老树新花　技术集成

炼钢操作中去除钢中杂质，主要是依靠将钢水中杂质驱向炉渣。即利用钢中杂质与某些造渣物质如氧化硅、氧化钙、氧化铁等相互结合成不溶于钢水的渣，上浮在钢水的表面，然后扒去渣液，即可得纯净钢水。所以有句行话，“炼钢即炼渣”，也就是说要得到好钢必须造成合适的钢渣。贝塞麦炼钢炉的炉衬用的是硅质耐火材料，即所谓“酸性”炉衬，所形成的钢渣也是含氧化硅很高的酸性炉渣。这种炉渣不能与硫、磷等杂质结合，所以去除杂质的能力很低，必须使用低硫、低磷的优质生铁为原料。这就极大地限制了这种炼钢炉的应用范围。因为低硫、低磷的铁矿资源极有限，一般情况下，不容易满足贝塞麦炼钢法对所用生铁的质量要求，炼得的钢往往性能欠佳。1877年，英国入托马斯和吉尔克里斯特解决了这一难题。他们使用白云石(氧化钙和氧化镁为主的矿物)作转炉炉衬，为使炉衬可塑性好并结合密实，其中掺人10％左右的沥青作黏合料。用这种炉衬的炼钢炉被称为碱性转炉或托马斯炉，可以造成含氧化钙较高的碱性渣，对去除钢水中的磷很有效，而且由于钢渣中富含五氧化二磷(P₂O₅)还可用作农家磷肥，真是一举两得。这种方法在法国、比利时等拥有高磷铁矿的地区很受欢迎，延续使用到20世纪50年代，直到氧气炼钢兴起方被淘汰。

　　就在贝塞麦转炉炼钢法问世后不到十年，炼钢技术方面出现一颗耀眼的新星。1864年，英国籍德国人西门子(K．W．Siemens)发明了“平炉炼钢法”。这种方法是在原有的炒钢反射炉的基础上，加用了蓄热室，使燃气和空气先预热到高温，然后入反射炉燃烧，燃料的燃烧热和预热空气与燃气中含有的物理热相叠加，就使炉温提高到1600℃以上，炉料可熔化成液态钢水，再经造渣、精炼等操作，可炼成质量很高的液态钢。

　　

　　平炉炼钢盛极一时

　　

　　同年，法国工程师马丁又在这种炉中搭配废钢，这就更扩大了原料来源，这种炼钢方法也称“西门子一马丁炉炼钢法”，因为这种炉子形状如同一间小平房，在中国一般称为“平炉炼钢”。平炉炼钢对原料要求不高，矿石、生铁、废钢均可搭配入炉；炉衬可用碱性耐火材料，也可用酸性耐火材料，但用酸性炉衬要求原料含硫、磷低，所以很少使用。碱性平炉可从容造渣、甚至可多次放渣脱去杂质、钢液化学成分也较容易控制；炉容积可以造得很大，小炉子可数吨、数十吨，大炉子可达千吨；而且，由于炉中燃气是从钢液表面掠过，并不像转炉中那样直接穿过钢液，所以有害气体(氮、氢等)含量较少，精炼过程中，还可进一步脱去气体，减少于钢材脆裂的倾向；虽然每炉冶炼时间长达数小时或更多，但就产量、质量，成本各项指标上衡量得失，还是远胜于转炉炼钢。此法一出，便以强大的竞争力向全世界推广，将转炉炼钢法挤出市场，除了有特殊原料条件(如法国、比利时等)或有特殊用途(如铸造厂中小型转炉)。新建大型炼钢厂多是采用平炉炼钢。1888年法国埃鲁发明了电炉炼钢法，但由于电能消耗大，成本高，只宜用在高质量钢和高合金钢等生产，也无法与平炉炼钢竞争。直到20世纪中叶，近百年间，全世界80％的钢都是产自平炉，可谓盛极一时。

　　

　　技术嫁接　技术集成

　　

　　说来有趣，蓄热室是炼钢业向玻璃制造业学习的成果，也可称之为“技术嫁接，技术集成”。“蓄热室”是一个内部砌有格子砖的小室，高温气流通过时，便将其格子砖加热，颇似中国北方农家火炕。再通人冷风时，冷风接受格子砖加热，变成热风，即可增加燃烧后的温度，这种原理早在高炉热风炉上有所应用。1856年，西门子取得蓄热室专利。他是利用玻璃熔化炉的废气通过蓄热室，提高了燃气入炉前的温度。不需再用燃烧加热热风炉，即可取得很高炉温。这一发明使玻璃生产成本大幅降低，并便于生产大块平板玻璃。此技术随即被引用于炼钢平炉，就形成新的炼钢技术。1862年西门子当选为英国皇家学会会员，1877年荣任英国钢铁学会主席。

　　从这个事例中可见新技术与老技术的继承发展的关系，各行各业之间技术集成相互渗透的关系。反射炉炒钢古已有之，在中国自东汉时即普遍使用，有近2000年的历史。在欧洲也沿用数百年之久。一旦加入了“蓄热室”这一新设施，顿使面目一新，在炼钢界独领风骚近百年。可谓“老树新花”。20世纪50年代崛起的氧气炼钢也是在被冷落了百年之久的“吹炉”(转炉)技术中，引进使用氧气吹炼，从而焕发青春，成为炼钢技术主流。

　　

　　氧气顶吹　风靡全球

　　

　　早在1855年贝塞麦就设想使用氧气吹炼铁水，使之脱碳成钢。他也曾设想从炉子上部插入管子，导人空气或氧气以便吹炼，酷似现代“顶吹”。然而19世纪中叶，制氧技术还很幼稚，不能制出大量氧气，所以贝塞麦只能从原理上推论设想而已。事隔80年，20世纪30年代，工业制氧技术已趋成熟，有些科学家又开始从事氧气炼钢的开发研究，其中最著名的是德国工业大学的杜尔教授，他发表了实验室研究论文，但第二次世界大战打断了研究进程，杜尔先生逃避到瑞士。1945年，他在瑞士用一个小转炉试验用氧气炼钢成功。战后重建被“二战”破坏的基础设施急需大量钢材，钢价飞涨。寻求新的快速炼钢方法成为热门课题，杜尔被奥地利钢铁公司请去进行氧气炼钢开发研究。1952年，杜尔不负众望，在奥地利的林茨一多纳维茨钢厂建成30吨顶吹氧气转炉，后来就用这两个地名的字头命名称之为“L－D炼钢法”。此法原理并不复杂，使用一根双层套管，两管之间有循环冷却水，中空内管可通高压氧气流。吹炼时，管子垂直向下深入炉中，高压气流冲向罐状容器(炼钢炉)中铁水，使铁水中的杂质，硅、锰、磷、碳等迅速氧化，此时，氧化所产生的热量使钢液温度急剧上升，待钢水的成分和温度达到合适要求时，可加入脱氧剂及合金料调节钢水达到所需标准即可出钢。每炉吹炼的时间仅15～20分钟，即使连加料、出钢、补炉等辅助操作一般不超过一小时，而且不需外加燃料。早期炉容数十吨，后来发展为数百吨。年产数百万吨的钢厂也只需3～4个炼钢炉，炼钢厂的基建资金和建设时间大为节省，如此多快好省的技术当然应该不胫而走，风靡全球。

　　然而，好事多磨，新炼钢方法推广中阻力重重。首先本身尚不完善，其一是吹炼气流流速高达数倍或十数倍音速，与钢水反应激烈，向炉外喷溅及氧化损耗的钢水较大。其二是吹炼产生的红色粉尘(氧化铁)弥漫空间，污染周围环境极为严重。三是所产钢中脱气等操作及合金化均待改进。所以，有些国家的专家们对L－D法评价不高，前苏联对此不感兴趣，也影响当时中国拒绝了这项技术引进。日本和西欧各国则很快引进改善了上述缺点，尤其是与此新炼钢技术相辅相成的各种相关技术集成，如：“钢包冶金”(盛钢桶中做各种精炼处理)，连续铸造，各种自动化操作系统等等相继发展完成。到20世纪60年代，氧气顶吹炼钢以其投资少、建设快、效益高等优势，成为炼钢技术主流，能使钢产量成倍增长。以日本为例，在二战后的废墟上，采用氧气炼钢技术，以不足20年时间，钢产量跃升到8千万吨。中国在20世纪80年代以后，大力引进推广这项炼钢技术，现在钢产量早逾亿吨，跃居世界首位。回首往事，不免为20世纪50年代中国的决策失误而扼腕叹息。