先進ステンレス鋼生産：電気炉から現代酸素ベース技術へ

ステンレス鋼は10〜30%のクロムを含みます。また、ニッケル、モリブデン、銅、硫黄、チタン、ニオブなどをさまざまな量含有します。

ステンレス鋼製造プロセスの変遷

1970年頃まで、ステンレス鋼生産の大半は電気炉（EAF）で行われていました。製鋼にトン単位酸素が使用されるようになると、EAFステンレス鋼製造プラクティスが変化しました。酸素ガスを脱炭速度向上に利用できるようになったためです。高酸素ポテンシャル注入で達成可能でしたが、クロムがスラグへ大量酸化される副反応を伴いました。これにより、フェロシリコンでスラグ中の酸化クロムを還元する明確な還元期間が必要となりました。

アルゴン酸素脱炭（AOD）転炉プロセスの成功開発により、ステンレス鋼生産は複合プロセス（デュプレックスプロセス）で始まりました。AOD転炉を用いたデュプレックスプロセスが主要ですが、現在ステンレス鋼製造には複数のデュプレックスプロセスが使用されています。これらでは、EAFまたは類似炉でスクラップ、フェロアロイ、その他原料を溶解し液体鋼を生産します。この液体鋼はクロムとニッケルの大部分、その他合金元素を含み、転炉のチャージとなります。転炉は低炭素ステンレス鋼達成に使用されます。EAF-AODデュプレックスプロセスの汎用性により、製鋼者はステンレス鋼溶解用のさまざまな転炉使用を再検討し、複数の他の転炉がデュプレックスプロセス用に開発されました。

従来の基本酸素炉（BOF）を用いたステンレス鋼製造開発は1950年代後半〜1960年代初頭に始まりました。1960年代半ばまでに、一部製鋼者は既存BOF転炉で部分脱炭を行い、真空脱炭で最終精錬して低炭素ステンレス鋼を製造していました。これらは3プロセスユニット（EAF、予備吹錬用転炉、最終精錬用真空脱炭ユニット）が関与するためトリプレックスプロセスと呼ばれます。鋼は最終脱炭、最終調整、均質化、介在物浮上処理を受け、レードルが注湯操業へ移されます。ほぼすべてのトリプレックスプロセスで、注湯レードルでの真空処理が鋳造前の最終ステップです。図1にデュプレックスとトリプレックスプロセスルート比較を示します。

これらすべての発展により、現在ステンレス鋼製造にはさまざまなプロセスが利用可能です。利用可能プロセスは3グループに分類されます。転炉プロセス、転炉+真空プロセス、真空プロセスです。

ステンレス鋼製造の一般原則

ステンレス鋼脱炭はクロム酸化最小化が必須です。一般に、酸素をステンレス鋼に注入すると、クロムと鉄の混合物が酸化されます。脱炭は、溶解炭素が形成されたクロム酸化物と鉄酸化物を還元するときに起こります。脱炭シーケンスは以下の通りです。

3O₂(g) + 4Cr = 2Cr₂O₃
Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO(g)

脱炭は、注入不活性ガスから形成される上昇気泡表面、または還元されCOを生成するクロム酸化物粒子表面で起こります。

脱炭にはクロム酸化最小化技術が関わります。基本的な3技術は温度、希釈、真空です。

• 温度技術：デュプレックスプロセス開発前のEAFステンレス鋼製造で使用。温度上昇により特定クロム含有量での平衡炭素含有量が低下。しかし操業困難と高コストを招く。
• 希釈技術：AODとすべての転炉プロセスで使用。不活性ガス（アルゴンまたは窒素）注入により浴中COガス分圧を低下させ、より高いクロム含有量をより低い炭素含有量と平衡させる。
• 真空技術：金属浴に真空を適用しCOを除去、高クロム含有量を低炭素含有量と平衡させる。特に炭素含有量が低い場合に効果的。

反応で生成されるスラグの慎重な制御が重要です。炭素で還元されない酸化クロムはスラグに残り、複雑なスピネルを形成します。酸化クロム、鉄、マンガンなど酸化元素回収のための後続処理（還元と呼ばれる）が必要です。還元ステップ効果は、スラグ塩基度と温度、転炉内混合条件、固体添加物溶解速度論など多くの要因に依存します。

プロセスルート選択

ステンレス鋼製造には多くの異なるプロセスルートがあります。資本・操業コストを決定する多くの要因に基づいて選択する必要があります。プロセスルート選択に影響する要因は、原料入手性、所望製品、下流工程、既存ショップロジスティクス、資本経済性です。またこれら要因は時間とともに変化し得るため、プロセスルートにある程度の柔軟性があることが望ましいです。一般に、ステンレス鋼製造プロセスフローはデュプレックスまたはトリプレックスに分類されます。EAF製鋼に続き転炉で精錬するデュプレックスプロセスは、原料選択に関して柔軟性があります。EAF製鋼と転炉精錬に続き真空システムで精錬するトリプレックスプロセスは、最終製品が非常に低炭素・窒素仕様の場合に望ましいことが多いです。トリプレックスプロセスは、転炉から真空ユニットへの追加移送があるため、全体サイクルタイムがデュプレックスより長くなりがちです。また、2炉が脱炭を行うため耐火物コストがやや高くなります。

最大柔軟性のためには、デュプレックスとトリプレックス両ルートを組み込めるプロセスフローを持つべきです。これにより原料、生産能力、プロセスフローで最大柔軟性が得られます。この場合、経済的・品質的理由で真空精錬が必要な製品のみがトリプレックスルートを使用します。

希釈精錬プロセス（転炉プロセス）

転炉では希釈原理で脱炭を行います。使用ガスによって異なる転炉があります。転炉は側吹きまたは底吹きです。側吹き転炉ユーザーは、より長い不活性ガス気泡滞留時間と改善された混合により、炭素0.1〜0.005%域でより高い炭素除去効率（炭素と反応した酸素量/吹き込み総ガス量）、硫黄0.005%〜0.001%未満域で改善された脱硫を主張します。主要な転炉希釈プロセスを以下に説明します。

• AOD転炉プロセス：別記事（https://www.ispatguru.com/argon-oxygen-decarburization-process/）で説明。
• K-BOPおよびK-OBM-S：川崎製鉄のK-BOPプロセスは従来型トップ酸素吹きBOFとして開始。OBM（Q-BOP）タイプの底部タワイエール7基を追加改造。これらで酸素とプロパン（タワイエール冷却用）を吹き込み可能。粉末石灰も注入可能。K-OBM-Sプロセスはフォエストアルピネ・インダストリアアラゲンバウ（現シーメンスVAI）が開発、川崎K-BOPから発展。転炉底部タワイエールで開始。一部設備は側吹きリアクター。したがってK-OBM-S転炉はランスでトップ吹き、タワイエールで底吹きまたは側吹き。最新AODと非常に類似。しかしK-OBM-Sでは炭化水素（天然ガス、プロパン）をタワイエール保護に使用し、耐火物寿命延長に有益。
• MRP（金属精錬プロセス）転炉：マンネスマン・デマグ・ヒュッテンテクニク（現SMSジマグ）開発。クロム・ニッケル含有溶鋼をMRP転炉へチャージ。酸素と不活性ガスで脱炭。初期開発では、転炉底部タワイエールからガスを交互に吹き込み。酸素は不活性ガスで希釈せず浴へ吹き込み。所望酸素吹きに続き不活性ガスのみ吹き込み。酸素吹き→不活性ガス吹きサイクルを「サイクリック精錬」または「パルシング」と呼び、純不活性ガスフラッシングで低CO分圧達成、より高速脱炭、クロム酸化低減、還元用シリコン消費低減を主張。オリジナル版は現在MRP-Lプロセスへ進化：すべての酸素をトップ吹き、不活性ガスを底部多孔質エレメントから注入。底部タワイエールは交換可能底部使用で容易交換可能。底部タワイエールなら側壁浸食が少ない。近年、MRP-Lユニットは真空ユニットと連結され、特に低炭素・窒素レベル要求ステンレス鋼向けトリプレックスプロセスの一部となっています。
• CLU（クルソー・ロワール・ウッデホルム）転炉：ステンレス鋼製造でAODプロセスと類似。EAFからの液体鋼も使用。開発主動機はアルゴン代わりに蒸気を希釈ガスとして置き換えるアイデア。転炉は底吹きで、側吹きAODと差別化。CLUプロセス初商業プラントは1973年建設。脱炭期間は酸素-蒸気混合物注入。蒸気と溶鋼浴反応が吸熱的なためエネルギー効率悪い。脱炭を約0.18%炭素以下まで続けるとAODよりクロム酸化大。元来のアルゴン消費削減目標は達成可能だが、還元ステップでのシリコン必要量増大が必ずしも総合コスト削減につながらない。さらに全期間蒸気使用は精錬鋼中望ましくない水素含有量をもたらす。したがって、蒸気、アルゴン、窒素をさまざまな量で使用するプラクティスに進化。
• KCB-S（クルップ複合吹錬ステンレス）プロセス：AODプロセス登場前、BOF転炉トップランス使用でのステンレス鋼生産が実施されていた。AOD導入後、クルップシュタールAGが転炉改造、ランスとタワイエール複合吹錬でステンレス鋼精錬実践。プロセス名KCB-S。プロセスガス同時導入で脱炭速度向上。トップランス吹きと浴面下タワイエール吹きで非常に高い脱炭速度達成。脱炭速度増大で従来AOD単独比最大30%精錬時間短縮。EAF溶鋼を転炉チャージ。吹き始めに純酸素をランスと側壁タワイエールから同時注入。所望プロセス温度到達後、吹錬中にさまざまな添加。添加物は石灰、フェロアロイ、スクラップ。臨界炭素レベル到達後、不活性ガス（窒素、アルゴン）使用でプロセスガス酸素含有量低減。酸素/不活性ガス比4:1、2:1、1:1、1:2、1:4を用い更なる低炭素化追求。炭素0.15%到達でランス使用中止、プロセスガスのみタワイエールから導入。目標炭素レベル到達で酸素吹き中止、フェロシリコン添加でスラグ中酸化クロム還元、所望シリコン仕様達成。石灰等溶剤添加で溶解酸素低下、脱硫促進。
• ASM（アルゴン二次溶解）転炉：MAN GHH（ドイツ）開発。AODプロセスと類似だがタワイエールが容器底部にある。トップ吹き酸素使用時はASM-Lプロセスと呼ばれる。
• STB（住友トップ・ボトムブローイング）転炉：住友金属工業開発。純トップ吹きまたは純底吹きプロセスの欠点克服のため両概念統合。また当時AODプロセスの2欠点（タワイエール浸食、酸素流量限界）克服も試み。トップランスからの酸素豊富ガス追加供給で脱炭時間短縮。
• TMBI（トップ混合ボトム不活性）転炉：不活性ガス（アルゴン、窒素）のみ注入用底部タワイエール装備。プロセスガス大部分はトップランスから導入。トップランスで所望ガス混合物導入可能。プロセス名TMBI。転炉で複合ガス吹き込み使用する他プロセスと類似。このプロセスで操業するアレゲニールドルムプラントは、コアレス誘導炉で炭素鋼スクラップ溶解、クロムフリー銑鉄をBOF転炉供給。
• 転炉・真空複合ユニット：上記転炉プロセスには、非常に低炭素・窒素残留ステンレス鋼製造が困難という欠点がある。目標炭素・窒素レベル低下に伴い脱炭期間長期化、クロム酸化・アルゴン消費増大。一部製鋼者は脱炭最終段階で転炉に真空適用で克服試み。ライボルド・ヘラウスがAODやVOD代替として概念推進。AOD/VCRを大同特殊鋼が渋川・知多プラントで、日本製鉄が光工場で設置追求。AOD-VCRは従来AODとして0.08〜0.10%Cまで操業。サンプリングで停止、真空蓋設置。蓋は転炉円錐部中腹フランジにシール。真空引き、残留脱炭と還元に使用。脱硫はAODチャージ前移送レードルで実施。転炉プロセス比主利点：アルゴン・シリコン消費削減。欠点：耐火物消費増大、スクラップ溶解能力低下、蒸気生産関連メンテナンス・コスト増。独立転炉・VODユニット比：AOD-VCRは操業コスト高（シリコン、耐火物、アルゴン）、生産性低、窒素含有量高。資本コストは2別ユニットよりやや低い可能性。

真空精錬プロセス

鋼真空脱炭利用はドイツで開発されました。初期プロセスにはRH脱ガス、DH脱ガス、アレゲニーバキューム精錬（AVR）があり、デュプレックスプロセス第2ステップとして使用。これらは鋼浴上部圧力低下で一酸化炭素ガス発生促進。真空プロセスへ入る液体ステンレス鋼は一般に炭素約0.5%以下含有。ほとんど真空プロセスは、別精錬容器を用いる希釈/転炉プロセスと異なり、チャンバー内レードル満量金属で実施されます。

1960年代半ば、アレゲニールドルムスチールが真空脱炭概念を用いてアレゲニーバキューム精錬プロセス開発。AODプロセス登場で非競争的になり中止。

真空処理を第2ステップとする初期デュプレックスプロセスは遅すぎ、使用可能原料に関する柔軟性が非常に限定的。真空プロセスはEAF生産性向上に追いつけず、操業コスト高。したがって後発開発は、EAFからの溶鋼を転炉で脱炭（第2段階）、仕上段階で真空脱ガスすることに焦点。これらはステンレス鋼製造用トリプレックスプロセスとして知られ、所望最終化学成分達成に3プロセス使用。

日本製鉄がステンレス鋼製造用RH-OBプロセス導入。高炉銑鉄をBOF転炉供給、クロム合金化し0.5〜0.6%炭素まで吹錬。最終脱炭をRH-OBで実施。日本製鉄は既存RH脱ガス（炭素鋼用）を改造、真空下酸素注入可能に。

ティッセン（ドイツ）が1960年代半ばに真空酸素脱炭（VOD）プロセス開発。初期開発段階ではVODでEAF溶融合金脱炭。後にBOFで予備脱炭し、EAF-BOF-VODトリプレックスプロセスがより生産的。1970年代初頭、川崎製鉄が多孔質プラグバブラー複数をレードル使用でVOD改良。SS-VOD（強撹拌VOD）と命名。1988年、ALZ（ベルギー）がEAF溶解、MRP-L転炉、VODプロセスからなるトリプレックスプロセスでステンレス鋼製造へ設備改造。

真空プロセスの主利点：最終脱炭で低アルゴン消費、低クロム酸化。後者はスラグからのクロム回収用還元元素消費低減につながる。真空プロセス用レードルからの注湯は、転炉タッピングに伴う空気からの窒素・酸素取り込み排除。SS-VODプロセスは、レードル内複数バブラーによる強撹拌で、より高クロムレベルでさらに低炭素・窒素・水素レベル達成能力を強化。

VOD処理主欠点：AODや他転炉プロセスに比べ原料使用柔軟性が低い。

多くの製鋼者が真空プロセスはしばしば高操業コストで、大気圧転炉プロセス操業容易さと競合できないことも認識。しかし真空プロセス、特にSS-VODは、AODや他転炉プロセスでは容易に達成できないステンレス鋼のより低炭素・窒素レベル達成という独自能力を持つ。

直接ステンレス鋼製造

近年、フェロアロイ代わりにクロム・ニッケル鉱石をステンレス鋼製造に使用する努力がなされています。日本で複数社が開発し商業利用しています。

直接ステンレス鋼製造プロセスは、スクラップとフェロアロイ必要量が少なく、ステンレス鋼スクラップとフェロアロイが十分量入手困難な場合に検討可能。しかしクロム・ニッケル鉱石が必要で、銑鉄入手可能な統合製鉄所で使用可能。他プロセスより資本集約的。したがって他プラント・場所への導入は限定的である可能性高い。