在“关于钢的那些事儿（二）”这篇上一篇文章里，从钢的化学成分、应用领域、产品的出厂形状以及表面状态、标准等几个方面进行了阐述。而本段内容是对钢一次熔炼流程中的一些关键要素进行的介绍。因为本人的翻译和专业水平存在局限，所以如果有不妥之处，还请各位朋友多多包涵。

#4. 一次炼钢( )

4.1. 转炉炼钢(basic )

全球一半以上的钢是通过转炉进行一次熔炼的。转炉炼钢的过程是在转炉中利用纯氧，将高炉中冶炼的铁以及加入到转炉里的废钢，通过一系列化学反应炼制成钢，就像图 1 所展示的那样。

图1 转炉炼钢生产车间分布及主要设备

4.1.1. 炉料(the )

炼钢过程中加入的含铁原料主要有高炉铁和废钢。典型的熔融状态下的高炉铁包含：碳的含量在 3.8%-4.5%之间，硅的含量在 0.4%-1.2%之间，锰的含量在 0.6%-1.2%之间，磷的含量最多可达 0.2%，硫的含量为 0.02%。其加入时的温度通常处于 1400°C 到 1500°C 之间。高炉铁中的磷是从炼铁所需的矿石带入的，且在炼铁过程中未被去除；硫元素是在炼铁过程中由焦炭和燃料带入的。废钢属于精炼铁，其中包含铜、锡、铬等杂质。在转炉中，高炉铁与氧接触会产生大量热。尤其是硅（Si）与氧（O）发生生成二氧化硅（SiO₂）的放热反应过程时。所以，在炼钢过程中若仅使用高炉铁，会导致最终液态钢水温度过高，不利于后续工艺使用。废钢作为另一种主要原料，有效地解决了这一问题。先在炼钢炉中加入计算好数量的废钢，然后再加入高炉铁。熔化每公斤废钢需要消耗 340 千卡的热量。在转炉中，加入原料的一般比例为 75%的高炉铁和 25%的废钢。为保证炼钢质量和产量的稳定，需保证高炉铁有稳定化学质量且低成本供应，这对高炉铁的稳定生产及稳定供应链提出要求。同时，为控制炼钢成本，需对进入转炉前高炉铁中硅和硫的含量进行控制与优化。可见，炼钢和炼铁过程虽独立却相互依赖，需作为整体系统进行控制和管理。

4.1.2. 炉体

转炉的炉身呈圆柱体形状。炉顶是一个开口的圆锥形，这在图 1 中有展示。以 360 吨的转炉为例，其炉身直径大概为 8 米，炉高为 11 米。转炉的炉身是由厚钢板制造而成的，它被吊在炉耳轴上，这样便于进行上料、检验、出钢以及出渣等过程的操作。

转炉内衬会根据炉内的不同部位以及损蚀程度，选用不同厚度的菱镁矿砖来堆砌。菱镁矿砖的主要成分为 MgCO3，是一种碱性的耐火材料。整个内衬的厚度能够超过 1m。理论上来说，菱镁矿在炼钢过程的化学反应中不参与，但在实际使用中，它们都会受到一定程度的侵蚀。

出钢口的位置在转炉的上部正好在圆锥体的下面。

转炉炼钢过程中有一个主要元件叫氧枪。氧枪是多层管状结构，如图 2 所示。大型转炉中的氧枪直径能达 300mm，长度可至 21m。氧枪端部有 3 - 5 个喷嘴，且略微向外延伸废钢化学成分，用于喷射超音速氧气。氧枪内部具有水冷结构，能使其在高温环境中工作。氧枪通过氧枪天车实现上下移动，同时能够调节氧枪与钢浴页面之间的距离。一般情况下，氧枪的端部每生产 150 炉钢就会进行一次更换。

图2 氧枪

转炉需要一个巨大的废气排放系统。这个系统的作用是净化废气，同时避免废气泄漏到厂房中或者污染大气。从转炉出来的废气温度能够达到 1650°C。废气中包含 90%的一氧化碳和 10%的二氧化碳。此外，还包含在氧化反应区域产生的铁氧化物粉尘。一般存在两种废气排放系统，分别是完全燃烧式和非燃烧式。在完全燃烧式系统里，转炉出来的废气会与过量空气进行燃烧。燃烧产生的热量可用来加热水系统以进行热交换。而剩下的冷却后的烟尘，会通过文丘里除尘器或静电除尘器进行收集。在大型转炉系统中，烟尘的流动是由 10,000 立方米/分钟的风机带动的。平均每生产 1 吨钢，能够收集 0.7 公斤的铁氧化物。非燃烧式系统在转炉开始进行氧化反应之前，会将一个环形罩降低至炉口。在废烟气产生的过程中，不会对其进行燃烧处理，而是将其收集起来。这些收集起来的废烟气可以为其他的工艺流程提供能量使用，并且其存储的能量为 3,000KJ/m^3。

转炉生产所需的车间一般比较高，有的能达到 80m。这些车间用于放置和操作氧枪、废烟气收集系统、上料系统、天车、皮带机等，以实现快速边界的上料、出钢和出渣等工艺操作。

4.1.3. 工艺过程

炼钢的过程是把铁中的碳含量降低到 2%以下，因为不同的钢种有不同的碳含量，且都在 2%以下。同时要除去磷、硫、氧、氮、氢这些有害元素，虽然不可能完全脱去，但能降到一个很低的程度。之后还要根据不同的钢种需求加入合金元素。

磷能够提高钢的强度。然而，当磷含量增加时，钢的塑性会降低，钢的韧性也会降低，尤其是冲击韧性会降低。这样一来，钢就具有了“冷脆性”。同时，磷还会使钢的焊接性能降低。

硫的硫化物会在热轧过程中让钢产生热脆现象，在轧制过程中使钢在横向上失去连续性，并且会对钢的韧性造成影响。

氧在凝固时会发生反应生成一氧化碳，在铸造过程中会产生气孔。并且，含氧量过高会生成对钢有害的氧化物杂质。

氢：会在钢的凝固过程中产生气孔，生成“发纹”或“白点”。

氮相比较于氢而言，氮进入钢水不太容易，氮从钢水排出也不太容易。氮能够增强钢的强度，不过它会降低钢的塑性和焊接性能，还会引起钢的冷脆性，导致产生时效硬化。

检测工作的第一步是从检验每炼一炉钢的炉内防火内衬开始。当炉体处于垂直位置时，有时会借助激光轮廓仪来检测防火内衬的厚度。

转炉倾斜至 45°位置。废钢先由上料天车或专用上料设备倒入转炉中。接着，高温熔融高炉铁通过专用铁水包倒入转炉中。很多工厂在将高炉铁倒入转炉之前，会把高炉铁加入镁石灰或碳化钙进行脱硫处理。脱硫过程中生成的渣在倒入转炉前会被去除掉。炼钢过程中会有铁元素烧损，所以在上料时会多加入一些铁和废钢，这个加入量是可以预估的。比如 1080 公斤原料能生产 1000 公斤液态钢，出产率为 92.6%。炼钢过程中的化学成分、温度以及上料重量都是由计算机控制来完成的。

第 3 步是吹氧。转炉转回到垂直位置后，降下氧枪开始吹氧。在大型转炉中，氧气的喷射速度能够达到 800m^3/min，氧气的吨钢消耗量为 110m^3。在吹氧的初期，往转炉中加入生石灰（其主要化学成分为 CaO），通常每吨钢会加入 70 公斤。在此阶段，转炉中会发生如下化学反应：

2C + O2 = 2CO （1）

Si + O2 = SiO2 （2）

2Mn + O2 = 2MnO （3）

4P + 5O2 = 2P2O5 （4）

2Fe + O2 = 2FeO （5）

初始状态的钢渣由上述反应的固态生成物构成，包括 SiO2、MnO、P2O5、FeO 以及作为熔剂的生石灰 CaO。其中，FeO 是生成的损耗物。钢渣中的 CaO 熔点高达 2570°C，所以在炼钢的温度下它依然为固态。通常碱性钢渣中包含：55%的 CaO、15%的 SiO₂、5%的 MnO、18%的 FeO、7%的 P₂O₅以及硫化物（主要是 FeS）和 7%的其他氧化物。钢渣会与原料中的硫化物（FeS）产生反应：

FeS + CaO = CaS + FeO （6）

钢渣的碱性程度通过 CaO/SiO2 来体现。一般来说，当 CaO/SiO2 大于 3.5 时，钢渣能够较好地吸收 CaS，从而完成对钢水的脱硫过程。这便是这种常用的炼钢方式被称为“Basic （BOP）”的原因。从式（6）中能够看出：如果有足够多的 CaO，也就是处于强碱环境，这对脱硫的过程是有利的。不过，同时也需要钢水中的 FeO 尽量少，因为氧离子（O-）和硫离子（S-）会与钙离子（Ca+）进行争夺。在炼钢吹氧过程中会生成一定数量的 FeO。很多钢厂会在高炉铁进入转炉之前对其进行脱硫处理，此时高炉铁的溶解氧不多。尽管如此，因为硫存在于炼钢过程使用的废钢和熔剂中，所以为了得到低含硫量（如 0.008%）的钢，在炼钢过程中仍需要脱硫。

转炉炼钢过程中最重要的化学反应过程为脱碳。氧先与硅反应生成二氧化硅，接着开始与碳反应，形成剧烈的“沸腾”现象，产生的一氧化碳经由上述废气收集装置排出。沸腾起到搅拌作用，加速了钢液中的化学反应及热传递，同时上升气泡把氢和氮从钢液中带出。在“沸腾”过程的后半段，将一根带有传感器且水冷的副枪浸入钢液中，以此进行检测和取样。把取样结果输入到控制炼钢过程的计算机里，利用计算机来预测和控制吹氧时间、温度以及化学成分。在原料稳定且上料过程正常的情况下，仅凭借副枪就能够实现对钢液成分的检验。在某些情况下，需要让转炉倾斜，通过人工来检验钢液的温度及成分。有时也会再加入生石灰进行二次吹氧来提高温度或调节化学成分。

脱碳是炼钢中的最重要过程。有时需要额外加入一些碳粉，以调节控制碳元素的含量，而不是一味降低碳元素的含量。

此外，会在这个过程中加入煅烧白云石（CaO·MgO）。CaO 参与式（6）的反应。钢渣中剩下的 MgO 有助于减少钢渣对炉内防火砖的侵蚀。

出钢时，转炉会进行转动，钢水从炉口倒入钢包。因为钢水有不同用途，如直接铸造或连铸等，所以在综合考虑和预测二次处理、保持等因素后，能够准确控制出钢的窗口温度。比如含碳量为 0.1%的钢，其出钢温度为 1596°C，比理论开始凝固温度高出 80°C。含碳量逐渐增高的钢，其出钢温度会沿着铁碳平衡图（参考本系列文章“关于钢的那些事儿（一）”）里的 A - B - C 线逐渐降低。

在炼钢过程中，碳含量被降低了。因为存在碳和氧的关系：%C × %O = 0.0025 × CO 。这意味着在 1 个大气压下，当钢水中含 0.1%的碳时，会溶解 0.025%的氧。所以可以得出，随着碳含量的降低，钢水中溶解的氧含量提高了。在出钢之前或出钢过程中，会往钢包中加入铝或硅铁合金。铝和硅都是强氧化剂，它们会与钢水中溶解的氧发生反应，生成氧化铝（Al2O3）和氧化硅（SiO2）等钢渣。为了让在此过程中生成的钢渣能快速上浮到钢水表面，在钢包炉中会使用电磁搅拌器或炉底吹氩气。在吹氧过程中，高炉铁里的锰元素大多会被氧化。在此过程中，通常会加入锰铁合金以达到规范要求。

此外，依据不同钢种以及规范的需求，钢的合金化在这一过程中得以完成。所以，为降低合金损失，像铬、钛、钒等，在合金化之前的脱氧还原过程就特别重要。对于不易氧化的金属元素，比如镍、钴、钼、铜等，能够提前加入以提高热能的利用率。绝大多数合金元素是以铁合金的形式加入的，这样做是为了降低成本。例如，铁硅合金中含有 50%的硅元素，还有 75%的硅元素以及 90%的硅元素，同时含有不同程度的碳元素和其它杂质。

在出钢过程中，当出口的钢渣检测设备检测到钢渣出现后，出口的快速关闭装置会迅速发挥作用废钢化学成分，关闭出口。同时，转炉也会转回到垂直位置。这样一来，钢渣就能够被顺利地倒入钢渣罐中。

转炉炼一炉钢大概需要 30 到 45 分钟，一天能够炼 30 多炉。大型转炉车间通常有三个转炉，每年能够产出 500 万吨钢水。因为钢铁生产是连续的流程，所以转炉的维修和维护很重要，每周只能检修一台转炉。转炉的耐火砖内衬可以使用 1500 到 3000 个炉次，在炉砖达到寿命后，会通过机械设备进行自动砌砖，这个过程需要在一周内完成。

4.1.4. 其他方式

技术在进步和发展，转炉炼钢的过程以及工艺也进行了诸多调整和改进。比如：

对于炼铁过程中使用高含磷量（0.15%以上）矿石所得到的高炉铁，采用 LD-AC 法炼钢。AC 是卢森堡阿尔贝德及其研究院（Arbed）的缩写。在该方法中，石灰粉通过氧枪与氧气一起喷射到钢水中，能快速形成钢渣。这种双渣炼钢法可以大量除磷，初次形成的钢渣被排出并用作化肥。

另外一种改进是在现有的转炉结构基础之上，从转炉的底部向钢水中喷射氩气或者氮气，以此起到搅拌的作用。这样做既可以加快化学反应，又能够降低喷氧反应区的温度，从而可以减少铁的氧化反应消耗。

有一种方法叫做 Q-BOP（Quick-quiet Basic ）。这种方法与传统方法的最大区别在于，它完全不采用顶吹的方式，而是通过从转炉底部的喷吹枪喷吹氧气、石灰粉，在需要的情况下还喷吹氩气。这种类型转炉的底部耐火层寿命小于边部耐火层，所以在维修时需要更多时间。底部喷吹能让反应物有更大的接触面积，以此改善冶金反应，还能更好地控制过程。在该方法中，因为参与氧化反应的铁较少，所以会提高钢的产量。然而，较少的氧化反应会产生较少的热量，这会使需要大量氧化反应热来熔化的废钢的使用量减少，在废钢价格较低时会导致生产成本提高。有些工厂为解决此问题，会在转炉顶部安装二次燃烧氧枪。利用燃烧一氧化碳气体这一方式，来产生额外的热量。借此提高废钢的使用率。

还有一种提高废钢使用率的技术，即在倒入高炉铁之前，对废钢通过氧枪进行预热，预热时间约为 20 分钟。还有一种方法是加入铝，铝在氧化反应过程中会产生大量的热。

继续讲述关于钢的那些事。（四）：#4. 一次炼钢指的是电炉炼钢。