炼钢(steelmaking)

将生铁、废钢和海绵铁等原材料炼制成钢的冶金方法和过程。在钢铁冶金生产流程中，炼钢是中心环节。钢的化学成分和冶金质量，主要是靠炼钢来达到要求的。

炼钢的宗旨生铁是碳含量达到饱和的铁碳合金，并且含有较高的硅、锰、磷、硫等杂质元素，熔点低但凝固后性质脆而硬，除少量铸成铸铁件使用外，绝大部分作为炼钢原料通过氧化熔炼的方法除去杂质元素，使之成为具有高强度和塑性的铁碳合金，即钢。废钢和海绵铁也可作为炼钢原料按一定比例配加，重新熔炼成性能符合需要的钢。钢的品种很多，钢的性能由它的化学成分、热处理工艺和塑性变形加工工艺所决定。钢的化学成分是保证其性能的基础，必须在钢液凝固前调整好，凝固以后成分就很难再改变。因此炼钢生产的第一步，就是冶炼出规定成分的钢液；第二步是将钢液凝固以及加工变形成为一定形状和尺寸的钢材。广义的炼钢包括凝固过程，狭义的炼钢则仅指获得钢液的熔炼过程。炼钢生产不仅是一系列的物理和化学变化，而且也是一种经济行为。钢的价值高于炼钢所用的原料，首先表现在钢的性能即其使用价值优于生铁，其次也表现在货币价值上。从生铁到钢的价值增量应该大于炼钢过程的消耗即生产费用。由于市场因素，相同的使用价值并不一定具有相同的货币价值，例如废钢价格在工业迅速发展的地区如中国和东南亚诸国就高于工业发达国家；海绵铁价格在天然气和铁矿石富产地区(如南美)则低于其他地区。这些因素在选择炼钢工艺时均应予以考虑。为了能生产质量优良而消耗最低的产品，炼钢生产应该遵循以下原则：(1)最大限度降低能源消耗，例如用氧气吹炼显然比用空气热效率高；(2)最大限度降低金属原料和其他材料的消耗，(3)尽量减少作业环节、材料的转移和运输过程；(4)提高热量和物质的传递速率以及炼钢设备的生产效率；(5)最大限度地利用产出的废气和炉渣；(6)尽可能减小钢的成分和性能对预定要求的偏离；(7)适当的设备容量大型化，充分发挥规模效益，但又要考虑生产的灵活性，缩短交货时间。这些原则很难同时实现，只能根据具体炼钢生产目标，应用优化方法，选择最佳的相互配合。使生产的钢质量优良而且成本低廉。只有这样，在各种材料的竞争中才能保持钢材料的生命力。

简史     在1855年以前，人类能够实现的冶金炉温度最高不超过1400℃。那时的炼钢方法是在半凝固状态进行的。生铁熔化时和铁矿石相作用，使铁水中的碳降低形成糊状金属，反复搅拌成为钢(熟铁)和渣的混合物，称为“炒钢”或“炒熟铁”。普德林法是发展到工业规模的炒熟铁法，产业革命后大规模铁路建设初期所用的材料就是用普德林法生产的熟铁。然而这种方法生产率低、劳动强度大、产品质量不高。在中国古代还独创了在炒铁过程中反复多次锻打的百炼钢工艺，生铁和熟铁按比例配合起来冶炼的灌钢工艺，以及铸铁固态脱碳成钢的工艺；但这些工艺没有发展形成工业规模的生产，就已经失传，只能根据发掘的文物和史料记载进行其历史状况的研究。古代惟一冶炼液态钢的方法是坩埚法，坩埚法生产量很小，只能熔化一些高碳钢作为工具使用(高碳钢熔点低)。以上各种方法都属于古代炼钢法。尽管它们曾经支持了产业革命后的初期工业文明，但由于生产率低，产品质量差，到19世纪中叶冶金学者努力追求的目标就是如何能够在工业规模上生产液态钢。事实上只要把炉子温度再提高200～300℃，就能够完全在液态下冶炼钢，使炼钢由古代冶炼转化为现代生产。

1855年，英国人贝塞麦(H．Bessemer)发明了酸性炉衬底吹转炉炼钢法，第一次解决了大规模生产液态钢的问题。贝塞麦炼钢法的诞生，标志着现代炼钢法的开始，并且成为了19世纪后半叶最主要的炼钢方法。贝塞麦转炉炼钢是将冷空气吹入铁水中进行氧化反应冶炼成钢的，与当时一般人的预料相反，冷空气吹入铁水后不但没有降温，反而使金属液加热到炼钢所要求的必需温度。由于吹炼时氧化剂和铁水之间形成良好的乳化状态，有很大的相接触面积，冶金反应速率和生产效率比古代炼钢法提高了百倍以上。贝塞麦在炼钢时恰好应用了低磷、硫而含锰较高的生铁，得到的钢顺利锻成钢材。而将此法推广用以其他生铁炼钢时，却在锻钢时发生了加热后开裂脆断问题。由于英国人马希特(R．F．Mushet)研究了加入镜铁(一种含锰的合金)脱氧的方法，钢的热脆问题才得以解决。脱氧的发明也是现代炼钢法发展中的重要一环。贝塞麦法的发明和工业革命的发展是密切相关的。可以说铁路、建筑、机械等工业的早期发展均借助于贝塞麦法的成功。

贝塞麦法用酸性耐火材料(石英砂、黏土等)作炉衬，炉渣为酸性，不能脱除磷和硫。而铁矿石中的磷在高炉中则已全部还原到生铁中，因此除了极少数的低磷铁矿外，必须在炼钢过程中解决脱磷问题。1877年英国人托马斯(S．G．Thomas)试验成功用石灰作转炉炉衬(后改用白云石)，开创了碱性炼钢法。为纪念他，碱性空气底吹转炉炼钢法被称为托马斯法。由于能造碱性渣而且具有底吹时的强搅拌作用，托马斯炼钢法成为用高磷生铁炼钢的有效方法，这种高磷生铁也被称之为托马斯生铁。位于西欧的洛林地区有巨大的高磷铁矿矿床，所以托马斯炼钢法是西欧各国的主要炼钢方法，其副产品高磷炉渣用作农业磷肥。直到1967年氧气底吹转炉炼钢法诞生后，托马斯转炉改为氧气底吹转炉，托马斯法才在历史舞台上消失。

继转炉炼钢法之后出现的另一个现代炼钢法是平炉炼钢法。平炉炼钢得以成功的前提是炉气废热再利用亦即蓄热原理的应用。1856年英籍德人西门子(w．Siemens)，取得蓄热法专利，1864年法国人马丁(P．E．Marti)利用蓄热法改进火焰炉，使火焰炉温度提高到炼钢需要的温度，发明了平炉炼钢法。法国称平炉为马丁炉，德国则称平炉为西门子-马丁炉。最早的平炉也用酸性炉衬，同样不能去除原料中的磷和硫。在托马斯发明碱性法后，平炉也改用碱性炉衬，成为碱性平炉炼钢。20世纪的上半叶是碱性平炉炼钢的黄金时代。由于碱性平炉炼钢法具有适应各种原料配比(从100％生铁到100％废钢)、炼的钢品种多而质量优于空气底吹转炉钢以及生产率高等优点，从而迅速成为世界上最主要的炼钢法，绝对产量达到每年2．7亿t，相对产量达到82％。美国和前苏联都曾经是平炉产钢大国。但平炉热效率低，炉子结构复杂，基建投资大，当氧气转炉炼钢法诞生后，其地位被氧气转炉所取代，到80年代中期平炉钢只占总产钢量的约20％，1995年平炉钢只剩下6.9％。

法国人埃鲁(P．L．T．Heroult)发明的电弧炉在20世纪初应用于炼钢，形成电弧炉炼钢法。最初，电弧炉炼钢作为特殊钢和合金钢的生产方法，在材料制造中有重要意义，但产量较小。70年代美国联合碳化物公司和西北钢和线材公司开发了超高功率电弧炉(UHP电弧炉)，配合炉外精炼技术的应用，使电弧炉炼钢时间大大缩短，电弧炉开始进入高生产率的碳钢冶炼领域。80年代以来，随着大功率可控硅整流技术的成功，直流电弧炉炼钢迅速发展。电弧炉炼钢已与氧气转炉炼钢一起成为现代炼钢的两种主要方法。电炉炼钢所用原料为废钢。在工业发达国家，废钢积累多，价格便宜，所以电弧炉炼钢发展更快。但废钢中不可避免混入一些有色金属(Cu、Ni、Cr等)以及一些危害极大的痕量元素(Pb、Sn、As、Sb、Bi)，由于炼钢条件的限制，在冶炼过程中无法去除，因此只能用优质废钢或海绵铁来冲淡它们。从1974年以来，世界钢的总年产量在7亿t上下波动，没有继续增长，而海绵铁的年产量却在逐年增加。

氧气转炉炼钢的出现是现代炼钢法的又一个新阶段。自1952年发明氧气顶吹炼钢法以来，氧气转炉炼钢增长迅速，这在技术发展史上不多见。90年代世界氧气转炉钢的年产量达3.5～4亿t，其产量已超过总产钢量的50％。从本质上说，由于炼钢是氧化熔炼，用氧气作为冶炼的氧来源是最合理的。表l给出了20世纪不同时期投产的氧气转炉座数与吨位，可从中看出氧气转炉炼钢的发展情况。氧气转炉炼钢的发展不仅在规模和产量上，在工艺方法上也有很多进展。为使造渣过程与快速的氧化反应相适应，同时也为了扩大钢的品种，应用活性石灰成为转炉造渣的必要前提。为了能用高磷生铁炼钢，法国和比利时研究了氧气喷石灰粉炼钢法。日本研制的不燃烧法炉气回收技术，可充分利用炼钢生成的一氧化碳气体。副枪测量技术和计算机的应用，使氧气转炉的过程控制达到非常高的水平。70年代以来氧气底吹转炉炼钢法的成功以及在顶吹、底吹转炉基础上研制的顶底复吹转炉炼钢法更使氧气转炉炼钢呈现新的面貌。图l为各种炼钢方法的发展演变关系。图2为各种炼钢法相对产量(沿年代)的变化情况。经过一百多年的发展演变，当代炼钢生产流程主要有两种类型：以矿石为主要原料时，经由高炉冶炼生铁再用氧气转炉炼钢，这个流程称为长流程。在长流程中，还包括精矿粉的造块(烧结或球团)及炼焦，生产过程复杂，但钢产量大，年产几百万吨到上千万吨的钢铁联合企业多为长流程。以废钢为主要原料时，多用电弧炉配合连铸生产接近最终产品形状的铸坯，再用连轧制成品种相对单一的钢材，这种生产流程投资少，耗能低，钢的成本低，称为短流程。在西方国家把这类钢厂称为小钢厂(mini-mill)，而实际上由于追求规模效益，其中所用的电炉多为lOOt级的，炉子吨位并不小，所以称为短流程钢厂更为合适。短流程钢厂日益受到人们的重视，预计到2000年，短流程生产可达总年产钢量的40％。随着熔融还原技术的研究开发，以矿石为主原料的短流程炼钢生产也已引起人们的注意。图3为20世纪70年代末钢铁生产流程的示意图。

中国现代炼钢工业不是从自己的古代炼钢发展而来的，而是受到帝国主义列强侵略后，一些志士仁人有感于西方列强的“船坚炮利”，向西方国家学习而逐渐发展起来的。但无论是在洋务运动中产生的汉阳铁厂、还是在第一次世界大战时期民族企业家兴办的和兴铁厂，都受到帝国主义的排挤而没有成长起来。1949年以前中国钢的最高年产量是1943年92.3万t，但其中绝大部分是在日本帝国主义直接统治下的东北地区生产的。到1949年中华人民共和国成立时，全国年产钢量仅15.8万t。经过三年经济恢复时期，到1952年产钢量达到135万t，超过了历史最高水平。1953年开始进行大规模经济建设，新建了一大批钢铁厂，到1957年钢产量达到535万t。此后，钢铁工业曾走过一段曲折道路，直到1978年钢铁工业才走上了稳定发展的轨道。表2为1978年以来中国年产钢量及各种炼钢方法产量所占比例的变化情况(台湾数据未统计在内)。从表中数据可知到1986年，转炉炼钢产量开始超过总产钢量的50％，1997年平炉炼钢的比例下降到8.92％，转炉钢达到73.48％。1999年166座转炉之中，50t以上的转炉仅35座，占21％；30t以下的131座，占79％。改善转炉装备水平的任务还有不少工作要作。又从表2中数据可知，中国电炉钢产量一直占20％左右，这与中国废钢不足以及电力紧张有关，但也说明短流程钢铁厂的建设和发展还有待努力。此外，年产钢量虽已超过1亿t，但仍然面临提高工艺技术水平、经济效益和钢质量的任务。

基本原理        炼钢可归纳为氧化、升温、造渣三大过程。去除生铁中的碳和其他杂质，是一个氧化熔炼过程。表3列出了几种生铁和钢的化学成分，比较其数值可以看出，生铁中的碳、硅、锰、磷等比钢中含量高，所以要通过炼钢过程去除多余的元素。随着碳等元素的去除，钢的熔点也不断升高。图4为Fe-C二元相图中与钢冶炼直接有关的一角。可以看出，合金的液相线温度(完全熔化温度)随碳的增加而下降。钢中有更多的元素时，熔点下降更多。随着各种杂质元素的去除，钢的熔化温度上升。而冶炼温度要比熔化温度高80～100℃，才能使金属处于液态，故在氧化的同时，要加热金属使之升温。炼钢时还必须在液面上造成合适的炉渣，利用炉渣保护钢液不过分氧化，而且用它来去除有害元素磷和硫。

在氧化反应中，碳的氧化是炼钢过程中最基本的氧化反应。碳的氧化不仅是要把碳脱除到钢种所要求的成分范围，而且脱碳反应生成大量一氧化碳气泡，使熔池得到充分搅拌，并把钢中的非金属夹杂物以及有害气体带出钢液。一氧化碳气体的搅拌是炼钢质量的重要保证。在以废钢为主要原料的电弧炉炼钢法中，为了能得到一氧化碳气泡搅拌熔池，在配料时需要加入生铁或其他含碳物质，使装料中有一定的脱碳量，以利用脱碳反应进行炼钢操作。磷和硫是钢中有害元素，因此脱磷和脱硫也是炼钢的重要反应。磷和硫都要靠造碱性渣来脱除。经济有效地脱磷或脱硫以及把钢中磷和硫降到更低的含量，是不断改进炼钢操作的主要目标。脱磷和脱硫需要相当数量的渣，充分利用这些渣，减少对环境的污染和增加经济及社会效益，也是炼钢的任务之一。随着氧化过程的进行，钢中的氧不断增高。氧对钢的质量有很大危害，过高的氧还可能使钢在高温下轧制时断裂，即发生热脆。因此在炼钢的最后一步要进行脱氧。不同的脱氧方法对钢的质量和炼钢的成本有相当大的影响。此外，钢中气体和非金属夹杂物是影响钢质量另一些重要因素。钢中气体是指溶解的氢和氮，夹杂物有氧化物、硫化物、硅酸盐等。钢中气体和非金属夹杂物的含量及夹杂物形态是评价钢的冶金质量的重要指标。气体和夹杂物含量低的钢方为纯净钢。故去除气体和去除非金属夹杂物是炼钢的又一项重要任务。这样综合起来，炼钢的任务又可归纳为“四脱二去”，即脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除气体和非金属夹杂物。

氧化反应进行的程度，由化学平衡所决定。通常，元素氧化反应可用下式表示：

x[Me]+y[O]=(Me_xO_y)

式中方括号表示溶解于钢中的物质，圆括号表示溶解于渣中的物质。在钢液和渣之间的平衡可写为

K_MexOy=(Me_xO_y)/[Me]^x[O]^y

在一定温度下，平衡常数K_MexOy为常数。也就是说钢液中与炉渣中各有关物质的浓度(严格说应是活度)的比例关系决定于K_MexOy。K_MexOy值越大，表示氧化物越容易进入渣中，也就是元素Me越容易氧化，最后可能残留在钢中的浓度越小。经过半个多世纪的研究和测定，人们对炼钢反应的平衡常数值以及其随温度的变化已经掌握，因此能够了解在某一条件下哪种元素能优先氧化以及有可能达到的氧化程度。然而炼钢反应在很多情况下没有达到平衡，平衡状态只不过是表示某反应进行的趋向。实际反应的进行程度由反应速率所决定。炼钢是在高温进行的，化学变化本身的速率大多很快，决定反应速率的环节是传质。以上述渣钢间的氧化反应为例，钢中的Me和0分别传递到钢渣界面，在界面上两种元素的质点相互碰撞才能化合成Me_xO_y分子并脱离界面进入炉渣。这些传质过程的速率由下式描述：

式中j表示各物质的传质速率；k表示各物质的传质系数；上角带星号*的浓度表示该物质的平衡浓度；只是在界面上才能达到平衡浓度，钢液内和渣内的物质浓度都和平衡浓度有差值；A／V_m和A／V_s分别表示钢液和炉渣的比表面积，增加比表面积才能使传质速率大大增加。由气泡、液滴及固体颗粒构成的弥散体系能显著增大比表面积。转炉炼钢是利用弥散体系原理进行熔炼的方法，所以反应速率快，生产率高。因为反应速率快，热损失就少，仅靠氧化反应所放出的热量就能满足升温的要求。不管是空气转炉还是氧气转炉，都不需要外加热源，属于自热熔炼方法。氧气转炉所产生的热量尚有富余，可以用来熔化一部分废钢。而平炉炼钢和电炉炼钢，都需要外加热源。

各种炼钢反应是以炼钢炉为反应器进行的。反应器有连续式和间歇式两大类型。连续反应器有生产率高、设备投资少等优点。但是炼钢是高温过程，连续操作尚有不少困难，而且钢的品种极多，每一批钢水必须符合一个钢种的要求，这和连续操作也有矛盾。连续炼钢法是冶金学者不断研究的对象，但连续炼钢生产尚未成现实。各种炼钢法均是间歇操作。在间歇反应器中，搅拌和混合是重要因素。无论是钢液或炉渣各相内的混合，还是各相之间的弥散混合，都靠加强搅拌来达到。在炼钢温度下的搅拌，是靠气体搅拌或电磁搅拌来完成。

展望       自1974年世界年产钢总量达到7亿t以来，一直在这个产量水平上波动。1995年总产量为7.12亿t，预计2000年达7.35亿t。这表明世界对钢的需求接近平衡。传统的主要产钢地区北美、西欧、日本、前苏联及东欧，钢铁产量已经停滞甚至逐渐萎缩，而快速发展中的东亚和东南亚地区钢产量则稳定上升。由于市场竞争日益激烈，一些发达国家如日本和欧共体诸国利用其技术优势，增加航空、石油等高技术水平工程用钢的生产和成套钢铁技术出口，虽然钢产量有所下降，炼钢技术仍在不断发展和创新。炼钢技术的发展主要在以下诸方面：为了进一步提高产品的纯净度，探求更有效地去除钢中杂质元素的方法；合理进行各工序功能的分解与组合，实现冶炼系统的优化；合理利用电能和各种热能，寻找更有效熔化废钢的方法；为了保护环境的需要，在废弃物利用、节约水资源及减少CO₂气排放等方面均有所进展。

炼钢反应的条件有不少是相互矛盾的，例如脱硅生成酸性氧化物而脱磷脱硫需要碱性渣；脱碳和脱磷需要强氧化条件而脱硫和脱氧适宜在还原条件下进行；脱碳要求高温而脱磷宜于低温进行等等。因此在同一个冶金反应器内不可能造成对所有反应都适合的条件，不如实行“分而治之”。现已公认在转炉之前进行铁水预处理、出钢后进行炉外精炼是降低钢中有害杂质的好方法。中国有一些共生铁矿资源，铁水中常有钒、钛、铌等元素，同时也含有较高的磷和硫，如何依据各种反应的条件，分步骤地提取其中的有价值元素，脱除有害元素，是值得研究改进的。

由于对工序的分解和组合，炼钢生产已经发展成为一个系统，需要用系统工程学的观点去研究和管理，而不应孤立地考虑某一个设备的工作。例如脱硫可以在高炉炼铁、铁水预处理、转炉、钢包精炼中进行，铁水含硫量又和焦炭、煤粉、烧结矿等原料有关。现在已能够把[S]降到10×10^-4％以下，问题是要根据原料条件和钢种要求，怎样把脱硫任务合理分配到各个工序，使脱硫成本最低，这是一个系统优化问题。又如随着高速连续铸钢、近终形连铸的发展，要求浇铸温度较高而且控制钢液温度更严格，为此应对钢液温度进行时间序列分析，使温度损失合理分配并且热损失达到最小，这也是系统工程问题。计算机的应用使这种分析控制有可能实现，而且不多增加设备，需要的代价很低。

短流程炼钢的优越性已开始广泛受到重视。随着废钢积累的增加，对废钢熔化的研究必然更加引起重视。在炼钢能源构成中，使用非焦煤和电能的趋向增大，而石油和天然气逐渐减少。在用电炉熔化废钢时，如何适当配合使用煤粉和氧，如何利用废气的余热，都是值得注意的。在废钢的预热和熔化中应用连续式操作，也有发展的潜力。为了有效利用电能，等离子冶金技术值得注意，等离子弧有极大的能量密度，且能方便地控制气氛性质，有利于控制冶金反应的条件。

炼钢工业的发展与扩充必须同时考虑保护环境的要求，新设计的工厂必须同时解决三废(废渣、废气、废水)处理问题。回收的炉渣和炉气作为再利用的资源，这已初步得到解决。随着地球上水资源的紧张日益突出，减少钢铁工业用水的问题必须更好地解决。二氧化碳排放造成的温室效应是环境保护中的重要课题，钢铁厂排放二氧化碳数量巨大，如何解决钢铁冶炼中减少二氧化碳排放量，是更难解决的环境保护课题之一。

总之，炼钢生产已经达到了很高的技术水平和巨大的生产能力。虽然发展炼钢业投资巨大而且不可能得到高利润，但由于钢在国民经济中的重要地位，随着国民经济的发展炼钢也必然继续发展，而且其技术水平还会进一步提高。