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鉄鋼脱硫用炭化カルシウム：粒子サイズ 2 ～ 10 mm で脱硫効率を向上する方法
2026-01-13
取鍋冶金工程で溶鋼の表面にスラグが形成される様子は、進歩を物語る美しい光景です。これは合成精錬層が形成され、鋼の洗浄が既に始まっていることを意味します。しかし、不純物を吸収し、鋼と酸素の接触を防ぐこの厚い層は、物理的な障壁としても機能し、脱硫剤（カルシウムカーバイド）が下の溶鋼に到達するのを妨げます。そこでカルシウムカーバイドの粒径が重要になります。
鋼から硫黄を除去することは、二次精錬工程において非常に重要なステップです。これにより、成形された鋼の機械加工性と不純物の最小化が確保されます。CaC 2の添加は1970年代に遡る、比較的成熟した技術です。しかしながら、硫黄の制御には依然として小さな粒子径の使用が主流です。
この記事では、カルシウムカーバイドの粒径（2～10mm）が脱硫プロセスにどのような影響を与えるかを考察します。また、その有効性、安全性、そしてコスト関連の側面についても分析します。この記事を最後まで読めば、読者は鉄鋼の脱硫プロセスに最適な粒径について明確な理解が得られるでしょう。まずは、鉄鋼から硫黄が除去される理由という基本的な部分から見ていきましょう。
鋼中の硫黄に関する背景
鋼鉄中の硫黄の供給源は、通常、鉄鉱石、スクラップ鋼、フェロアロイなどの原材料です。溶融金属には、前述の供給源に由来する硫黄が含まれています。鋼鉄の機械的特性を維持するためには、硫黄を除去する必要があります。通常、高炉からの溶鋼には、100-800硫黄の ppm であり、プロセス要件に応じて 35 ～ 10 ppm に低減する必要があります。
脱硫の必要性
硫黄含有量の低い高品質の鋼は「清浄鋼」とも呼ばれます。電気炉（EAF）および転炉（BOF）から生産された鋼は、純度を向上させるために二次冶金処理を受ける必要があります。鋼に脱硫処理が必要な主な理由は次のとおりです。
●熱間脆性：鋼中に含まれる鉄は硫黄と反応してFeSを生成します。硫化鉄は融点が988℃と低いため、特に熱間圧延や鍛造時に鋼の被削性に影響を与えます。FeSが溶融すると鋼は脆くなり、割れやすくなります。
●溶接性の悪さ：溶接中、高熱によって金属が溶融します。良好な部分は凝固し、内部に引張応力が生じます。FeSは一定期間液体のままですが、この応力は耐え難いものとなり、凝固割れや熱間亀裂を引き起こします。
●耐食性:硫黄により鋼の耐食性が低下するため、表面に小さく深い穴が形成されることがあります。
●SO 2排出：硫黄を除去することで、二酸化硫黄の排出量を許容範囲内に抑えることができます。これは、通常20mg/ m3という厳しい大気規制を遵守するための鍵となります。
●副産物のリサイクル： CaC 2を添加すると、リサイクル可能な炭化スラグが生成され、持続可能性が確保されます（Qi et al., 2022）
カルシウムカーバイド脱硫の科学
炭化カルシウム（CaC 2 ）の粒子サイズが脱硫に与える影響について詳しく説明する前に、まず脱硫プロセスの仕組みを理解しておきましょう。炭化カルシウムのサイズが脱硫メカニズムに及ぼす影響と、それがどのように作用するかについては、後のセクションで説明します。
反応機構
溶融鋼の上部にスラグが形成される中心反応は次のとおりです。
CaC 2 + S → CaS + 2C
炭化カルシウムは硫黄と反応して硫化カルシウムを形成し、鋼中に炭素を放出します。CaSは不溶性であるため、溶鋼の表面に浮上し、適切な時間後に容易に除去できます。
プロセスパラメータの影響
試薬の品質
● 試薬の純度：純度はシンプルです。純粋なCaC 2を使用すると、より強い反応が起こります。純度63～68%超の炭化カルシウムと、低濃度のSi（<2%）およびP（<0.02%）により、反応が最大限に促進され、汚染も最小限に抑えられます。
● 試薬流量: 高い除去率を達成するには、試薬の添加を制御する必要があります。200～300g/分が理想的です。
化学的要因
● 脱酸状態：CaC 2 が酸素によって消費されるのを防ぐために、溶鋼を低酸素状態に保つ必要があります。
● 潜伏時間：炭化カルシウムはすぐには反応しません。反応速度論が働き始めるまでに、20～40秒の初期潜伏期間が必要です。
● 律速段階：CaC 2への硫黄の拡散がプロセスにおける律速段階です。
● 温度：影響はわずかで、100℃を超えると3%しか減少しません。そのため、混合など、他の部分に重点を置くことが重要です。
機械的な側面
● 浸透比（β）：反応の効率は浸透比に依存します。浸透比は、試薬流量（注入用）に対するガス流量（撹拌用）です。
● プロセスバリアント: 溶銑前処理と取鍋炉精錬の選択によって出力が決まります。
● 混合/撹拌: デュアルランスシステムなどの試薬注入システムの構成と不活性ガス撹拌のレベルによって、硫黄と炭化カルシウムの接触が決まります。
粒子径2 ～ 10mmの脱硫への影響
脱硫プロセスとその効率に及ぼす様々なパラメータの影響について理解した後、最も重要な部分、すなわち炭化カルシウムの粒子径が脱硫効率に及ぼす影響について考察します。高生産性プロセスにおいて、最適な粒子径は2～10mmです。
反応速度論と持続的な反応性
反応表面積の増加が全体的な反応速度論にどのような影響を与えるかを分析します。カルシウムカーバイドは、プロセス全体を通して溶融金属中で安定して存在する必要があります。2～10mmの範囲が効率にとって非常に重要です。
●持続反応速度
カルシウムカーバイドを粉末状にして溶鋼に添加すると、最も速い反応速度が得られますが、その効果はすぐに消えてしまいます。2～10mmの大きさであれば、持続的で効果的な物質移動径が得られ、精錬時間全体を通して確実な反応が保証されます。(Coudure & Irons, 1994)
●化学的な減速を避ける
2～10mmの粒子は適度な表面積を持つため、数秒以内に超微粒子を「窒息させる」硫化カルシウム（CaS）の製品シェルの急速な形成が抑制されます（Chiang et al., 1990）。このゆっくりとしたシェル成長により、炭化物コアは予測可能な拡散速度に従って効果的に反応を継続します。
利用と物理的制御
2 ～ 10 mm の炭化カルシウム粒子は物理的に堅牢であるため、粉塵とは異なり、優れた材料利用率が得られます。
高い利用率
2～10mmの粒子では試薬利用率が55～75%であるのに対し、1mm未満の粒子ではわずか40～55%にとどまります。これは、キャリアガスによってすぐに吹き飛ばされる粒子が少ないためです（Coudure & Irons, 1994）。
優れた貫通率（ β ）
典型的な射出速度では、浸透率βは25～35%に達し、これは微粉末の場合よりも大幅に高くなります。これらの粒子は質量が大きいため、ガス泡に巻き込まれにくく、溶融金属の深部まで確実に浸透します。
十分な滞在時間
注入プルーム内の滞留時間は短い（0.8～3秒）ものの、数十億個の粒子が注入され、180～240秒で75～90％の脱硫に十分な累積曝露が得られます（Guo et al.、2023）。
予測可能な結果
厳密なサイズ制御 (仕様内で 90% 以上) により、K 値と β 値の連続的な変化が再現可能となり、反応の制御が容易になり、結果の予測可能性が高まります。
2 ～ 10mmの粒子サイズを使用する利点
最適化された反応 急速な CaS シェルの形成を防ぎながら表面積のバランスをとって効果的な速度論を実現し、反応をより長く持続させます。 | より良い浸透 空気輸送における高い浸透率 (β = 25〜35%) により深い接触が保証され、試薬の添加ごとに脱硫効果が大幅に向上します。 |
強化されたミキシング 顆粒はガスの泡立ちによる効率的な撹拌と循環を可能にし、不活性の「デッドゾーン」を減らし、硫黄の拡散を最大化します。 | より高い安全性 反応性が高く、粉塵の多い微粉末に比べ、湿気にさらされることによるアセチレンガス爆発のリスクが大幅に低減します。 |
プロセス効率 厳密なサイズ制御により、再現性のある速度定数 K と浸透が得られ、予測性の高い結果とプロセス効率が保証されます。 | 取り扱いやすさ 顆粒は研磨性が低いため、安定した高流量を実現し、注入ランスなどの機器を摩耗から保護します。 |
試薬コストの削減 利用率の向上と損失の削減により、ミクロンサイズの粉末法と比較して試薬消費量が約 25% 削減されます。 | |
ケーススタディ：TYWHの例
2～10mmの粒度は商業的に成功を収めており、TYWHのような大手メーカーが生産と世界への輸出を専門としています。TYWHは年間12万トンの生産能力を誇り、2～4mmおよび4～7mmの特殊グレードを世界中に輸出しています。これらの製品は粒度安定性に優れ（90%以上が合格）、品質と安全性を維持するためにN2ドラムにしっかりと包装されています。
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結論
一言で言えば、炭化カルシウムの粒子径を最適化することで、高い利用率、より良好な浸透性、そしてより長時間にわたる最適化された反応の持続が実現できると結論付けることができます。これにより、試薬コストの削減と、爆発リスクの低減、そして予測可能な結果の確保による安全性の向上につながります。
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本社: 中国天津市浜海新区古林街万祥路58号438室
工場：中国内モンゴル自治区烏海市海南区海南工業団地老石段プロジェクトエリア