コンバーター製鋼におけるスラグの役割

コンバーター製鋼におけるスラグの役割

酸素コンバータープロセスは、炭素鋼および低合金鋼を製造するための主要な製鋼プロセスです。このプロセスは、本質的に、高炭素溶銑（HM）を低炭素溶鋼に精製する酸化プロセスです。酸化プロセスは、コンバーターに酸素を吹き込むことによって実行されます。これにより、転炉浴内の液体溶融物中に存在する溶鉄および他の金属および非金属不純物が、溶鋼よりも軽い酸化物を形成し、それらが浴の表面に浮く。これらの酸化物の総称は「スラグ」です。一部の酸化物は本質的に酸性であり、コンバーターの耐火物と反応する可能性があるため、通常、コンバーターの耐火物を保護するために石灰と焼成ドロマイトを使用した塩基性スラグが製造されます。酸素は炭素と反応して、液体スラグを発泡させ、製鋼中に必要な化学エネルギーを提供するための気泡を提供するガスを生成することもできます。

製鋼プロセスでは、スラグは主に酸化物と少量の硫化物およびリン化物の混合物です。酸化物は、本質的に酸性または塩基性のいずれかです。スラグは、SiがSiO2、MnからMnO、FeからFeO、PからP2O5などに酸化する溶銑の精製、およびCaO（石灰）、MgO（焼成ドロマイト）、酸化鉄などの酸化物の添加中に形成されます。その他。酸化物の添加は、融点、塩基度、粘度などのスラグの望ましい物理化学的特性を得るために行われます。

コンバーターの製鋼プロセス中のスラグの主な原因は4つあります。これらは、（i）溶鋼中の金属元素（例：シリコン、マンガン、アルミニウム、チタン、クロム、バナジウムなど）の酸化、（ii）液体浴中の非金属（例：硫黄、およびリン）、（iii）フラックスの添加（例：石灰、焼成ドロマイト、フルオロスパー）、および溶解した耐火物（例：MgO、CaO + MgO）。

ライニングレンガは塩基性であるため、酸性スラグはコンバーターライニングを侵食します。酸性スラグには大量のSiO2、Al2O3が含まれているため、スラグを薄くすることができます。基本的なスラグには、MgOやCaOなどの酸化物が含まれているため、スラグが厚くなります。 FeOは、「フラックス」と呼ばれる低温で石灰を溶解させるという点で、スラグの最も重要な部分です。 CaOの溶融温度は2570℃、MgOは2800℃であるため、FeOが融点を下げることなく、鋼のタッピング温度が一般に1650℃未満である溶液に石灰またはマグネシアを入れることは困難であることがわかります。

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酸素転炉製鋼工程でスラグが果たす役割は非常に重要です。石灰は製鋼にとって重要です。石灰が製鋼中に形成されるさまざまな成分とどのように相互作用するかという科学は、「スラグを作ると鋼がそれ自体を作る」という古いフレーズを理解するための基礎です。スラグは総称であり、製鋼では主に液体状態の酸化物と硫化物、および固体状態の多結晶相の溶液です。スラグは、（i）溶鋼よりも軽量であり、（ii）溶鋼と混和しないため、溶鋼とは別の相です。製鋼中にスラグが果たす重要な役割は以下のとおりです。

• 鋼の精製中に不純物のシンクとして機能します。
• これは、FeO含有量による精製中の浴の酸化および還元の可能性を制御します。スラグのFeO含有量が多いとスラグが酸化し、FeO含有量が少ないとスラグが減少します。
• 脱リン酸化に役立ち、硫黄を吸収します。
• 大気から浴中の溶鋼への窒素と水素の通過を防ぎます。
• 酸化物/硫化物の含有物を吸収します。
• 液槽を絶縁し、熱損失を低減します。熱障壁を提供し、溶鋼から周囲への熱伝達を防ぎます。
• 再酸化から溶鋼を保護します。
• 溶銑を乳化し、炭素の酸化を促進します。

上記のスラグの機能は、スラグが特定の化学的性質（塩基性、酸化電位）と物理的性質（密度、融点、粘度）を持っていることを必要とします。これらの特性は両方とも、スラグの組成と構造によって制御されます。

スラグ形成の観点から、2つの制限的な吹き付け方法があります。すなわち、（i）不活性ガスの底部を攪拌せずに高いランス位置でソフトブローし、低い鉄浴混合強度を特徴とし、（ii）低いランス位置でハードブローします。より強力な鉄浴混合と酸素ジェットと液体浴とのより深い相互作用を特徴とする、底部攪拌（混合ブローコンバーター）を使用します。ソフトブローの場合、酸素ジェットと鉄浴との相互作用は表面的であり、混合が弱いために浴内部からの物質移動が遅く、鉄が最初に酸化されてスラッグされます。酸素ジェットと浴の間のハードブロー相互作用、および浴内部から表層への物質移動の場合、より強く、浴の不純物元素が最初に酸化されます。ソフトブロー練習の主な効果を以下に示します。

• スラグ形成率が増加しています
• スラグ中のFeO含有量が高くなります
• それは溶鋼の酸素過飽和をもたらします
• スラグの発泡を促進します
• 少なくとも高炭素レベルで脱リン酸化を促進します
• Mnやその他の不純物の酸化速度を高めます
• 耐火物の摩耗を増加させます
• スラグが傾斜する確率が高くなります

製鋼におけるスラグの管理には4つの原則があります。これらは、（i）塩基性酸化物と酸性酸化物の比率であるスラグ塩基性の制御、（ii）MgOによるスラグの飽和、（iii）スラグ粘度制御としても知られるスラグ発泡制御、および（iv）バランス「平衡状態」に到達するための製鋼プロセスにおける鉄鋼およびスラグ。

スラグの塩基性という用語は、コンバーターで使用される耐火物との関係でスラグがどの程度酸性またはどの程度塩基性であるかを決定する手段です。スラグがより酸性である場合、それはレンガを侵食します、それがより塩基性である場合、それはレンガを保護します。スラグの塩基度は、通常、添加された石灰と焼成ドロマイトの量、装入された溶銑と鋼スクラップのシリコンとアルミニウムのレベル、および鉄合金によって決まります。比率の低い値は、スラグが酸性であることを示し、比率が増加するにつれて、スラグはますます塩基性になります。

塩基性に加えて、スラグのMgO含有量も重要です。スラグには、溶解したカルシウム化合物と酸性化合物が含まれており、MgOがライニングの耐火レンガからスラグに溶解します。 MgOは、FeO含有量、塩基度、温度の関係に基づいてスラグに溶解します。スラグの塩基度が低いほど、スラグのMgO要件は高くなります。 FeOと温度の上昇は、スラグのMgO必要量も増加させます。 MgOへの影響を図1に示します。

図1スラグ中のMgO溶解に対するさまざまなパラメータの影響

コンバーターの泡の高さは、ブロー時間の関数です。スラグの質量が最終スラグ量の70％に近づくと、フォームの最大高さに達します。反応性コンバーターダストは酸化鉄の供給源であり、ブローが低ランスで開始された場合、つまりハードブローの練習であった場合でも、発泡スラグの急速な形成を支援します。発泡スラグは燃焼後の比率を低下させ、浴への熱伝達効率を高めます。

液体スラグの発泡傾向にはいくつかの要因が影響します。これらを以下に示します

• スラグ中のFeO含有量。スラグにはFeOが含まれている必要があり、炭素と反応してCOバブルを生成するのに十分な量である必要があります。
• 粘度または一貫性を修正して、気泡をできるだけ長く保持します。
• 耐火物の摩耗を最小限に抑え、発泡を促進するのに十分なMgO。

浴中の溶鉄の炭素は、スラグを発泡させるためのCO気泡を生成します。スラグの粘度は、スラグ成分の比率と、これらの成分がどのようにスラグを薄くまたは厚くするかによって決まります。気泡をより長く保持するために正しいスラグ粘度を作るのは、これらの成分のバランスです。 SiO2、FeO、Al2O3はスラグを薄くし、CaOとMgOはスラグを厚くします。

酸素コンバータープロセスの典型的な組成および温度範囲内でのCaO、SiO2、FeO、およびMnOなどからなるコンバータースラグ密度の概算は2.8〜3トン/cumです。コンバーターブロー終了時のスラグ対鋼の質量比が0.08〜0.1の範囲内で変化する場合、スラグ対鋼の体積比は、ブロー開始時のほぼゼロからブロー終了時に0.20/0.25に上昇します。

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一般に、スラグは、ブロー中のコンバーターからの金属の噴出（吐き出し）と粉塵の形成を抑えると考えられています。コンバーターを非常に少量のスラグで運転すると、重金属の排出と頭蓋骨の形成が発生する可能性があります。ただし、スラグの特性は最も重要です。流動性の強い酸化性スラグは酸化反応に適していますが、コンバーターからスラグが脱落する可能性があります。何らかの理由でスラグの形成が遅れ、ソフトブローや鉱石/ダストの添加などによって大量の酸素がスラグに「ロード」されると、スラグが発生することがよくあります。スラグの形成が始まり、二次および三次の酸化反応が活発に起こり、ガスの形成が促進されると、スラグが大きくなります。スラグの形成と発泡を適切に制御することは、スラグ防止の中心的な手段です。

スラグ中のFeOは、鋼に溶解した酸素に比例します。すべてのスラグ/金属反応において、鋼に含まれるものの量とスラグに含まれるものの量の間に比率があります。これは「分配比」と呼ばれます。コンバーター内の鋼とスラグは、平衡状態になるようにバランスをとる必要があります。鋼の酸素含有量を制御する鋼の炭素含有量の関係もあります。炭素は鋼の酸素レベルに影響を与えます。低炭素レベルでは、酸素が鉄と反応してFeOを形成し、スラグを薄くして、歩留まりの低下に影響を与えます。

スラグのSiO2含有量は、製鋼中に必要な石灰の量を決定します。また、歩留まりも低下します。酸化条件下で転炉槽に入るすべての材料は、スラグが必要とする要件とこれらの添加のコスト、および収率の損失に影響を与えます。溶銑とスクラップが一緒になってスラグのSiO2含有量に影響を与えます。酸素と反応するシリコン1キログラムごとに2.17キログラムのSiO2が生成されます。このSiO2は、塩基性スラグを形成するために石灰と焼成ドロマイトで中和する必要があります。この基本的なスラグは、FeOとしてスラグに5キログラムの鉄を失います。その理由は、石灰などの塩基性材料とバランスをとる必要のある酸性物質の量を増やすことによって、スラグの量が増えるためです。

耐火ライニングの化学的摩耗は、とりわけ、スラグ/エマルジョン、液体金属、およびO2ブローを含む気相との相互作用に依存します。最も重要なメカニズムは、スラグへのライニングの溶解です。ブロー開始時に形成される酸性SiO2を結合して中和するための急速なスラグ形成が重要なポイントです。酸化性の高いホットスラグは、マグネシアやドロマイトのライニングを容易に溶解します。焼成ドロマイトを使用すると、ライニングの寿命を大幅に延ばすことができます。最近、スラグの飛散は、コンバーターの寿命を延ばすための確立された慣行になっています。転炉内の残留スラグは、タッピング後の化学組成と温度に合わせて調整され、転炉壁の周りの激しい窒素の流れによって飛散します。手順自体、およびコンバータープロセスへの影響はかなり複雑であり、スラグは処理のために厳密に調整する必要があります。

スラグは、酸素コンバーターの製鋼プロセス中にいくつかのタスクを実行することです。主に、それは不揮発性酸化物によって自発的に形成され、鉄と溶銑の微量成分（SiO2、MnO、P2O5、およびFeO）の酸化をもたらします。不純物酸化物をフラックスし、低融点の流動スラグ、石灰、生石灰（CaOとMgOの混合物）を形成するために、必要に応じて蛍石（CaF2）をコンバーターに投入します。第二に、液体スラグは、脱硫および脱リンのプロセスを通じて硫黄およびリンを除去するための反応環境を提供しますが、二次冶金の開発により、酸素コンバーターにおけるこれらの反応の重要性はもはや存在しません。一酸化炭素（CO）と溶鋼液滴（スラグ発泡）でエマルジョンを形成する場合、スラグは明らかにCOから二酸化炭素（CO2）への燃焼後の役割を果たし、形成された「ホットスポット」からの放射熱伝達に影響を与えます酸素ジェット-液体鉄衝突キャビティ内で、コンバーター内の温度分布を平準化します。発泡スラグはまた、粉塵の一部を吸収することにより、粉塵の発生率を明らかに低下させます。

スラグの形成は、液体鉄への酸素の溶解と、酸素ジェット衝撃ゾーンでの鉄およびその他の浴成分の同時酸化から始まります。酸素ジェット衝撃ゾーンの液槽の温度は非常に高いため（2000℃以上）、大量の酸素（最大1％）が鉄によって溶解する可能性があります。この一次酸化ゾーンでは、酸化鉄が形成され、酸素含有量の高い溶鉄が浴に浸透し、炭素や他の成分の含有量が多い新鮮な浴の溶鉄と接触して酸化します。一次反応生成物の一部は、スラグと炉の雰囲気に飛散します。

酸化鉄およびSiO2、MnO、P2O5などの他の非揮発性酸化生成物が既存のスラグと混合し、より多くの石灰と焼成ドロマイトが液体スラグに溶解します。したがって、スラグは複雑な一連の反応によって形成されます。スラグ形成反応を以下に示します。

[Si] + 2 [O] =SiO2 |

[Mn] + [O] =MnO |

[Fe] + [O] =FeO |

[P] + 5 [O] =P2O5 | + CaO +（CaO + MgO）=>スラグ

これらの反応の後には、二次酸化還元反応が続きます。特に、スラグ内を循環する液体の鉄滴の表面で脱炭が行われます。

[FexOy] + y C =x Fe + y CO（g）

転炉ブローの始動期間において、浴温が低い場合、スラグは通常ケイ酸二カルシウム（2CaO.SiO2）で飽和しますが、溶銑酸化の進行に伴い、スラグ組成は二カルシウムから逸脱します。ブローの後半でケイ酸「ノーズ」が戻ってきて、ケイ酸三カルシウム（3CaO.SiO2）飽和または石灰飽和範囲にまで通過します。 2CaO.SiO2ノーズまたは3CaO.SiO2または石灰の液相線表面などの高温液相線表面を通過するスラグ経路の評価、および対応する液浴からの固相の沈殿は、スラグが多成分であるという事実によってやや不明瞭になります。相とスラグ温度は、液体鉄浴の平均温度を数百度も超えると報告されています。

相境界（スラグ/バス、スラグ/液滴、バス/ガススラグ/ガスなど）での局所的な親和性は、同じ溶液相（鉄溶融物またはスラグ）内の成分の同様の反応の進行を制御します。反応親和性の大きさは、標準的な親和性と液相の反応成分の活性（化学ポテンシャル）に依存します。鉄浴中の微量元素の酸化反応と鉄の間の酸素の分布を制御する局所反応親和性、すなわち酸化反応の相互進行は、プロセスの時間と温度の変化とともに変化します。同様に、鉄（および酸化マンガンのようなスラグ中の他の酸化物）による二次酸化反応の局所的な親和性は、スラグ環境における鉄液滴の他の微量成分の脱炭対酸化の進行を制御します。酸化反応のこの熱力学的制御は、なぜ鉄がソフトブローで酸化されてスラッグされるのかを説明します。鉄浴での弱い混合は、浴の内部から酸化が起こり、そこから鉄の液滴がスラグに飛散または破裂する表層への少量の浴成分（Si、Mn、Cなど）の輸送を遅くします。これらの層は微量元素のペタリングであり、金属相でのそれらの活性、したがって、反応親和性は鉄と比較して減少します。したがって、鉄の酸化は熱力学的に有利になります。

脱リン化のために、スラグは酸素変換器の製鋼において重要な役割を果たします。鋼とスラグの酸素活性のバランスは、酸化段階と脱リンに使用される材料に関係している可能性があります。鋼からリンを除去する式は簡単に言うと次のとおりです。

2P + CaO + 5FeO => P2O5.CaO +5Fe温度<1640℃

2P + CaO + 5FeO <=P2O5.CaO +5Fe温度>1640℃

これはすべて、鋼石灰（CaO）からリンを除去し、スラグにトラップするP2O5.CaOの生成物を生成するために酸素（FeO）が必要であることを示しています。ただし、温度が1640℃を超えると、反応が逆転し、再リン酸化が起こります。したがって、リンを除去するために、P2O5.CaOを含むスラグは、ブローの途中でコンバーターのスラグ除去によって除去されるか、石灰を追加するか、熱をさらにブローダウンする（酸素活性）か、それを維持する必要がありますクーラー。