転炉製鋼の進化：誕生から現代の実践まで

転炉製鋼（BOS：Basic Oxygen Steelmaking）は、純酸素（O₂）を、転炉（BOF）、LD転炉、または単にコンバーターと呼ばれる容器内の溶融金属浴に吹き込むことで鋼を製造するプロセスです。

製鋼の夜明け：ベッセマーからオープンハースへ

製鋼の歴史は19世紀に始まります。フランスのレオミュール（1772年）、米国のケリー（1850年）、英国のベッセマー（1856年）が、鉄合金の炭素含有量を制御することで銑鉄を改良し、真の鋼を作る方法を発見しました。化学者だったレオミュールは科学的好奇心からでしたが、技術者だったケリーとベッセマーは、産業革命が織機、蒸気機関、工作機械、鉄道を生み出したことで、より大量により良質な鋼への需要に応える形でした。これにより科学と技術の弁証法的関係が始まり、溶銑（銑鉄）中の炭素（C）を液相で酸化精錬する基本概念が発明されました。

これは、木炭で鉄鉱石を還元するshaft furnace（竪型炉、高炉の前身）での気固反応や、固相で行われる鍛鉄（パドリング）精錬技術からの根本的な変革でした。19世紀後半の革新の激しさは印象的で、パラダイムシフトをもたらしました。ベッセマー転炉による製鋼が1856年に登場し、溶銑精錬に加えてスクラップ溶解も可能なオープンハース炉（平炉）がわずか9年後の1865年に、高リン鉱石対応の塩基性トーマス転炉が12年後の1877年に発明されました。トーマス転炉は空気を用いて溶融金属を精錬しました。

酸素転炉への道：空気吹きから純酸素吹きへ

1856年、ベッセマーが発明した空気吹き転炉は、最初の近代的製鋼プロセスと見なされています。1877年には、高リン溶銑の処理を可能にした改良ベッセマー法であるトーマス法が開発されました。トーマス法では、浴中の大半の炭素が除去された後の「後吹き」でリン（P）が酸化されます。オープンハース法（ジーメンス・マルチン法：SM法）もほぼ同時期に開発されました。オープンハース法は蓄熱式熱交換で燃焼用空気を予熱し、反射炉で固体スクラップと溶銑を溶解精錬するのに十分な熱を生成できました。1950年代、酸素転炉が地平線上に現れた頃には、製鋼は主にオープンハース技術に基づいていました。溶銑とスクラップを大型水平炉に装入し、バーナーでスクラップ溶解のエネルギーを供給。酸素ランスでバーナー効率向上と溶銑からのC、ケイ素（Si）除去を行っていました。オープンハース法は異熱プロセスであり、外部から炉にエネルギーを供給する必要がありました。典型的なタップツータップタイムは、200-250トンの溶鋼で8時間でした。

電気の発明に続く製鋼の次の大きな革新は、電気炉（EAF）プロセスでした。EAFは1900年頃、エルーがアルプス山脈のラ・プラで、当時まだ長距離送電が不可能だったため、新エネルギー源の近くで導入しました。EAF技術は、石炭の代替エネルギーを利用し、オープンハース以上に大量のスクラップ溶解を可能にしたものです。EAFはリサイクル経済の幕開けを告げました。

転炉製鋼（BOS）の概念と実用化

BOSの概念は1856年、ヘンリー・ベッセマーが溶銑の脱炭のために純酸素を吹き込む製鋼プロセスを特許出願（英国特許2207号）したことに遡ります。しかし当時、プロセスに必要な量の酸素を供給する方法がありませんでした。商業量の酸素は全く入手できないか、あまりに高価だったため、ベッセマーの発明は紙の上に留まり、未使用のままでした。

純酸素吹き製鋼が実用化されたのは1928年、リンデ社が大量の純酸素を供給する方法（リンデ・フレンキル法）を開発してからです。この成功により酸素も大幅に安価になり、BOSプロセス導入の2つの前提条件（大量供給の可否と安価な酸素の可否）が満たされました。

ヨーロッパと米国で酸素実験が繰り返し行われました。高純度酸素を扱った一人にオットー・レレップがいますが、「溶銑浴に垂直に酸素を吹き込む」彼のコンセプトは失敗に終わりました。フベルト・ハウトマンによると、1936-1939年、グーテホフヌングシュテッテでレレップの実験に参加した際、転炉底部のノズルから純酸素を吹き込んで溶銑を転換しようとしましたが、この方法で製造された鋼は惨憺たる品質でした。

第二次世界大戦中、ドイツのC.V.シュワルツ、ベルギーのジョン・マイルズ、スイスのデュラー、ドイツのハインリヒ・ヘルブリュッゲが各自の酸素吹き製鋼版を提案しましたが、量産レベルに持ち込んだのはデュラーとヘルブリュッゲのみでした。

カール・ヴァレリアン・シュワルツは1939年、超音速で浴中に酸素を吹き込む特許を出願。しかしこの方法も「まだ使用可能な鋼を生産できない」ものでした。後のLD法はシュワルツ特許と類似点がありますが、典型的特徴は異なります（例：「中央垂直吹き」）。第二次世界大戦勃発により、シュワルツ特許の技術が当初実用化されなかったことは確実です。1930年代末にはスイスのロベルト・デュラーも独自実験を開始していました。

ゲルラフィンゲンでの実験とLDプロセスの誕生

戦後、ハインリヒ・ヘルブリュッゲとロベルト・デュラー（ロール社製鉄所技術部長）は、スイスのゲルラフィンゲンにあるロール社製鉄所で更なる実験を行いました。最初のトップブロー酸素転炉の写真が図1に示されています。

デュラーが基本理論原則を定め、ゲルラフィンゲンとフェスト（VÖEST）の間で産業規模の技術協力の接触が成立した後、フェストに別容器で上から酸素を吹き込むよう助言しました。1949年6月3日、フェスト敷地内で2トン実験転炉を用いた一連の実験が開始。リンツのチームはいくつかの初期挫折を経験しましたが、1949年6月25日、酸素圧力を下げ、ランス先端を浴から遠ざけることで酸素ジェットの浸透を浅くした時点でブレイクスルーが達成されました。この突破口により、問題なく圧延可能な鋼が生産されました。フェスト実験部門がこの鋼を検証し、極めて肯定的な観察結果を得ました。これがLD転炉製鋼プロセス誕生の瞬間でした。実験は数百回の2トンヒート生産まで続き、その後、屋外に特設された15トン実験転炉に移行。最初のバッチは1949年10月2日に生産され、新鋼種は継続的な冶金試験などを受けました。

この革新の鍵は溶融浴の運動でした。それまで、酸素をより深く吹き込まなければ十分な浴運動が得られないと考えられていました。しかし、CO（一酸化炭素）の生成によって、この運動が極めて満足いく形で達成されました。「ソフトブローイング」の原理はFeO生成を促進し、これが酸化不純物を吸収してスラグを形成。優れた新鋼種の生産に貢献しました。

ゲルラフィンゲンのロール社製鉄所とフェストに加え、マンネスマン社（デュースブルク・フッキンゲン）とエーエーエムゲー（ÖAMG、ドナヴィッツ）も1949年5月、酸素吹きプロセスまたは少なくとも酸素冶金一般に関心を表明。リンツでの実験とプロセス実演後、1949年6月17日、明確な役割分担が合意されました。フェストはリンツの粗鋼をより大型精錬容器で継続、マンネスマンはトーマス鋼の酸素吹き実験、ロール社は電気炉での酸素利用調査、エーエーエムゲーは低shaft銑鉄炉での酸素試験を担当。全員が1949年6月17日のリンツでの議論で知り得た酸素精錬の詳細や結論について、自社外に発言や情報提供を行わないことが義務付けられました。

この合意に基づき、ドナヴィッツでの実験からシャフト炉での酸素利用は無価値であることが判明し、同社は異なるアプローチを模索。ドナヴィッツで開発された、酸素吹きによる高マンガンスラグ回収プロセスから、製鋼拡張・合理化計画では純酸素吹き精錬プロセスのみを検討すべきとの認識に至りました。広範な調査と、5トンまたは10トン実験設定での成功的開発（初期試験では直列配置したシリンダーから酸素供給）を経て、経営陣は2年で稼働可能な新製鉄所建設を決定。ドナヴィッツの技術者たちは当初、ドイツ語の「酸素転炉」の頭文字から自社プロセスを「SK」と命名。これによりフェストとエーエーエムゲーの活動がある程度区別されました。

1949年12月9日、フェスト専務取締役ハインリヒ・リヒター・ブロームが、リスクを伴う決断で最初のLD製鉄所建設を決断。ほどなく、硬質鋼種の製造法が明確になると、ドナヴィッツでもLDプラント建設が決定。最初のプロセス特許は1950年に出願されました。

LDプロセスの工業化と世界展開

1951年の年間研究・品質保証報告書には、「本レビュー年度、LD鋼種に広範な研究が注がれ、刊行物が発行された。この鋼種は品質面で大きな潜在力を持つと期待され、特に良好な冷間成形性と高品質表面を兼ね備えた鋼の生産を可能にする。これは薄板生産において特に重要で、これまで良好な冷間成形性は特定の表面欠陥を許容する場合（キルド鋼種）にのみ可能だった。また、高降伏強度鋼も酸素精錬プロセスで極めて有利に生産できる」と記載されています。

1951年までに、リンツで溶銑を純酸素で精錬し、バルク品質鋼を生産する革新的で操作上信頼性の高いプロセスが確立。新プロセスは1951年12月、オーストリア冶金学会主催「純酸素による鋼精錬」会議（レオベン）で初めて発表されました。会議でロベルト・デュラーは、リンツとドナヴィッツの2冶金プラントが、国内溶銑への高純度酸素吹き込み概念を実用的産業プロセスに発展させたことを述べ、この偉大な成功を祝福しました。この発表により、オーストリアは溶銑から純酸素吹き込みで工業規模で鋼を生産した最初の国となりました。酸素吹き込み前と吹き込み中のLD転炉断面図は図2に示されています。

1952年11月27日、リンツのLD製鉄所1号炉（図3）で最初の転炉が稼働し、酸素吹き込み原理による鋼生産のマイルストーンとなりました。1953年1月5日、世界初のLD製鉄所が公式開業。1953年6月17日までにリンツLD製鉄所1号炉はすでに10万トンのLD鋼を生産、1953年12月初旬には25万トンに達しました。第2のLD製鉄所は1953年5月22日、オーストリア・アルピーヌ・モンタンゲゼルシャフト（ÖAMG）ドナヴィッツで稼働。プロセスは完全な操作成熟度に達し、生産鋼の品質と経済性の両面で期待を上回りました。

このプロセスの非常に有利な冶金条件により、酸素フリーの粗鋼が得られ、脱酸が不要でした。低ガス、低窒素（N₂）、無リン（P）、無硫黄（S）、不要随伴元素フリーの鋼です。技術的特性、特に冷間成形性において、LD転炉鋼はオープンハース鋼を明確に上回りました。LDプロセスは優れた構造用鋼種の供給も可能。LD転炉鋼は極めて厳しい荷重を受ける溶接構造物で優れた結果を示しました。LD転炉鋼の広幅コイルは、ドイツ国内外の冷間圧延ミルに大量供給されました。

今日慣用される「LD」（リンツ・ドナヴィッツ）の略称は1958年に公式採用されました。フェスト（リンツ）とエーエーエムゲー（ドナヴィッツ）が工業規模の成熟度まで発展させたため、この名称が選ばれました。

1954年8月、カナダのドミニオン・ファウンドリーズ・アンド・スチール社がドイツ国外で最初のLD製鉄所を稼働（60トン転炉2基）。同年、米国マクラウス・スチール社がフェストプラントディレクターのルドルフ・リンシュの支援でLD製鉄所を稼働。1956年9月、フランスのポンペイ製鋼所が15トン転炉でドイツ国外3社目のLD操業開始。1957年に西ドイツ、日本、ブラジル、米国で5基、1958年にさらに5基、1959年にインド・ルールケラで2基、1960年に8基が稼働。1960年には、それまでに建設された総数より多くのLD製鉄所が、米国、日本、スペイン、ポルトガル、イタリア（既存プラント拡張）、西ドイツ、ブラジル、イングランド、スコットランド、ノルウェー、アルゼンチン、オーストラリア（1961年）、フランスで建設中でした。

継続的改良と現代の転炉製鋼

上流製造プロセス、特に精錬と鋳造プロセスにおける技術革新は、各種用途に求められる鋼の品質レベルを継続的に向上させるために不可欠でした。このため、最初のLD転炉がリンツで稼働して以来、BOSプロセスにも継続的なアップグレードが行われてきました。

オリジナルのLDプロセスは、垂直ランスの水冷ノズルから溶銑表面上部に酸素を吹き込むものでした。1960年代にはボトムブロー転炉と、溶融金属攪拌とリン除去のための不活性ガス吹き込みの開発が始まりました。1970年代初頭には、炭化水素ガスや重油で保護されたノズル（チュイエール）による底部酸素吹き込みの更なる開発が進みました。これら2タイプの転炉経験を経て、トップ・ボトム複合吹き転炉が開発。1970年代後半には転炉での混合吹きが導入されました。現在世界で使用されている転炉の大半は複合吹きタイプです。

トップブロー転炉では、金属浴の混合不足により、酸素吹き込み中に化学組成と温度の不均一性が生じます。ジェット空洞直下には比較的デッドゾーンが存在します。トップブロー転炉プロセス改善の必要性から、複合吹きプロセスが開発されました。最初に商業的に受け入れられた複合吹きプラクティスは、ARBE-IRSIDが開発したLBE（ランス・バブリング・イークイリブリウム）プロセスです。このプロセスは、すべての酸素をトップランスから供給する点でBOFプロセスに非常に近いです。複合吹きの側面は、転炉底部に設置された多孔質エレメントからアルゴンまたは窒素を吹き込むことで実現されます。LBEプロセスでは、吹き込みの大半で窒素ガスがほぼ専ら使用され（3-11 Nm³/分）、窒素吸収が問題となる後期にはアルゴンを攪拌用に使用。後吹き攪拌ではアルゴンがほぼ専ら使用され、流量は10-17 Nm³/分に増加します。

LD転炉プロセス初期には、トップガスがコンバーター開口部のオープンフードで完全燃焼し、スタックで間接水冷却または蒸発冷却されました。当時、粗鋼1トンあたり約300kgの蒸気と250Nm³のオフガスが発生していました。

環境面は、1950年代に転炉プロセスが工業的に実装された時点で深刻な課題でした。転炉オフガス中のダストの微細さが、プロセスサプライヤーに新しい除塵システム開発を強いました。転炉ダスト1グラムの可視表面積は300-500㎡。「茶色い煙」の視覚的影響を一般的に回避するには、ダストを100mg/Nm³未満まで除去する必要があります。湿式と乾式の両除塵システムが使用されました。環境問題が増えるにつれ、この課題は転炉プロセスにとってますます機会となりました。この機会が、抑制燃焼による転炉ガス回収システムの開発につながりました。今日、経済性と環境要求から、転炉ガスのエネルギーと鉄分含有ダストを回収・効率的にリサイクルすることが求められています。

1960年代初頭、転炉の高発熱量トップガスを回収し、プラント内でガス燃料として利用するプロセスが開発されました。これは抑制燃焼によって達成されました。転炉口上部に設置されるプロセス装置は、転炉ガスを抑制燃焼の助けを借りて冷却・清浄・回収する機能を持ちます。トップガスの抑制燃焼により、粗鋼1トンあたり70-100Nm³の転炉ガス（発熱量1,600-2,000kcal/Nm³）が回収されます。蒸発冷却システム採用時は、さらに粗鋼1トンあたり80kgの蒸気も生成されます。

転炉プロセス初期には、煙突からの茶色い煙が転炉稼働の証でした。今日、転炉ガス回収・清浄システムの結果、転炉の稼働はフレアスタックからのみ検知されます。

1977年以降、転炉容器設計、耐火物材料と施工プラクティス、酸素ランスと炉底ノズル設計に多くの改良が加えられ、製鋼効率の向上と原料・耐火物の単位消費量削減に大きく貢献し、炉寿命を数千ヒートまで延ばすのに役立っています。

今日、転炉サイズは大型化し、350トン級の大型転炉も利用可能です。2014年、世界総粗鋼生産量16億6,900万トンのうち、BOSプロセスによる粗鋼生産は12億2,900万トンで、世界総生産の73.7%を占めています。