脱酸素

脱酸素は、冶金学で、鉄鋼製造中に還元された鉄鉱石から残りの酸素を除去するために使用される方法です。対照的に、抗酸化剤は、食品の保存などの安定化に使用されます。酸素は製造される鋼の品質に悪影響を与えることが多いため、脱酸素は製鋼プロセスで重要です。脱酸素は主に、酸素の影響を中和するために別の化学種を追加するか、酸素を直接除去することによって実現されます。

酸化とは、元素が電子を失うプロセスです。たとえば、鉄は電子のうち 2 つを酸素に渡し、酸化物を形成します。これは、製鉄プロセスの意図しない部分として、至るところで発生します。

酸素吹き込み法は、炭素含有量を減らすために銑鉄に酸素を吹き込む製鋼法です。酸素は、製造プロセスのさまざまな段階で発生する炭素、シリコン、リン、マンガンなどの不要な元素と酸化物を形成します。これらの酸化物は鋼プールの上部に浮かび、銑鉄から除去されます。ただし、酸素の一部は鉄自体とも反応します。

製錬には高温が伴うため、空気中の酸素が溶融鉄を注ぐ際に溶け込む可能性があります。 製錬工程後に残る副産物であるスラグは、硫黄や酸化物などの不純物をさらに吸収し、鋼鉄がさらに酸化されるのを防ぐために使用されます。ただし、それでもある程度の酸化を引き起こす可能性があります。

いくつかのプロセスは、酸化を引き起こす可能性はあるものの、製造中の鋼鉄の酸素含有量とは関係ありません。たとえば、錆は、鋼鉄中の鉄が空気中の酸素または水と反応して形成される赤い酸化鉄です。これは通常、鋼鉄がさまざまな期間使用された後にのみ発生します。電気アーク炉など、製鋼プロセス自体の物理的コンポーネントの一部も摩耗して酸化する場合があります。この問題は通常、環境条件に耐える耐火金属の使用によって対処されます。 ^[1]

鋼が適切に脱酸されない場合、引張強度、延性、靭性、溶接性、研磨性、機械加工性などのさまざまな特性が失われます。これは、鋼の凝固プロセス中に閉じ込められた非金属介在物とガス孔（ガスの泡）が形成されるためです。 ^[2]

この脱酸素法では、特定の金属を鋼に添加します。これらの金属は不要な酸素と反応して強力な酸化物を形成し、純粋な酸素と比較すると、鋼の強度と品質の低下が少なくなります。

脱酸素の化学式は次のように表されます。

${\displaystyle nD+mO\longrightarrow D_{n}O_{m}}$

ここで、n と m は係数、D は脱酸素剤、O は酸素です。

したがって、関係する化学平衡方程式は次のようになります。

${\displaystyle K_{eq}=a_{ox}/(a_{D}^{n}*a_{O}^{m})}$

ここで、 a _oxは鋼鉄中の酸化物の活性または濃度、 a _Dは脱酸剤の活性、 a _Oは酸素の活性です。

平衡定数K _eqが増加すると、_oxが増加し、その結果、酸化物生成物が増加します。

K _{eq は}、次の式を使用して鋼の温度によって操作できます。

${\displaystyle logK_{eq}=A_{D}/T-B_{D}}$

ここで、A _Dと B _{D は}異なる脱酸素剤に固有のパラメータであり、T は K° での温度です。以下は、1873 K° の温度における特定の脱酸素剤の値です。^{[1] [3]}

以下は、一般的に使用される金属脱酸素剤のリストです。

• フェロシリコン、フェロマンガン、ケイ化カルシウム-炭素鋼、ステンレス鋼、その他の鉄合金の製造に使用される
• マンガン - 製鉄に使用される
• 炭化ケイ素、炭化カルシウム-鉄鋼生産における取鍋脱酸剤として使用される
• アルミニウムドロス- 取鍋の脱酸剤としても使用され、二次製鋼に使用されます。
• カルシウム- 鉄および非鉄合金の脱酸剤、脱硫剤、脱炭剤として使用される
• チタン- 鋼の脱酸剤として使用される
• リン、銅(I)リン化物-無酸素銅の製造に使用される
• 六ホウ化カルシウム- 無酸素銅の製造に使用され、リン脱酸銅よりも導電性の高い銅を生み出します。
• イットリウム-バナジウムやその他の非鉄金属の脱酸に使用される
• ジルコニウム
• マグネシウム
• 炭素
• タングステン

真空脱酸は、真空を利用して不純物を除去する方法です。鋼鉄中の炭素と酸素の一部が反応して一酸化炭素が形成されます。CO ガスは溶鋼の上部に浮き上がり、真空システムによって除去されます。

真空脱酸素に関わる化学反応は次のとおりです。

${\displaystyle C+O\longrightarrow CO}$

炭素と酸素の反応は次の化学平衡式で表されます。

${\displaystyle K_{CO}=P_{CO}/(a_{C}*a_{O})}$

ここで、P _{CO は}生成された一酸化炭素の 分圧です。

酸素活性（a _O）が低下すると平衡定数が高くなり、生成物であるCOが増加します。これを実現するために、鋼プールを真空処理するとP _COの値が下がり、より多くのCOガスが生成されます。^{[1] [4]}

この方法は、スラグの脱酸が鋼の脱酸につながるという考えに基づいています。

このプロセスに使用される化学平衡方程式は次のとおりです。

${\displaystyle K_{FeO}=a_{[O]}/a_{(O)}}$

ここでa _[O]はスラグ中の酸素の活量であり、a _(O)は鋼中の酸素の活量である。

スラグの活性度（a _[O]）を下げると、スラグ内の酸素レベルが低下します。その後、酸素は鋼から濃度の低いスラグに拡散します。この方法は、スラグにコークスやシリコンなどの脱酸剤を使用することで行われます。これらの剤は鋼と直接接触しないため、鋼自体に非金属介在物が形成されません。^[1]

• 製錬

• 脱硫とは、鋼鉄の硫黄含有量を減らすプロセスです。
• 脱炭とは、冶金において炭素含有量を減らすプロセスです。
• 脱酸鋼は、脱酸処理のレベルによって分類される鋼です。
• 真空工学
  • 真空冶金