製鋼における脱硫：高品質鋼のための重要なプロセス
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定義と基本概念
脱硫は、鋼鉄製造において重要な冶金プロセスであり、溶融鉄または鋼の硫黄含有量を許容レベルまで低下させることを目的としています。その基本的な目的は、熱脆性や脆さなどの硫黄による欠陥を最小限に抑えることによって、鋼の機械的特性、溶接性、および耐腐食性を向上させることです。
鋼の生産チェーン内で、脱硫は通常、ブラスター炉、転炉、または鋳型炉のいずれかで、一次精錬段階中に行われます。これは、鉄鋼製造の後、最終鋳造の前の重要なステップであり、鋼の化学組成が指定された基準および性能要件を満たすことを保証します。
技術設計と運用
コア技術
脱硫のコアエンジニアリング原則は、化学反応に依存しており、硫黄を溶融金属から適切なスラグまたは合金剤に移動させます。このプロセスでは、硫黄と反応して安定した化合物を形成する脱硫剤を添加することが一般的であり、これらは鋼から分離されます。
主要な技術コンポーネントには、カルシウムカーバイド、酸化カルシウム、またはマグネシウムベースの材料などの脱硫フラックスまたは粉末、および特殊な注入または攪拌システムが含まれます。これらのコンポーネントは、脱硫剤と溶融金属との接触を促進し、効率的な硫黄除去を促進します。
主な運用メカニズムには、溶融金属に脱硫剤を直接追加する方法や、ランスシステムを介して注入する方法が含まれ、接触を強化するために攪拌やかくはんが組み合わされます。材料の流れは、反応速度を最適化し、再汚染や酸化を防ぐために慎重に制御されます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、温度、スラグ組成、および添加される脱硫剤の量が含まれます。典型的な運転温度は、鋼のグレードやプロセス段階に応じて1,600°Cから1,700°Cの範囲です。
鋼の硫黄含有量は通常0.005 wt%未満を目指し、一部の高品質鋼は0.001 wt%未満のレベルを要求します。添加される脱硫剤の量は、初期の硫黄含有量、鋼の体積、および望ましい最終硫黄レベルに基づいて計算されます。
制御システムは、硫黄レベルとスラグ化学を監視するために、分光計やスラグ分析装置などのリアルタイムセンサーを使用します。自動制御アルゴリズムは、脱硫剤の追加速度と攪拌強度を調整して最適な条件を維持します。
設備構成
典型的な脱硫設備は、脱硫剤を注入するためのランスシステムを備えた鋳型炉を特徴としています。ランスは溶融鋼の表面上に位置し、フラックスや粉末を正確に供給できるようにします。
物理的な構成は、プラントのサイズによって異なり、小型のポータブルランスシステムから大規模な自動注入ステーションまでさまざまです。時間が経つにつれて、設備は高度な自動化、改善された耐火ライニング、および強化された攪拌メカニズムを取り入れるように進化しました。
補助システムには、混合を促進するためのアルゴンまたは窒素のパージ、スラグ除去用のスラグスキマー、および最適なプロセス条件を維持するための温度制御装置が含まれます。
プロセス化学と冶金
化学反応
主な化学反応は、鋼中の硫黄がフラックス中のカルシウムまたはマグネシウムと反応してカルシウム硫化物（CaS）またはマグネシウム硫化物（MgS）を形成することに関与しています。例えば：
- CaO + SiO₂ → カルシウムシリケートスラグ（フラックス反応）
- CaO + S（鋼中）→ CaS（硫化物） + O₂（酸化生成物）
熱力学は、スラグ化学が適切に調整されているときに、鋼からスラグへの硫黄の移動を促進し、反応はシステム内のカルシウムまたはマグネシウムの活性によって駆動されます。
反応速度は、温度、攪拌、および脱硫剤の表面積によって影響を受け、高温では一般的に反応が加速されます。
CaSのような反応生成物は高温で安定しており、スラグと共に除去され、鋼中の硫黄含有量を効果的に低下させます。
冶金的変化
脱硫中の微細構造の変化には、マンガン硫化物やカルシウム硫化物などの硫化物包有物の形成が含まれ、これらは鋼のマトリックス内に分散します。
これらの包有物は鋼の機械的特性に影響を与え、しばしば加工性を改善しますが、制御されない場合は靭性を低下させる可能性があります。このプロセスには、フラックスの組成に応じて、リンなどの他の不純物の酸化も含まれます。
相変化には、金属中の溶解状態から固体硫化物包有物への硫黄の変換が含まれ、これらはスラグに分離されるか、ろ過によって除去されます。
これらの変化を適切に制御することで、最終的な鋼製品において望ましい微細構造と機械的特性が確保されます。
材料相互作用
溶融鋼、スラグ、耐火物、および大気との相互作用は、プロセスの安定性にとって重要です。スラグの化学が適切に維持されない場合、特にスラグがカルシウムまたはマグネシウムで飽和していない場合、硫黄が鋼に再入る可能性があります。
耐火材料は高温および腐食性スラグに耐える必要があり、一般的な選択肢にはアルミナまたはマグネシウムベースのレンガが含まれます。材料移動メカニズムには、スラグへの硫黄の拡散や耐火物の摩耗による潜在的な汚染が含まれます。
望ましくない相互作用を制御するには、最適なスラグ化学を維持し、耐火物の劣化を最小限に抑え、脱硫剤の酸化を防ぐ必要があります。保護スラグカバーや不活性大気が使用され、汚