転炉製鋼の化学：基本酸素製鋼プロセスの反応メカニズム

基本酸素製鋼（BOS）の化学

基本酸素製鋼（BOS：Basic Oxygen Steelmaking）は、溶銑（ホットメタル：HM）から粗鋼を生産する最も広く用いられる一次製鋼プロセスです。プロセス容器は「コンバーター」と呼ばれ、統合製鉄所での粗鋼生産で主要な役割を果たします。プロセスは、トップランスから高純度酸素（O₂）を溶銑に吹き込み、炭素（C）を酸化により低減させるものです。現在、1970年代後半に開発された混合吹錬法が採用されています。混合吹錬では、トップブローコンバーター底部からアルゴン（Ar）或いは窒素（N₂）などの中性ガスを制限的に吹き込み、効率的な攪拌を実現します。

BOSプロセスの2大特性

1. 自発熱性（オートジェナス）：外部熱源不要。O₂吹錬中の酸化反応が、溶剤・スクラップ溶解と所望液鋼温度達成に必要なエネルギーを供給。
2. 高生産速度での精錬：反応利用可能表面積が大きいため高速反応。O₂を金属浴に噴射すると大量ガス発生、液体スラグと浴表面からせん断された金属滴がO₂ジェット衝撃でエマルジョン形成。ガス-金属-スラグエマルジョンが生成する巨大表面積が精錬反応速度を増大。

不純物が溶融金属に溶解しているため、不純物とO₂の反応は溶解O₂との間で起こります。さらにC酸化が高温で起こるため、C酸化で一酸化炭素（CO）生成が極めて確率高く、大部分のCはCOとして除去されます。

BOSプロセス中の反応

BOSプロセス中、溶銑中の不純物（C、ケイ素Si、マンガンMn、リンP等）が酸化により除去され液鋼生成。酸化はコンバーターに吹き込まれる高純度O₂ガスで実施。酸化反応でCO、CO₂（二酸化炭素）、シリカ（SiO₂）、酸化マンガン（MnO）、酸化鉄（FeO）生成。COとCO₂は気体でコンバーター頂部からコンバーターガスとして除去。他酸化物は添加溶剤と溶解し液体スラグ形成。液体スラグは液体金属からPとS（硫黄）を除去可能。

反応の5カテゴリー分類

1. 金属による酸素取込み：O₂(g) = 2[O]、(FeO) = Fe + [O]、(Fe₂O₃) = 2(FeO) + [O]、CO₂(g) = CO(g) + [O]
2. 金属中元素の酸化：[C] + [O] = CO(g)、Fe + [O] = (FeO)、[Si] + 2[O] = (SiO₂)、[Mn] + [O] = (MnO)、2[P] + 5[O] = (P₂O₅)
3. スラグ中化合物の酸化：2(FeO) + ½O₂(g) = (Fe₂O₃)、2(FeO) + CO₂(g) = (Fe₂O₃) + CO
4. 溶剤反応：MgO(s) = (MgO)、CaO(s) = (CaO)
5. ガス反応：CO(g) + ½O₂(g) = CO₂

記号：[ ]は金属浴溶解冶金元素、{ }はガス、( )はスラグ成分。

BOSは極めて高速キネティクスのプロセスで、多重サイトで反応発生。ジェット-液相相互作用と気体生成物を生むC-O反応が全体プロセスダイナミクスに巨大影響。高反応速度が特徴、精錬プロセス典型的に12〜15分で完了。この短時間で品質・生産性制御するには、プロセスダイナミクスの良好な理解が重要。

典型的BOSコンバーター構造

円筒形胴部に丸底、円錐形トップ（半頂角25〜30°）でガスを排ガスフードへ導く。本体はトリニオン（支点）で支持され、装填・サンプリング・タッピング・スラグ除去で回転可能。内部はマグネシアカーボン耐火物でライニング、品質・厚さを摩耗パターンに合わせ調整。典型的内部容積：液鋼トンあたり約1 m³。スラグ重量100〜120 kg/tなら、非活性浴上部フリーボード80%以上。激しい中間期反応を収容。コンバーター底部に多数（典型6〜8本）多孔質エレメント装着、Arガス通流で浴攪拌とスラグ-金属反応助長。タップ孔は円錐下部片側に設置、液鋼排出用。スラグは反対側から口部排出。

プロセスダイナミクスの複雑さ

BOSは極めて高速精錬プロセスで、良好な動的制御と動的モデルが必要。多重スケール（金属浴・スラグスケール、液滴・気泡スケール）と多重反応サイトで反応発生。超音速ジェットが金属浴・スラグ層と相互作用、エマルジョン内で様々なサイズ液滴生成、反応で界面に大量気泡発生、石灰溶解問題等によりダイナミクス記述は複雑。

原料と操業パラメータ

主原料：HM、約1,300〜1,400℃。発熱過剰のためスクラップと鉄鉱石を冷却材として使用。一部製鋼所では石灰石（CaCO₃）を冷却材兼最終温度調整用に添加。石灰（CaO）を高塩基度（P除去必要）達成用溶剤として使用。スクラップを空コンバーター（前ヒートスラグタッピング後）に先投入、所要HM上乗せ。鉄鉱石使用時は典型的に吹錬前半に分散添加。

所要石灰の一部或いは全量をスクラップ投入前添加、スクラップ落下衝撃からライニング保護するインパクトパッドとして機能。残り石灰は典型的に吹錬中分散添加。マグネシア（MgO）一部は焼成ドロマイト（CaO·MgO）形で添加、耐火物スラグ溶解最小化。各充填材料量は、原料組成、HM温度、出側鋼組成・温度考慮し、物質・熱収支ベースの充填制御モデルで理論計算。

精錬反応は全て酸化。3〜6個超音速ノズル（マッハ2.0〜2.1、ランス軸に角度付け）装着トップランスからトン酸素吹き込み。ランサー先端は大型コンバーターで静止金属浴面上1.8〜2.5 m距離保持。ランス高さはプロセス制御操作パラメータの一つ。

典型的タップツータップサイクル

1. 充填順序：石灰、スクラップ、HM
2. コンバーター直立後、O₂ランスを必要高さ（初期値：最高2.2〜2.5 m）まで降下、吹錬開始
3. 吹錬前半：追加石灰、鉄鉱石、焼成ドロマイト、その他添加剤投入
4. 吹錬後半：水分含有材料添加回避（製鋼水素低減のため）
5. ハイランス操業継続（典型3〜4分）迄スラグに十分FeO含有し石灰溶解促進
6. 以降ランス段階的降下で必要精錬速度達成。ランス高さ3〜5段階で低下（プラント慣習による）
7. 吹錬80〜90%（O₂流量ベース）でサンプリング採取・温度測定、吹錬完了時に所望組成・温度同時達成目指す。サンプリング・温度測定：手動（吹錬停止、コンバーター水平近く傾け、スプーン採取・測定）或いサブランス（吹錬中コンバーター内降下、インブロー採取）
8. 分析・温度ベースで残り吹錬を必要トリミング添加で完了
9. 吹錬完了後、タッピング側へ回転し液鋼排出、反対側でスラグタッピング
10. 現代慣習：一部スラグ残留、コンバーター直立、マグネサイト（MgO）添加、高速N₂吹き込みでスラグスプラッシング（内面スラグ飛散）実施、耐火物寿命延長
11. 定期的に空コンバーター耐火物損傷検査（手動或いレーザースキャナー）。損傷はガンニング耐火物で修復。次吹錬準備完了。

主要反応の詳細分析

脱炭反応（炭素酸化）

浴中C脱炭はBOS中最も広範かつ重要な反応。3明確段階：

1. 第1段階（吹錬最初数分）：脱炭低速。供給O₂大半が浴中Siと反応するため。
2. 第2段階（浴高C含有時）：脱炭高速、供給O₂速度で制御（O₂制御領域）。
3. 第3段階（浴C含有率約0.3%到達時）：脱炭速度低下。利用可能C減少で供給O₂と反応しきれず。質量移動制御領域（C質量移動制御）。O₂大半がFeと反応しFeO生成。CO発生率低下でコンバーター口部炎は弱光化、C約0.1%で実質消失。

ケイ素酸化

Si酸化有利条件：(i)低温、(ii)スラグ中SiO₂量少。塩基性スラグがSi酸化促進。塩基性スラグではSiO₂がCaOと反応しスラグ中SiO₂活性度低下するため、Si酸化は極めて低値まで実質完了。HM中Siほぼ全量が吹錬最初3〜5分で酸化除去。Si→SiO₂酸化は発熱的で大量熱生成、浴温度上昇。ケイ酸塩スラグ形成、添加石灰・焼成ドロマイトと反応し塩基性スラグ形成。Si酸化が主熱源のため、HM中Si量がコンバーター投入可能冷却材量（スクラップ、銑鉄等）決定。スラグ量も決定し、浴脱リンと歩留まりに影響。経験則：スラグ量多→P低下だが歩留まり低下。

鉄酸化

Fe酸化はBOSで最重要。以下を制御：(i)スラグFeO含有量と鋼中O含有量、(ii)スラグ中Fe損失→製鋼生産性影響、(iii)スラグ酸化ポテンシャル、(iv)FeOがスラグ中CaO溶解助長。

マンガン酸化

Mn酸化は複雑。トップブローコンバーターでは、吹錬初期にMn酸化→MnO生成、大半Si酸化後Mnが浴金属へ還元、吹錬末期に更なるO₂利用可能になると浴金属中Mn再低下。底吹き或い混合吹きでは類似パターンだが、残留Mn含有量はトップブローより高い。

リン酸化（脱リン）

コンバーター酸化条件が浴金属脱リン促進。脱リン反応は浴中金属-スラグ相互作用で進行。促進パラメータ：低浴温度、高スラグ塩基度（CaO/SiO₂比）、高スラグFeO含有、高スラグ流動性、良好浴攪拌。浴P含有量は吹錬初期に低下、主要脱炭期にFeO低下でP再溶入（リバージョン）、吹錬末期に再低下。浴攪拌で金属-スラグ混合促進、脱リン速度向上。蛍石等溶剤添加と良好攪拌でCaO溶解促進、高塩基度流動スラグ形成でP除去改善。

硫黄反応

高酸化条件下ではS除去効果低い。S分配比（%Sスラグ/%S金属）約4〜8、二次精錬時レードル（約300〜500）より遥か低。BOS中、浴中S約10〜20%がO₂と直接反応しSO₂生成。残Sはスラグ-金属反応S + CaO = CaS + FeOで除去。Sスラグ除去は高塩基度・低Feスラグで助長。液鋼S含有量はHMとスクラップ充填S含有量に強く依存。

反応サイトとプロセスダイナミクス

BOS中反応は不均一で多長さスケール。バルク金属浴相、バルクスラグ相、ガス相。一方、多く反応はスラグ/金属/ガスエマルジョン相に分布する微細液滴・気泡スケールで発生。長さスケール差は時間スケール差も生む。金属浴は全ヒートサイクル12〜15分で変化見るが、液滴は約1分で精錬サイクル完了。プロセスダイナミクス像は、商用・パイロットプラント観測・測定、慎重設計実験、数理モデリングベースで数年かけて発展。

典型的HM組成：C 4.5%、Si 0.3〜0.5%、Mn 0.2〜0.7%、P 0.1〜0.18%、S 0.02〜0.03%、温度1,350℃。Sは液体Fe存在下還元状態でスラグ除去のみ可能なため、BOS酸化プロセスでは相当量S除去不能。全体的意義ある反応：(i)[Si] + {O₂} = (SiO₂)、(ii)[Mn] + ½{O₂} = (MnO)、(iii)[C] + ½{O₂} = {CO}、(iv)2[P] + ⁵/₂{O₂} = (P₂O₅)、(v)Fe(l) + ½O₂(g) = (FeO)。図2aは200トンコンバーターでの反応進行、図2bは対応スラグ組成推移。

図2 吹錬中浴C含有量推移とスラグ組成推移

注目すべき特徴：Siが極めて低値まで低下する前から、相当量Cが同時除去されること。O₂吹錬開始後短時間でコンバーター口部CO炎が立ち上がる観察事実とも整合。これは現在廃れたベッセマー転炉やOBMプロセス（底吹き空気/O₂）とは対照的。後者では顕著炎出現に時間要し、C酸化がSi低下後開始と推定されていた。

熱力学的に、上記入力条件下での任意局所における溶質酸化反応順序はSi、Mn、C、P。初期吹錬条件ではSi酸化がC優先。低初期温度自体がSi反応有利。さらに生成SiO₂が初期から維持される高塩基度条件で極低活性度。一方CO分圧はほぼ0.1 MPa（1気圧）維持。例：SiO₂活性度0.001仮定なら、4.5% Cと0.5% Siと平衡のpO₂はそれぞれ1〜1.7 MPa、1〜1.9 MPa。この特徴がプロセスダイナミクス・反応メカニズム分析を興味深いものにする。

プロセス特性

プロセスからのフィードバック情報限定的→観測可能情報からプロセスダイナミクスモデル構築必要。BOS重要特徴：

• 極めて高速反応速度：ピーク脱炭時、C除去率約0.3%/分、すなわち200トンコンバーターで約600 kg C/分（図2a）。C反応は3典型期間示す（図2a）：(i)速度立ち上がり初期、(ii)浴C含有率約3.5〜4.0%連続低下にもかかわらず速度比較的一定の中間期、(iii)臨界C含有率超過後速度減衰の最終期。臨界C含有率典型0.2〜0.5%範囲。
• 同一吹錬条件でも個別ヒートで大きな非再現性：同一インプット・パラメータでも全く異なる挙動、スロッピング（金属-スラグ-ガスエマルジョンがコンバーター口部沸騰溢出）或いドライスラグ・スピッティング（ランス・口部ビルドアップ結果）発生。非再現性は底吹き攪拌ガス導入前のBOS初期に顕著。冷却材スクラップ減量で再現性向上・スロッピング減少傾向。
• ピーク脱炭速度はO₂吹錬速度に直接比例：複数BOSショップ研究で実証。実験室サイズコンバーター実験で、O₂吹錬速度増加とランス高さ低下がピーク脱炭速度に与える影響は類似。
• トップブローコンバーターで高さ方向濃度勾配存在：MEFOS（スウェーデン研究所）パイロットコンバーター実験で実証。巨大運動量トップジェットにもかかわらず金属浴混合不十分。ごく少量不活性ガス底吹きでこの差消失。
• スラグ中に相当量金属液滴存在：量は吹錬中変動、吹錬中間期最大。推定10〜25%。液滴極微細、大半1〜2 mm未満。吹錬末期でエマルジョン内液滴数減少。液滴はバルク金属浴より遥かに高度精錬状態。
• スラグ-金属-ガスエマルジョンが吹錬大半で存在：吹錬約1/3でエマルジョン高さ約2 m超、ランス先端浸漬し超音速ジェット音減衰。エマルジョンが炉全体充満し口部沸騰溢出（スロッピング）場合も。吹錬末期、浴臨界C超過でエマルジョン崩壊→エマルジョンは過渡的、継続ガス生成で生存。
• C、Mn、Pが吹錬初期にSiと同時酸化：バルク金属浴組成ベースではSi反応優先期待だが実際は同時。Mn、Pはスラグ活性度で部分説明可能。Cはバルク金属組成が反応サイトで優勢でないと仮説採用しない限り説明不能。
• 吹錬中間期にMnとPのリバージョン（逆転）：図3a反映、スラグパスにも反映（図2b）。リバージョンはスラグFeO含有量と相関明確。CaO溶解は吹錬末期近くまで継続（石灰早期/前半投入でも）。Cが全体ダイナミクス決定、この反応激しく進行。図3aは吹錬中溶湯組成変化。

図3 吹錬中溶湯組成変化

反応サイトモデル

BOSダイナミクスは激しいC反応に依存。全ダイナミクスはいくつかサイトに分割可能。O₂ジェットはほぼ純粋で、分子が実質的物質移動障壁なしで浴表面直接到達。分子衝突時、以下いずれか発生：

1. 衝突サイトでCと反応：[C] + ½{O₂} = {CO}、[C] + {O₂} = {CO₂}
2. 金属中溶解：[O] → 他部位移動し他酸化性元素と反応：O₂ = 2[O]
3. 浴中Feと反応しFeO生成：Fe + ½{O₂} = (FeO)
4. FeOがスラグ相移動し他部位で金属と反応

これら各々がコンバーター内異なるサイトで精錬反応誘発、混合により全体浴精錬へ。異なるサイトを図4に概略示す。

図4 基本酸素製鋼における反応サイト

C-O反応は不均一、少なくとも1物質移動ステップが律速段階たり得る。Cは金属内拡散し界面へ。O₂ガス相移動、金属相溶解O₂、スラグ相FeOもO₂源により関与。溶解O₂は浴内他部位移動し溶解Cと反応、耐火物ガス充満孔へCO放出（サイト1）。固体粒子上でCO異核生成（サイト2）。スラグ層/金属浴界面で異核生成（サイト3）。浴内同核生成はCO過飽和極高確率除き improbable。前述通り衝突サイト直接反応（サイト5）。衝突サイト付近生成FeO一部は金属浴表面下潜行しスラグ/金属界面沿い移動、Cと反応しエマルジョン界面形成（サイト3類似）。しかし生成FeO大半はスラグ相へ移行と推定。

これにより複数可能性。スラグ/金属浴界面で前述反応（サイト3）、O₂源スラグ相、C源金属。前述通りスラグ相にはジェット運動量で連続生成される大量金属液滴含有。ゆえにスラグ中FeOがこれら液滴と異機構で反応：(i)CO気泡が界面で異核生成（サイト8）、(ii)液滴接触通過気泡へCO移行（サイト4）、(iii)過飽和極高なら液滴内同核生成（サイト6）。金属液滴がフリーボード投入ならガス中O₂/CO₂と直接反応（サイト7）。

全サイト吹錬中何らか程度活性だが、全体ダイナミクス決定する主要機構特定必要。各サイト寄与は観測ベースで評価可能。底ガス吹き込みなしで浴濃度勾配示し、トップガス流量比1%程度底不活性ガス吹き込みで消失する事実から、サイト1・2は非主要と割引可能。

衝突ゾーン表面温度2,120℃超期待→化学反応速度極高。衝突サイト面積比較的小、O₂到達率極高。しかし溶質は界面拡散必要、熱は金属内伝導必要。フレッシュ金属が界面導入、大きな表面速度で外方掃き出し。これら状況下、衝突表面は溶質枯渇しFe層がO₂と反応残留と合理的推定。C含有率約5%（20〜25 mol%）時、この近似で供給O₂約25%がこのサイトでC（CO、CO₂）消費。金属側物質移動律速でない仮定計算ベースで約40%寄与推定。一時期「ホットゾン/衝突ゾーン理論」として主要機構視された。このサイト外方流出金属層も前述通りO₂飽和可能。

エマルジョン内反応が主要サイト含有（サイト4、6、8）。エマルジョン液滴は極めて大きい比表面積。スラグ中相応FeO存在時、液滴内全精錬反応が数十秒で完了（分単位でない）。3 mm、4.5% C金属液滴は自体積約3,000倍CO発生。これが粘性スラグ通過時エマルジョン化。エマルジョン形成、液滴生成、液滴滞在時間等複雑相互作用が全体ダイナミクス大部分寄与。ガス相直接反応液滴重要主に吹錬最初数分（完全スラグ層未形成時）。

この全体プロセスダイナミクス包括的理解には、超音速ガスジェット、金属/スラグ浴との相互作用、液滴生成・滞在時間、CaO溶解、浴混合等バックグラウンド必要。

超音速ジェット特性と液滴生成

ガスインガスジェットは周辺で環境ガス巻き込み。擾乱層が数ノズル径下流でジェット軸到達（ポテンシャルコア領域）、以降自己相似径方向速度プロファイルで完全発達流。軸方向速度は距離逆比例で運動量保存。典型的にジェット半頂角約10〜12°展開（環境ガス密度=ジェットガス密度時）。環境ガス軽い場合質量効果で展開小さい。

超音速ジェットでは圧縮性因子がジェット展開影響。軸方向速度が音速まで減速するまでジェット展開殆どなし（超音速コア）。以降亜音速ジェットとして展開（図5）。最近CFD（計算流体力学）研究で、BOSコンバーター内O₂ジェット軸方向速度約1 mほぼ定数、軸上ガス温度この領域で約-170℃維持判明。以降高温ガス巻き込みで温度着実上昇。O₂ランス出口マッハ数約2で運転、距離保ちつつ良好ジェット/金属相互作用実現。

図5 収束拡散ノズルから流出する酸素ジェットの超音速コア

O₂ジェットがCO雰囲気（BOSコンバーター内）に浸漬する場合、O₂濃度大幅低下可能性留意。

高速ジェット金属表面衝突でクレーター形成、縁部は偏向ジェット高速で極不安定、金属液滴飛散。十分高値でジェット再進入（リエントラント）、一部液滴ジェット内投入され高度不安定クレーター振動・回転。スラグ層存在時、これら液滴スラグ捕捉→液滴インスラグエマルジョン形成。

クレーター深度は停滞点（クレーター中心）運動量収支で計算可能。室温様々液体・ガス実験・定量的2次元2相モデル（水銀・グリセロール）エマルジョン現象研究で、期待通りエマルジョン液滴数はガス流量増で増加、ランス先端液面距離（ランス高さ）逆比例変化。水3次元モデル実験でスラグ代表上層あり条件下、液滴生成速度：低流量域で非線形増大、高流量域でほぼ線形増大の2領域存在。ウェーバー数で流動現象特性化。液滴生成速度（kg/s）をブロー番号関数として実験相関。ほぼ同軸底ガス吹き込み同時実施で液滴生成増大、特に同軸近似時顕著。スラグ相存在で生成速度大幅変化。

マッハ2超音速ジェット出口ガス温度約-100℃。以降低密度コンバーターガス巻き込み。温度・速度・組成変化しジェット浴衝突。ゆえにこの相関大きな不確実性含む、BOSモデル有用性不十分。他相関なしため通常上記相関使用、必要に応じチューニング。

反応速度は液滴サイズ依存。複数研究で作動コンバーター或い実験室高温モデルからエマルジョンサンプル採取。一般に0.05〜3 mm範囲報告。銑鉄・O₂実験研究で大型液体塊投出報告、これらはエマルジョン滞在時間殆ど無視可能。これら近似・相関明確不十分だが、より良い相関欠如で多くモデル使用。

高リン銑精錬時形成泡状スラグ中大量金属液滴発見研究複数。230トンコンバータータップ孔排出サンプル採取分析で類似観測研究も。その他複数研究類似観測報告。

前述通り液滴様々高度精錬状態、一部ほぼ完全精錬却バルク浴尚大量C保持。エマルジョン中金属分率大きく推定、浴重量約25%近く。平均サイズ1 mm仮定で比表面積約40,000 m²相当。「コンバーター精錬主エマルジョン相、液滴落下希釈で浴精錬（エマルジョン理論）」提唱研究あり。コンバーターエマルジョン=スラグ-金属-ガス系。スラグ-ガスフォーム中に金属液滴分布と視覚化可能。

複数液滴高O₂過飽和表示報告、微細液滴がCO液滴バースト同核生成で生成されたと仮説提起。一部液滴気泡付着証拠、中空液滴も。磁気浮上・自由落下液滴酸化ガス反応実験複数、結果興味深い。高C時表面反応（CO燃焼証拠）。C低下で微小液滴飛散→副表面核生成示唆。更低Cで液滴バースト→O₂過飽和・液滴深部核生成示唆。平衡CO対約5 MPa過飽和報告（バースト時）。

放射性金同位体トレーサー法でコンバーター液滴滞在時間測定研究。高度脱炭液滴最大滞在時間約2分推定。自由落下ベース滞在時間はスラグエマルジョン高考慮しても数秒オーダー。高滞在時間には説明必要。

X線単一Fe-C液滴溶融酸化スラグ反応可視化実験複数で、液滴脱炭開始即座に浮上表面到達、CO気泡沈静化迄表面滞在示明。さらに液滴滞在時間が気泡形成（液滴浮上維持）依存実証。

CO生成が液滴浮力維持機構に2見解：(i)膨張液滴理論：CO液滴内部同核生成、中空液滴見かけ密度低下→浮上維持。(ii)気泡液滴/スラグ界面異核生成、気泡液滴付着間浮上維持。X線透視研究視覚証拠では両者明確区別不能。激しい脱酸素時豊富気泡発生で核生成障壁なさそう→界面核生成支持。

高C濃度でC液滴内物質移動律速でない時、最高CO過飽和液滴表面期待。ゆえに界面異核生成には気泡が離脱前界面滞在時間必要。複数気泡付着可能→液滴浮上維持。C低値低下で界面核生成断続的、気泡未付着期間にO₂金属溶解・拡散。最高過飽和領域内方移動、まず副表面、次深部。副表面核生成で微小液滴飛散、深部でバースト観察。同核生成イベント確率的・確率的性質推定。

同時に、気泡なし/少液滴見かけ密度高→金属浴落下。液滴落下臨界C含有率は液滴サイズ、スラグ酸化ポテンシャル（FeO物質移動速度）、表面/内部断続核生成イベント依存。臨界C含有率正確予測実証作業不足。浮上液滴実験証拠もこれら一連イベント支持、電磁場撹拌で条件異なる（特に液滴内物質移動）点留意。

コンバーター文脈では、液滴表面気泡で連続攪拌。2逆効果：(i)液滴表面一部気泡覆われスラグ→液滴物質移動不可、(ii)気泡形成・離脱で液滴表面激しく撹拌、局所物質移動促進。複数間接推定。高温単一液滴実験P移動速度でスラグ中FeO物質移動係数間接推定研究で(10)⁻⁵〜(10)⁻⁴ m/s取得。類似値推定研究も。無次元変数ベース妥当相関取得には冷間・高温モデル双方適切実験研究必要。

ジェット・ガス大量通過でスラグ良好撹拌される一方、トップブローコンバーター金属浴比較的不良混合。トップブローコンバーター混合時間（t₉₅：95%均質化時間）150〜180秒、底吹きOBMコンバーター10〜20秒対比。反応ダイナミクスに帰結：金属液滴上層除去、エマルジョン精錬液滴上層落下。多く熱もスラグ放出→スラグ・落下液滴高温。底部スクラップ緩慢溶解で組成・温度層化可能性。

高混合時間=高混合時間非再現性→底吹きなしで吹錬挙動非再現。例：高C含有下層大渦上層到達→突然脱炭速度増大→不安定化。ゆえにコンバーター底部不活性ガス吹き込みで混合時間短縮が標準慣習。

底ガス吹き込み速度・多孔質エレメント位置が反応ダイナミクス影響→組成・温度推移定量予測に混合挙動定量化必要。単一平均t₉₅値では包括的コンバーターモデル組込み不十分（異なる混合曲線でも類似t₉₀・異なるt₉₅可能）。妥協案：2パラメータモデル、2混合時間（t₉₀、t₉₅）推定ベース。金属浴を2撹拌槽反応器（STR）連続金属交換モデルで理想化。下部：スクラップ溶解のみ、上部：前述全現象。2パラメータ（反応器サイズ比、金属交換率）を各操業条件混合時間にフィッティング。

スラグ形成と溶剤溶解

溶剤（石灰、焼成ドロマイト）早期充填→発生酸化物と溶解し液体スラグ形成。溶剤溶解速度が吹錬中スラグ-金属反応に強く影響。吹錬開始時ランス高位置→初期スラグSiO₂・FeOリッチ。大量溶剤充填。ランス降下→吹錬約1/3でFeO還元とCO生成連携でスラグ発泡開始。吹錬進行→CaOスラグ溶解、活性スラグ重量増大。吹錬約3/4進行→脱炭速度低下でスラグFeO含有量増加。

吹錬中液鋼温度徐々上昇：約1,350℃→ターンダウン時1,650℃。スラグ温度液鋼比約50℃高。ターンダウンスラグに未溶解石灰混入領域存在可能。石灰溶解は二珪酸カルシウム（2CaO·SiO₂）被膜で制限、製鋼温度で固体、急速溶解阻害。溶剤中MgO存在で被膜弱化→MgO早期添加で石灰速やか溶解促進。

コンバーターは良好流動高塩基度（高CaO）スラグ維持必要：大量CO処理、P効率除去。ゆえにオペレーターは最終スラグCaO/SiO₂比3.0超達成目指す。

図6a：CaO-SiO₂-FeO三成分系液相線等高線。1,350℃（吹錬開始）で達成可能CaO/SiO₂比約1.6〜1.7限界明確。MgO添加で僅か改善（図6b）、キャリーオーバースラグ由来Al₂O₃で多少改善。最終スラグ1,650℃、25〜30% FeOでも最大CaO/SiO₂<3.0。スラグ分析で未溶解石灰頻出も整合。CaO溶解性問題に加え、石灰粒子高SiO₂スラグでパッシベート。CaO濃度粒子表面最高→二珪酸カルシウムここ形成。難熔且つ付着層形成→更溶解阻害。長時間高温残留石灰粒子シンター化→反応性低下。付着層破壊に高スラグFeO有効。ゆえに吹錬最初数分ハイランス操業（ソフトブロー）、FeO 25〜35%以上構築慣習。CaO溶解性へ効果限界的（図6）だが付着二珪酸カルシウム層破壊、更溶解許容。蛍石（CaF₂）添加でより効率的効果但近年諸理由で許容慣習でない。図6：相図、6a CaO-SiO₂-FeO系液相線等温線、6b MgO添加液相線影響。

図6 相図

プロセスフローと反応ダイナミクス

コンバーター内容を重要領域分割：(i)金属浴（下部・上部分割、金属交換あり）、(ii)O₂ジェット・衝突領域、(iii)スラグ領域（大半スラグ-金属-ガスエマルジョン形態）。吹錬に3明確レジーム：

初期レジーム：前ヒートキャリーオーバースラグと固体石灰アイランドで覆われた裸金属浴。O₂ジェット金属浴衝突、2主要作用：①浴ほぼ全層酸化→CO、SiO₂、MnO、P₂O₅、大量FeO生成。全O₂消費せず→ガス相高CO₂/CO比、一部O₂含有（排ガス分析確認）。②ジェット金属液滴ガス相投入、自由飛行後落下。酸化性ガス中で液滴精錬。液滴表面反応順序熱力学決定。

各溶質反応には物質移動ステップ：ガス相CO₂/O₂移動、液相溶質移動。界面化学反応はこの温度で極高速期待。反応順序は物質移動方程式と界面競合反応自由エネルギー最小化解くことで取得可能。順序通常Si、Mn、次C、P。飛行時間典型1秒オーダー以下→液滴落下時Si反応部分完了程度。小液滴ほど比表面積大→更精錬進行。金属浴他表面反応小→液滴比表面積小ため。

ガス相物質移動はランツ-マーシャル型相関で容易計算可能。初期フェーズ液滴高溶質、ガス相物質移動律速期待。小液滴剛体視、液滴内溶質純拡散仮定可。液滴落下時、液滴内凝縮相酸化物生成物浴表面上部残留、衝突サイト酸化物・添加溶剤と結合し液体スラグ形成開始。前述通り衝突サイト大量FeO生成→液体スラグ形成容易。暫時後液体スラグ層金属浴覆う。増々液滴スラグ投入。ガス相投入液滴スラグ相通過後金属浴到達。更精錬スラグ中進行。

初期薄スラグ層・高Si/Mn液滴ではC反応開始前落下（ガス発生なし、特に大液滴）。高C小液滴は早期脱炭開始しCO放出、スラグ緩徐エマルジョン化。初期フェーズ：CO生成比較的低→口部低炎。浴Si一定程度低下→脱ケイ素化相当進行後液滴落下前。C反応開始→液滴エマルジョン浮上維持、液滴C含有率臨界値到達迄（前述説明）。スラグ相ではC液滴高い間FeOスラグ相物質移動律速期待。液滴臨界C到達→気泡減衰停止→液滴落下。臨界CはスラグFeO含有量大きく決定。急速エマルジョン構築、第2フェーズ反応開始。口部炎大型化。ランス先端エマルジョン浸漬。

第2フェーズ：ほぼ全液滴エマルジョン投入、ガス相反応非主要化。静止液滴スラグ滞在時間数秒オーダー（脱炭反応開始なき限り）。ゆえにオペレーターは液滴落下前脱炭反応開始へ迅速到達必須。反応加速法：スラグFeO含有量高維持。FeO早期増加別理由：脱炭速度ピーク到達時流動スラグ確保必要。大量ガス迅速スラグ脱出必須。さもなくばエマルジョン高さ制御不能構築→溢流・スロッピング。

スラグFeO含有量は衝突点生成率とエマルジョン液滴消費率バランス。FeO生成はランス高さ弱依存可能性、ハイランス→ジェット衝突力低下→液滴生成減、逆も真。ゆえにハイランス慣習（ソフトブロー）でFeO迅速増加。CaO溶解促進・流動スラグ形成。初期ソフトブロー典型3〜4分、標準プラント慣習。

最適瞬間ランス降下→高反応速度誘導。液滴生成率高、浴脱ケイ素化済→液滴激しい脱炭、C低値到達迄浮上。ピーク脱炭速度期間、金属浴大部分エマルジョン液滴化。液滴エマルジョン滞在時間・サイズ違い→異精錬段階。精錬度は液滴サイズ依存。液滴特性：生成時刻（年齢）、サイズ。液滴特性C含有率到達で落下開始、サイズ・スラグFeO・温度依存。液滴最終フェーズ：界面O₂ポテンシャル高→条件好適ならP除去。落下液滴→上層金属浴見かけ精錬、混合で他浴精錬へ。液滴精錬時間0.5〜2分オーダー→バルク金属サンプルC、Mn、P低下観測、Si尚相当量残存時でも（図3a）。

全体反応速度一部自己修正：エマルジョン液滴数減少→速度低下→金属浴レベル上昇→実効ランス距離低下→液滴生成増加。吹錬中間期脱炭速度ほぼ一定理由の一つ。但し液滴流入C含有率継続低下→滞在時間低下。オペレーター対応ランス段階的降下で液滴生成率増加対応必要。図7a典型吹錬ランス高さ変化。

図7 典型吹錬中ランス高さ変化とリン分配比推移

浴C低値最終フェーズ：速度C液滴内拡散制限（流入時でも）。CO生成低→液滴浮上不能。滞在時間数秒低下→ランス最低許容レベル迄降下却液滴数減少。エマルジョン消滅。脱炭速度低下・スラグFeO急速蓄積。速度低いためFeO含有量と鋼溶解O₂、C-O平衡規定値遥か超過増大。この期間オペレーターAr攪拌速度上昇→追加O₂なしで液滴生成率増加→ある程度改善。

脱リン制御と課題

BOSで脱リン課題、リブロー原因となり得る、特にHM高P（約0.2%）時。最終スラグ条件通常好適（高FeO・高塩基度）でも、吹錬全体スラグレジーム慎重管理怠れば不利状況陥る。P熱力学よく知られる。反応分子種或いイオン形式記述可。前者：平衡定数、ラウール活性係数スラグ組成関数表現。後者：リン酸塩容量方程式、経験的スラグ組成相関。両アプローチ概念的類似。P・O₂分圧は既知熱力学データで金属溶解%或いスラグFeO活性度変換容易。スラグデータ組成関数（ラウール活性係数或いリン酸塩容量）複数研究で経験的決定。吹錬中スラグ分析既知ならバルクスラグ/バルク金属間P分配係数推移計算可能。

吹錬初期：浴C高、Si含有→スラグ/金属界面O₂ポテンシャル低→バルク金属/スラグ界面高脱リン速度期待薄。一方金属液滴1〜2分で高度精錬、金属浴復帰前高O₂ポテンシャル界面保有。分配係数高（ソフトブローでFeO高、温度低、CaO一部未溶解）。エマルジョン液滴数極多→脱リン速度極高（図3a確認）。吹錬末期再び：スラグ条件好適（高FeO・高塩基度）但温度大幅上昇。反応速度高くない：液滴数少、比表面積小→全反応低速。

激しいAr攪拌この吹錬時期有効、O₂停止後暫時も限定的有効。吹錬中間期オペレーターに最大効率全体脱リン機会。ソフトブロー後ランス段階的降下で高脱炭速度狙う時、スラグFeO大幅低下、エマルジョン崩壊開始迄低位維持。スラグ比較的「ドライ」。分配係数不利→Pリバージョン金属へ容易。FeO低いほどリバージョン大。このリバージョン、反応速度本来低い吹錬末期負荷増大。

ゆえに中間期FeO含有量厳密制御必要、低P鋼製造要求時。各段階ランス過早降下→極低FeO（12〜15%未満）招来。FeO含有量は液滴生成率（消費率）とFeO生成率バランス決定。但し極低FeOは脱炭速度も低下。極高FeOはスロッピー状態誘発。

より高FeO達成にはランス慣習修正：中間レベルランス高さ通常よりやや高く維持。ランス降下遅延、制御不能エマルジョン構築招かぬよう注意。この期間分散鉄鉱石添加でも達成可能。

BOSコンバーター製鋼化学総括

O₂製鋼熱力学から：開始時吹込みO₂優先的溶解Siと反応、SiO₂生成し金属表面浮上。動力学から：吹込みO₂一部溶解C・Fe原子と反応期待。COガス生成プロセス着火瞬時。焼成石灰添加で酸性スラグ中和、初期液体FeₓOᵧ・SiO₂混合物含有。BOSコンバーターで複数化学反応発生。主反応：O₂ガスから金属へO₂溶解、溶解O₂による脱炭、Fe、[Si]、[Mn]、[P]、[V]、[Ti]酸化。吹錬中固体/液体酸化物生成物形成、吹錬開始添加石灰と結合しコンバーター内液体スラグ形成。激しいCOガス生成で液体金属液滴スラグ導入→発泡傾向。ゆえにO₂吹錬中コンバータースラグ実態：液体スラグと金属液滴エマルジョン、ガス気泡影響で発泡。エマルジョンも好適反応サイト。例：C酸化相当分率エマルジョン金属液滴で発生、過半数O₂ジェット衝突ゾーン。残O₂でFe酸化→FeₓOᵧ。吹錬中O₂金属液滴浸透、COガスと反応可能。全スラグ-ガス系フォーム振舞い、円錐部迅速上昇。ゆえにO₂流入・反応速度調整必須、フォームコンバーター溢出防止。非活性金属・スラグ浴体積比ほぼ9倍コンバーター内部体積でもスロッピング頻発。