ピッグアイアン：鋼の生産プロセスにおける重要な中間製品
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定義と基本概念
鋳鉄は、溶鉱炉で鉄鉱石を溶解する際に生成される主要な原材料です。これは高い炭素含有量を持つ中間製品であり、シリコン、マンガン、硫黄、リンなどの他の不純物も含まれています。その基本的な目的は、製鋼および他の鉄系合金の基礎的な原料として機能することです。
鋼製造チェーン内で、鋳鉄は鉄鉱石還元から得られる初期製品として重要な位置を占めています。通常、大量に生産され、直接インゴットに鋳造されるか、基本酸素炉、電気アーク炉、または他の二次プロセスでさらに精製されます。鋳鉄の品質と組成は、後続の鋼生産段階の効率と品質に大きく影響します。
技術設計と運用
コア技術
鋳鉄の生産は主に溶鉱炉に依存しており、これは鉄鉱石を液体鉄に還元するために設計された複雑な冶金反応器です。コアの工学原理は、原材料とガスの逆流を利用し、高温と化学還元反応を用いて金属鉄をその酸化物から抽出します。
主要な技術コンポーネントには、溶鉱炉のシャフト、チュワイア、ボッシュ、炉床、タップホールが含まれます。シャフトは、原材料が充填される高い垂直の耐火ライニングされたシリンダーです。チュワイアは、水冷式のノズルで、予熱された空気（ブラス）が注入され、燃焼と還元に必要な酸素を供給します。ボッシュと炉床ゾーンは、化学反応と溶融金属の収集を促進します。
材料の流れは、鉄鉱石、コークス、フラックスの下向きの動きが含まれ、熱いガスが上昇し、還元反応を促進します。コークスは燃料と還元剤の両方として機能し、一酸化炭素を生成して鉄酸化物を金属鉄に化学的に還元します。
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、コークス率、負荷組成、炉圧が含まれます。典型的なブラス温度は1,200°Cから1,350°Cの範囲で、酸素濃縮は21%（周囲の空気）から高度な操作では最大40%まで変動します。
コークスと鉱石の比率は、還元効率と鋳鉄の炭素含有量に影響を与えます。負荷組成、原材料の種類とサイズは、透過性と反応速度に影響を与えます。最適な温度と圧力を維持することで、安定した運用と一貫した鋳鉄の品質が確保されます。
制御システムは、高度なセンサー、熱電対、ガス分析計を使用して、温度、ガス組成、負荷の下降を監視します。自動制御アルゴリズムは、リアルタイムでブラスパラメータを調整し、生産性を最適化し、排出を最小限に抑えます。
設備構成
典型的な溶鉱炉の設置は、高さ30メートルから50メートル、直径10メートルから15メートルです。炉の外殻は、極端な温度と化学攻撃に耐えることができる高強度の耐火レンガ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、上下充填システム、負荷分配を改善する最新のベルレストップシステムが含まれます。時間が経つにつれて、炉の設計は、効率を向上させるために、予熱されたブラス空気、酸素濃縮、エネルギー回収システムを取り入れるよう進化してきました。
補助システムには、燃焼空気を予熱する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、排出を制御するための電気集塵装置やスクラバーなどのガス清浄ユニットが含まれます。
プロセス化学と冶金
化学反応
溶鉱炉における主な化学反応は、一酸化炭素と炭素による鉄酸化物の還元です。主な反応は以下の通りです：
- Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
- Fe₃O₄ + 3CO → 3Fe + 3CO₂
- C + O₂ → CO₂（コークスの燃焼）
- CO₂ + C → 2CO（炭素のガス化）
熱力学的には、これらの反応は高温で好まれ、平衡は金属鉄と一酸化炭素の形成にシフトします。反応速度は温度、ガス流、負荷の透過性に依存し、還元の速度を決定します。
反応生成物には、液体鋳鉄、スラグ（主にカルシウムシリケートおよび他のフラックス化合物）、およびCO₂、窒素、その他の不活性ガスが豊富なオフガスが含まれます。
冶金的変化
還元中、鉄酸化物は液体鉄に変換され、初期の微細構造はスラグに囲まれた樹枝状の金属鉄で構成されています。冷却が進むにつれて、微細構造はフェライト、セメント質、残留スラグの包含物のマトリックスに固化します。
相変化には、固化した鉄相の形成と不純物の分離が含まれます。鋳鉄の炭素含有量は通常3.5%から4.5%の範囲で、微細構造と機械的特性に影響を与えます。
冶金的変化は、鋳鉄の硬度、延性、加工性に直接影響し、これが後続の製鋼プロセスに影響を与えます。
材料相互作用
溶融金属、スラグ、耐火ライニング間の相互作用は、炉の安定性にとって重要です。スラグは保護層として機能し、耐火材の腐食を防ぎ、硫黄やリンなどの不純物を捕捉します。
スラグと金属の反応が制御されていない場合、汚染が発生し、鋳鉄の不純物レベルが増加します。耐火材の摩耗は化学的攻撃と熱的ストレスによって生じ、定期的な点検と交換が必要です。
スラグの組成、温度、炉の雰囲気を制御することで、望ましくない相互作用を最小限に抑え、高品質の鋳鉄生産を確保します。
プロセスフローと統合
投入材料
主な投入材料には、鉄鉱石（赤鉄鉱、磁鉄鉱）、冶金用コークス、石灰石やドロマイトなどのフラックス剤が含まれます。鉄鉱石の仕様は通常、高純度、適切なサイズ分布、低不純物レベルを要求します