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第59章 钢铁是怎样炼成的

第五十七章钢铁是怎样炼成的

转炉炼钢法的发明

钢铁冶炼技术自古有之,但大规模高效率的炼钢生产却是近百年的事。这主要应归功于现代

炼钢科学技术的发展,特别是氧气顶吹转炉炼钢的发明与应用,堪称20世纪钢铁工业的惊人

成就。

化铁为水以“氧”克“钢”

要把液态生铁(或废钢)冶炼成钢,需要提供热量,以及用氧将铁水中的杂质氧化,再把氧化

物结合在较轻的熔渣中,并将熔渣与净化了的钢水分离而得到钢。

一个多世纪以前的1856年,英国冶金家贝塞麦发明了贝塞麦炼钢法。利用顶吹入的空气中的

氧与铁中的碳、硅、锰、硫、磷等元素发生氧化反应放出的热量,并进行脱碳和去除有害元

素而炼成钢。

随后平炉炼钢法和电炉炼钢法相继产生。平炉法是法国冶金学家马丁于1865年发明,马丁炉

(平炉)炼钢方法通过燃料燃烧产生热量(外热),用矿石中铁氧化物作为氧化剂与铁水中的杂

质发生化学反应,使杂质得以去除。电炉法是用废钢作原料,以电力为热源,也是以矿石中

铁氧化物作氧化剂,去除钢水中的杂质。

由于贝塞麦转炉的炉衬是用酸性矽砖砌成,不能适应欧洲高磷生铁炼钢的需要,于是在1878

年英国冶金家托马斯和吉尔克莱等人,在已有的研究成果的基础上,发明了用碱性白云石砖

和捣筑炉底砌成炉衬的转炉,并采用底吹空气炼钢。

炼钢是氧化熔炼过程。空气顶吹、底吹鼓风转炉,以及后来出现的侧吹鼓风转炉,都是把空

作为氧的主要来源,大量的氮气在炉内从铁水中穿过,白白带走了大量的热量,并有部分

氮溶解在钢液中,这对很多种型号的钢是有害的,特别是造成低碳钢质量的恶化。平炉炼钢

中也

同样面临反应速率低和热量浪费的问题。因此,直接把氧气吹入熔池炼钢,成为许多冶金学

家向往的目标。但用高纯度氧气炼钢,其好处显而易见,但其费用却也惊人。

19世纪末,生产出了可供工业使用的氧气,到20世纪初,把空气液化然后通过蒸馏来分离其

成分而得到氧气的制氧工艺开发成功,第一套制氧装置于1907~1909年在美国建立,氧气炼

钢又为冶金界所瞩目。

从20世纪20~30年代,冶金工作者开始了在平炉、转炉上进行用氧炼钢的试验。但由于钢铁

厂所需的氧气要靠外运,因而价格仍很高,数量上一般不能大量供应。加上吹氧设备也不配

套,又受车间布置的限制,许多钢铁厂还只是处于小量用氧炼钢试验阶段。氧气的应用基本

上还限于氧—乙炔火焰切割和清理钢坯表面。

到20世纪40年代末和50年代初,欧洲、北美一些国家把制氧装置就近建在钢厂内,从而节省

了运氧费用,使氧气的价格大大降低,使吹氧炼钢在整个炼钢业中得以普遍采用。

平炉用氧炼钢,从40年代后期开始,将纯氧喷入炉中,加速燃烧,提高了火焰的温度,缩短

了冶炼时间。到50年代人们用氧枪从平炉炉顶向炉内喷氧。但是喷溅太厉害,损坏耐火材料

,未

能被推广使用。一直到60年代,平炉用碱性炉顶代替酸性炉顶,同时改进了装料、冶炼和精

整设备,调整车间布置和原材料运输,使之与加快了的熔炼操作相配合。炉顶吹氧平炉由此

有了较大发展,平炉容积增大,生产效率有较大提高。

氧气转炉重大创举

1948年3月,瑞士人杜勒等人在总结已有的试验研究成果的基础上,建成2.3吨左右的以焦油

白云石为炉衬的试验转炉,认识到喷嘴垂直向下喷氧,最有利于提高喷嘴和炉衬的寿命。这

次试验到1949年3月结束,第一次通过向炉内吹氧而不另外加热将生铁炼成了钢,一种新

的炼钢方法就此产生。杜勒的试验结果表明,用氧气来精炼生铁,用碱性的炉衬和造渣材

料来脱磷、硫,都是可能的,而且还可以加入相应比例的废钢。1949年12月他决定在奥地利

茨建设一个30吨转炉车间,1952年11月正式投产。1953年5月在奥地利多纳维茨也建设了30

吨转炉车间。从此,这种划时代的炼钢新方法得以迅速推广,炉子数量和炉子容量都在不断

增加,钢产量急剧上升。50年代建设的多是27~45吨转炉,没有一座80超过吨。进入60年代

,建起了200~400吨级的大转炉。

当代钢铁生产中,炼钢工艺的发展和进步最为显著。氧气转炉是一大突破性技术。

典型的氧气顶吹转炉的水冷排烟罩下面是炉身和氧枪,以及通常采用的装铁水、装废钢、出

钢和出渣等的装置。炉衬用耐火材料制作。高位料仓是用来储存、称量和添加材料、脱氧剂

及其他材料的。这一切都由操作人员在控制室的一个仪表盘上进行控制。

氧气顶吹转炉在装料和出钢的时候,炉身可以倾动,炉料通常是铁水和造渣材料,也可以加

入少量的冷生铁、富铁矿或球团矿。这种方法的特点是靠炉料各组分与氧反应来加热和达到

冶炼的目的。通过氧枪从熔池上面垂直向下吹入高压的纯氧去除铁水中的硅、锰、碳和磷

等元素,并通过造渣进行脱磷和脱硫;各元素氧化反应所产生的热量,加热了熔池中的液态

金属

(从上一次铁到钢),使钢水中的化学成分和温度达到规定标准。冶炼一炉钢的吹炼时间一般

为15~20分

钟,总冶炼时间(从出钢到下一次出钢的时间)一般为30~45分钟。操作的一个特点是精炼中

所产生的能量对所要求达到温度可以加以预报。

氧气转炉炼钢技术的诞生适应了战后经济飞速发展的需要,在问世不到20年的时间里,迅速

取代了平炉炼钢,成为最主要的炼钢法,使世界钢的年产量由50年代约2亿吨猛增到70年代

的7亿多吨,这在技术发展史上是罕见的。尤其是日本,在扩大生产的同时,开发和革新了

许多技术并且出口到国外。

转炉炼钢独占鳌头

氧气转炉炼钢自问世以来,还针对在实践中出现的问题,不断完善和改进,在技术上也有不

少突破,并用最新科技成果加以武装。

从1975年开始,法国、卢森堡、德国、美国、日本等相继开发成功了顶底复合吹炼转炉。复

转炉是从炉顶吹氧的同时,又从转炉底通过底吹气体装置(喷嘴或透气砖)吹入适量的惰性气

体如Ar,以及CO或CO2和少量的氧气,以加强熔池的搅拌力。这既可克服氧气顶吹转炉和

氧气底吹转炉的不足,又可以兼顾这两种氧气转炉的优点,因此世界各国纷纷采用。

炼钢技术的发展走了一条否定之否定的路。纵观炼钢技术的发展过程,可以看到一个有趣的

现象:空气转炉被平炉淘汰,平炉又被氧气转炉所淘汰。据统计,1996年全世界粗钢产量74

459.9万吨,其中氧气转炉钢占60.3%,电炉钢占32.9%,平炉钢占68%,其他方法产钢占0

1%。氧气转炉钢产量所占比例遥遥领先,平炉终将会被淘汰出局。

但是氧气转炉的发展也面临新的挑战。现代的汽车、造船、高层建筑、桥梁、输油气管线、

海洋

平台、石油油井专用钢管、高速铁路、家用电器、机械制造等等,都对钢的质量、品种、规

提出极高的要求。只靠氧气转炉的熔炼很难达到高质量钢的要求,需要增加新的精炼措施。

将氧气转炉只用于熔化和初炼,再把精炼的过程移到另一容器(主要是钢包)中进行。转炉钢

形成“铁水预处理—复吹转炉—炉外精炼—连铸”的流程。现代钢铁工业正在向高技术、智

力密集、投资密集产业转化。

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