氧氣煉鋼是一項成熟技術(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。
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?。吸收的熱量可以用于分解碳?xì)浠铮ǘ⊥椋?26KJ/mol）、丙烷（104 KJ/mol）、甲烷（75 KJ/mol），這些可以保護噴嘴。
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，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），因為氧槍的位置可以沿著轉(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一步均衡耐材磨損。然而，由于驅(qū)動系統(tǒng)復(fù)雜、維護費用昂貴和生產(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。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和熱軋機連接生產(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，紐柯鋼鐵公司引進了世界第一臺帶鋼連鑄機，克勞福茲維爾廠再次成為先行者，2009年紐柯鋼鐵公司在它的布萊斯維爾阿肯色州廠引進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，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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