アルゴン酸素脱炭

アルゴン酸素脱炭（AOD）は、主にステンレス鋼の 製造や、クロムやアルミニウムなどの酸化可能な元素を含むその他の高級合金の製造に使用されるプロセスです。最初の溶解後、金属はAOD容器に移され、そこで脱炭、還元、脱硫の3段階の精錬が行われます。

AODプロセスは1954年にユニオンカーバイド社のリンデ部門によって発明されました^{[1] [2]}（ 1992年にプラクスエアとして知られるようになりました）。^[3]

AODプロセスは通常、脱炭、還元、脱硫の3つの主要なステップに分かれています。^[2]

脱炭ステップの前に、もう 1 つのステップ、つまり脱シリコンを考慮する必要があります。これは、耐火ライニングとさらなる精製にとって非常に重要な要素です。

脱炭化工程は、金属浴から炭素を除去するために、酸素とアルゴンまたは窒素の比率によって制御されます。比率は、反応を促進するために任意の数の段階で行うことができます。ガスは通常、上部のランス (酸素のみ) と側面/下部の羽口(不活性ガス シュラウド付き酸素) を通して吹き込まれます。吹き込みの各段階では、酸素と炭素が結合してCOガスを形成することで炭素が除去されます。

4 Cr _(浴) + 3 O ₂ → 2 Cr ₂ O _3(スラグ)

Cr ₂ O _3(スラグ) + 3 C _(浴) → 3 CO _(ガス) + 2 Cr _(浴)

CO 形成反応を促進するために、アルゴンまたは窒素を使用して CO の分圧を下げます。AOD 容器は外部加熱されないため、吹き込み段階も温度制御に使用されます。炭素の燃焼により浴温度が上昇します。このプロセスの終了時には、約 97% の Cr が鋼に保持されます。

炭素と温度が望ましいレベルに達した後、プロセスは還元に移行します。還元により、スラグからクロムなどの酸化元素が回収されます。これを実現するために、シリコン合金またはアルミニウムのいずれかを使用して、クロムよりも酸素との親和性が高い元素で合金添加が行われます。還元混合物には、石灰(CaO) と蛍石(CaF _{2 ) も含まれます。石灰と蛍石の添加は、Cr 2} O ₃の還元を促進し、スラグを管理して、スラグを流動性に保ち、その体積を小さくするのに役立ちます。

脱硫は、スラグ中の石灰濃度を高め、金属浴中の酸素活性を低くすることで実現されます。

S _（浴） + CaO _{（スラグ）} →CaS _{（スラグ）} + O _（浴）

そのため、金属浴の硫黄を希釈するために石灰が添加されます。また、酸素を除去するためにアルミニウムまたはシリコンが添加されることもあります。その他のトリミング合金添加物は、ステップの最後に追加されることがあります。硫黄レベルが達成された後、スラグは AOD 容器から除去され、金属浴は出湯の準備が整います。出湯された浴は、その後、さらなる化学トリミングのために撹拌ステーションに送られるか、鋳造のために鋳造機に送られます。

脱硫工程は通常、プロセスの最初の工程です。

AODプロセスは製鉄の歴史において重要な位置を占めており、ステンレス鋼の精錬に革新的な方法を導入し、業界の展望を形作りました。^[4]

AOD 技術の開発は、従来の製鋼方法に代わる方法として 1960 年代に始まりました。このプロセスは当初、ステンレス鋼をより効率的かつ経済的に精製することを目的としたアメリカの化学会社によって導入されました。

1960 年代後半、AOD プロセスは、炭素を効率的に除去し、他の精錬方法よりも低い炭素レベルを達成できることが認められました。また、炭素含有量の少ないステンレス鋼を製造できるという利点もあり、さまざまな用途に適しています。

1970 年代には、AOD プロセスがさらに改良され、柔軟性と高品質のステンレス鋼を生産する能力に惹かれて、ヨーロッパと米国の鉄鋼会社は AOD 方式を自社の業務にますます導入しました。

1980 年代には、AOD プロセスはステンレス鋼の標準的な精錬方法として世界中で広く受け入れられるようになりました。金属収率の高さ、化学組成の正確な制御、炭素制御、脱硫機能、よりクリーンな金属生産などの利点が、その人気に貢献しました。

現在、AOD プロセスはステンレス鋼業界で依然として主要な方法となっています。このプロセスにより、鉄鋼メーカーは原材料の選択においてより柔軟になり、コスト効率の高い入力の使用が可能になり、正確で一貫した結果が保証されます。このプロセスは、従来の電気炉法と比較して比較的少ない資本投資で生産能力の向上にも貢献しています。

ステンレス鋼の製造における主な用途に加えて、AOD にはさまざまな業界や材料でのさまざまな追加用途があることがわかっています。

_{AODスラグは、 CO2}の吸収能力が高く、コストが低いため、炭素回収建築材料としての利用に有望な可能性を示しています。コンクリート製造においてCO2を硬化剤として利用する炭酸化養生プロセスは_、ステンレス鋼スラグを安定化させることで化学的性質を高めます。炭酸化中、スラグ内のgC ₂ S（二酸化ケイ素）はCO2と反応して_方解石やシリカゲルなどの化合物を生成し、セメント質材料の圧縮強度と耐久性を高めます。炭酸化養生中に普通ポルトランドセメント（OPC）の代替材料としてAODスラグを組み込むことが研究されており、強度へのプラス効果と気孔率の低減が実証されています。^[5]

AODスラグはセメント活性を示すが、その特性は改質剤によって変化する可能性がある。研究では、B2O3やP2O5などの改質剤がβ-C2Sの結晶転移を防ぎ、スラグのセメント活性を向上させる効果に焦点が当てられてきた。B2O3とP2O5を添加すると、硬化効果と圧縮強度の増加が示された。これらの結果は、改質剤を適切に選択することで、セメント用途におけるステンレス鋼スラグの性能を向上できることを示唆している。^[6]

AODスラグ研究のもう一つの側面は、その炭酸化の可能性とそれがクロムの浸出性に与える影響です。AODスラグ中の二酸化ケイ素の炭酸化により、非晶質炭酸カルシウム、結晶性方解石、シリカゲルなどのさまざまな化合物が形成されます。スラグの炭酸化率は鉱物相に影響を与え、それがクロムの浸出性に影響します。炭酸化関連の生産活動中にクロムの浸出リスクを最小限に抑えるための最適な炭酸化率が特定されています。^[7]