炼钢技术发展简史

钢是人类社会使用范围最广和最多的材料。

中国的钢铁产量超过10亿吨，这里的产量是粗钢产量：现代钢铁工业的规模是以粗钢产量来衡量的。

实际上，钢的大规模生产和应用比铁晚了很多，从铁轨、铁甲舰等名称上就可以看出来。

根源在于现代炼钢技术的出现晚于现代高炉炼铁技术。

在介绍炼钢技术的发展前，我们先简单了解一下现代钢铁工业的生产流程和主要的钢铁产品：

现代钢铁工业的生产流程主要是三个步骤：炼铁——炼钢——轧钢。

钢铁工业的主要产品：

1、生铁：

是指含碳量大于2%的铁碳合金，工业生铁含碳量一般在2.11%-4.3%。

高炉冶炼后的产品就是生铁。

生铁坚硬、耐磨、铸造性好；但生铁脆，不能锻压。

2、钢：

钢，是指含碳量质量百分比在0.02%至2.11%之间的铁碳合金。

钢是将生铁进一步冶炼之后获得的产品，冶炼过程主要是降低碳含量并去除其它有害元素。

目前我们广泛使用的材料是钢。

3、熟铁：

熟铁是指用生铁精炼而成的比较纯的铁。

熟铁的含碳量约在0.02%以下，又叫锻铁、纯铁。

熟铁强度和硬度均较低，塑性好，延展性好，可以拉成丝，容易锻造和焊接。

早期的炼钢技术：搅炼法

早期的炼钢技术主要有搅炼法、坩埚连钢法、渗碳法等。

这些炼钢技术的共同特点是：钢产量低，生产成本高。

因此虽然钢的性能比生铁优越很多，但无法大规模生产和使用。

搅炼法：又称普德林法(puddling process)是工业革命初期英国大规模生产熟铁的冶炼方法。搅炼法炼钢就是反射炉的炉床搅动熔融生铁，利用环流空气的氧来降低生铁中的碳含量。

英国工业家柯尔特是生铁搅炼法发明者，在1784年取得搅炼法专利。

搅炼炉中燃料燃烧后形成的长火焰送入炉内，靠炉顶的反射作用加热生铁，炉底用铁的氧化物砌筑，由于火焰中的过剩氧和炉底的氧化铁使生铁中的碳和磷被氧化去除。

但搅炼炉的炉温只有约1400℃，生铁中的碳脱除到一定程度后，熔点超过炉温，金属呈半凝固状态，要靠人力搅拌才能使冶炼继续进行。

搅炼法的主要缺点：

1、用搅炼法难以控制铁水中的含碳量，即把殘留的含碳量控制在0.5~1.2%钢的含碳量范围内。

2、产量低。

通常每炉加热1.5小时左右，每工作班12小时，可加热5-7炉。

搅炼炉装料一般较少，一般在100-150公斤之间，最多不超过250公斤。

3、铁的损耗大。

冶炼过程中由于温度不够高，无法使铁水处于液态，导致铁水中的杂质不易分离。

搅炼法生产过程中的炉渣通常是含铁多的铁橄榄石，固态残渣的分离会带走大量的铁，因而冶炼过程中铁的损耗很大，一般占金属装料量的7-18%。

4、劳动强度大，钢铁工人的劳动条件恶劣。

搅炼法需要工人在高温下搅动熔融的铁水，这种劳动条件和劳动强度可想而知。

搅炼法是现代炼钢技术诞生之前产量最大的炼钢生产方法，曾达到相当大的生产规模，当然无法与现代钢铁工业的生产规模相比。

19世纪中期欧美各国用搅炼法生产的锻铁铺筑的铁路达到7万多公里。

但由于半凝固态冶炼的根本弱点——劳动条件恶劣和熟铁品质差，在贝塞麦转炉炼钢法诞生后，搅炼法即被迅速淘汰。（中国大百科全书）

除了搅炼法之外，渗碳法、坩埚法都是早期使用的炼钢技术。

早期的炼钢方法都不成熟，都有产量低、成本高的特点。

英国是当时世界上最大的钢铁生产国：1850年前后英国铁的产量约为250万吨，而钢的产量却不到6万吨。

造成这种差别的原因是钢的生产成本太高。尽管人们对工艺过程进行了许多改进，但是炼钢过程仍然是很费力的，而且很不经济，钢材一直是非常短缺而又昂贵的材料。

转炉炼钢法

——贝塞麦转炉炼钢

什么是转炉炼钢法？

转炉炼钢法就是把空气从转炉底部吹入熔融的铁水中，利用空气中的氧和铁水中的碳发生反应来降低铁水的碳含量。

转炉炼钢法诞生于19世纪中叶，英国人贝塞麦(Henry Bessemer)和美国人凯利(William Kelly) 几乎同时发明了这种炼钢技术。

贝塞麦观察到用反射炉熔化生铁时，鼓风机吹入的强劲气流使得一些铁块在熔化前就脫碳了。这是一个重要发现：空气能够降低生铁中的碳含量！

随后他尝试着把空气鼓入盛着铁水的坩埚中去，并于1856年在伦敦建造了一座可容纳350公斤原料的固定式酸性转炉进行试验。

试验是成功的，贝塞麦发明了一种全新的炼钢方法。

此后，贝塞麦进一步改进了炼钢炉：进一步扩大炉子的容量，并将炉子改为可以转动，制作了每炉可炼5吨铁水的可倾式转炉。

转炉炼钢法至此诞生了！

贝塞麦的发明是革命性的！

贝塞麦转炉炼钢包括补炉和铸锭的时间在内冶炼每炉钢水需要一小时，而坩埚炼钢每4-6小时炼50公斤，搅炼法每2小时炼250公斤。

贝塞麦转炉每次冶炼的铁水水量远远超过了坩埚炼钢和搅炼法，并且转炉的容积还可以不断扩大。

因此英国国内外的铁匠和钢铁厂都纷纷要求获得采用此法的许可证。

1851 年凯利建造了第一座转炉，用他自己发明的新方法来炼钢，并在以后的5年里他又秘密建造了6座这样的转炉。但他一直到1856年才申请专利，这时他已经知道英国人贝塞麦因发明了同样的工艺而获得了一项美国专利。

由于凯利申请专利的时间晚于贝塞麦，导致贝塞麦更为人所熟知，转炉炼钢法也更多的与贝塞麦的名字关联在一起。

最初用转炉炼钢法生产出来的钢含有许多气孔，而且很脆，这是由于钢水中的氧含量过多导致的。

转炉炼钢的这个缺陷很快被英国人马希特解决了，马希特的补救方法是往钢水中添加镜铁。

镜铁是一种锰铁合金，它具有脱气作用，因而能够去除在转炉炼钢工艺过程中引入的过多的氧。此外镜铁还是一种渗碳剂，用它可以调节钢中的碳含量，单靠转炉炼钢法是不能令人满意地达到这种目的的。

转炉炼钢法的优点

1、工艺简单：转炉炼钢只需用鼓风机将空气鼓入转炉即可。

2、炼钢时间短：炼钢过程只需要几十分钟，包括补炉和铸锭也只需要一小时。

3、生产规模大：转炉炼钢一次能处理数吨铁水，这与坩埚炼钢的每次几十公斤和搅炼法每次数百公斤的处理量相比，转炉炼钢的生产规模有了质的提高。

此外，转炉的容积还可以继续扩大，转炉炼钢的数量终于能赶上高炉的产量，并使得钢产量能够赶上并超过生铁产量。

4、生产成本低。

转炉炼钢法的不足

世界上大部分铁矿石都含有磷元素，而贝塞麦转炉无法有效去除铁水中的磷。

对大规模制钢来说，仍存在着一个困难需待解决，后来通过使用碱性炉衬部分解决了这个问题。

贝塞麦转炉炼钢法的推广

在英国以外，最先引入贝塞麦转炉的是法国，大约在1858年在吉伦特省的圣瑟兰建造了贝塞麦转炉。

德国的克虏伯(Alfred Krupp)在埃森建立了一座贝塞麦转炉，于1862年开始投入生产。

1863年奥地利在施蒂里亚州的图拉赫建造了一座贝塞麦转炉。

1864年，美国在密歇根州的怀恩多特开始根据凯利的专利生产贝塞麦钢。

中国的第一批炼钢转炉是1891年汉阳铁厂修建的两座5.5吨的贝塞麦转炉。

平炉炼钢法

——西门子-马丁炉

在贝塞麦公布发明转炉炼钢法的同一年，一位德裔英国人F.西门子(Frederick Siemens，1826-1904)因他的蓄热法新发明而取得了一项英国专利。蓄热原理是F.西门子和他哥哥 C.W.西门子(Charles William Siemens，1823-1883)发明的平炉炼钢工艺的本质特征。

1861年，西门子发明一种与炼钢炉完全分离的煤气发生器，从而把固体燃料转换为气体燃料——这是至关重要的一步：用煤气代替焦炭作燃料。

1864年，在西门子指导下，法国人马丁改造了炉体，用废气预热的蓄热炉将空气和燃料进行预热以提高炉温，将生铁和废钢炼成了优质钢。

由于其炉体形状低平，又有一个比较平展的熔池，故常被称为“平炉”，亦称“西门子—马丁炉”。

平炉炼钢法也因此被称为西门子-马丁炼钢法。

平炉炼钢法可以看成是搅炼法的升级：

第一，平炉使用煤气取代煤炭作为燃料，减少了煤炭中有害元素对炼钢的污染。

第二，进入平炉燃烧的气体经过预热，燃烧后达到的温度大大高于搅炼炉，使得平炉内的钢水可以一直保持液态。

由于燃料气体经过预热，炉内火焰的温度大大上升,高达1650℃左右。

平炉炼钢法的优点：

1、炼钢过程的可控程度高。

平炉炼钢法一直保持高温，使金属在整个冶炼过程中总是处于熔融状态。

2、平炉炼钢可以使用废钢和廉价的低质煤，显著降低了生产成本。

3、生产规模大：平炉炼钢单次的装料量最初就有几十吨，此后不断增长，最大可达五六百吨。

平炉炼钢法的冶炼时间较长，最初每炉约需24小时。

但是平炉的熔池大，每炉可产上百吨钢水，故产量高。

此外，它所用原料既可用生铁、铁水，也可用废钢、铁屑、熟铁和矿石，便于废钢铁的回收。

平炉炼出的钢均匀，质量稳定，可生产优质钢。

平炉炼钢法取得了巨大的成功！

1900年以后不久，西门子-马丁炼钢法在生产中的应用已大大超过了贝塞麦炼钢法。

以平炉为主，转炉为辅的炼钢体系在世界各地迅速得到发展。

平炉炼钢自1864年法国人P.马丁利用有蓄热室的火焰炉，用废钢、生铁成功地炼出钢液起，直到1960年一直是世界上的主要炼钢方法 ，从60年代起平炉逐渐被氧气转炉和电炉炼钢所代替。

全球钢产量的快速增长

随着转炉炼钢法和平炉炼钢法的发明，全球的钢产量开始快速发展，钢取代了铁成为广泛使用的材料。

19世纪70年代是炼钢方面的所有重要技术取得全面进展的时期,是影响全世界钢铁工业的产业变化时期。最引人注目的特征是19世纪最后的30年中,世界的钢产量出现了巨大的增长。

1870年,全世界钢的年产量略多于50万吨,而到1900年几乎增加到了2800万吨。

美国钢产量的增长比其他任何地方都更为令人瞩目。

1867年，美国的炼钢工业刚刚开始发展，那时的年产量大约为2.2万吨。

1873年，美国的钢产量不足20万吨，而英国则为65万吨,是美国的3倍多。

从1889年起，美国的钢铁生产在世界上就处于领先地位，并且从此以后一直大大超过英国。

1900年，美国的钢产量增长到1140万吨，英国的钢产量仅仅增长到490万吨左右，不到美国年产量的一半。

从那时起，另一个超过英国而成为世界上第二大产钢国的国家是德国。当时，德国钢的年产量达到了800万吨以上。这种增长速度非常引人注目,因为在1850年,德国的钢产量还不足1.2万吨。（来源：技术史-第5卷，19世纪下半叶）

氧气转炉炼钢

炼钢的本质是降低铁水中的碳含量。

不论是贝塞麦转炉还是西门子-马丁炉，炉内与碳反应的主要成分是氧气。

因此钢铁工业一直都有直接利用氧气来炼钢的想法和尝试。

20世纪30年代，林德(Linde)和弗伦克尔(Frankl)发明了工业制氧的方法，能大量生产廉价的工业用纯氧(“工业用氧”)。

1949年在奥地利林茨建立了小型氧气炼钢试验厂。在这个试验厂中,熔融金属和废钢装进实底的桶形炉中,并用通过炉口插入的水冷式喷枪把高纯度的氧气向下吹入熔池，试验取得了不错的效果。

1950年，在奥地利的林茨和多纳维茨，许多商业工厂开始投产，因此氧气顶吹转炉炼钢法又被命名为L-D法。

在林茨厂和多纳维茨厂对5吨和15吨转炉做了进一步的试验之后，1952年11月林茨厂第一个转炉车间投入了生产，随后在1953年5月多纳维茨厂的转炉试验厂投入了生产。

多纳维茨试验厂的转炉是由德马克机器和设备制造公司供货的。

氧气顶吹转炉的优势：

1、生产效率高。

平炉炼钢需要10~20个小时，氧气顶吹转炉炼钢只需要几十分钟。

氧气顶吹转炉的高效率使其能够连铸技术配套，在连铸技术成熟后对平炉炼钢的优势更是进一步扩大。

2、生产成本低。

氧气顶吹转炉无需额外提供热量，而平炉在炼钢过程中需要持续提供热量以保持炉内温度，因此平炉炼钢的成本更高。

在奥地利之后，第二个大规模采用氧气顶吹转炉炼钢技术的国家是日本。

50年代日本的钢铁工业才刚刚从废墟中走出，生产面临重重困难。特别是日本钢铁工业缺少废钢原料，限制了平炉炼钢的产量。

氧气顶吹转炉炼钢不需要废钢，很适合日本钢铁工业的需求。

日本也成为首个完全用氧气顶吹转炉替代平炉炼钢的国家。

炼钢技术发展过程的启示

虽然人类社会使用钢铁材料已有几万年的历史，但是现代炼钢技术的诞生不过一百多年的时间。

但在这短短一百多年的时间里，新技术带来的生产力进步是惊人的。

1875年，全世界的钢产量不过190万吨，此时尚远远低于1400万吨的生铁产量。

从1914年开始，全世界的钢产量开始稳定的超过生铁产量，钢成为最主要使用的钢铁材料，此时全球的钢产量为6070万吨。

第二次世界大战前，全球钢产量最多的年份是1943年，钢产量为1.59亿吨。这是平炉炼钢工艺时代的顶峰。

50年代后随着氧气顶吹转炉技术的成熟，全球的钢产量又上了一个台阶。

在平炉炼钢使得，全世界每10年的钢产量增量只有几千万吨；在氧气转炉使得，全世界每10年的钢产量增量超过1亿吨，最多达到2.59亿吨。

全世界的钢产量在80年代超过7亿吨。从1亿吨到7亿吨，其中绝大部分的增长都是氧气顶吹转炉带来的。

21世纪全球的钢产量增长到仅20亿吨，主要的增量是中国贡献的，中国采用的炼钢技术主要也是氧气顶吹转炉炼钢技术。

发展生产力，核心是技术进步。

技术进步不仅能够带来生产效率的显著提升，同时还能够降低成本。

在钢铁工业的发展史上，我们可以清晰的看到这一点。

参考文献：

1、《世界冶金发展史》

2、《技术史第4卷：工业革命》

3、《技术史第5卷：19世纪下半叶》

4、《技术史第6卷：20世纪，1900~1550 上部》

5、《技术史第7卷：20世纪，1900~1550 下部》