カルシウム・シリコンの二重作用: 脱酸と脱硫 - 溶鋼中でどちらが最初に起こりますか? - 知識

カルシウムシリコン合金はシリコン (Si) とカルシウム (Ca) で構成される複合合金で、通常は Ca 28% ～ 35%、Si 55% ～ 65% を含み、残りは鉄と少量の不純物です。

この 2 つの要素の組み合わせは決して偶然ではなく、冶金学者によって慎重に設計された「黄金の組み合わせ」です。

要素	単独で使用する場合のデメリット	組み合わせの利点
カルシウム(Ca)	沸点が低く (1482 度)、溶鋼温度で激しく蒸発し、収率が非常に低く、制御が困難です。	ケイ素は「担体元素」として働き、カルシウムの蒸気圧を下げ、溶鋼中にカルシウムを安定して溶解させます。
シリコン（Si）	中程度の脱酸素能力。単独で使用した場合、深い脱酸素を達成することはできません。	カルシウムと相乗的に作用し、最初の脱酸素中にカルシウムにとって好ましい条件を作り出し、脱酸素効率を 30% ～ 40% 高めます。

重要なポイント:シリコンの存在により、カルシウムは瞬時に蒸発して流出するのではなく、溶鋼中に「静かに」溶解します。これは、CaSi 合金が二重の役割を果たすための技術的基盤です。

Calcium silicon alloys

なぜ脱酸素と脱硫の順序を考慮するのでしょうか?

取鍋精錬プロセスでは、シリコンカルシウム合金 (SiCa) が「万能精錬剤」として歓迎されています。脱酸、脱硫、介在物改質を同時に行うことができるため、高純度鋼の製造に欠かせない副原料となっています。-深精錬には鋼鉄 1 トンあたりわずか 0.2%-0.5% の添加で十分であり、中-から-高級鋼の製造における中心的な副原料となります。

しかし、根本的な疑問が常に現場のエンジニアやプロセス設計者を悩ませてきました。それは、カルシウムシリコン合金を溶鋼に添加すると、脱酸と脱硫が同時に起こるのか、それとも順番に起こるのかということです。後者の場合、どちらが先に起こりますか?

この質問に対する答えによって、次のことが直接決まります。

追加のタイミング：精製の初期段階で添加すべきでしょうか、それとも後期段階で添加すべきですか?

添加方法：一度にすべて追加する必要がありますか、それともバッチで追加する必要がありますか?

費用対効果:-カルシウムの利用を最大限に高めるにはどうすればよいでしょうか?

どちらの反応がより「緊急」ですか?

1. 溶鋼中で、カルシウムは次の重要な反応に同時に関与します。

脱酸素反応

反応の種類	化学反応式	説明
シリコンの基本的な脱酸素	Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe	このプロセスは、1500 ～ 1600 度の溶鋼中で自然に発生します。 SiO₂ は密度が低く、容易に浮遊してスラグを形成します。
カルシウムの脱酸素の強化	2Ca + O₂ → 2CaO	カルシウムはシリコンやアルミニウムよりも酸素との親和力が強く、溶鋼中の残留酸素を除去することができます。
包有物の変性	Ca + Al₂O₃ → CaO・Al₂O₃	脆い Al₂O₃ を低融点-融点-点の液体アルミン酸カルシウムに変換します。

脱硫反応

反応の種類	化学反応式	説明
カルシウム-主体の脱硫	Ca + FeS → CaS + Fe	CaS は融点が 2450 度で、溶鋼中にほとんど溶けず、固体粒子として浮遊します。
シリコン-による脱硫促進	Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe	溶鋼の酸素含有量を減らし、脱硫のための還元環境を作り出し、CaSO₄ の生成を防ぎます。

2. 冶金熱力学では、反応のギブズ自由エネルギー変化 (ΔG) が負であるほど、反応の自発的傾向が強くなり、反応はより「緊急」になります。

カルシウムの反応親和性順序:
カルシウムと酸素の反応: ΔG は非常に負です。製鋼温度 (1600 度) では、カルシウムは酸素に対して非常に強い親和力を持ちます。
カルシウムと硫黄の反応: ΔG も負ですが、カルシウム-酸素反応ほど負ではありません。

結論：純粋に熱力学的観点から見ると、カルシウムは酸素と優先的に反応し、次に硫黄と反応します。

3. クリティカル閾値：酸素の「優先通過」

研究によると、脱硫は溶鋼中の酸素含有量が一定のレベルに減少した場合にのみ大規模に発生します。

初期酸素含有量が 50ppm 以下の場合、脱硫率は酸素含有量が 80-100ppm の場合より 25% 高くなります。このプロセスではシリコンの脱酸素の役割が重要であり、カルシウムと硫黄の反応に必要な還元環境を作り出します。

siliconcalcium alloys

脱酸・脱硫効果の比較

1 脱酸素効果の定量データ

工業実践統計によると、シリコンカルシウム合金の脱酸効果は鋼のグレードと添加量に密接に関係しています。

鋼種	CaSi添加量	初期酸素含有量 (ppm)	精製後の酸素含有量（ppm）	脱酸素効率
普通炭素鋼(Q235)	0.2%-0.3%	80-100	40-50	45%-60%
低合金高張力鋼-（Q355）	0.3%-0.4%	90-110	35-45	55%-68%
ステンレス鋼(304)	0.4%-0.5%	100-120	25-35	65%-79%
合金構造用鋼 (40Cr)	0.3%-0.4%	85-105	30-40	58%-71%

2 脱硫効果の定量データ

同時に行われる脱硫反応の効果は次のとおりです。

鋼種	CaSi添加量	初期硫黄含有量(%)	精製後の硫黄分(%)	脱硫効率	コアバリュー
普通炭素鋼(Q235)	0.2%-0.3%	0.03-0.05	0.015-0.025	30%-50%	熱間脆性を避ける
低合金高張力鋼(Q355)	0.3%-0.4%	0.02-0.04	0.008-0.015	55%-70%	溶接性の向上
ステンレス鋼(304)	0.4%-0.5%	0.015-0.03	0.003-0.008	70%-85%	耐食性の向上
耐摩耗鋼-（NM450）	0.3%-0.4%	0.02-0.04	0.006-0.012	65%-80%	耐摩耗性の向上

3 深度の脱硫能力

高級鋼グレードの場合、シリコンカルシウム合金はより深い脱硫を実現できます。-

プロセスシナリオ	CaSi添加量	精製条件	脱硫後の硫黄分	脱硫効率
ルーチン加算	0.1%-0.3%	-	<0.01%	80%-90%
高級鋼の精錬-	0.3%-0.5%	LF炉精錬	<0.005%	93% 以上
連続鋳造保護鋳造	0.05%-0.1%	送り速度3-5m/s	<0.003%	超低硫黄鋼規格-

重要な洞察:２つの表を比較すると、同じ用量では脱酸素反応が早く早く起こり、一般に脱硫反応が始まる前に脱酸素効率がかなりのレベルに達することがわかります。これは、脱酸素の熱力学的順序が脱硫よりも優先されることを裏付けています。

silicon-calcium alloy

答えは明らかです: 脱酸素と脱硫のどちらが最初に起こりますか?

反応順序からすると、脱硫前に脱酸素が起こります。

比較寸法	脱酸素反応	脱硫反応
熱力学的傾向	カルシウムは酸素に対する親和性が強いため、より負のΔGが発生します。	二次アフィニティ
時系列	これはプロセス全体を通じて発生しますが、初期段階で支配的です。	中盤で活動的、酸素レベルの低下が必要
酸素含有量の依存性	高酸素状態でも発生する可能性がある	効率的な操作には酸素含有量が 50ppm 以下が必要です
シリコンの役割	コア脱酸素要素	補助（還元環境の構築）