现代钢铁生产工艺的发展历程

信息来自：钢铁经济 · 作者： · 日期：13-02-2017

钢铁是现代工业中用量最大、应用最广和综合性能最好的金属材料。钢铁工业在人类社会活动中占有极重要的地位，工业、农业、交通、建筑及国防等工业建设均离不开钢铁。因此，人们认为钢鉄是一切工业的基础。一个国家的钢铁生产水平、产量、质量和品种基本上可以代表这个国家的工业和科学技术发展程度和人民的生活水平。

一、早期冶炼工艺

炼铁技术的发展经历了漫长的过程。人类最早使用的是熟鉄，人们在土坑里将木炭引燃并鼓入空气，在不高的温度下还原铁矿，得到海绵状的熟铁，经锻打可以制造工具。在世界历史上，中国、印度、埃及是最早用鉄的国家，也是最早掌握冶炼技术的国家，比欧洲要早1900多年。根据出土历史文物和考古专家的研究，中国殷代时期就有了铁器。远在2500年以前，中国已采用较大规模的冶铁鼓风炉，发明和掌握了冶铸技术，逐步由青铜时代过渡到铁器时代。

公元前200多年的战国时代，中国已经掌握了生铁脱碳技术，发明了“自然钢”的冶炼法，造出了非常坚韧而锋利的宝剑。东汉初期，南阳地区已经制造出水力鼓风机，扩大了冶炼生产规模，产量和质量都得到了提高，使炼铁生产向前迈进了一大步。北宋时期冶鉄技术进一步发展，由皮囊鼓风机改为木风箱鼓风，并广泛以石炭（煤）为炼铁燃料，当时的冶铁规模是空前的。在大通（山西交城西北）、徐州的利国、兖州的莱芜（山东莱芜南）、扬州的利安（河南安阳附近）设四监，全国设十二冶、十务、三十五场，经营冶铁业。当时规模最大的冶铁中心——利国监，设有三十六个冶场，工匠约四千人。元朝初年，意大利人马可波罗到了中国，看到了中国用“黑石”（煤炭）做燃料来冶铁，诧为奇事。

二、底吹空气转炉的发明

最早可以熔炼钢水的方法是1740年出现的坩埚法，它是将生铁和废铁装入石墨和黏土制成坩埚，内用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料铸成钢锭，但此种方法不能去除钢中的有害杂质。

第一次解决用铁水直接冶炼钢水这一难题的是1856年英国人H.Bessemer发明的底吹酸性空气转炉炼钢法。将空气吹入铁水，使铁水中锰、硅、碳高速氧化，依靠这些元素放出的热量将液体金属加热到能顺利地进行浇注所需要的温度，从此开创了大规模炼钢的新时代。由于采用酸性炉衬和酸性渣操作，吹炼过程中不能去除硫、磷，同时为了保证有足够的热量来源要求铁水有较高的含硅量。故只能用低磷高硅生铁做原料。由于低磷铁矿的匮乏（特别在西欧地区），这种炼钢方法的发展受到限制。1878年，英国人S.G.Thomas发明了碱性底吹空气转炉炼钢法（即托马斯法），用白云石加少量粘结剂制成炉衬，在吹炼过程中加入石灰造碱性渣，解决了高磷铁水的脱磷问题。这种方法特别适用于西欧一些国家，曾在德国、法国、比利时和卢森堡等国家得到充分发展。但空气底吹碱性转炉钢水中氮的含量高，炉子寿命也比较低。

三、平炉时代

十八世纪各国工业的迅速发展使全世界的废钢数量与日俱增，人们开始寻求废钢作为原料经过熔炼得到合格良锭的冶炼方法。1864年，德国人西门氏和法国人马丁同时发明了平炉。利用蓄热室原理以铁水、废钢为原料的酸性平炉法炼钢。于1880年继托马斯炼钢法以后，出现了第一座碱性平炉。由于碱性平炉能适用于各种原料条件，生铁和废钢的比例可以在很宽的范围内变化，解决了废钢炼钢的诸多问题，钢的品种质量也大大超过空气转炉，因此碱性平炉一度成为世界上最主要的炼钢方法，其地位保持了半个多世纪。随着钢需要量的不断增加，平炉容量不断扩大，二十世纪50年代最大的平炉容量已经达到900吨。但是平炉设备庞大，生产率较低，对环境污染较大。目前平炉炼钢已经基本淘汰。但第一次炼钢技术革新是以平炉取代底吹空气转炉为标志的。

四、转炉时代

二战之后，空气分离技术取得巨大成功。20世纪40年代初，大型空气分离机问世，可提供大量廉价的氧气，给氧气炼钢提供了物质条件。1948年，德国人罗伯特•杜勒（Robert.Durrer）在瑞士成功地进行了氧气顶吹转炉炼钢试验。1952年在奥地利林茨城（Linz），1953年在多纳维茨城(Donawitz)先后建成了30T氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以该法也称LD法。而在美国一般称作BOF（Basic Oxygen Furnaic）或BOP(Basic oxygen process)。这种方法一经问世，就显示出巨大的优越性和生命力。它的生产率很高，一座120吨的氧气顶吹转炉的小时产钢量高达160—200吨，而同吨位的平炉的小时钢产量在用氧的情况下为30—35吨，不用氧时仅为15—20吨。钢的品种多，可以熔炼全部平炉钢种和大部分电炉钢种。钢水质量好，转炉钢的气体和非金属夹杂物的含量低于平炉钢，深冲性能和延展性能良好。无需外来热源，原料实用性强，投资低而建设速度快。所以在很短时间内就在全世界得到推广。目前转炉钢的产量已达到世界总产钢量的70%左右。氧气转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法。第二次炼钢技术革新是以氧气顶吹转炉代替平炉为标志。

氧气顶吹转炉方法的出现，启发人们在旧有炼钢法中用氧，使它们获得新生。氧气底吹转炉法于1967年由德国马克希米利安公司与加拿大莱尔奎特公司共同协作试验成功。由于从炉底吹入氧气，改善了冶金反应的动力学条件，脱碳能力强，有利于冶炼超低碳钢种，也适于高磷铁水炼钢。1978年，法国钢铁研究院（IRSID）在顶吹转炉上进行了底吹惰性气体搅拌的实验并获得成功。1999年，日本住友金属发表了转炉复合吹炼的报告。由于转炉复合吹炼兼有底吹和顶吹转炉炼钢的优点，促进了金属与渣、气体间的平衡，吹炼过程平稳，渣中氧化铁的鉄含量少，减少了金属和铁合金的消耗，加之改造容易，因此该炼钢方法在各国得到了迅速推广。

五、电炉出世

1899年，法国人赫劳特研制炼钢用三项交流电弧炉获得成功。由于钢液成分、温度和炉内气氛容易控制、品种适应性大，这种方法特别适于冶炼高合金钢。近年来由于电弧炉容量的扩大（目前最大的电弧炉容量已超过400吨），国外一些大型电弧炉已用于冶炼碳素钢，是当前主要炼钢方法之一。

随着电炉炼钢生产的发展，作为主要原料的废钢，在供应数量和价格方面都相当不稳定，成为电炉炼钢发展的瓶颈，人们不得不寻找废钢的代用品。中国是世界上废钢消费量较大的国家之一，但所产钢材40%左右是建筑和结构用钢，很难产生废钢，钢铁产量增长的金属来源主要铁矿石，同时依靠进口外国废钢（如美国、日本等国）。由于废钢资源紧缺，供需不平衡，废钢市场价格长期保持在高位运行的态势，因此解决电炉所用金属料的问题已经越来越突出。在当前的技术条件下，我们尚不能对钢铁原料的回收周期及数量进行准确预测，更加剧了废钢供应的不稳定性。

六、直接还原鉄技术

用直接还原鉄做原料的电炉炼钢新工艺，比高炉、转炉传统工艺流程的投资、原料和能源费用均低。直接还原鉄技术的新发展，为电炉提供了优质原料，弥补了当前废钢数量的不足。从长远来看，可使电炉摆脱对废钢的绝对依靠，实现炼钢工业完全不用冶金焦。另外，生产灵活，可以利用天然气、石油、普通煤和电作为电炉热源和还原剂。这为缺乏煤焦煤而富产天然气的国家发展钢铁工业创造了条件。因此无论是发展中国家（如委内瑞拉、墨西哥、印度、伊朗等）或工业发达国家（如美国、德国、加拿大等）都根据本国资源和能源特点，建设了一批直接还原鉄——电炉炼钢新型联合企业。

七十年代人们认为直接还原鉄——电炉炼钢这种类型的企业，规模在年产100万吨以下在经济上才是合理的。但其后的实践证明，年产200万吨以上规模的直接还原鉄——电炉炼钢企业在经济上仍优于传统的高炉、转炉企业。因此，七十年代后期，伊朗建成了年产250万吨直接还原鉄——电炉炼钢企业。

（本刊特约稿件，作者系唐山奥特斯窑炉有限公司工艺二部经理、工程师）

中国社会科学网