金属の溶解方法

ステンレス鋼のコンバーター製錬は、底部からの空気噴射（ベッセマー法およびトーマス法）や、上部および下部からの酸素吹送によって行われます。空気中の酸素が不純物を酸化することで、鋳鉄が鋼に変わります。酸化時に放出される熱は溶融金属を1600℃まで加熱します。

1. ベッセマー法

ベッセマー法は、19世紀中頃にイギリスの技術者ベッセマーによって開発されました。この方法では、シリコンで豊富な鋳鉄をリンと硫黄の含有量を最小限にして精錬します。ベッセマーコンバーターの内張りは酸性で、ディナズレンガが使用されます。コンバーターには1250-1300℃に加熱された鉄（0.7-1.2% Si）が注がれ、空気で吹送されます。シリコン、炭素、マンガンが酸化され、酸化物から酸性スラグが形成されます。その後、吹送を終了します。金属を鍋に注ぎつつ、減酸化を行います。スラグが酸性のため、硫黄とリンは除去されません。

2. トーマス法

トーマス法は、19世紀末にS.トーマスによって提案され、リン含量の高い鋳鉄を処理するために使用されます。トーマス法のコンバーターの内張りは基本的な耐火性（タール-ドロマイト）です。コンバーターの外殻に空気ボックスが取り付けられ、ノズルを通して空気が吹送されます。コンバーターには主にスラグを形成する石灰が投入され、その後、1250℃に加熱された鉄（0.3-0.5% Si、1.6-2.0% P、<0.08% S）が注がれ、空気で吹送されます。シリコン、炭素、マンガンが酸化され、形成されたスラグに硫黄とリンが除去されます。吹送は、金属中のリン含量が30倍に低下するまで続けられます。

これらの方法には共通の欠点があります。それは、金属を吹送中に空気から溶融金属に窒素が入り込むことで、鋼が窒素で飽和されることです。そのため、トーマス法やベッセマー法で生成された鋼はより脆く、老化しやすいです。現在、これらの方法は上部および下部からの酸素噴射による酸素コンバーター製錬に取って代わられています。

3. 酸素コンバーター

酸素コンバーター製錬は、基本的な耐火材を使用し、水冷ノズルを通して酸素を噴射します。使用される投入材は以下の通りです：

• 液状の鋳鉄；
• スクラップ；
• スラグ形成剤（石灰、長石、鉄鉱石、ボーキサイト）。

製錬前にコンバーターにスクラップを投入し、1300-1400℃に加熱された鋳鉄を注ぎます。その後、水冷ノズルを挿入し、酸素を供給します。吹送が始まると共に、石灰、ボーキサイト、鉄鉱石が投入されます。酸素により金属とスラグが循環・混合され、マンガン、シリコン、炭素が酸化されます。激しい酸化が混合物を加熱します。リンはFeOおよびCaOと結合します。リンが0.15%を超える場合、その除去のためにスラグを流し、新たなスラグを形成する必要があります。硫黄のスラグへの除去は、製錬の全過程で行われます。酸素の供給は、金属中の炭素含量が規定された値に達した時点で終了します。その後、鍋に還元剤と合金添加物が加えられます。50-350トンのコンバーターでの製錬時間は1時間未満です。

4. 底部噴射によるコンバーター製錬

コンバーターに鉄スクラップを投入し、液状の鋳鉄を注ぎます。注入時、コンバーターはほぼ水平にされ、液体鋳鉄がノズルを覆わないようにします。その時、窒素または空気が吹送され、粉末状の石灰やフルオライトが追加されます。次に酸素を供給し、コンバーターを垂直の位置に移します。吹送によりシリコン、炭素、マンガンが酸化され、リンと硫黄がスラグに移行します。吹送は、金属中の炭素含量が規定された値に達した時点で終了します。溶融バスの攪拌と酸素の完全な利用により脱炭がより激しく進行します。

再溶融によるステンレスおよび耐熱鋼の製造：酸素製錬

今日、オーステナイト系ステンレス鋼および耐熱鋼の製造は、酸素吹送による再溶融法に基づいています。これにより、投入材中の合金元素が最適に溶解されます。ただし、アーク炉での酸化なしの精錬は、電極による金属の炭化を引き起こすため、初期の炭素含量を最小限にする必要があります。これは高合金の廃棄物の使用を制限し、入力材に低炭素およびリンと硫黄から浄化された柔らかい鉄を含めることを強制するため、最終製品のコストを上げます。

酸素製錬では、高クロム含有の廃棄物の使用が除外されます。クロムと炭素の酸素親和性が類似しており、炭素を酸化するのが困難なためです。ただし、酸素に対する炭素とクロムの親和性は温度の変化によって異なります。温度が上昇するとクロムの酸素親和性は減少し、炭素の酸素親和性は増加します。したがって、温度が高いほど、炉ガスと共に炭素がより活発に酸化されて除去されますが、クロムの含量は変化しません。

酸素の役割

気体状の酸素の使用は、金属の温度を効果的に上昇させ、炭素を酸化させることができます。実際について知られていることは、通常の鋼の溶解温度では、金属に3%未満のクロムが含まれている場合にのみ0.1%の炭素含量を達成できるということです。しかし、1800°Cの温度では、クロム含有量が15%の場合に目標の炭素濃度に達します。高温での気体酸素による炭素の酸化は、鋼の化学組成における炭素の最適な濃度を達成し、無制限の高クロム廃棄物を充填に使用することができます。充填での炭素の高含有量は低炭素金属の製造を妨げません。そして、充填でのクロムの含有量は、完成鋼での炭素の割合と最終ブローでの溶解温度を決定するのみです。

充填の充実。クロム、ニッケル、モリブデン

13-14%のCrを得るために、充填には70%までの鋼廃棄物が含まれることがあります。ブロー中にクロムの酸化を防ぎ、浴温をより速く上げるために、充填には0.7-0.9%のSiが含まれていることが重要です。不足するシリコンはフェロシリコン、シリコクロム、またはシリコン系鋼の廃棄物として導入されます。不足するモリブデンはフェロモリブデンとして充填に含まれます。そして必要なニッケルはニッケル合金、金属ニッケル、またはニッケルの一酸化物として充填に導入されます。

シリコンとリン

変圧器鋼には3-4%のSiが含まれていますので、充填に変圧器鋼の廃棄物を20-25%導入することが望ましいです。これにより、充填に必要なシリコン量が加わり、より高価なシリコン合金の使用を避けることができます。さらに、変圧器鋼はリンを非常に少なく含んでいるため、リンの最適な組成が保証されます。変圧器鋼の廃棄物がない場合、充填にリンを希釈するために低リン炭素鋼の廃棄物を導入する必要があります。

炭素

沸騰中に金属を良好に脱ガスするためには、充填が0.3%以上の炭素を供給する必要があります。必要に応じて、電極の破片やコークスを使って炭化を行います。さらに、床には石灰（0.5-1.0%）を加え、時にはクロムの損失を減らすために0.5%のクロム鉱石を加えます。

吹付け

充填の3/4が溶解した後に酸素で浴を吹き付け始めます。これにより溶解を速め、電力消費を減らします。早期の吹付けはクロムの損失が多くなります。吹付けは浴温を速めに加熱するためにオンにされた炉で行われます。シリコンとクロムの酸化による発熱反応のおかげで、浴温は急速に上昇します。特定の温度に達すると、炭素の酸化が始まり、炉から吹き上がる炎が現れます。その後、炉をオフにし、化学分析用のサンプルを取り、望ましい炭素含量を得るまで浴の吹付けを続けます。

温度

吹付け中、浴温は1800 °Cを超えることがあります。このような高温は炉の耐用性を損ないます。そのため、吹付けが終了した後、フェロマンガンで浴を急速に脱酸し、熱せられたフェロクロムの所要量を追加します。金属をより速く冷却するために、鋼の製造マークの純粋な廃棄物を最大5%まで加えることもあります。

スラグ

吹付けの終わりには、スラグは通常クロムとマンガンの酸化物を最大30%、シリコン、鉄、カルシウムの酸化物を最大20%、マンガンとアルミニウムの酸化物を最大10%含んでいます。クロムの難融性酸化物の高い含有量がスラグを不均一にしています。スラグからクロムを回収するためには、シリコクロムまたはフェロシリコンの粉末で処理を行います。シリコクロムでの脱酸は、鋼がクロムで合金化されるため、より好ましいです。脱酸の際にスラグに石灰を追加しない場合、炉では酸性スラグ（pH0.6-0.8）が形成されます。スラグ中のシリコン酸化物の蓄積は、クロムのシリコンによる回収を遅らせます。

酸素

クロムの酸化物の酸素を結合するために石灰を添加します。カルシウムはクロムのシリコンによる回収を容易にします。しかし、石灰の添加はスラグの量を増やし、スラグ中のクロム酸化物の含量が低くてもスラグによるクロムの損失が大きくなる可能性があります。そのため、スラグのpHが1.5-1.6を超えないようにすることは賢明です。

試験結果

金属の溶解および処理後、製品の品質と国内および国際標準の要件への適合性を確認するために様々な機械的試験が行われます。例えば、引張試験の結果は、金属の弾性限界を判断するのに役立ちます。このパラメータは機械的特性に関連し、様々な複雑さの構造の建設時の計算において非常に重要な要素です。金属の引張強度限界がどれほど高いかによって、その用途の範囲が決まります。

硬度

取得された鋼のもう一つの検査方法として、インデント「インデンターレ」法による金属の硬度試験があります。試験で得られた結果は鋼の物理的特性に関連し、通常はロックウェルまたはブリネルスケールを使用します。

圧延情報

また、金属の化学試験は、存在する元素の量と質の観点から合金の構成を決定することを目的としています。また、金属の耐久性を確立するために異なる荷重を適用するサイクル試験もあります。加えて、金属の圧延についての全般的な知識として、製造された金属の特性試験の方法に加えて、次のような試験が行われます：

• 衝撃粘性
• 深絞り
• 圧縮
• クリープ
• 破断

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