酸塩の形成を通じて行われ、しばしばフラックスの添加によって促進されます。
これらの反応は高温で熱力学的に有利であり、反応速度は酸素の部分圧と温度によって影響を受けます。気体のCOおよびCO₂の形成は不純物の除去を促進し、スラグの形成はシリコン、マンガン、リンの酸化物を捕らえます。
冶金的変化
プロセス中、金属の微細構造は、鋳造された高炭素生鉄から、主にフェライトまたはパーライトの微細構造を持つ精製鋼に変化します。脱炭により、生鉄中の炭素含有量は約4-5%から鋼中の1%未満に減少します。
相変化には、合金元素の溶解とスラグ相の形成が含まれます。急速な酸化は、改善された延性と靭性を持つ精製された均一な微細構造をもたらします。このプロセスは、残留応力と多孔性を減少させ、機械的特性を向上させます。
材料相互作用
溶融金属、スラグ、および耐火ライニング間の相互作用は重要です。スラグは反応媒体として機能し、酸化物や不純物を吸収しますが、過剰なスラグの形成は金属の汚染や損失を引き起こす可能性があります。
耐火材料は、通常、マグネシアまたはアルミナベースのレンガであり、スラ