精錬：歴史的な製鋼と精錬における重要なプロセス
共有
Table Of Content
Table Of Content
定義と基本概念
ファイナリーとは、主に19世紀と20世紀初頭に使用された歴史的な製鋼プロセスで、鋳鉄から鍛鉄、場合によっては鋼を生産するために用いられました。これは、鋳鉄中の炭素、シリコン、マンガン、リンなどの不純物を制御された燃焼と空気吹き込みを通じて酸化させ、より純度の高い鉄製品を得るプロセスです。
基本的に、ファイナリープロセスは、炭素含量が高く脆い鋳鉄を鍛造や製造に適した可鍛性の鍛鉄に変える精製ステップとして機能しました。これは、鋳鉄をより精製された加工可能な形に変換することで、鋼または完成品へのさらなる加工の前に重要な役割を果たしました。
全体の鋼生産フローの中で、ファイナリーは高炉の溶融の後、次の工程であるプディング、圧延、または鍛造の前に位置していました。これは、特定の品質基準を満たすために、鋳鉄が現場で精製される統合鋼鉄工場の一部であることが多かったです。
技術設計と運用
コア技術
ファイナリープロセスのコアエンジニアリング原則は、高温燃焼と空気吹き込みを通じて鋳鉄中の不純物を酸化させ、炭素や他の合金元素を減少させることです。このプロセスは、不要な元素を除去する制御された酸化反応に依存しており、鉄の延性と可鍛性を向上させます。
主要な技術コンポーネントには、高温に耐えるように設計された大きな耐火材で lined された容器であるファイナリーハースと、予熱された空気の安定した流れを供給する空気吹き込みシステムが含まれます。ハースには、鋳鉄やフラックスを追加するためのチャージドアと、空気を導入するためのチュイールまたはブローパイプが装備されています。
材料の流れは、鋳鉄をハースに充填し、酸化を促進するために空気を吹き込むことを含みます。このプロセスは、温度と酸化速度を制御するために注意深く監視され、不純物が過剰な鉄の損失なしに除去されることを保証します。溶融鉄は均一な酸化を促進するためにかき混ぜられ、スラグは不純物がフラックスと結合することで形成されます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には以下が含まれます：
- 温度：通常、1,200°Cから1,400°Cの間で維持され、過剰な耐火材の摩耗を防ぎます。
- 空気流量：通常、ハースのサイズと望ましい酸化速度に応じて、鋳鉄1トンあたり10〜20 m³/minの範囲です。
- 酸化時間：初期の不純物レベルと望ましい純度に応じて、30分から数時間の範囲です。
- 不純物含有量：ファイニング後の目標残留炭素含有量は通常0.1%未満で、シリコンとリンも大幅に減少します。
これらのパラメータは、最終製品の延性、強度、表面品質に影響を与えます。正確な制御は、温度、酸素レベル、スラグ組成を監視する自動化システムを通じて達成されます。
設備構成
典型的なファイナリー炉は、数トンから20トン以上のバッチ容量を持つ大きな立式の耐火材で lined された容器です。ハースは円形または長方形で、スラグ除去とタッピングのための傾斜機構があります。
設計のバリエーションには、歴史的に使用された水平ファイナリー炉や、後の適応である垂直または傾斜炉が含まれます。時間の経過とともに、耐火材は基本的な耐火粘土レンガから、高温に耐え、長寿命を持つ先進的なアルミナベースの複合材料に進化しました。
補助システムには、空気の予熱ユニット、スラグ処理装置、排出を制御するためのダスト抽出システムが含まれます。現代の適応では、効率を向上させるために機械化された充填と自動制御システムが組み込まれることがあります。
プロセス化学と冶金
化学反応
主な化学反応は、炭素や他の不純物の酸化を含みます：
-
炭素酸化：
( \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 )
またはCOを形成する部分酸化。 -
シリコン酸化：
( \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 ) (シリカスラグ) -
リン除去：
リンは酸化してフラックスと結合し、スラグを形成する傾向があります。 -
マンガン酸化：
( \text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO}_2 )
熱力学的に、これらの反応は高温で好まれ、酸素の部分圧が不純物除去の程度を制御します。反応速度は温度、不純物濃度、かき混ぜに依存します。
反応生成物には、シリカ、リン酸塩、その他の酸化物が豊富なスラグと、不純物レベルが低下した精製鉄相が含まれます。
冶金的変化
ファイニング中、鉄の微細構造は脆い鋳鉄からより延性のある繊維状の鍛鉄に変化します。このプロセスは、鋳鉄中の炭素含量を約3〜4%から0.1%未満に減少させ、重要な冶金的変化をもたらします。
微細構造的には、鉄は主にフェライトで構成され、細かく繊維状の構造がタフネスと可鍛性を与えます。相変化には、セメンタイトの溶解とほぼ純粋なフェライトマトリックスの形成が含まれます。
これらの変化は、引張強度や延性などの機械的特性を改善し、材料を鍛造、成形、さらなる製鋼プロセスに適したものにします。
材料相互作用
溶融鉄、スラグ、耐火材の相互作用は重要です。スラグは不純物除去の媒体として機能しますが、適切に管理されないと耐火材の腐食を引き起こす可能