[科普中国]-碱性转炉炼钢法

简介

转炉炼钢是一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。转炉炼钢法的主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹;按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受到限制。碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。空气吹炼的转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢，未能像平炉那样在世界范围内广泛采用。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。

原理转炉炼钢法同其他炼钢法主要区别在于他不借助外加能源，仅靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600℃或更高）温度1。

当空气或氧气吹入铁水时，生铁中易氧化元素就开始氧化,产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。各项元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。首先氧化的是硅、锰和少量的铁。开始时因温度低(1200～1300℃)，而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。随着温度升高，碳开始激烈地进行氧化。随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣,磷和硫亦被脱除,熔池铁液中各种元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。碳随着温度的提高而分别先于有关元素氧化（见自由焓）。

转炉吹炼终了时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一般为0.01～0.08%。其含量主要取决于终点钢水的碳。但在固体钢中氧的溶解度很低, 仅为0.002～0.003%,因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧便以FeO形式析出,影响钢的质量。所以,要炼成合格的钢,就必须脱氧。脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理,使钢中的含氧量降到规定限度之下(见钢的脱氧反应)。在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效率,使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。

历史英国军事工程师贝塞麦于1856年在英国科学协会发表演讲，题目是《不使用燃料、只吹入空气就可以变铁水为钢》。他提出将熔化的生铁放入转炉内，吹进高压空气，使生铁中所含的硅、锰、碳、磷燃烧掉，从而炼出钢来。贝塞麦发明了梨形可动式转炉，只花10分钟就可把10吨～15吨铁水炼成钢。若是用搅拌法需几天时间才能完成。所以，这是一种生产率高、成本低的炼钢方法，成为冶金史上的一大创举。但是，贝塞麦发明的转炉是酸性转炉，在酸性转炉环境中，磷很难被氧化除掉。所以，贝塞麦转炉在欧洲只适用于拥有大量低磷低硫铁矿石的瑞典和奥地利等国。

用氧气代替空气的优越性早被认识，但因未能获得大量廉价的工业纯氧，长期未能实现。到20世纪40年代，空气分离制氧以工业规模进行生产之后，炼钢大量用氧有了可能。但是,旧有转炉改用氧气吹炼,炉底风眼烧损很快，甚至使吹炼无法进行。1948年杜雷尔(R.Durrer)在瑞士采用水冷氧枪垂直插入炉内吹炼铁水获得成功，1952年奥地利林茨(Linz)和多纳维茨 (Donawiz)钢厂建立30吨氧气顶吹转炉车间。后来就按这两个地名的第一个字母称氧气顶吹转炉炼钢法为LD炼钢法。50年代，LD炼钢法传播到世界各国，逐步取代平炉炼钢法。随着顶吹氧转炉的问世，也出现了其他类型吹氧炼钢方法，如卡尔多转炉(Kaldo)炼钢法,罗托转炉(Rotor)炼钢法,但都未能推广。喷石灰粉的氧气顶吹转炉炼钢法,称LD-AC法，可以吹炼含磷高的生铁，在氧气底吹转炉问世前曾应用于高磷生铁炼钢生产。

1879年，英国冶金学家托马斯提出了碱性转炉炼钢法，即采用白云石高温烧成的熟料，混合焦油做成碱性的耐火砖炉衬，冶炼过程中吹入空气并加入生石灰。这样便使整个反应在碱性高温条件下进行，被氧化的磷与石灰结合起来，残留于渣内而不返回钢内，脱磷问题因此得以解决。托马斯的这一方法，很快被盛产含磷铁矿石的德国、法国广泛应用，从而进一步促进了炼钢的发展。

第二次世界大战后，不少国家开始实验用纯氧代替空气炼钢。1948年奥地利首先取得了技术突破。此法是把生铁水与废钢混合，倒入转炉中，然后吹氧，将碳与杂质迅速烧掉。用这种方法炼出的钢，质量可与平炉炼出的钢相媲美，所需时间却只有平炉的十分之一。

我国

中国于30～40年代曾在各地用侧吹酸性转炉炼钢，总生产能力约10万吨/年。50年代，唐山钢厂试用碱性炉衬吹炼成功，并推广到全国各地。50～60 年代侧吹转炉钢产量曾达中国钢总产量的20%以上。50年代末，首先在北京建成30吨氧气顶吹转炉车间开始生产。以后在各地相继建成投产。1980年氧气转炉钢的产量占全国钢的总产量40.64%。