酸素製鋼
デュースブルク（ドイツ）のティッセンクルップ製鉄所で酸素転炉が装填されている様子

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を鋼に製鋼する一次製鋼法である[ 1 ]。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、低炭素鋼に変化する。このプロセスが塩基性と呼ばれるのは、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である[ 2 ]。

このプロセスは1948年にスイスの技術者ロバート・デュー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（レオベンの郡）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、吹き込み空気を吹き込み酸素に置き換えました。この転炉は、プラントの資本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、この産業における労働要件は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時間になりました。[ 3 ] 2000年までに、転炉は世界の鉄鋼生産量の60%を占めました。[ 3 ]

現代の炉では最大400トンの鉄を投入し[ 4 ]、40分以内に鋼鉄に変換することができます。一方、平炉では10～12時間かかります。

歴史

塩基性酸素法は、伝統的な「大手製鉄会社」の環境とは無縁の発展を遂げました。スイス人技師ロバート・デュラーによって開発・改良され、第二次世界大戦の荒廃からまだ立ち直っていなかった連合国占領下のオーストリアにある2つの小さな鉄鋼会社によって商業化されました。[ 5 ]

1856年、ヘンリー・ベッセマーは溶融鉄の脱炭処理に酸素吹き込みを用いた製鋼法の特許を取得しました（英国特許第2207号）。その後100年近くにわたり、商業的に利用可能な酸素は入手困難であったか、あるいは高価すぎたため、製鋼には空気吹き込みが用いられました。第二次世界大戦中、ドイツ（カール・ヴァレリアン・シュヴァルツ）、ベルギー（ジョン・マイルズ）、スイス（ロバート・デューラーとハインリッヒ・ハイルブルッゲ）の技術者たちがそれぞれ独自の酸素吹き製鋼法を提案しましたが、量産化に成功したのはデュー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都合よく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社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社とÖAMG社は最初の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社）と1953年5月（ドナヴィッツのÖAMG社）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転炉を見学しました。 [ 9 ] LDプロセスにより、処理時間と鋼鉄1トンあたりの資本コストが削減され、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社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 ]ヴェスト社とオーストリアの経営陣が技術ライセンス供与において誤った判断を下したため、日本における技術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 ]

初期のLDプロセスでは、垂直ランスの水冷ノズルを通して溶鉄の上部に酸素を吹き込んでいました。1960年代には、鉄鋼メーカーは底吹き転炉を導入し、溶鉄の撹拌とリン不純物の除去のために不活性ガス吹き込み技術を開発しました。 [ 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試験生産が行われたが、液体酸素を効率的に製造する技術が不足していたため、工業化は阻まれた。1939年、ロシアの物理学者ピョートル・カピッ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、工業用に使用されるターボエキスパンダーのほとんどはカピッ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、特に製鋼用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、この新技術の導入に遅れをとりました。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・スチール社によって導入されましたが、当時の同社の国内鉄鋼市場のシェアは1%にも満たませんでした。[ 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ました。[ 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りました。[ 3 ]

20世紀最後の四半世紀には、鉄鋼生産における転炉の使用は徐々に、部分的にはスクラップ鋼と鉄を用いた電気炉に置き換えられていった。日本では、転炉法のシェアは1970年の80%から2000年には70%に減少したが、世界全体では転炉法のシェアは60%で安定している。[ 3 ]

プロセス

LD（リンツ・ドナヴィッツ）コンバータの原理
塩基性酸素炉の断面
スカンソープ製鉄所（イギリス）の酸素製鋼工場の外観

転炉内の溶融銑鉄にランスを通して酸素を吹き込み、溶融銑鉄を鋼に変換する一次製鋼プロセスです。吹き込み中の 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物で覆われた大きな容器に注がれます。
  2. 取鍋内の溶銑は、そのまま転炉に装入される前に、硫黄、ケイ素、リンを除去する前処理段階に送られる。外部脱硫前処理では、取鍋内の溶銑にランスを降ろし、数百キログラムの粉末マグネシウムを添加して、激しい発熱反応により硫黄不純物を硫化マグネシウムに還元する。その後、硫化物は掻き落とされる。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も適用可能である。前処理を行うかどうかは、溶銑の品質と最終的に求められる鋼の品質によって決定される。
  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で生成されます。適切な装入バランスを維持するために、溶融金属からの高温金属と冷たいスクラップの比率が重要です。BOS 容器は 360° まで傾けることができ、スクラップと高温金属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、取鍋からの溶融鉄が追加されます。BOS 容器に装入される高温金属の一般的な化学組成は、4% C、0.2–0.8% Si、0.08%–0.18% P、および 0.01–0.04% S で、硫黄 (還元条件が必要) を除き、すべて供給された酸素によって酸化できます。
  4. 次に容器を立て、3～7個のノズルを備えた水冷式の銅製ランスを浴面から数フィート以内まで差し込み、700～1,000キロパスカル（100～150psi）の高純度酸素を超音速で導入する。ランスは99%の純度を持つ酸素を高温の金属に吹き付け、鋼鉄に溶解した炭素を点火させ、一酸化炭素と二酸化炭素を発生させながら温度を約1,700℃まで上昇させる。これによりスクラップが溶解し、溶鉄中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（不要な元素）やその他のガスは装入物と反応せず、炉の効率を低下させることもないからである。[ 11 ]
  5. フラックス（酸化カルシウムまたはドロマイト）を容器に投入してスラグを生成し、スラグの塩基度（酸化カルシウムと酸化ケイ素の比率）を、製鋼プロセス中の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します。「吹き込み」の過程では、容器内で金属とフラックスが撹拌され、精錬プロセスを促進するエマルジョンが形成されます。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典型的な化学組成は、C 0.3～0.9%、Mn 0.05～0.1%、Si 0.001～0.003%、S 0.01～0.03%、P 0.005～0.03%です。
  6. BOS容器はスラグ生成側に傾けられ、鋼は出鋼口から耐火ライニングを施した鋼鍋に注がれます。この工程は鋼の出鋼と呼ばれます。鋼は取鍋炉内でさらに精錬され、顧客が要求する特殊な特性を付与するために合金材料が添加されます。合金を適切に混合するために、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。

変種

取り外し・修理可能な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を備えた固定底を備えています。エネルギー最適化炉（EOF）は、BOFの派生型で、スクラップ予熱器と連動しており、炉天井上部に設置されたスクラップ予熱器では、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。吹き込み中のランスの詰まりを防ぐため、長く先細りの銅製チップを備えたスラグレスランスが採用されています。二次燃焼ランスチップは、吹き込み中に発生したCOをCO2に燃焼させ、追加の熱源として機能します。スラグフリーの出銑には、ダーツ、耐火物ボール、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。

参照

  • AJAX炉、過渡期の酸素ベース平炉技術

参考文献

  1. ^ブロックとエルジンガ、50ページ。
  2. ^ 「Basic Oxygen Steelmaking Simulation User Guide version 2.00」（PDF） . steeluniversity.org . 2021年4月27日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） . 2021年4月27日閲覧。
  3. ^ a b c d e f gスミル、99ページ。
  4. ^ 「Hot metal and rough steel production」 . stahl-online.de . 2021年1月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  5. ^ a b cスミル、97ページ。
  6. ^ a bスミル、97～98ページ。
  7. ^ a b c Tweraser、313ページ。
  8. ^ a b c dスミル、98ページ。
  9. ^ a bブロックとエルジンガ、39ページ。
  10. ^ Ebbe Almqvist ( 2002).産業ガスの歴史（初版）. Springer. p.  165. ISBN 0-306-47277-5。
  11. ^マクガノン、486ページ

参考文献

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