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塩基性酸素製鋼法（BOS、BOP、BOF、またはOSM）は、リンツ・ドナヴィッツ製鋼法または酸素転炉法とも呼ばれ、[ 1 ]炭素を多く含む溶融銑鉄を鋼に加工する一次製鋼法です。溶融銑鉄に酸素を吹き込むことで、合金の炭素含有量が低下し、低炭素鋼に変化します。このプロセスは、化学的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を添加して不純物の除去を促進し、転炉の内張りを保護するため、塩基性製鋼法として知られています。[ 2 ]
このプロセスは、1948 年にスイスのエンジニア、ロバート・デュラーによって発明され、1952 ～ 1953 年に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。 LD 転炉は、オーストリアの都市リンツとドナヴィッツ (レオベン地区) にちなんで名付けられ、空気吹き込みを酸素吹き込みに置き換えたベッセマー転炉の改良版です。 プラントの設備投資コストと製錬時間を削減し、労働生産性を向上させました。 1920 年から 2000 年の間に、この業界の労働要件は 1,000 分の 1 に減少し、1 メートル トンあたり 3 人時以上からわずか 0.003 人時になりました。[ 3 ] 2000 年までに、転炉は世界の鉄鋼生産量の 60% を占めるようになりました。[ 3 ]
塩基性酸素製鉄法は、従来の「大手製鉄会社」の環境外で発展した。スイス人技師ロバート・デュラーという一人の人物によって開発・改良され、第二次世界大戦の破壊からまだ復興していなかった連合国占領下のオーストリアの二つの小規模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、溶銑の脱炭に酸素吹き込みを用いる製鋼法の特許を取得した（英国特許第2207号）。約100年間、商業的に利用可能な量の酸素は入手できなかったか、高価すぎたため、製鋼には空気吹き込みが用いられた。第二次世界大戦中、ドイツ（カール・ヴァレリアン・シュヴァルツ）、ベルギー（ジョン・マイルズ）、スイス（ロバート・デュラーとハインリヒ・ハイルブルッヘ）の技術者が酸素吹き込み製鋼法の独自のバージョンを提案したが、それを大量生産にまで発展させたのはデュラーとハイルブルッヘだけであった。[ 5 ]
1943年、シャルロッテンブルク工科大学（現在のベルリン工科大学）の元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小型2.5トン実験転炉を購入し、1948年4月3日、この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効率的に処理できるという利点があった。 [ 6 ] 1948年の夏、ロールAGとオーストリアの国営企業2社、VÖESTとÖAMGは、デュラーのプロセスを商業化することで合意した。[ 6 ]
1949 年 6 月までに、VÖEST は、LD (Linz-Donawitz) プロセスとして知られる、Durrer のプロセスの改良版を開発しました。[ 7 ] [ 8 ] 1949 年 12 月、VÖEST と ÖAMG は、最初の 30 トン酸素転炉の建設に着手しました。[ 8 ]これらは 1952 年 11 月 (VÖEST リンツ) と 1953 年 5 月 (ÖAMG ドナヴィッツ) に稼働を開始し[ 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 の転炉を訪れました。 [ 9 ] LD プロセスは、鋼 1 トンあたりの処理時間と設備投資コストを削減し、オーストリアの鉄鋼の競争優位性に貢献しました。[ 7 ] VÖEST は最終的に、この新技術の販売権を取得しました。[ 8 ] VÖESTとÖAMGの経営陣による技術ライセンス供与の誤りにより、日本での技術採用を制御することが不可能になった。1950年代末までに、オーストリアは競争優位性を失った。[ 7 ]
当初のLDプロセスでは、垂直ランスの水冷ノズルを通して溶銑の上部に酸素が吹き込まれていました。1960年代には、製鉄会社は底吹き転炉を導入し、溶銑を攪拌してリン不純物を除去するために不活性ガス吹き込みを開発しました。 [ 3 ]
ソビエト連邦では、1934年にこのプロセスを用いた鋼鉄の実験的生産が行われたが、液体酸素を効率的に生産する技術が不足していたため、工業的利用は妨げられた。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年にかけて実用化された。それ以降、工業的に使用されているターボエキスパンダーのほとんど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。米国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・スチールによって稼働を開始したが、これは国内鉄鋼市場の1%未満を占めるに過ぎなかった。[ 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、日本の鉄鋼生産量の80%が酸素転炉で生産されるようになった。[ 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、スクラップ鋼や鉄を用いた電気アーク炉に徐々に部分的に置き換えられていった。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%に減少した。世界全体では、転炉プロセスのシェアは60%で安定している。[ 3 ]
転炉製鋼法は、溶銑を鋼鉄に変換する主要な製鋼プロセスであり、転炉内の溶銑にランスを通して酸素を吹き込むことによって行われます。酸素吹き込みの際の酸化反応によって発熱が生じます。
基本的な酸素製鋼プロセスは以下のとおりです。
初期の転炉は、取り外しや修理が可能な二重底を備えており、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を備えた固定底となっています。エネルギー最適化炉（EOF）は、BOFの一種で、炉の屋根の上に設置されたスクラップ予熱器と組み合わされており、排ガス中の顕熱を利用してスクラップを予熱します。
吹き出しに使用されるランスは改良が重ねられてきた。吹き出し中のランスの詰まりを防ぐため、先端が細長く先細りになった銅製のスラグレスランスが採用されている。後燃焼式ランスチップは、吹き出し中に発生したCOをCO₂に燃焼させ、さらに熱を供給する。スラグのない出湯のために、ダーツ、耐火ボール、スラグ検出器が用いられる。最新の転炉は、自動吹き出し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る。