酸素製鋼

リンツ・ドナヴィッツ製鋼法または酸素転炉法としても知られる塩基性酸素製鋼法（BOS、BOP、BOF、またはOSM ）は、炭素を多く含む溶融銑鉄から鋼を製造する^一次製鋼法です。溶融銑鉄に酸素を吹き込むと、合金の炭素含有量が低下し、低炭素鋼に変わります。このプロセスは、化学塩基である酸化カルシウムまたはドロマイトのフラックスが添加され、不純物の除去を促進し、転炉のライニングを保護するため、塩基と呼ばれます。 ^[2]

このプロセスは、1948年にスイスのエンジニアであるロバート・デュラーによって発明され、1952年から1953年にかけてオーストリアの製鉄会社VOESTとÖAMGによって商業化されました。オーストリアのリンツとドナヴィッツ（レオベンの地区）にちなんで名付けられたLD転炉は、ベッセマー転炉の改良版であり、空気の吹き込みが酸素の吹き込みに置き換えられています。これにより、プラントの資本コストと製錬時間が削減され、労働生産性が向上しました。1920年から2000年の間に、業界の労働要件は1,000分の1に減少し、1トンあたり3時間以上からわずか0.003になりました。^[3] 2000年までに、酸素転炉は世界の鉄鋼生産量の60％を占めました。^[3]

現代の炉は最大400トンの鉄を投入し^[4]、40分以内に鋼鉄に変換します。一方、平炉では10～12時間かかります。

塩基性酸素法は、伝統的な「大手製鉄所」の環境の外で開発された。スイス人エンジニアのロバート・デュラーが開発・改良し、第二次世界大戦の破壊からまだ回復していなかった連合国占領下のオーストリアの2つの小さな製鉄会社によって商業化された。^[5]

1856年、ヘンリー・ベッセマーは溶融鉄の脱炭素化に酸素吹き込みを伴う製鋼法の特許を取得しました（英国特許第2207号）。100年近くも商業的に酸素が入手できなかったり高価すぎたりしたため、製鋼には空気吹き込みが使用されていました。第二次世界大戦中、ドイツ（カール・ヴァレリアン・シュワルツ）、ベルギー（ジョン・マイルズ）、スイス（デュラーとハインリッヒ・ハイルブルッゲ）の技術者が酸素吹き込み製鋼法を提案しましたが、大量生産にまで持ち込んだのはデュラーとハイルブルッゲだけでした。^[5]

1943年、シャルロッテンブルク工科大学（現ベルリン工科大学）の教授であったデュラーはスイスに戻り、同国最大の製鉄所であるロールAGの取締役に就任した。1947年、彼は米国から最初の2.5トンの小型実験用転炉を購入し、1948年4月3日に新しい転炉で最初の鋼が生産された。 ^[5]この新しいプロセスは、少量の一次金属のみで大量のスクラップ金属を便利に処理することができた。 ^[6] 1948年夏、ロールAGとオーストリアの国営企業であるVÖESTとÖAMGは、デュラー法を商業化することに合意した。^[6]

1949年6月までに、VÖESTはデュラーのプロセスを改良したLD（リンツ・ドナヴィッツ）プロセスを開発しました。^{[7] [8]} 1949年12月、VÖESTとÖAMGは最初の30トン酸素転炉の建設を決定しました。^[8]これらは1952年11月（リンツのVÖEST）と1953年5月（ドナヴィッツのÖAMG）に稼働し、^[8]一時的に世界の製鉄の最先端となり、鉄鋼関連の研究が急増しました。^[9] 1963年までに3万4千人のビジネスマンとエンジニアがVÖEST転炉を訪れました。 ^[9] LDプロセスは処理時間と鋼鉄1トンあたりの資本コストを削減し、オーストリアの鉄鋼の競争上の優位性に貢献しました。 ^[7] VÖESTは最終的にこの新技術を販売する権利を取得しました。^[8] VÖESTとÖAMGの経営陣が技術のライセンス供与でミスを犯したため、日本での導入をコントロールすることは不可能となった。1950年代末までにオーストリアは競争力を失った。^[7]

元々のLDプロセスでは、垂直ランスの水冷ノズルを通して酸素が溶融鉄の上に吹き付けられていました。1960年代に鉄鋼メーカーは底吹き転炉を導入し、溶融金属を撹拌しリン不純物を除去するための不活性ガス吹き込みを開発しました。^[3]

ソ連では、1934年にこのプロセスを使用した鋼鉄の実験的な生産が行われたが、液体酸素を製造する効率的な技術がなかったため、工業化は妨げられた。1939年、ロシアの物理学者ピョートル・カピツァは遠心ターボエキスパンダーの設計を完成させた。このプロセスは1942年から1944年にかけて使用された。それ以降、工業用に使用されるほとんどのターボエキスパンダーはカピツァの設計に基づいており、遠心ターボエキスパンダーは工業用ガス液化、特に製鉄用の液体酸素の生産のほぼ100%を占めるようになった。^[10]

アメリカの大手鉄鋼メーカーは、この新技術の導入が遅れた。アメリカで最初の酸素転炉は、1954年末にミシガン州トレントンのマクラウス・スチール社によって導入されたが、国内鉄鋼市場の1％未満を占めていた。^[3] USスチールとベスレヘム・スチールは1964年に酸素プロセスを導入した。 ^[3] 1970年までに、世界の鉄鋼生産量の半分と日本の鉄鋼生産量の80％が酸素転炉で生産された。^[3]

20世紀最後の四半期には、鉄鋼生産における転炉の使用は徐々にスクラップ鋼と鉄を使用する電気炉に部分的に置き換えられました。日本では、LDプロセスのシェアは1970年の80％から2000年には70％に減少しました。転炉の世界シェアは60％で安定しています。^[3]

酸素製鋼法は、転炉内の溶融銑鉄にランスを通して酸素を吹き込むことで、溶融銑鉄を鋼に転化する主要な製鋼プロセスです。吹き込み中に 酸化反応によって発熱が発生します。

基本的な酸素製鋼プロセスは次のとおりです。

1. 高炉から出た溶けた銑鉄（「溶銑」と呼ばれることもある）は、取鍋と呼ばれる耐火材で覆われた大きな容器に注がれます。
2. 取鍋内の金属は、直接、塩基性酸素製鋼法に送られるか、または前処理段階に送られ、そこで硫黄、ケイ素、およびリンが除去されてから、溶銑が転炉に投入されます。外部脱硫前処理では、取鍋内の溶銑にランスが下げられ、数百キログラムの粉末マグネシウムが加えられ、激しい発熱反応で硫黄不純物が硫化マグネシウムに還元されます。その後、硫化物は掻き落とされます。同様の前処理は、ミルスケール（酸化鉄）と石灰をフラックスとして使用して、外部脱ケイ素および外部脱リンに対しても可能です。前処理を行うかどうかの決定は、溶銑の品質と鋼の必要な最終品質によって決まります。
3. 原料を炉に充填することを装入といいます。BOS プロセスは自生的であり、必要な熱エネルギーは酸化プロセス中に生成されます。適切な装入バランスを維持するために、溶融金属と冷スクラップからの溶銑の比率が重要です。BOS 容器は 360° まで傾けることができ、スクラップと溶銑を装入するためにスラグ除去側に傾けます。必要に応じて、BOS 容器に鋼または鉄スクラップ (25～30%) を装入します。装入バランスの必要に応じて、取鍋からの溶銑が追加されます。BOS 容器に装入される溶銑の一般的な化学組成は、4% C、0.2～0.8% Si、0.08%～0.18% P、0.01～0.04% S であり、硫黄 (還元条件が必要) を除いて、供給された酸素によって酸化できます。
4. 次に容器を垂直に立て、3～7個のノズルが付いた水冷式の銅製ランスを、浴槽の表面から数フィート以内まで下げ、700～1,000キロパスカル（100～150psi）の圧力の高純度酸素を超音速で導入する。ランスは99%の純度の酸素を熱い金属に吹き付け、鋼に溶けている炭素に点火して一酸化炭素と二酸化炭素を形成し、温度を約1700℃まで上昇させる。これによりスクラップが溶け、溶融鉄の炭素含有量が低下し、不要な化学元素が除去される。空気の代わりに純酸素を使用するこの方法がベッセマー法の改良点である。空気中の窒素（望ましくない元素）やその他のガスが装入物と反応せず、炉の効率を低下させないからである。^[11]
5. フラックス(酸化カルシウムまたはドロマイト) が容器に投入されてスラグが形成され、スラグの塩基度 (酸化カルシウムと酸化ケイ素の比率) が、製鋼工程中に耐火物の摩耗を最小限に抑え、不純物を吸収するレベルに維持されます。「吹き込み」中、容器内で金属とフラックスが撹拌されてエマルジョンが形成され、精錬工程が促進されます。約 20 分かかる吹き込みサイクルの終わり近くに、温度が測定され、サンプルが採取されます。吹き込まれた金属の一般的な化学組成は、0.3～0.9% C、0.05～0.1% Mn、0.001～0.003% Si、0.01～0.03% S、および 0.005～0.03% P です。
6. BOS 容器はスラグ生成側に傾けられ、鋼は出湯口から耐火ライニングを施した鋼製取鍋に注ぎ込まれます。このプロセスは鋼の出湯と呼ばれます。鋼は取鍋炉でさらに精製され、合金材料を追加して顧客が要求する特別な特性を与えます。合金が適切に混合されるように、アルゴンまたは窒素が取鍋に吹き込まれることもあります。
7. BOS 容器から鋼が注ぎ出された後、スラグは BOS 容器の口からスラグポットに注がれ、廃棄されます。

取り外して修理できる仮底を備えた初期の転炉は、現在でも使用されています。現代の転炉は、アルゴンパージ用のプラグが付いた固定底を備えています。エネルギー最適化炉(EOF) は、炉の天井の上にあるスクラップ予熱器と関連した BOF の派生型で、オフガスの顕熱を使用してスクラップを予熱します。

吹き込みに使用されるランスは変化を遂げてきました。吹き込み中にランスが詰まるのを防ぐために、先端が細く長くなっている銅製のスラグレスランスが採用されています。吹き込み中に発生したCO を燃焼後のランス先端でCO ₂に燃焼させ、追加の熱を供給します。スラグフリーの出銑には、ダーツ、耐火ボール、スラグ検出器が使用されます。現代の転炉は、自動吹き込みパターンと高度な制御システムを備え、完全に自動化されています。^[要出典]

• AJAX炉、過渡期の酸素ベースの平炉技術

• steeluniversity.org の Basic Oxygen Steelmaking モジュール (完全なインタラクティブ シミュレーションを含む) (アーカイブ)
• 溶鋼の典型的なコスト構造を示す基本酸素製鋼コストモデル