鋼製造におけるホットメタル：主要プロセスと鋼生産におけるその役割
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定義と基本概念
ホットメタルは、液体状態の鋳鉄としても知られ、統合製鉄所の鉄鋼製造の初期段階で生成される主要な原材料です。これは、シリコン、マンガン、硫黄、リンなどのさまざまな不純物を含む高炭素鉄合金であり、これらは高炉プロセスに固有のものです。
ホットメタルの基本的な目的は、基本酸素炉（BOF）や電気アーク炉（EAF）などの後続の製鋼プロセスの主要な入力として機能することであり、ここで望ましい化学組成と特性を持つ鋼に精製されます。
全体の鋼製造チェーンの中で、ホットメタルは中心的な位置を占めており、原材料の準備（鉄鉱石、コークス、石灰石）と二次精製または合金化の段階をつなぐ役割を果たします。これは、高温条件下で鉄鉱石を液体鉄に還元するために設計された大きな垂直シャフト型反応器である高炉で、連続的またはバッチ方式で生産されます。
技術設計と運用
コア技術
ホットメタル生産のコア技術は、高炉プロセスであり、化学還元と熱分解の原理に依存しています。高炉は、固体原材料がシャフトを通って下降し、熱いガスが上昇する逆流反応器として機能し、効率的な熱と物質の移動を促進します。
主要な技術コンポーネントには、高炉シェル、チュイレ、ボッシュ、スタック、ハース、およびタップホールシステムが含まれます。シェルは、高温および腐食条件に耐える内部耐火ライニングを支持する大規模な耐火ライニング鋼構造です。
チュイレは、水冷式ノズルであり、コークスの燃焼を支援し、還元に必要な高温を生成するために酸素を豊富に含む予熱空気を炉内に注入します。ボッシュとスタックは、化学反応が主に発生するセクションであり、ハースは底部で液体ホットメタルとスラグを集めます。
材料の流れは、原材料（鉄鉱石、コークス、石灰石）を上部から充填し、シャフトを通って下降し、還元と溶融を経て、最終的に底部のハースから液体ホットメタルとスラグをタップすることを含みます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、ブラス温度、酸素濃縮レベル、ブラス圧力、バーデン組成、および炉温が含まれます。典型的なブラス温度は1,200°Cから1,350°Cの範囲で、酸素濃縮レベルは25-40%で燃焼効率を向上させます。
バーデンの組成は還元速度と不純物除去に影響を与え、典型的なコークス率はホットメタル1トンあたり400-600 kgです。炉温は1,600°Cから1,800°Cの範囲で維持され、完全な溶融と還元を確保します。
制御システムは、リアルタイムでパラメータを監視するために、熱電対、圧力センサー、およびガス分析計などの高度な計器を使用します。自動制御アルゴリズムは、炉の性能を最適化するために、ブラス酸素レベル、チュイレ圧力、およびバーデン充填を調整します。
設備構成
典型的な高炉の設置は、高さ30から50メートル、直径10から15メートルです。炉のシェルは、高温および化学攻撃に耐えるように設計された耐火ライニングを備えた鋼で構築されています。
設計のバリエーションには、上充填炉、ベルレストップシステム、およびベル型充填配置が含まれ、バーデンの分配を改善し、運用のダウンタイムを減少させるために進化しています。現代の炉は、ブラス空気の予熱システムやエネルギー効率のためのトップガス回収ユニットを組み込んでいます。
補助システムには、燃焼空気の予熱のためのホットブラスストーブ、粉砕コークス注入システム、および排出管理のためのダスト収集ユニットが含まれます。炉のシェルと耐火ライニングの冷却システムは、構造的完全性を維持するために重要です。
プロセス化学と冶金
化学反応
高炉における主要な化学反応は、鉄酸化物を金属鉄に還元することです。主な反応は以下の通りです：
- C + O₂ → CO₂（コークスの燃焼による熱の供給）
- CO₂ + C → 2CO（炭素一酸化物の形成）
- Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂（鉄酸化物の還元）
- SiO₂ + 2C → Si + 2CO（シリコンの還元）
- MnO + C → Mn + CO（マンガンの還元）
- CaCO₃ → CaO + CO₂（スラグを形成するための石灰石の分解）
これらの反応は、高温によって熱力学的に駆動され、平衡は高温で還元生成物の方にシフトします。反応速度は、ガスと固体の接触、バーデンの組成、および温度勾配に依存します。
反応生成物には、液体ホットメタル、スラグ（カルシウム、シリコン、マンガン、およびその他の酸化物の混合物）、およびCO、CO₂、窒素酸化物などの気体排出物が含まれます。
冶金的変化
運転中、鉄酸化物は徐々に金属鉄に還元され、微細構造は多孔質の酸化鉱石粒子から密な液体鉄に変化します。このプロセスは、固体から液体状態への相変化を伴い、不純物を封じ込めるスラグ相の形成を含みます。
還元が進むにつれて、微細構造は多孔質の酸化物粒子から均質な液体相に進化します。ホットメタルの冷却とタッピングは、固化を引き起こし、機械的特性に影響を与える微細構造を形成します。
硫黄やリンなどの不純物は、ホットメタルに集中したり、スラグに分離したりする傾向があり、鋼の品質に影響を与えます。スラグの化学と還元条件の適切な制御は、許容される不純物レベルのホットメタルを生産するために不可欠です。
材料相互作用
ホットメタル、スラグ、耐火ライニング、および大気との相互作用は複雑です。耐火材料は化学攻撃や熱ストレスに耐えるように設計されていますが、腐食や侵食により時間とともに劣化する可能性があります。
スラグ