炼钢(steelmaking)

炼制钢的工艺、方法和过程。古代的钢铁冶炼是在固体状态下完成的（见块炼铁）。现在除少数例外，钢都在1600左右以液体状态炼成，然后铸成锭、坯或直接铸成铸钢件。

钢生产的基本原料和基本途径从根本上说，钢的原料是铁矿石。从铁矿石到钢，有几种不同的工艺途径。最主要的是“高炉途径”，铁矿石先在高炉内炼成生铁（见高炉炼铁），再以生铁为原料，用不同方法炼成钢。通过这种途径炼成的钢，占世界钢产量的98％左右。另一途径是通过直接还原炼铁，将矿石在低于矿石熔化温度下炼成“海绵铁”，用它作原料，然后主要用电炉冶炼成钢，这种工艺流程，现只在较特殊的矿石资源和能源条件下采用；随着能源条件的改变，今后可能得到发展。另外还有一种粉末冶金方法，用于制造某些特殊的零件，近年来也用于高速工具钢等特殊用钢，在钢的总产量中，所占比重很小。

除生铁和海绵铁外，废钢也是重要的炼钢原料。在工业发达国家，废钢来源丰富，价格通常比生铁、海绵铁低，而且用作炼钢的原料还可以节约大量能源。在20世纪的前40年，由于炼钢工业使用越来越多的废钢，世界生铁产量对钢产量的比例不断下降(图1)

事实上百余年来炼钢方法的发明和发展，同废钢的供求情况密切相关。

主要炼钢方法的发展概况现有的大规模炼钢方法都是1856年以后出现的。主要可分为转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法三类。1860～1980年，各种炼钢方法所生产的钢，在钢的总产量中所占的百分比,如图2.

所示，从中可以看出各种炼钢法的兴起和衰落。

空气转炉炼钢法最早发明的是酸性空气底吹转炉炼钢法，又称贝塞麦转炉炼钢法。此法炼钢过程中所需的热量，来自原料铁水物理热及所含硅、碳及其他元素的发热氧化反应，因此，不用另外的燃料，就能达到钢水浇铸所要求的高温。贝塞麦法由于冶炼过程快，而且能耗低，发明以后，迅速得到推广，基本上取代了原有的熟铁搅炼炉和坩埚炉炼钢法。从此，开始了人类大量用钢的新时代。但贝塞麦法用酸性耐火材料(氧化硅质)作炉衬，不能造碱性渣脱磷脱硫，因此只适用于低磷低硫原料。为了利用西欧大量的高磷铁矿资源，后来发展出了使用碱性耐火材料的碱性空气底吹转炉法（托马斯转炉炼钢法）。这种方法在西欧各国很快推广。

平炉炼钢法又称马丁炉法或西门子-马丁炉法。此法用外来燃料加热，靠蓄热室把炉温提高到可以熔化钢的程度，这样就扩大了炼钢原料的范围，实际上可以采用0～100％的任何比例的废钢和生铁配料（图3）。

最初的平炉也用酸性材料作炉衬，因此不能熔炼含磷高的生铁。和转炉一样，酸性平炉不久就被碱性平炉所取代。

以空气作氧化剂的转炉，由于空气所含的氮从炉内带走大量的热，使炼钢原料中不能搭配很多废钢。碱性平炉法的突出优点，就是在废钢与生铁配比方面和生铁磷含量方面有宽广的适应能力，因而在发明后为全世界广泛采用。到了20世纪中叶，即在氧气顶吹转炉炼钢法崛起之前，平炉钢产量稳定地占了世界钢总产量约80％。

氧气转炉炼钢法50年代初，出现了碱性氧气顶吹转炉炼钢法。同原有的空气转炉相比，它的热平衡条件更为有利，所以原料中可以加入较多废钢（可达30％左右），所产的钢含氮量低，质量更好。另一方面，同平炉相比，它不耗燃料，而且生产率高得多，利用废钢的能力虽差一些，但在废钢来源不多的多数地区也已够用。因此从60年代起，世界氧气转炉炼钢的产量和比例扶摇直上。现在,可以说氧气转炉已彻底淘汰了空气转炉,并在很大程度上取代了平炉的地位。60年代末出现了氧气底吹转炉炼钢法。近年来又发展了复合吹炼转炉炼钢法，已在许多国家应用。

电弧炉炼钢法从20世纪初开始，徐缓地向前发展，目前约占世界钢产量的20％。电弧炉以电为热源，可以迅速熔化废钢和合金，而且可以基本密闭，排除大气的作用。另一方面，电弧炉一般容量较小（同转炉和平炉比），操作成本较高。由于这些特点，电弧炉炼钢法曾主要用来生产特殊钢或合金钢。但近年来，随着电弧炉本身大型化和加大功率的成功，降低了电弧炉钢的生产成本，加上用废钢作原料价格低廉，在工业发达国家中出现了许多专门炼普通钢的电弧炉钢厂。这种所谓小钢厂投资远比同样产量的高炉-转炉联合企业低,所以发展较快。有些厂原料中除废钢外，还掺用一部分海绵铁。

中国的炼钢情况中华人民共和国成立以前，中国炼钢技术落后，生产设备以平炉为主，有少量的电弧炉和转炉。50～60年代除鞍山、武汉和包头等钢铁基地扩建和新建了一些新型平炉以外，全国在较大范围内建立了许多小型空气侧吹转炉(见侧吹转炉炼钢)。60年代初，氧气顶吹转炉在首都钢厂投产。由于这种设备在经济上具有明显的优越性，后来在许多钢厂新建了较大的氧气顶吹转炉,最大的炉子容量为150吨。原有的空气侧吹转炉一部分停产,大部分改建成为氧气顶吹转炉1980年中国各种设备在总的炼钢能力所占的比重约为：转炉44％，平炉33％，电炉23％。

钢水炉外处理和特殊炼钢法现代的转炉平炉电弧炉炼钢工艺可以不同程度地保证钢的纯净，能够满足一般用户对钢质量的要求。随着科学技术的发展，需要质量更高、品种更多的高级钢。为了满足这种要求，第二次世界大战以来，出现了多种钢水炉外处理（又称炉外精炼）的方法，对转炉、平炉和电弧炉炼出的钢水进行附加处理，然后浇铸。根据处理的目的不同，发展出了多种多样的方法。应用最广的炉外处理有：吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等，使用这些方法以后，不论转炉、平炉和电弧炉都可以生产高级的钢种。某些尖端技术或特殊用途要求特高质量的钢，如果用炉外处理的办法也达不到要求，则要用特殊炼钢法炼制，例如电渣重熔法，和不同形式的真空冶金法。(见彩图)

[大型平炉]

[125吨高功率电弧]

[150吨氧气顶吹转炉]

[200吨电渣重熔炉]

 [30吨电渣重熔炉]