氧氣煉鋼是一項(xiàng)成熟技術(shù)，該技術(shù)于1952年首次提出，并在過去的60年里迅猛發(fā)展，據(jù)初步統(tǒng)計，2012年氧氣煉鋼占世界鋼產(chǎn)量的69.6%，相當(dāng)于生產(chǎn)了超過十億噸的粗鋼。
在英國發(fā)明家貝塞麥于1856年開發(fā)出噴吹空氣轉(zhuǎn)爐之后，首次提出用純氧代替空氣噴吹冶煉。在貝塞麥的轉(zhuǎn)爐中，空氣通過轉(zhuǎn)爐底部一系列耐材噴嘴吹入轉(zhuǎn)爐。貝塞麥意識到空氣中的氮不利于鋼水的性能，限制了轉(zhuǎn)爐煉鋼種類及其應(yīng)用。但是，貝塞麥轉(zhuǎn)爐由于缺少氧氣規(guī)模供應(yīng)，他的建議沒有得到商業(yè)化應(yīng)用。
1 底吹氧氣轉(zhuǎn)爐
盡管德國工程師卡爾馮林德1895年就通過分離液化空氣得到氧氣，但是大規(guī)模生產(chǎn)氧氣的設(shè)備在二戰(zhàn)后才得到發(fā)展。戰(zhàn)后，德國把戰(zhàn)爭期間過剩的廠房都用來做轉(zhuǎn)爐煉鋼的試驗(yàn)廠房，并在貝塞麥轉(zhuǎn)爐上第一次嘗試用純氧代替空氣底吹煉鋼，但是由于高溫，噴嘴磨損嚴(yán)重。
在某種程度上，可以用吹入蒸汽、CO2或者碳?xì)浠衔锎嫜鯕猓趸急蛔C明過于昂貴，但是蒸汽和碳?xì)浠衔锟梢杂糜谏虡I(yè)用途。
20世紀(jì)50年代后期到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，蒸汽分解的吸熱反應(yīng)冷卻了噴嘴區(qū)域，因此提高了底吹噴嘴的壽命、鋼水澆鑄稱鋼錠的過程中產(chǎn)生的氫氣導(dǎo)致沸騰鋼的形成，而低氮含量使鋼錠軋制成適合深沖應(yīng)用的帶鋼，例如可以用于汽車車身的板材。低氮含量還可以防止儲存期間軋制帶鋼的老化，而帶鋼軋制使得氫（澆鑄時引起氣泡）向金屬內(nèi)擴(kuò)散出去。但是，鋼的沸騰性質(zhì)使得連續(xù)澆鑄很難，這時就需要更多的研究和改進(jìn)。
20世紀(jì)60年代中期，加拿大的蒙特利爾空氣液化公司開發(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?xì)浠铩Ｎ盏臒崃靠梢杂糜诜纸馓細(xì)浠铮ǘ⊥椋?26KJ/mol）、丙烷（104 KJ/mol）、甲烷（75 KJ/mol），這些可以保護(hù)噴嘴。
1967年在德國，第一次把氫氣用在馬克西米利安公司的底吹轉(zhuǎn)爐，該轉(zhuǎn)爐底吹噴嘴用的是空氣液化公司開發(fā)的環(huán)形噴嘴。1971年這項(xiàng)工藝被馬克西米利安公司授權(quán)同意美國鋼鐵公司采用，美國鋼鐵公司將該工藝命名為底吹轉(zhuǎn)爐Q—BOP。底吹轉(zhuǎn)爐Q—BOP是當(dāng)時美國鋼鐵公司董事長Edwin H Gott命名的，而Q的意思未被證實(shí)，但普遍認(rèn)為Q代表安靜或者質(zhì)量，BOP代表氧氣工藝。
同年法國文代爾—西代爾公司和工廠建造者Sprunck公司與克勒索盧瓦爾工廠共同開發(fā)了另外一種不同的工藝，此工藝使用燃料油來保護(hù)碳?xì)浠铩＿@三家公司將這個新工藝命名為LWS。
2 頂槍工藝轉(zhuǎn)爐冶煉
從1947年開始，歐洲試驗(yàn)通過噴槍將純氧高速噴入轉(zhuǎn)爐比通過底吹噴管噴入的效果要好。其目的是熔體脫碳，同時產(chǎn)生的爐渣和金屬緊密混合作為脫磷手段之一，而磷普遍存在于歐洲大多數(shù)的礦石中。
瑞典多姆納維特廠布卡林教授開發(fā)了卡爾多轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，此工藝在熔體上方用氧槍吹氧的同時，與水平面成20°的圓柱形爐體可以快速的旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速40rpm）。然而要使金屬和爐渣混合均勻，轉(zhuǎn)爐耐火材料內(nèi)村磨損較高（最大90爐次），由于需要有旋轉(zhuǎn)300t重量的動力使驅(qū)動系統(tǒng)要承受相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)，表面以大約30mile/h（48km/h）的速度運(yùn)動，因此這個工藝過程相對緩慢（100t轉(zhuǎn)爐產(chǎn)出60t/h，冶煉周期90min）。此工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是廢鋼能比其他工藝多吃50%，也能處理高磷鐵水。十九世紀(jì)六十年代中期，瑞士鋼鐵有限公司引進(jìn)該工藝，盡管該工藝也可以冶煉含鎳鋼，但最后因沒有商業(yè)化而被淘汰。
德國奧博豪森開發(fā)了羅脫轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，該工藝也使用一個可以旋轉(zhuǎn)的爐體，但是在水平方向可以很慢的速度旋轉(zhuǎn)，有兩支氧槍，一支在熔體上面，另外一支插入熔體吹氧。相比卡爾多工藝這種羅托轉(zhuǎn)爐可以更好的提高耐材壽命（110t轉(zhuǎn)爐可達(dá)130—150爐次），因?yàn)檠鯓尩奈恢每梢匝刂D(zhuǎn)爐的軸線移動以均衡耐材磨損，另外，整個轉(zhuǎn)爐可以反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)和從另外一端吹氧來進(jìn)一步均衡耐材磨損。然而，由于驅(qū)動系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)用昂貴和生產(chǎn)率（30—70t/h）低，當(dāng)時只有很少的國家建造了此轉(zhuǎn)爐，例如英國、德國和南非。
奧地利也開發(fā)了一種新工藝，該工藝在轉(zhuǎn)爐中用頂槍將氧氣以超音速吹到熔融金屬/爐渣混合物的表面，轉(zhuǎn)爐可以傾斜但是不能旋轉(zhuǎn)。這個方法最終獲得了成功，并被命名為氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼。這個名字源于兩個首先開發(fā)和使用此工藝的地方林茨（Linz）和多納維茨（Donawiz），或者可能源于德語的描述“Linz Dusenverfahren”（林茨噴射工藝）。
氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼在今天仍被稱為堿性氧氣煉鋼（BOS）（堿性是指轉(zhuǎn)爐耐火材料內(nèi)襯的化學(xué)性質(zhì)，通過加入石灰溶劑使轉(zhuǎn)爐能處理含磷鐵水。）或堿性氧氣轉(zhuǎn)爐（BOF）;堿性氧氣工藝（BOP），或者有時簡稱為轉(zhuǎn)爐煉鋼。
自從1952年氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼商業(yè)化投產(chǎn)以來，開發(fā)出了許多變種工藝：
◆堿性頂吹氧氣煉鋼法LD—AC，在盧森堡和比利時“AC”代表阿爾貝德鋼鐵制造商和其冶金研究中心，與奧鋼聯(lián)公司以前開發(fā)了噴吹石灰處理高磷礦石冶煉鐵水工藝。
◆轉(zhuǎn)爐復(fù)合吹煉鋼法LD—CL，“CL”代表回轉(zhuǎn)氧槍，當(dāng)時日本鋼管公司（現(xiàn)在JFE）開發(fā)的一個工藝。
◆LD—HC，比利時的艾諾桑布爾公司冶金研究開發(fā)的頂?shù)讖?fù)合吹煉工藝。
◆轉(zhuǎn)爐底吹氧復(fù)合吹煉鋼法LD—KGC，當(dāng)時的日本鋼鐵公司（目前為JFE）開發(fā)的轉(zhuǎn)爐底吹氧復(fù)合吹煉鋼法。
◆轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉鋼法LD—OB，當(dāng)時新日鐵開發(fā)的復(fù)合吹煉生產(chǎn)工藝。
◆轉(zhuǎn)爐氧氣頂?shù)讖?fù)合吹煉鋼法LD—OTB，當(dāng)時的日本神戶制鋼開發(fā)的轉(zhuǎn)爐氧氣頂?shù)讖?fù)合吹煉鋼法。
◆LD—RH—OB，結(jié)合真空脫氣（RH）的兩步驟法轉(zhuǎn)爐煉鋼法。
在世界的一些地區(qū)氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼和貝塞麥轉(zhuǎn)爐一直共存至1981年，但是在歐洲止于19世紀(jì)70年代，使用情況見表1。
堿性氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝是第一個被開發(fā)者商業(yè)化應(yīng)用的工藝，奧地利奧鋼聯(lián)公司于1952年在林茨和1953年在多納維茨建造了使用該工藝的轉(zhuǎn)爐。1954年加拿大安大略省哈密爾頓Dominion鑄造廠是第一個在奧地利之外使用該工藝的。19世紀(jì)60年代初，印度是亞洲第一個擁有轉(zhuǎn)爐工藝煉鋼廠的國家，在德國和奧地利的援助下建在洛爾克拉鋼鐵廠。
自此，氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼得到快速發(fā)展，而平爐煉鋼開始下降，如圖1所示。氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展超過平爐煉鋼的一個重要因素是連鑄技術(shù)的引進(jìn)。連鑄要求鋼水源源不斷供應(yīng)，而氧氣轉(zhuǎn)爐的工藝時間比較短，能很容易地滿足連鑄的鋼水供應(yīng)，一個大轉(zhuǎn)爐（350t）的產(chǎn)鋼速度為500t/h。與此相對照，如果平爐常規(guī)操作，煉鋼至出鋼需要12—14h，或者如果借助工業(yè)用氧加速也需要7—8h。目前在烏克蘭、俄羅斯和印度仍然存在一定數(shù)量的平爐冶煉。這些爐子正逐步被電弧爐取代，2012年平爐工藝總產(chǎn)鋼量1690萬t，約占全球鋼產(chǎn)量的1.1%。
第一代轉(zhuǎn)爐只能處理磷含量相對低的鐵水，最大磷含量不能超過0.4%。后來由于解決了粉狀石灰和氧氣共同注入這個難題，使得處理鐵水的磷含量可以達(dá)到2%。這個工藝叫做LD—AC，該工藝后來在奧地利、比利時、盧森堡和法國鋼廠中快速發(fā)展。而雙渣工藝是在中途中斷吹煉過程，倒出高磷含量渣，然后再加入更多石灰進(jìn)行二次造渣。第一階段倒出的渣磷含量較高，可以把他用于制作肥料，此時的爐渣因沒有加入降低P2O5溶解度的熔渣劑螢石而使得肥料中的磷不會在土壤中擴(kuò)散。
工業(yè)用氧是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)發(fā)展中一個大的突破。因此，19世紀(jì)50年代至70年代，鋼產(chǎn)量快速增長，1996年我國成為全球主要的鋼鐵制造國，其中90%的鋼產(chǎn)量是通過堿性氧氣轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的。
通常情況下，一個轉(zhuǎn)爐噸鋼耗氧50—55m3。資源回收利用是一個關(guān)鍵問題，通常一個轉(zhuǎn)爐要加入20%--25%的廢鋼，廢鋼不僅可以回收金屬，也可作為冷卻劑。
3 轉(zhuǎn)爐和電爐的對比分析
電爐正在成為轉(zhuǎn)爐煉鋼的一個競爭者，目前電弧爐除電極提供能量外，還可以通過氧槍和燃料燃燒器補(bǔ)充。電弧爐是最有效的廢鋼熔化爐，可以減少能量需求70%--75%，碳排放量可減少到平均455kgCO2/t鋼，相比高爐—轉(zhuǎn)爐工藝排放1.88tCO2/t鋼少了很多。
在質(zhì)量方面，使用100%廢鋼的電弧爐只限于生產(chǎn)長材產(chǎn)品，雜質(zhì)元素以及廢鋼中的銅和錫等元素是沒有影響的。但是電弧爐后來越來越多的使用各種形式的鐵水，例如直接還原鐵、熱壓塊鐵水、冷生鐵甚至是高爐鐵水。這樣就可以通過薄板坯連鑄機(jī)和熱軋機(jī)連接生產(chǎn)高品質(zhì)的薄帶鋼。第一條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線（CSP）是1986年由德國西馬克公司與美國紐柯集團(tuán)公司簽約，并于1989年在美國紐柯公司（NUCOR）克勞福茲維爾廠（Crawfordsville）投入生產(chǎn)。今天，在世界各地有約27條不同形式的CSP生產(chǎn)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拓和日本開發(fā)的技術(shù)。帶鋼直接澆鑄技術(shù)是在鋼水連鑄時使用成的水冷旋轉(zhuǎn)鼓，這個概念也是貝塞麥于1846年專利中的想法，但是在當(dāng)時技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)在不銹鋼生產(chǎn)中第一次得到證明，并于2003年由三菱日立制鐵機(jī)械公司首次成功應(yīng)用。但是作為生產(chǎn)不銹鋼帶鋼的方法之一，該技術(shù)從未證明是有用的。2002年5月，紐柯鋼鐵公司引進(jìn)了世界第一臺帶鋼連鑄機(jī)，克勞福茲維爾廠再次成為先行者，2009年紐柯鋼鐵公司在它的布萊斯維爾阿肯色州廠引進(jìn)了第二臺更大的帶鋼設(shè)備。
鑒于電弧爐煉鋼廠產(chǎn)能的增加，以及他們靈活的操作方式，社會上也要求減少碳排放量，氧氣煉鋼制造商把電爐作為有潛力和發(fā)展前景的煉鋼方法。
雖然電弧爐煉鋼產(chǎn)量沒有超過全球粗鋼總產(chǎn)量的三分之一（在2012年占29.3%），但由于中國在世界鋼產(chǎn)量的主導(dǎo)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忽略，表2顯示了在2012年不同地區(qū)轉(zhuǎn)爐煉鋼及電弧爐煉鋼的相對比例。
根據(jù)全球不同國家氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼多年增長趨勢可知，從2000年開始，電弧爐煉鋼所占比重有了一個明顯下降，2000年也是轉(zhuǎn)爐煉鋼曲折的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這是由中國轉(zhuǎn)爐煉鋼的快速增加引起的，90%的優(yōu)勢轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝都在中國。
來源：熱加工論壇
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