酸性底吹转炉炼钢法

冶金工程学术语

酸性底吹转炉炼钢法是指将空气由酸性炉衬的转炉炉底吹入铁水以氧化其中的杂质元素并发生大量的热，借以炼成钢水的转炉炼钢方法。又称为贝赛麦法。在19世纪中叶，欧洲资本主义工业蓬勃发展，当时已有的普德林法和坩埚炼钢法等古代炼钢方法已无法满足社会对钢日益增长的需要。

简介

1855年英国人贝塞麦(H.Bessemer)试验成功将空气吹入铁水以炼成液态钢的方法，1856年取得专利。在同一时期，美国人凯利(W.Kelly)也研究成功往铁水内吹空气炼钢的方法(Kelly’s air boiling process)，1857年获得美国专利。贝塞麦开始试验时，恰巧用了磷、硫低而且锰高的生铁作原料，初步成功了。但改用其他生铁时，炼得的钢水凝固时产生气孔并发生热裂，难以使用。1856年英国人马希特(R.Mushet)将镜铁(一种含锰的合金)加入到钢水中，克服了上述困难，促进了贝塞麦法的发展，开了大规模生产液态钢的先河。它具有极高的生产率和低的成本，钢质量也优于半固态生产的普德林铁，因而发展迅速，从1870年到1908年的30多年间，贝塞麦法成为世界上的主要炼钢方法。在美国，1908年前贝塞麦法也一直占据主要地位，直至平炉炼钢法兴起。随着低磷铁矿耗用殆尽，而世界上逐渐积累起来的废钢又不能在贝塞麦炼钢法中应用，而且其钢的质量较平炉钢差。因此，贝塞麦法逐渐衰落，为平炉炼钢法所取代。虽然现在贝塞麦炼钢法已经消失，但它被公认为是现代炼钢法的肇始，它巧妙地利用鼓风的动力学作用使金属、炉渣和空气处于高度乳化的弥散状态，冶金反应得以高速进行的原理，在各种现代氧气转炉中仍在广泛应用。

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，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℃大约上升到1600℃，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。

方法

通过向铁水吹风，将铁中杂质烧掉。空气中的氧和部分铁结合产生“氧化铁”。氧化铁又将硅、锰氧化，生成的物质和氧化铁一起形成炉渣。氧化铁还和碳化合，产生一氧化碳和二氧化碳煤气。这就是为什么说这种方法叫氧化法的。硅、锰、碳都被氧化了。这些杂质变成炉渣或煤气时，就可使之与铁分离。倒出来的金属就是钢。

贝塞麦法用的炉子叫转炉。炉子的外壳由钢板制成。里面衬有一层耐火砖。转炉向一边倾斜，熔铁从顶部倒进去。然后再将转炉竖起。空气从转炉底部的风眼中吹进。这叫“吹炼。空气压进铁水。氧化过程开始。氧化过程产生热。温度从开始的1300℃上升到后来的1600℃。不从外部加热。

贝塞表当时还不知道怎样从铁里除磷，磷是钢中的一种杂质。1878年，石灰石和熔铁第一次一起倒进转妒顶部，耐火砖炉衬也参进了白云石。石灰石、白云石与磷化合变成炉渣。正如你在前面已经读到的，在钢水流进钢水桶之前，熔渣就已从转炉倒出。

在转炉里冶炼时，所有的碳都从铁中清除。但是钢里没有一点碳，就太脆了，不好用。而且在转炉中冶炼时，钢中已形成了一些氧化物和气休。这些东西必须除去。为了在钢中加进必要数量的碳，除去不需要的氧化物和气体，人们在钢水从转炉倒进钢水桶时，放进一些铁铝合金。

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