鋼製造における酸素ランス：効率的な鋼精錬のための必須ツール

定義と基本概念

酸素ランスは、鋼製造プロセスで溶融金属やスラグに純粋な酸素を直接注入するために使用される、特殊な高温耐火ライニングのチューブまたはパイプです。その主な目的は、鋼の品質を精製するために不可欠な酸化反応、脱炭、脱硫、およびその他の冶金的変換を促進することです。

鋼製造チェーン内で、酸素ランスは二次冶金において重要なツールであり、特に基本酸素鋼製造（BOS）や鋳型冶金などのプロセス中に使用されます。これは、主な溶融段階の後に配置され、化学組成と温度調整の精密な制御を可能にします。ランスの役割は、プロセスの効率を高め、鋼の清浄度を改善し、特定の冶金的仕様を満たすことです。

技術設計と操作

コア技術

酸素ランスの基本的な工学原理は、高圧の酸素流を溶融鋼またはスラグに向けて導き、制御された酸化反応を誘発することです。このプロセスは、炭素、硫黄、リンなどの不純物の酸化の熱力学的好ましさに依存しており、これらは気体の酸化物またはスラグ成分として除去されます。

主要な技術コンポーネントには以下が含まれます：

• ランスパイプ： 通常、ステンレス鋼や特殊な耐火ライニング鋼などの高温耐性合金で作られ、熱応力や腐食に耐えるように設計されています。
• ノズルまたはオリフィス： ランスの先端に位置し、酸素ジェットの速度と流量を制御し、調整可能または交換可能なインサートを備えていることが多いです。
• 耐火ライニング： ランスを極端な熱や化学攻撃から保護し、通常はアルミナまたはマグネシアベースの材料で構成されています。
• 酸素供給システム： 高圧酸素シリンダーまたはパイプライン、圧力調整器、流量制御バルブで構成されています。

主な操作メカニズムは、耐火シールドまたは専用ポートを通じて溶融バスにランスを挿入し、制御された流量で酸素を注入することです。酸素ジェットは溶融表面に浸透し、不純物の急速な酸化を促進します。流量、ランスの角度、浸漬深度は、反応動力学を最適化し、乱流や飛沫を防ぐために慎重に管理されます。

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：

• 酸素流量： 通常、鋼のグレードやプロセス段階に応じて1000から6000 Nm³/hの範囲です。
• ランス角度： 効果的な浸透と混合を確保するために、通常は垂直軸に対して30°から60°の間です。
• ランス浸漬深度： 炉のサイズやプロセス要件に応じて、数センチメートルから1メートル以上の範囲です。
• 操作圧力： 所望のジェット速度を達成するために、0.5から2.5 MPaの圧力で酸素が供給されます。

これらのパラメータは、酸化速度、温度制御、鋼の清浄度に影響を与えます。たとえば、酸素流量が高いと脱炭が加速しますが、適切に管理されないと乱流やスラグの飛沫を引き起こす可能性があります。

制御システムは、流量、ランスの位置、プロセス条件を監視するために、酸素分析計、温度プローブ、音響またはレーザー基盤の位置センサー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、最適な反応条件を維持するために酸素流量とランスの動きを調整します。

設備構成

典型的な酸素ランスの設置は以下で構成されます：

• ランスアセンブリ： 固定または伸縮可能なパイプで、長さを調整可能で、大型炉用に通常2から8メートルの長さです。
• ランスホルダーとマニピュレーター： 垂直および角度の調整を可能にする機械システムで、安全のために遠隔操作されることが多いです。
• 耐火シールドまたはカバー： ランスの先端を保護し、熱損失やスラグの侵入を防ぎます。
• 補助システム： ガス供給ライン、圧力調整器、流量計、安全シャットオフバルブを含みます。

設計のバリエーションは、単純な固定長のランスから、リモート制御、リアルタイム位置決め、統合センサーを備えた高度な自動化システムへと進化しています。一部の設置では、サービス寿命を延ばすために水冷またはセラミックライニングのランス先端が組み込まれています。

ダスト抽出、スラグスキミング装置、冷却水回路などの補助システムは、安全で効率的な操作に不可欠です。

プロセス化学と冶金

化学反応

酸素ランスによって促進される主な化学反応は、不純物の酸化を含みます：

• 炭素の酸化：
  ( \text{C (鋼中)} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \uparrow ) または ( \text{CO}_2 \uparrow )

• シリコンの酸化：
  ( \text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2 )

• 硫黄の除去：
  ( \text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2 \uparrow )

• リンの酸化（あまり一般的ではない）：
  ( \text{P} + \text{O}_2 \rightarrow \text{P}_2\text{O}_5 )

これらの反応は、高い酸素部分圧と温度によって熱力学的に駆動され、動力学は溶融組成、温度、および酸素流に影響されます。

反応生成物には、気体の酸化物（CO、CO₂、SO₂）およびスラグ形成酸化物（SiO₂、P₂O₅）が含まれます。気体の副生成物は炉の屋根やオフガスシステムを通じて逃げ、スラグ成分は分離されて除去されます。

冶金的変換

酸素ランスの操作中に、重要な冶金的変化が