転炉とは｜ベッセマー転炉と基本酸素炉で学ぶ鋼の生成と仕組み

転炉の仕組みを図解で解説─ベッセマー転炉から近代の基本酸素炉まで、鋼の生成工程と化学反応をわかりやすく紹介。

転炉とは、銑鉄（高炉で生産される原鉄）などの原料から炭素や不純物を除去し、鋼（スチール）を作るための大型の化学反応器（炉）です。高炉で生産される銑鉄には、通常約4％前後の炭素が含まれており、炭素量が多いままでは硬すぎてもろいため、そのままでは実用に適しません。転炉では酸素を用いて炭素を酸化・除去する「転換」工程を行い、銑鉄を可鍛な鋼へと変えます。

転炉の代表的な歴史的装置が1856年にヘンリー・ベッセマー卿によって発明されたベッセマー転炉です。彼は底部に空気用のノズル（トゥイエール）を備えた洋ナシ形の大容器を考案し、そこへ高炉からの溶融銑鉄を注ぎ、底部から高圧の空気を吹き込みました。空気中の酸素が銑鉄中の炭素を急速に酸化させるため、大きな火炎と騒音が発生し、短時間（数分〜十数分）で炭素が取り除かれて鋼が得られるという画期的な方式で、鋼の大量生産を可能にしました。

しかし空気を使う方式には欠点もあります。空気には窒素が含まれており、鋼に不要な窒素やその他の不純物を導入したり、鋼種によっては品質に悪影響を与えることがあります。これを改良した近代的な転炉が基本酸素炉（Basic Oxygen Furnace：BOF、別名LDプロセス）で、空気の代わりに純粋な酸素を吹き込む方式です。これは1949年にオーストリアで発明され、現在の大規模製鋼の主流を占めています。

現代の塩基性（基本）酸素炉は通常、かぼちゃ型または洋ナシ型の大型鋼製容器で、内部は高温の溶湯に耐えるために酸化カルシウム（CaO）や酸化マグネシウム（MgO）などの耐火物（ライニング）で覆われています。特に「塩基性」ライニングを使うのは、スラグを塩基性に保つことでリン（P）などの不純物を効率的に除去できるためです。

基本酸素炉の一般的な工程は次のとおりです：

• 溶融銑鉄と鋼スクラップ（廃鋼）を炉に投入する。スクラップは通常錆び（酸素を含む）ており、溶融物の温度調整やスラグ形成に寄与します。スクラップの比率は炉の設計や操業方針で変わります。
• スクラップが部分的に溶けた後、酸素ランス（先端から高圧で酸素を送る管）を炉内に挿入し、高速で純酸素を吹き込みます。酸素が炭素やケイ素（Si）、マンガン（Mn）などと反応して酸化物を作り、熱を生み出して溶湯をかくはん・加熱します。
• 炭素は主に一酸化炭素（CO）や二酸化炭素（CO2）として脱炭されます。生成した酸化物はスラグ（溶融した不純物層）に取り込まれ、後の工程で除去されます。
• 所定の炭素量まで脱炭が進んだら、一旦吹きを止め、必要に応じて脱硫・脱リン・脱酸、温度調整、合金元素の添加などの精錬操作を行います。
• 溶鋼の成分・温度が所定値に達したら、「タップ（出鋼）」して溶鋼を中間容器（レードル）へ移し、圧延や連続鋳造へ送ります。

化学的には、転炉内で起きる主要反応は以下のような酸化反応です（簡略）：

• C + O → CO（気相）または CO2
• Si + O → SiO2（スラグへ）
• Mn + O → MnO（スラグへ）
• P + O → P2O5 → スラグ中のリン酸塩（塩基性スラグでの脱リン促進）

スラグは単に不純物を取り去るだけでなく、次のような重要な役割を果たします：不純物の捕集、防噴流剤（反応暴走の緩和）、炉内熱バランスの調整、脱硫や脱リンの化学場の提供などです。

転炉工程の後にも「二次精錬（二次製鋼）」があり、レードル精錬や真空処理（VD）、電磁かくはん、アルゴン吹込による脱ガス、微量元素調整などを行って最終的な鋼種仕様（化学成分・温度・非金属介在物制御）を満たします。その後、連続鋳造または鋳鋼塊（インゴット）化して圧延・加工へと進みます。

基本酸素炉と比較される装置に電気アーク炉（EAF）があります。主な違いは以下のとおりです：

• 原料：BOFは主に銑鉄＋スクラップ、EAFは主にスクラップを使用（特殊鋼ではスクラップ主体）。
• エネルギー源：BOFは酸素吹込みで酸化熱を利用、EAFは電気アークで加熱。
• 柔軟性：EAFは小規模・短周期操業や特殊鋼に適し、BOFは大量生産の連続操業に向く。

環境面では、転炉から排出される一酸化炭素などのガスや粉じんを適切に回収・燃焼し熱源として再利用する仕組み、集じん・脱硫設備、窒素酸化物（NOx）や二酸化炭素（CO2）対策が重要です。現代の製鋼所ではCOガスを回収して発電・熱源に使うなどエネルギー効率改善が進んでいます。

取り扱い上の安全点としては、高温の溶融金属・スラグによるはねや爆発（油分や水の混入による溶湯爆発）を防ぐための厳重な管理、耐火物の点検、ランスやタップ操作時のリスク管理、排ガス処理の安全確保などが求められます。

まとめると、転炉（ベッセマー転炉や基本酸素炉）は、銑鉄から炭素や不純物を除去して鋼を作る主要な設備です。技術の進歩により効率・品質・環境対策が大きく向上し、現代の鉄鋼生産の中核を担っています。

質問と回答

Q:転炉とは何ですか?

Q:原料の鉄は何と呼ばれていますか?

Q:最初に成功した転炉は誰が発明したのですか?

Q:現代の基礎酸素炉はどのように機能しているのか?

Q:窒素を含む空気が入るとどうなるのか?

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