電気アーク炉におけるスラグ発泡の最適化：効率向上のために

スラグ発泡は、優れた発泡スラグがプロセスに相当な効率とその他のメリットをもたらすため、現代の電気アーク炉（EAF）において重要かつ不可欠な実践となっています。スラグ発泡の品質は、液体浴からの熱がEAF壁を通じて失われないことを保証するため、EAF製鋼プロセスにおいて重要な要因です。スラグ泡は、形成される大きな表面積と、溶融金属と大気の直接接触からの保護という観点で、EAF製鋼プロセスに有益です。

スラグ発泡は、有用かつ経済的な技術です。エネルギー節約が可能なだけでなく、いくつかの利点を提供するため広く使用されています。(i) アーク熱がスラグによって捕捉されるためエネルギー効率向上、(ii) 水冷パネルと屋根を放射から保護、(iii) 振動と騒音公害の低減、(iv) 浴による窒素取り込みの低減。

発泡スラグ形成は3段階に分けられます。(i) ステップ1：液体鋼相への酸素注入、(ii) ステップ2：スラグへの炭素注入、(iii) ステップ3：スラグへの酸素注入。最初に、酸素を溶融金属に注入します（ステップ1）。この酸素は既存の炭素と反応し、CO（一酸化炭素）気泡を形成します。酸素はまた、浴中の鉄とも反応します。鉄が酸化鉄として失われるにつれ、炭素をスラグに注入します（ステップ2）、酸化鉄還元反応を行わせます。このステップでCOガスが発生し、鉄が浴に戻るため炉性能が向上します。ステップ3では、スラグ中の炭素酸化のために酸素をスラグに注入します。このステップでは、炭素と酸素を同時に注入することもでき、より良いCO生成と発泡が可能になります。

通常、泡の下に密なスラグ層が存在します。しかし、存在するすべてのスラグが発泡に必要で、密な層が存在しないこともあります。その場合、存在するスラグ量が、スラグとガスが形成しうるすべての泡を生成するには不十分です。

スラグ発泡プロセスにより、エネルギーと耐火物消費をそれぞれ3〜10%、25〜63%節約できることも報告されています。発泡には基本的に2つの要件があります。(i) 小さなガス気泡を生成する反応やプロセス、(ii) 気泡を安定した泡として保持する適切なスラグ特性。通常、化学反応由来のガスはより小さな気泡でスラグを発泡させますが、ガス相（酸素、アルゴンなど）の注入はより大きな気泡と、安定性の低い泡を生じます。

EAFプロセスで使用されるスラグに一定の発泡性があることは、いくつかの理由で望まれます。プロセス中、発泡スラグはグラファイト電極を摩耗から保護し、アークを覆います。これにより、電極と溶融金属間の熱伝達が増加するため、炉生産性が向上します。また、スラグが光線を遮断するため放射損失が減少し、これが耐火物摩耗を減らし、メンテナンスダウンタイムを削減します。発泡スラグはアーク安定化にも寄与し、より高い効率を確保します。さらに、泡はEAFからの騒音低減に役立ち、より良い作業環境を提供します。発泡スラグのもう一つの利点は、電力と電圧変動の低減です。

EAFでの良好な発泡スラグとその適切な制御の結果には、(i) 電極がスラグに浸漬することによる高調波減少で、同一トランス設定で電力を6〜9%増加、(ii) 電極先端がスラグ中300〜600mm深くなると、電極先端周辺のより高温アークプラズマにより電力が15%増加、(iii) 良好な発泡スラグにより酸素燃料バーナー（使用時）をスラグに吹き込め、バーナー熱効率を40%から70%に向上、が含まれます。しかし、発泡スラグから最大のメリットを得るには、ヒート早期にスラグを形成し、スラグフラッシングを制限し、初回チャージバケット底部に石灰やミルケールを入れることでスラグ化学を厳密に制御する必要があります。良好な発泡スラグの熱的メリットは、熱伝達経路が側壁から浴へシフトすることに起因します。ある研究によれば、発泡スラグ品質の変動が電気エネルギー需要の±0kWh/tを説明できるとされています。

スラグ発泡の意味を知ることは有用です。ガス生成は発泡スラグ実践の成功に不可欠です。ガスは主に、酸化鉄（FeO）が炭素によって還元されCOガスを形成することで生成されます。ガスにより、密なスラグ層の上に泡気泡が形成されます。泡は、ビールの泡のような比較的小さな気泡、または水上の石鹸泡のような大きな気泡になります。小さな気泡は化学反応由来で、結果として得られる泡はかなり安定しています。一方、ガス注入はより大きな気泡と、安定性の低い泡を生成します。真の発泡は、液体中の気泡単純保持（ガスホールドアップ）と混同すべきではありません。ガスホールドアップでは、ガス気泡が液体全体に分布し、スラグ膨張は液体中のガス気泡によるものです。ガスホールドアップでは、ガス停止後に膨張が急速に減衰します。真の泡はかなり安定し、ガス生成停止後も数分間安定したままであることがあります。

ガス気泡生成反応は、添加炭素と金属溶解炭素によるスラグ中FeO還元です。スラグ発泡プロセスでは、炭素をスラグに注入し、スラグ中の酸化鉄と反応させてCOガスを生成し、スラグを発泡させます。反応式は C（注入） + (FeO) = Fe + CO です。COガスはまた、金属脱炭によっても生成され、反応式は C（金属中） + ½O₂ = CO です。FeOは酸素吹錬の主要酸化生成物としてその場で生成されるため、スラグの主要成分（20%以上）となります。スラグの濃度が発泡維持に適していれば、スラグへの単純な炭素注入でスラグが発泡します。比較的高い還元速度により、FeOは泡内で大量のガスを生成する潜在能力を持ちます。FeOの炭素による還元速度はかなり速いです。さらに、還元反応は熱を消費するため、スラグ粘度の局所的上昇をもたらします。

発泡に影響するプロセス変数には、スラグ組成、表面ガス速度、浴温度、気泡サイズ、スラグ塩基度、スラグ密度、スラグ粘度、スラグ表面張力があります。表面ガス速度は通常、メートル毎秒（m/s）で測定され、真のガス速度にガス体積分率を乗じたものです。

発泡指数（FI）はスラグ発泡の重要なパラメータです。これはガスがスラグを通過する時間と見なせます。発泡の程度を示す指標であり、泡高さと表面ガス速度の比です。したがって、FIの単位は時間で、通常は秒です。FIは、プロセスガスが泡を垂直に通過するのにかかる時間の尺度と解釈できます。FIは粘度などのスラグ特性に関連します。粘度が高いほどFIは高くなります。明らかな結果として、粘度上昇は自動的に泡高さ増大をもたらします。

FIは気泡サイズ増大とともに減少します。一般に、上記第一反応で小さな気泡が形成され、比較的安定した泡が得られます。EAF製鋼では、プロセス末期に向かうにつれ泡が不安定になり、泡高さが減少することが分かっています。これは、最初FeO含有量増加に伴い第一反応速度とCO生成が増加し発泡が増大しますが、FeO含有量がさらに増加するとスラグ粘度が低下し密度が増加し、泡気泡の排水が速くなり、泡が減少・崩壊するためです。したがって、FeO含有量が臨界値以下では発泡がFeO含有量とともに増大し、以上では泡が不安定になります。これは他の条件にもよりますが、約20〜40% FeOで発生します。

スラグ発泡の導入当初は、電極から作られたグラファイト粉末（80%、-200メッシュ）を、空気をキャリアガスとして適切な注入装置で金属-スラグ界面に注入することで支援されていました。過去の計算と試行錯誤により、グラファイト質量流量25kg/分で安定した泡を生成するのに十分であることが判明しました。この値より高い値をヒート初期に用いると、大量スラグ溢れを招き作業床操業に影響し、長アーク（高電圧・低電流）による不安定な電気アークで操業を妨げます。

EAF製鋼プロセスでは、長アーク操業が発泡スラグ実践と併せて行われます。炭素注入でスラグを発泡させ、スラグ層高さをアークが完全に覆われるまで上昇させ、アーク放射とフレアを遮断し、熱を浴に伝達し、側壁への熱負荷を低減します。しかし、良好な発泡スラグが維持できない場合は、二次電圧を下げてアーク長を短くし、炉構造損傷リスクを回避することが望ましいです。

スラグ発泡現象は、スラグ特性とスラグ内反応によるガス発生速度に依存します。したがって、スラグに泡を得るにはガス流が必要です。ガス流は、炭素(C)と気体酸素(O₂)をそれぞれスラグと金属浴に添加することで生成されます。発泡高さの制御は、安定操業を維持するために必要です。

スラグの物理的特性（組成と温度の影響を受ける）に応じて、発泡はさまざまな程度で起こります。EAFプロセスでは、コークスや石炭の形で炭素をスラグ層に添加するのが一般的です。炭素消費はブードゥアール反応を通じて起こり、したがってCO生成速度は、反応が定常状態に達すれば、EAFスラグへの炭素添加速度に比例します。

スラグ発泡は炉内ガス流によって大きく影響されますが、スラグ特性（粘度、密度、表面張力で制御される）によっても影響されます。これらの物理的特性は、システム温度とスラグ組成に依存します。

EAFプロセスでは、スラグ組成は鋼グレードと使用される精錬方法に依存します。スラグ組成を選択する際には、いくつかの点を考慮する必要があります。スラグはさまざまな酸化物で構成され、3カテゴリーに分けられます。(i) 塩基性酸化物（CaO、MgO、FeOなど）、(ii) 酸性酸化物（SiO₂など）、(iii) 両性酸化物（Al₂O₃など）。塩基性スラグでは、FeO含有量は一般に15〜25%の範囲で最適とされます。スラグに泡を形成するには、気泡上昇を妨げるほど十分に粘度が高い必要があります。適切な粘度を得るには、スラグの適切な塩基度が重要です。塩基度は一般に、スラグ中の塩基性成分と酸性成分の比で表されます。塩基性成分は溶融物にO²⁻イオンを供給し、酸性成分はそれらを結合します。組成変更によりCaO/SiO₂比が変化し、スラグ塩基度を低下または上昇させることで粘度を変更できます。

FeO含有量変更でも粘度変更が可能です。FeO量を増やすと粘度は低下します。石灰添加などでスラグ中固体粒子量を増やすことでもスラグ粘度を変更できます。塩基度増加とともにスラグ粘度は低下しますが、臨界値を超えて固相が析出すると再び上昇します。したがって、固体粒子の存在は見かけ粘度増大に寄与します。固体粒子はまた、気泡の核生成サイトとしても機能します。しかし、過剰な固体粒子は気泡のスラグ上昇を妨げます。

液体系において、表面または界面張力の勾配は運動を誘導します。これはマランゴニ効果と呼ばれます。スラグと液体金属の界面には一般に大きな界面張力勾配があります。FeO濃度は、CO生成反応が起こるスラグ-金属界面では、スラグ他部より低いと考えられます。これにより、FeO含有量減少で表面張力が低下し、マランゴニ効果が生じるため、気泡形成が促進されます。したがって、泡形成時に新しい表面が生成される能力は、表面張力が低いときに促進されます。

表面張力は泡崩壊、すなわち気泡安定性にも影響します。さまざまな研究で、表面活性成分添加により安定性が改善されることが示されています。製鋼プロセスでも、表面活性成分の存在が発泡を促進することが観察されています。しかし、CO気泡を界面から除去するのを助けるマランゴニ流は、表面活性元素なしでも生成可能です。スラグ密度は泡高さに影響します。低密度とは支える重量が少ないことを意味し、高密度スラグと比較してより高い泡高さを許容します。負荷に耐えるためには、表面に弾性特性が必要です。これは表面活性元素添加による可変表面張力で達成できます。

製鋼操業でのスラグ発泡は、還元反応によるCO気泡生成から生じます。(i) CO₂ + C(s) = 2CO（ブードゥアール反応）、(ii) CO + Fe₂O₃ = CO₂ + 2FeO、(iii) CO + FeO = CO₂ + Fe、(iv) C(s) + FeO = CO + Fe。ブードゥアール反応と固体炭素によるFeO還元は高吸熱反応、Fe₂O₃のCO還元は熱中性、FeOのCO還元はわずかに発熱です。鉄酸化物が炭素燃焼に必要な酸素成分の供給源であり、気体酸素ではないことに注意が必要です。したがって、スラグ発泡には鋼浴のある程度の酸化が必要です。

スラグ発泡の駆動力は、EAFでの溶解-精錬プロセス中のCO生成によって提供される空気圧エネルギーです。スラグ発泡プロセスでは、炭素をスラグに注入し、スラグ中の酸化鉄（FeO）と反応させて一酸化炭素（CO）を生成し、スラグを発泡させます。反応式：C（注入） + (FeO) = Fe + CO。COはまた、金属脱炭によっても生成されます：C（金属中） + ½O₂ = CO。これらの反応がCO生成を担っています。第二反応は気体酸素と浴中炭素の直接反応を表し、第一反応はスラグ中炭素による直接酸化鉄還元反応です。これらすべての反応はCO生成反応であり、金属-スラグ-炭素-ガス相間の物質移動のための撹拌エネルギーを与え、スラグ発泡の必要条件と見なせます。一部の反応はCOを消費します。(i) CO + Fe₂O₃ = CO₂ + 2FeO、(ii) CO + FeO = CO₂ + Fe、これらはブードゥアール反応 CO₂ + C(s) = 2CO で制御可能です。

これらの反応サイトは、(i) スラグ-金属界面、(ii) ガス-金属界面、(iii) 炭素-スラグ界面、(iv) スラグ-ガスおよび炭素-ガス界面に位置します。図1にEAFでのスラグ発泡化学反応の概略図を示します。図から、CO生成が、炭素質材料のサイズ・種類・質量流量、キャリアガス流量、浴中炭素含有量、スラグ化学、スラグ-金属界面積など、複数プロセス変数の非常に複雑な関数であることがわかります。

図1 EAFにおけるスラグ発泡化学反応の概略図

一方で、スラグ発泡のもう一つの条件も満たす必要があります。これは、精錬温度での製鋼スラグ輸送特性（泡安定性に影響）に直接関連します。スラグFIがこれらの特性を決定します。FIは時間単位（秒）で測定され、スラグ化学の関数です。スラグFI安定性曲線を図2に示します。曲線からの推論は以下の通りです。

• 酸性スラグが最高の発泡指数形成能力を持ち、均質発泡と呼べます。
• 低酸化鉄含有（10%未満）スラグは、高酸化スラグ（任意の塩基度で40%以上FeO）より安定した泡を形成し、後者は非発泡スラグと呼べます。
• 低酸化鉄含有ではスラグ塩基度が発泡安定性に強く影響。高塩基度では、与えられた酸化鉄含有量でFIが低下。高酸化鉄含有では塩基度は役割を果たさない。
• 中程度酸化鉄含有と、石灰飽和帯付近の高塩基度スラグも中程度FIを持ち、石灰固体粒子存在が発泡安定化を助けます。この帯を不均質発泡と呼べます。

図2 製鋼スラグの発泡性

図2はスラグ組成と発泡も示しています。液体スラグ中に浮遊する固体粒子は粘度に影響します。通常、液体スラグ中に20%体積分率の固体粒子があるだけで、スラグ粘度が2倍になり、不均質発泡帯がかなり拡大し、非発泡帯を部分的に包含します（図2の点線）。

炭素注入時のスラグ発泡をより完全に把握するため、複雑スラグ中の酸化鉄活性が複数研究の対象となっています。これらの研究から以下が示されています。

• 低酸化鉄活性（10%未満）の均質発泡帯は、低酸化鉄活性のためだけでなく、主にスラグ中シリカの表面活性により、炭素による酸化鉄還元に強い抵抗を示します。この帯での還元は物質移動と化学反応機構の混合制御です。
• 高酸化スラグは酸化鉄活性が十分高いため炭素で容易に還元されますが、安定した泡を形成しません。
• 通常の製鋼スラグ組成は中間的挙動を示します。ただし、最終スラグは高酸化傾向があります。

発泡スラグ維持に不可欠なのは、その状態監視です。スラグ発泡導入当初は、炉オペレーターが目と耳、経験を用いて手動で監視し、スラグ状態が適切か、必要な修正手順を判断していました。1980年代半ばから、電子監視とコンピュータ制御が導入され、アーク歪み、アーク騒音、光放出など、いくつかの可能な信号が研究されました。現在、AC炉操業での泡状態監視に最も広く利用されている信号はアーク歪みのようです。必要なセンサーとプログラムが高度な電極レギュレーターと統合されていることが多いためです。多くのEAFでは、アークによる電気供給高調波を発泡スラグモニターとして利用しています。より良い発泡スラグはより安定したアークと少ない高調波をもたらすためです。音と光放出による監視も泡監視手法として試みられています。

しかし、EAFでの発泡は、特にヒート精錬段階で製鋼プロセスに不可欠なものとなっています。現在の長アークプロセスは、電極とアーク周辺のスクラップへのエネルギー伝達を最大化します。したがって、スクラップがアーク放射の大部分を遮断し、側壁への到達はわずかです。

しかし、スクラップが溶解すると、すべてのアーク放射が側壁に到達し得ます。露出したアークをできるだけ覆うことで、発泡スラグはこのエネルギーを遮断し、壁に到達させず、鋼浴に伝達します。発泡スラグはスクラップ溶解に合わせて徐々に形成され、炉側壁と屋根がアークからの放射熱に徐々に露出するにつれ、ヒート精錬段階で最大高さに達します。注入炭素とCOはまた、スラグ中の酸化鉄を金属鉄に還元するのにも役立ちます。