再炭化（溶融中）：鋼製造における炭素含有量の向上
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定義と基本概念
溶融中の再炭化は、液体鋼の炭素含有量を増加させるために使用される冶金プロセスです。このプロセスは、主に初期処理段階で、炭素含有材料を溶融鋼に直接制御して添加することを含み、特に初期の炭素レベルが後続の処理や最終製品の仕様に対して不十分な場合に行われます。
このプロセスは、鋼の硬度、強度、耐摩耗性などの特性を精製する上で重要な役割を果たします。通常、基本酸素炉（BOF）または電気アーク炉（EAF）での鋼製造後、二次精製または鋳型処理中に行われ、鋳造またはさらなる処理の前に炭素含有量を微調整します。
全体の鋼製造チェーンの中で、再炭化は二次冶金段階の重要なステップです。これにより、鋼の化学組成が特定の品質基準に合致し、正確な機械的および化学的特性を持つさまざまな鋼グレードの生産が可能になります。
技術設計と運用
コア技術
溶融中の再炭化は、拡散と化学平衡の原則に依存しています。このプロセスは、鉄炭化物、グラファイト、または炭素粉末などの炭素源を溶融鋼浴に添加することを含みます。これらの材料は均一に溶解し拡散し、炭素濃度を増加させます。
主要な技術コンポーネントには、再炭化剤材料、注入または添加システム、かくはんまたは攪拌装置が含まれます。再炭化剤は、その純度、粒子サイズ、反応性に基づいて選択され、制御された溶解速度を確保します。
主な操作メカニズムは、炭素源を溶融物に制御して供給することを含み、通常は沈浸注入または手動添加を介して行われます。このプロセスには、均一な分布を促進し、局所的な濃度勾配を防ぐために、攪拌または電磁攪拌が含まれる場合があります。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には、添加される炭素の量、温度、および処理の期間が含まれます。典型的な再炭化は、鋼の温度が1,600°Cから1,650°Cの範囲で行われます。
導入される炭素の量は、目標炭素含有量、初期組成、および鋼の体積に基づいて計算されます。たとえば、バッチごとに0.02〜0.10 wt%の炭素を添加することが一般的であり、最終的な組成に応じて異なります。
温度は再炭化剤の溶解速度に影響を与え、高温は炭素の拡散を加速しますが、過熱や酸化を防ぐために制御する必要があります。再炭化の期間は、プロセスの規模と望ましい均一性に応じて、通常数分から30分程度です。
制御システムは、温度と炭素レベルを監視するために熱電対、分光計、およびリアルタイム化学分析を使用します。自動投与システムは、フィードバックに基づいて添加速度を調整し、最終組成に対する正確な制御を確保します。
設備構成
典型的な再炭化設備には、投与ポートまたは注入ノズルを備えた鋳型またはタンディッシュが含まれます。設備は高温および腐食性環境に耐えるように設計されています。
再炭化剤の添加は、鋳型やシャベルを使用した手動または空気圧または油圧注入システムを介した自動化が可能です。現代の設備は、混合と拡散を強化するために電磁攪拌装置を組み込むことがよくあります。
補助システムには、温度制御ユニット、スラグスキミング装置、および酸化を防ぐための保護カバーが含まれます。一部の施設では、再炭化中に真空または不活性ガス雰囲気を利用して、酸化による炭素損失を最小限に抑えています。
設計のバリエーションは、単純な手動添加から、正確な投与とリアルタイム監視を備えた高度な自動化システムへと進化しています。
プロセス化学と冶金
化学反応
再炭化中の主な化学反応は、炭素源が溶融鋼に溶解することを含みます：
$$\text{C (固体)} \rightarrow \text{C (溶解)} $$
このプロセスは熱力学の原則に従い、液体鉄中の炭素の溶解度は温度と化学活性に依存します。溶解速度は、温度、攪拌、および再炭化剤の表面積に影響される動力学モデルに従います。
反応生成物には、鋼マトリックス内の溶解した炭素が含まれ、これが炭化物を形成したり、相変態に影響を与えたりします。不純物や酸化が発生した場合、スラグや酸化物などの副生成物が形成され、プロセス効率に影響を与える可能性があります。
冶金的変化
炭素が鋼に溶解すると、微細構造の変化が発生します。炭素含有量の増加はセメンタイト（Fe₃C）の形成を促進し、相の安定性に影響を与えます。その後の冷却中に、これらの相が最終的な微細構造を決定し、硬度、延性、および靭性に影響を与えます。
再炭化は、鋼内の炭化物の形成にも影響を与え、これは耐摩耗性にとって重要です。適切な制御により、炭素の均一な分布が確保され、局所的な硬化点や脆さを回避します。
このプロセスは、鋼グレードや熱処理に応じて、冷却中にオーステナイトやマルテンサイトの形成などの相変態を誘発する可能性があります。これらの変態は機械的特性に直接影響を与えます。
材料相互作用
溶融鋼、スラグ、耐火物、および雰囲気間の相互作用は重要です。炭素は酸素と反応してCOまたはCO₂ガスを形成し、適切に制御されない場合、炭素損失を引き起こす可能性があります。
スラグの組成は炭素移動に影響を与えます。適切に設計されたスラグは、必要に応じて脱炭または炭化を促進します。耐火材料は、高温および炭素や他の元素からの化学攻撃に耐える必要があります。
望ましくない相互作用、例えば炭素