氧氣煉鋼技術67年發（fā）展曆（lì）程 | 認識氧氣煉鋼技術起源 & 發展階段

在英國（guó）發明家貝塞麥（mài）於1856年開發出噴吹空氣轉（zhuǎn）爐之後，首次提出用純氧代替空氣噴吹冶煉。在（zài）貝塞麥（mài）的轉爐中，空氣通（tōng）過轉爐底部一係列耐材噴嘴吹入轉爐。貝塞麥意識到空氣中的氮不利於鋼水的性能，限製了（le）轉爐煉鋼種類及其應用。但是，貝塞麥轉爐由於缺少氧氣規模供應，他的建議沒有（yǒu）得到商業化應用。

盡管德國工程師卡爾馮（féng）林德1895年就通過分離液化空氣（qì）得到氧（yǎng）氣，但是大規模生產氧（yǎng）氣的設備在二戰後才得到發展。戰（zhàn）後（hòu），德國把戰爭期間過剩的廠房都用來做轉爐煉鋼的試驗（yàn）廠房，並在貝塞麥（mài）轉爐上第一次嚐試用純氧（yǎng）代替空氣底吹煉鋼，但是由（yóu）於高溫，噴嘴（zuǐ）磨損嚴重。

在某種程度上，可以用吹入蒸汽、CO₂或者碳氫化合物代替（tì）氧氣，二氧化碳被證（zhèng）明過於昂貴，但是蒸汽和碳氫（qīng）化合（hé）物可以用於商業用途。

20世紀50年代後期到60年代初期，在英國塔爾伯特港，低氮工藝被用在底吹蒸汽和氧氣混合氣體的轉（zhuǎn）爐（lú），蒸汽分解（jiě）的吸熱反應冷卻了噴嘴區域（yù），因此提高了底吹噴嘴的壽命、鋼水澆鑄稱鋼錠（dìng）的過程中產生的氫氣（qì）導致（zhì）沸騰鋼的形成，而低氮含量使鋼錠軋製成適合深衝應用（yòng）的帶鋼，例如可以用於汽車車身的板材。低氮含量（liàng）還可以防止儲存期間軋（zhá）製帶鋼的老化，而帶鋼（gāng）軋製使得氫（qīng）（澆鑄時引起氣泡）向（xiàng）金屬內擴散出去。但（dàn）是，鋼的（de）沸騰性質使得連續澆鑄很難，這（zhè）時就需要更多的研究和改進。

20世紀60年代中期，加拿（ná）大的蒙特（tè）利爾空氣（qì）液化公司開發（fā）了一種可以通過管道中心同軸噴嘴噴吹氧氣的工藝，氧氣中混入碳氫化物。吸收的熱量（liàng）可以用於分解碳氫化物，包括（kuò）丁烷（126KJ/mol）、丙烷（104KJ/mol）、甲烷（75KJ/mol），這些可以保護噴嘴（zuǐ）。

1967年（nián）在德（dé）國，第一次（cì）把氫氣用在馬克西米利安公司的底吹轉爐，該轉爐底吹噴嘴用的（de）是（shì）空氣液化公（gōng）司開發的環形噴嘴。1971年這項工藝（yì）被馬克西米利安公司授權同意美國鋼（gāng）鐵公司采用（yòng），美國鋼鐵公司將該工藝（yì）命名為底吹轉爐Q-BOP。底吹轉爐Q-BOP是當時美國鋼鐵公（gōng）司董事長Edwin H Gott命名的，而Q的意思未被證實，但普遍認為Q代表安靜或（huò）者質量，BOP代表氧氣（qì）工藝。

同年法國文代爾—西代爾公司和工廠建造者Sprunck公司與（yǔ）克勒索盧瓦爾工廠共同開發了另外一種不同的工藝，此工藝（yì）使用燃料油來保護碳（tàn）氫化物。這三家公（gōng）司將這個新工藝命名為LWS。

從1947年開始，歐（ōu）洲試驗通過（guò）噴槍將純氧高（gāo）速噴入轉爐比（bǐ）通（tōng）過底吹噴管噴入的效果要（yào）好。其目的是（shì）熔體脫碳，同時產生的爐渣（zhā）和金屬（shǔ）緊密混合作為脫磷手（shǒu）段之一（yī），而磷普遍存（cún）在於歐洲（zhōu）大多數的礦石中。

瑞典多姆納維特廠布卡林（lín）教授開（kāi）發了（le）卡爾多轉爐煉鋼工藝，此工藝（yì）在熔體上方用氧槍吹氧的同（tóng）時（shí），與水平麵成20°的圓柱形（xíng）爐體可以快速的旋轉（轉速40rpm）。然而要使金屬（shǔ）和爐渣混（hún）合均勻，轉爐耐火材料內村磨（mó）損較高（最大90爐次），由於需要有旋轉300t重量的動力使驅動係統要承受相當大的負擔，表麵以大約30mile/h（48km/h）的速度運動，因此這個工藝過程相對緩（huǎn）慢（100t轉爐產出60t/h，冶煉周期90min）。此（cǐ）工藝的主（zhǔ）要優點是廢鋼（gāng）能比其他工藝多吃50%，也（yě）能處（chù）理高磷鐵水。十九世（shì）紀六十年代中期，瑞士鋼鐵有限公司引進該工藝，盡管該工藝也可以冶煉含鎳鋼，但最後因沒有商業化而被淘汰。

德國奧博豪森開發了羅（luó）脫（tuō）轉爐煉鋼（gāng）工藝，該工藝也使用一個可以旋（xuán）轉（zhuǎn）的爐體，但（dàn）是（shì）在水平（píng）方向可以很慢的速度旋轉，有兩支氧槍，一支在（zài）熔體上麵，另外一支（zhī）插入熔體吹氧。相比卡爾（ěr）多工藝這種羅托轉爐可以更（gèng）好的提高耐材壽命（mìng）（110t轉爐可達130-150爐次），因為氧（yǎng）槍的位置可以（yǐ）沿著轉爐的（de）軸線移動以均衡耐材磨損，另外，整個轉爐可以反轉（zhuǎn）旋轉和從另外一端吹氧來進一步均衡耐材磨損。然而，由於驅動係統複雜、維護費（fèi）用昂貴和生產率（30-70t/h）低，當時隻有很少的國（guó）家建造了此轉爐，例如英國、德國（guó）和南非。

奧地利也開發了（le）一種新工藝，該工藝在轉爐中用頂槍將氧氣以超音速吹到熔融金屬/爐渣混合物的表麵，轉爐可以傾斜但是不能旋轉。這個方法最終獲得了成功，並被命名為氧氣頂吹轉爐煉鋼。這個名字源於兩（liǎng）個首先開發和使用此工藝的地方林茨（Linz）和（hé）多納維茨（Donawiz），或者可能源於德語（yǔ）的描述“Linz Dusenverfahren”（林茨噴射工藝）。

氧氣頂吹轉爐煉鋼在今天仍被（bèi）稱（chēng）為堿性氧（yǎng）氣煉鋼（BOS）（堿性是指轉（zhuǎn）爐耐火材料內襯的化學性質，通過加入石（shí）灰溶劑使轉爐能處（chù）理含磷鐵水。）或堿性氧氣轉爐（BOF）；堿（jiǎn）性氧（yǎng）氣（qì）工藝（BOP），或者有時簡稱為轉爐煉（liàn）鋼。

自從1952年氧氣頂吹轉爐煉鋼商業化投產以來，開發出了（le）許（xǔ）多變種工藝：

◆ 堿性頂吹氧氣煉鋼法LD-AC，在盧森堡和比（bǐ）利時“AC”代表阿爾貝德鋼鐵製造商和其冶金研究中心，與奧鋼聯公司以前開發了噴吹石灰處（chù）理高磷礦石冶煉（liàn）鐵水（shuǐ）工（gōng）藝。
◆ 轉爐複合吹煉鋼法LD-CL，“CL”代表回轉氧槍，當時日本鋼管公司（現在JFE）開發的一個工藝。
◆ LD-HC，比利時的艾諾桑（sāng）布爾公司冶金研究（jiū）開發的頂底複合吹煉工藝。
◆ 轉爐底吹氧複合（hé）吹煉鋼法LD-KGC，當時的日本鋼鐵公司（目（mù）前為JFE）開發的轉（zhuǎn）爐底吹氧（yǎng）複合吹（chuī）煉鋼法。
◆ 轉爐頂底複合吹煉鋼法LD-OB，當時新日鐵（tiě）開發的複合吹煉生（shēng）產工藝。
◆ 轉爐氧（yǎng）氣頂底複合吹煉鋼法LD-OTB，當時的日本神戶製鋼開發的轉爐氧氣頂底複合吹煉鋼法（fǎ）。
◆ LD-RH-OB，結合真空脫氣（RH）的兩步驟法轉爐煉鋼法。

在世（shì）界（jiè）的一些地區氧氣轉爐煉鋼和貝塞麥轉爐一直共存至1981年，但是在歐洲止於19世紀70年代，使用情況見（jiàn）表1。

堿性氧氣轉爐煉鋼工藝是第一個被開發者商業化應用的工藝，奧地（dì）利奧鋼聯公（gōng）司於1952年（nián）在林茨和1953年在多納維茨建造了使用該工藝的（de）轉爐。1954年加拿大安大略省哈密爾頓Dominion鑄造廠（chǎng）是第一個在奧地利之外使用該工藝的。19世紀60年代初，印度是亞洲第一個擁有轉爐工藝煉鋼廠的國家，在德國（guó）和奧地利的援助下建在洛爾克拉鋼鐵廠。

自（zì）此，氧氣轉爐煉鋼（gāng）得到快速發展，而平爐煉鋼開始下降，如圖1所示（shì）。氧氣轉爐煉鋼發展超過平爐煉鋼的一個重（chóng）要因素是連鑄技術的引進。連鑄要求鋼水源源不斷供應，而（ér）氧氣轉爐的工藝（yì）時間比較短，能很容易（yì）地滿足連鑄的鋼水供應，一個大轉爐（350t）的產鋼速度為500t/h。與此相對照，如果平爐常規操作，煉鋼至出鋼需要12-14h，或者如（rú）果借助工業用氧加（jiā）速也需（xū）要7-8h。目前在烏克蘭、俄羅斯和印度仍（réng）然存在一定數量的平爐冶煉。這些爐子正逐步被電弧爐取代，2012年（nián）平爐工藝總產鋼量1690萬t，約占全球鋼產量的1.1%。

第（dì）一代轉爐隻能處理磷（lín）含量相對低的鐵（tiě）水，最大磷含量不（bú）能超過（guò）0.4%。後來由於解決了粉狀石灰和氧氣共同注入這個難題（tí），使得處理鐵水的磷含量可以達到2%。這個工藝叫（jiào）做LD-AC，該工藝（yì）後來再（zài）奧地利、比利時、盧森堡和法國鋼廠中快速（sù）發（fā）展。而雙渣工藝是在中途中斷吹煉過程，倒出高磷含量渣，然後再加入更多石灰進行二次造渣。第一階段倒出的渣磷含量較高（gāo），可以把（bǎ）他用（yòng）於製作肥料，此時的爐渣因沒有加入降低P2O5溶解度的熔渣（zhā）劑螢石而使得肥料中的磷不會在土壤（rǎng）中擴散。

工業用氧是現代鋼鐵工（gōng）業發（fā）展中一個大（dà）的突破。因此，19世紀（jì）50年代至（zhì）70年代，鋼產量快速增長，1996年（nián）我國成為全（quán）球主要的鋼（gāng）鐵製造國，其中90%的鋼產量是通過堿性氧氣轉爐生產的（de）。

通常情況下，一個轉爐噸鋼耗（hào）氧50-55m³。資源回收利用是一（yī）個關鍵問題，通常（cháng）一個轉爐要加入20-25%的廢（fèi）鋼，廢鋼不僅可以回收金屬，也可作為冷（lěng）卻劑。

電爐正在成為轉（zhuǎn）爐煉鋼的一個競爭者，目前電弧（hú）爐除電極提供能量（liàng）外，還可（kě）以通過氧槍和燃料燃燒器補充。電弧爐是最有效的廢鋼熔（róng）化爐，可（kě）以減少能量需求70-75%，碳排放量可減少到平均455kgCO₂/t鋼，相（xiàng）比（bǐ）高爐—轉爐工藝排放1.88tCO₂/t鋼少了很多。

在質量方麵，使用100%廢鋼的電弧爐（lú）隻限（xiàn）於生產長材產品（pǐn），雜質元（yuán）素以及廢鋼中（zhōng）的銅和錫等元素是沒有影響的。但是電弧爐後來越來越（yuè）多的使用各（gè）種形式的鐵水，例如直接還原鐵、熱壓塊鐵水、冷生（shēng）鐵甚至是高爐鐵水。這（zhè）樣就（jiù）可以通過薄板坯連鑄機和熱軋機連接生產高品質的薄（báo）帶（dài）鋼。第一條薄板坯連鑄連軋生（shēng）產線（CSP）是1986年由德國西馬克公司與美國紐柯集團公司簽約，並（bìng）於1989年在（zài）美國紐（niǔ）柯公司（NUCOR）克勞福茲（zī）維爾廠（Crawfordsville）投（tóu）入生產。今天，在世（shì）界各地（dì）有約（yuē）27條不同形式的CSP生產線。

紐柯鋼鐵公司是世界上第一家生產（chǎn）熱軋帶鋼的電爐鋼廠，使用的是澳大利亞必和必（bì）拓和日本開發的技術。帶鋼直接澆鑄（zhù）技術（shù）是在（zài）鋼水（shuǐ）連鑄（zhù）時使用（yòng）成的水冷旋轉鼓，這（zhè）個概念也是貝塞麥於（yú）1846年專利中的想法，但是在當時技術無法實現。該技術在不鏽鋼生產中第一次得到證（zhèng）明，並於2003年由三菱日立（lì）製鐵機（jī）械公司首（shǒu）次成功應用。但是（shì）作為（wéi）生產不（bú）鏽鋼帶鋼的方法（fǎ）之一，該技術從未證明是有用的。2002年5月，紐柯鋼鐵公司（sī）引進（jìn）了世界第一台帶鋼連鑄機，克勞福茲維爾廠再次成為先行者，2009年紐柯鋼鐵公（gōng）司在它的布萊斯維爾阿肯色州廠引（yǐn）進了第二台更大的帶鋼設備。

鑒於（yú）電弧（hú）爐煉（liàn）鋼廠產能的（de）增加，以及他們靈活的操作方式，社會（huì）上（shàng）也要求減少碳排放量，氧氣煉鋼製造商把電爐作為有潛力和發展前景的（de）煉鋼方法（fǎ）。

雖然（rán）電弧（hú）爐煉鋼產量沒有超過全球粗鋼（gāng）總（zǒng）產量（liàng）的三分之一（在2012年占（zhàn）29.3%），但由於中國（guó）在世界鋼（gāng）產（chǎn）量的主導地位（占世界總量的46%），且它主要使用氧氣煉鋼，電弧爐煉鋼的影響被（bèi）忽（hū）略，表2顯示（shì）了在2012年不同地區轉（zhuǎn）爐煉鋼及電弧爐煉鋼的相（xiàng）對比例。

根據全球不同國（guó）家氧氣（qì）轉爐煉鋼（gāng）多年增長趨（qū）勢（shì）可知，從2000年開始，電弧爐煉鋼所占比重有（yǒu）了一個明顯（xiǎn）下降，2000年也是轉爐煉鋼曲折的（de）轉折點，這是由（yóu）中國轉爐煉鋼的快速增加引起的，90%的優（yōu）勢轉爐煉鋼工藝都在中國（guó）。