炼钢技术的发展历程

金灿灿

张立峰
(北方工业大学机械与材料工程学院， 北京 100144)

01  摘 要

全面回顾了炼钢技术的发展历程。炼钢技术从19世纪50年代开始，发展至今已有170多年，经历了贝塞麦炼钢炉、平炉、氧气炼钢炉和电弧炉几个主要阶段。1850年代英国人贝塞麦发明了底吹空气的酸性转炉炼钢工艺，空气进入炉底气室然后通过透气砖进入钢液熔池，该技术因为酸性内衬而无法冶炼高磷铁水。19世纪70年代，英国人托马斯发明了碱性耐火材料和碱性炉渣的底吹空气转炉炼钢技术，实现了钢液的脱磷且脱磷在脱碳后进行。19世纪60年代，英国人西门子和法国人马丁分别发明了在高温蓄热室结构的炉子内使用铁矿石为氧化剂实现铁液脱碳的炼钢过程，即“西门子-马丁炉炼钢工艺”，又称为平炉炼钢技术，冶炼过程渣钢分离，脱磷在脱碳之前进行，钢中氮含量低，冶炼炉容积可以达到几百吨，可以使用废钢，该技术于20世纪初全替代了贝塞麦的底吹空气转炉炼钢技术。1949年，杜勒教授成功完成了顶吹氧气转炉炼钢的试验，并促进奥地利的Linz和Donawitz炼钢厂在1952年开始进行顶吹氧气转炉炼钢的工业实践，称为LD工艺，随后该工艺在欧美等发达国家广泛推广，在美国被称为氧气碱性转炉炼钢技术，简称BOF工艺。20世纪90年代以后，欧美发达国家的平炉炼钢技术完全被顶吹氧气转炉技术替代。底吹氧气炼钢技术和顶底复吹技术从20世纪60年代开始出现并被逐渐推广。19世纪70年代，西门子建造了第一座试验用的炼钢电弧炉，20世纪初，美国建造了世界上第一座三相埃鲁电弧炉并开启了电弧炉炼钢实践。熔化废钢和合金的感应炉技术从19世纪80年代开始出现，20世纪20年代真空感应炉开始工业应用。中国的炼钢技术起步很晚，1949年产钢不足16万t，1964年在首钢诞生第一座氧气顶吹转炉，最近30年来，中国的炼钢能力和炼钢技术都得到了飞跃式发展，粗钢年产量已经达到10亿t以上，占世界总产量的50%以上，正在从钢铁大国向钢铁强国迈进。

02 关 键 词

炼钢；贝塞麦底吹酸性炼钢工艺；碱性贝塞麦炼钢工艺；平炉炼钢工艺；氧气转炉炼钢工艺；电弧炉炼钢工艺

03  引 言


钢是人类现在和将来使用和赖以生存的最重要的材料之一，轻质化、强度和韧性俱佳、长寿命是钢铁材料最重要的性能。高品质钢所谓的“品质”包括4个方面内容，即洁净化、精准化、均质化和细晶化。洁净化主要指钢的洁净度的控制，也就是洁净钢的概念。洁净钢一般包括两方面内容：一是钢中非金属夹杂物的控制；二是钢中杂质元素的控制。杂质元素既包括钢中的氧、氮、磷、硫、氢，对于某些钢种还包括碳(如IF钢)，也包括锌、锡、铅、锑、铋、砷等金属杂质元素。精准化指钢液成分的窄窗口控制，包括合金成分的精准控制，例如钢液的精准钙处理。均质化主要是指元素的偏析以及各种析出相的均匀分布。细晶化主要指钢的晶粒要细化、要均匀。洁净化涉及铁水预处理、炼钢、炉外精炼、连铸和轧制的全过程；精准化主要在炼钢和炉外精炼阶段实现；均质化和细晶化主要在连铸和轧制阶段实现。所以，高品质钢的成功制备和炼钢、炉外精炼、连铸和轧制的全流程都紧密相关。
“炼钢”可以定义为把铁水中的碳控制在所要求的范围内并去除高炉铁水带来的杂质元素，或通过熔化炉(一般而言是电弧炉，electric arc furnace—EAF)把废钢或其他形式的铁熔化并去除其中的杂质元素。目前，世界上绝大部分炼钢工艺是氧气转炉炼钢过程(basic oxygen steelmaking furnace—BOF)，其次是电弧炉炼钢过程，还有一些其他的炼钢新技术，而平炉炼钢技术(open hearth steelmaking)已经基本被淘汰。BOF路线主要是通过氧化脱碳生成CO去除铁水中的碳，而硅、锰、磷和硫等其他元素主要通过传递到渣相的方式去除。炼钢炉冶炼完毕之后，钢液出钢进入钢包，进入炉外精炼阶段。
目前大宗钢铁材料的炼钢流程基本采取“铁水预处理→炼钢→炉外精炼→连铸”或“废钢熔炼→炉外精炼→连铸”的现代炼钢工艺流程。广义上的炼钢过程包括铁水预处理、铁水或废钢转换为钢液的冶炼、钢液的炉外精炼和随后的连续铸钢或模铸全过程；而狭义上的炼钢过程仅仅指铁水或废钢转换为钢液的冶炼过程。

04 精 选 图 表





05  炼钢工艺的进展

世界的粗钢产量和各种炼钢工艺的比率随年代的变化如图20所示。过去40年里，世界范围内转炉炼钢产量从55.8%增加到73.2%，电炉炼钢产量从20.8%增加到26.3%，平炉炼钢产量从23.0%降低到0.3%，其他炼钢产量约占0.2%。过去30年里，在中国，转炉炼钢产量从58.9%增加到90.8%，电炉炼钢产量从21.1%降低到9.2%，平炉炼钢产量从19.8%到2003年完全淘汰，其他炼钢产量也基本不计算在内了。在美国，1955年平炉钢产量占总钢产量的90%，1975年顶吹转炉钢产量占62%，1991年平炉完全淘汰，2020年电炉钢产量占70.6%。目前中国、日本、韩国和巴西都是以转炉炼钢为主，前苏联国家、东欧和印度在20世纪80年代内还主要以平炉为主，现在也在更新换代。
中国的粗钢产量和各种炼钢工艺的比率随年代的变化如图21所示。中国最早的炼钢平炉建于1890年，在上海的江南制造总局建成了3 t和15 t酸性平炉各1座，2000年代以后，平炉在中国被转炉彻底替代。中国第一座30 t氧气顶吹转炉于1964年诞生在首钢集团的前身石景山钢铁厂。1949年新中国成立时，中国只有15.8万t钢，占世界钢产量的0.1%，每家平均连打把菜刀都不够；1978年中国改革开放时粗钢产量只有3 178万t，占当年世界粗钢产量的4.4%；改革开放后1986年突破5 000万t，1996年粗钢年产量突破1亿t，成为世界最大的产钢国和消费国。2021年粗钢产量达到10.33亿t，占当年世界粗钢产量的55%以上。目前国内最大转炉已达350 t，最大电炉已达220 t，最大电渣重熔炉已达450 t，最大的真空感应熔炼炉已达13 t。从2000年开始，由于中国转炉钢产量的大幅上升导致电弧炉炼钢总产量缓慢降低。可以预测，在将来的30年里，随着中国电炉炼钢产量的飞跃提升，世界上电弧炉炼钢总产量将持续上升，在炼钢界形成转炉和电弧炉共存的时代，而且转炉炼钢技术和电弧炉炼钢技术都会持续改进，例如转炉将会增加废钢的使用量，而电炉将增加吹氧量且可以增大铁水使用量，能够诞生BOF-EAF的电转炉混合技术。
最近20年来，中国在世界钢铁行业的地位显著提升，钢铁产品的进出口格局也发生了根本性的变化，彻底结束了中国钢材“供不应求”的历史。这有力推动了中国工业化和现代化的进程，显著增强了综合国力，支撑了世界大国的地位，对中国成为制造业大国功不可没，有力地支撑和推动了国防工业、石油工业、造船工业、基础建设和装备制造业的发展。中国正稳步从钢铁大国向钢铁强国迈进。
来源：《钢铁》2022年第12期

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坚定的毛桃

学习了，受教。