贝塞麦转炉炼钢法

贝塞麦转炉炼钢法是英国的威廉·凯利在19世纪40年代末首次发现的,首先公布转炉炼钢法是英国发明家贝塞麦,因此称为贝塞麦转炉炼钢法。

简介

现代炼钢法最早起始于1856年英国人H. Bessemer发明的酸性底吹转炉炼钢法，该方法首次解决了大规模生产液态钢的问题，奠定了近代炼钢工艺方法的基础。由于空气与铁水直接作用，贝塞麦炼钢方法因而具有很快的冶炼速度，成为当时主要的炼钢方法。但是，Bessemer工艺采用的酸性炉衬，不能造碱性炉渣，因而不能进行脱磷和脱硫。1879年英国人S. G. Thomas发明了碱性空气底吹转炉炼钢法，成功地解决了冶炼高磷生铁的问题。由于西欧许多铁矿为高磷铁矿，直到20世纪70年代末，Thomas炼钢法仍被法国、卢森堡、比利时等国的一些钢铁厂所采用。

原理

转炉炼钢是一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。转炉炼钢法的主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹;按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受到限制。碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。空气吹炼的转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢，未能像平炉那样在世界范围内广泛采用。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。

历史

随着工业革命的胜利，工场手工业转向了机器大工业。机器的大量发明和广泛使用，使钢铁成了最基本的工业材料。从前的炼钢方法已经不能满足工业和技术发展的急需，寻找新炼钢法最早获得成就的是英国的威廉·凯利。19世纪40年代末他在肯特郡自己开办的工厂里发现，精炼生铁时，少加一些木炭，多往炉内鼓进些空气，能使炉温升高。此法不仅节约了木炭，而且可以把铁炼成钢。1851年凯利建成了新的炼钢炉，但他严格保密，不向外公布。

首先公布转炉炼钢法是英国发明家贝塞麦。直接导致他寻找新炼钢法的契机是军备和战争的需要。1854年底，在阿萨斯诺靶场试射贝塞麦研制的新型炮弹时，军官们担心：用生铁铸造的旧炮发射这种新型炮弹，它是否承受得了炮弹的爆炸力，贝塞麦回忆说： “这是导致他考虑去寻找新炼钢方法的 “一个火花”。

随后贝塞麦设计了一个炉子，高约1.22米，系固定式的垂直容器，下部有6个风口，可加入熔融生铁约350公斤。试验时人们对此表示极大的怀疑。就连参加实验的工匠们都警告他说，不加焦炭光吹空气，会使铁水在炉中凝固。但是，从炉底鼓进空气后，情况出人意料。首先将铁水中的锰和硅氧化，形成褐色烟雾逸出，在这期间，铁水中的碳也被氧化成二氧化碳。炉温从倒入铁水时的135。C大约上升到1600。C，反应非常剧烈，象火山爆发一样。整个过程约30分钟，而且不需要任何燃料，就可以炼一炉钢。接着，他将炼钢炉从固定式结构改为可向一侧倾倒，以使炼好的钢水易于倒出。使炼钢炉成为可转动的炉。即转炉。1857年他取得了这项发明的专利。

贝塞麦的发明，引起世界各国的兴趣，纷纷申请采用该法生产的专利。但是很快就出现了问题，不少钢铁企业用此法炼出的钢太脆，一击就碎，原因是矿石中含磷较高。而贝塞麦实验用的矿石恰巧含磷较低。贝塞麦花了很大精力试图解决这一问题，但未能取得成效，此法只限于吹炼含磷少的生铁。

转炉吹炼法还有另一个质量问题，即铸锭内有许多气孔。这一问题由贝塞麦的一位苏格兰朋友乌希特建议“鼓风”之后加去氧剂（铁锰合金）得以解决。

磷的问题是20多年后由英国人托马斯解决的。他认为生铁中的磷被空气氧化后，又被硅质炉衬还原成磷，重新进入钢水。经过一番努力，他发现石灰石能使铁水脱磷，但必须把贝塞麦转炉原先的酸性硅酸质炉衬改为碱性炉衬。新的碱性耐火砖是用在高温下烧成熟料的白云石与焦油混合烧成的。1877年托马斯利用一个星期天的时间在南威尔炼钢厂进行了实验，用碱性耐火砖砌衬，在转炉冶炼过程中与鼓风的同时添加石灰石使炉渣成为高碱性，结果炼出了脱磷的钢。实验大获成功，创造了碱性转炉炼钢法，又称贝塞麦一托马斯法。

第二次世界大战后，不少国家开始实验用纯氧代替空气炼钢。1948年奥地利首先取得了技术突破。此法是把生铁水与废钢混合，倒入转炉中，然后吹氧，将碳与杂质迅速烧掉。用这种方法炼出的钢，质量可与平炉炼出的钢相媲美，所需时间却只有平炉的十分之一。

过程

当空气或氧气吹入铁水时，生铁中易氧化元素就开始氧化,产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。各项元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。首先氧化的是硅、锰和少量的铁。开始时因温度低(1200～1300℃)，而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。随着温度升高，碳开始激烈地进行氧化。随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣,磷和硫亦被脱除,熔池铁液中各种元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。碳随着温度的提高而分别先于有关元素氧化（见自由焓）。

转炉吹炼终了时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一般为0.01～0.08%。其含量主要取决于终点钢水的碳含量。但在固体钢中氧的溶解度很低, 仅为0.002～0.003%,因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧便以FeO形式析出,影响钢的质量。所以,要炼成合格的钢,就必须脱氧。脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理,使钢中的含氧量降到规定限度之下(见钢的脱氧反应)。在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效率,使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。

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