オープンハースプロセス：主要な製鋼方法と鋼の生産におけるその役割
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定義と基本概念
オープンハースプロセス（シーメンス・マーチンプロセスとも呼ばれる）は、溶融鉄とスクラップ鋼を再生可能な反射炉で精製して高品質の鋼を生産する歴史的な製鋼方法です。これは、さまざまな合金元素の追加と化学組成の正確な制御を可能にする、大きく傾斜した浅い炉設計が特徴です。
基本的に、このプロセスの主な目的は、鋳鉄、スクラップ、およびその他の鉄系材料を、構造用、自動車用、その他の高性能用途に適した特定の特性を持つ鋼に変換することです。これは、19世紀後半から20世紀中頃まで、特に基本酸素炉や電気アーク炉が広く採用される前に、鋼の生産において重要な役割を果たしました。
全体の製鋼チェーンの中で、オープンハースプロセスは初期の製鉄（高炉）の後、鋳造と圧延の前に位置しています。これは、化学組成を改善し、不純物を除去し、特定の鋼グレードを満たすために炭素含量を調整する精製ステップとして機能します。
技術設計と運用
コア技術
オープンハースプロセスのコアエンジニアリング原則は、反射炉内での鉄系材料の再生加熱と溶融に依存しています。炉の設計は、溶融金属の浴に熱を反射する水冷式の屋根を持つ浅い長方形の傾斜容器を特徴としています。
主要な技術コンポーネントには、煙道ガスからの廃熱を利用して燃焼空気を予熱する再生バーナーや、高温に耐える水冷式の炉壁と屋根が含まれます。炉は、燃焼ガスとの直接接触を避けながら、屋根を通じて金属浴を間接的に加熱することで動作し、正確な温度制御を可能にします。
主な運転メカニズムは、生の材料（鋳鉄、スクラップ、フラックス）を炉に充填し、バーナーを点火して熱を生成することです。熱は炉の屋根を介して金属浴に伝達され、合金元素やフラックスを追加して不純物を除去しながら、継続的に攪拌されて精製されます。このプロセスは周期的で、炉は定期的に傾斜して精製された鋼を注ぎ出します。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、炉の温度（通常1,600°Cから1,700°Cの間で維持される）やバーナーの酸素および燃料流量があります。投入材料の化学組成は、精製効率と最終鋼の品質に影響を与えます。
炉の温度は、溶融速度や不純物除去に直接影響を与えます。温度が高すぎると耐火物の摩耗を引き起こし、低すぎると溶融が妨げられます。燃焼空気の酸素濃度の増加は、脱炭と不純物の酸化を促進します。プロセスの期間は、通常8時間から12時間で、望ましい鋼グレードや炉のサイズによって異なります。
制御システムには、温度、化学組成、スラグ化学を監視するための熱電対、ガス分析計、自動供給システムが組み込まれています。リアルタイムデータにより、オペレーターはバーナー設定を調整し、フラックスを追加し、精製プロセスを動的に制御できます。
設備構成
典型的なオープンハース炉は、50トンから300トンの容量を持つ大きな長方形の水冷式傾斜容器です。炉の寸法は生産規模に依存し、効率的な熱伝達と充填のために長さと幅の比率が最適化されています。
時間が経つにつれて、炉の設計は単純な手動操作のユニットから、より洗練された機械化システムに進化し、改善された断熱材、耐火ライニング、自動化が施されています。補助システムには、充填クレーン、スラグスキマー、注ぎ出し用の傾斜機構が含まれます。
耐火ライニングは、熱的ストレスや化学的腐食に耐えるように設計された高アルミナレンガやキャスタブルで作られています。ガス清浄システム、集塵機、冷却システムなどの補助設備は、環境遵守と運用の安定性に不可欠です。
プロセス化学と冶金
化学反応
オープンハースプロセスは、主に酸化と脱炭によって駆動されるいくつかの重要な化学反応を含みます。主な反応は以下の通りです：
-
炭素の酸化：
( \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} ) または ( \text{CO}_2 )
これは鋼の炭素含量を減少させ、硬度と延性を制御します。 -
不純物の酸化：
シリコン、マンガン、リン、硫黄などの元素が酸化されてスラグ成分を形成します。例：
( \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 )
( \text{Mn} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MnO}_x ) -
スラグの形成：
石灰（CaO）などのフラックスが不純物と反応してスラグを形成し、これが除去されます。
例えば、酸化カルシウムがシリカと反応してカルシウムシリケートを生成します：
( \text{CaO} + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{CaSiO}_3 )
熱力学は高温での酸化を好み、反応速度は酸素流量、温度、不純物濃度に依存します。
冶金的変化
精製中の微細構造の変化には、鋳鉄レベル（約4%）から鋼レベル（<2%）への炭素含量の減少と不純物の除去が含まれます。このプロセスは、冷却条件に応じて均一なオーステナイトまたはフェライトの微細構造の形成を促進します。
相変化には、合金元素の溶解と不純物除去を促進するスラグ-金属界面の形成が含まれます。鋼の微細構造は、鋳鉄のような構造から精製された均一な相に進化し、制御された粒径が機械的特性（強度、靭性、延性など）に影響を与えます。
このプロセスはまた、合金添加を可能にし、相の安定性と微細構造を変更し、特定の特性を持つさまざまな鋼グレードの生産を可能にします。
材料相互作用
溶融金属、スラグ、耐火ライニング、大気の