炼钢原理与基本方法

一、炼钢的前提

1.1 生铁的特性与局限

炼钢先炼铁，钢从生铁而来。用铁矿石冶炼而得的生铁，含碳量较高，且含有硅、锰、磷、硫等杂质。因此，生铁缺乏塑性和韧性，力学性能差，除熔化浇铸外，无法进行压力加工，进而限制了它的用途。

1.2 炼钢的定义

为克服生铁的缺点，使其在工业中发挥更大作用，需在高温下利用各种来源的氧，将生铁中的杂质氧化清除至一定程度，以得到特定成分和性质的铁碳合金——钢。这种在高温下氧化清除生铁中杂质的方法，称为炼钢。

二、炼钢的基本原理

2.1 原理概述

生铁中的各类杂质，在高温环境下与氧均有不同程度的亲和力。可通过氧化作用使杂质转化为液体、固体或气体氧化物：液体和固体氧化物在高温下与炉衬及加入炉内的熔剂反应，结合成炉渣，经扒渣排除炉外；气体则在钢水沸腾时被CO携带至炉外。

在炼钢炉内，杂质的氧化主要依靠FeO实现，其生成反应为：

2Fe＋O₂→2FeO

2.2 各元素的氧化过程

1. 硅元素的氧化：硅与氧亲和力较大，氧化迅速，在冶炼初期即可完全氧化生成SiO₂，反应如下：

Si + 2FeO→SiO₂ + 2Fe

同时，SiO₂与FeO反应形成硅酸盐，成为炉渣的重要组成部分：

2FeO + SiO₂→2FeO·SiO₂

该硅酸盐与CaO反应生成稳定化合物2CaO·SiO₂和FeO（FeO成为渣中游离成分，可促进杂质氧化），反应如下：

2FeO·SiO₂ + 2CaO→2CaO·SiO₂ + 2FeO

2. 锰元素的氧化：锰易氧化，生成的MnO熔点较高，不溶于金属液，但与SiO₂形成化合物后浮于金属液表面，成为炉渣一部分，反应如下：

Mn + FeO→MnO + Fe

2MnO + SiO₂→2MnO·SiO₂

硅、锰的氧化反应会释放大量热量，可快速提高炉温（对转炉炼钢尤为重要），大幅加速碳的氧化过程。

3. 碳元素的氧化：碳的氧化需吸收大量热能，因此需在较高温度下进行，是炼钢过程中的重要反应：

C + FeO→CO + Fe

碳氧化生成的CO气体从金属液中逸出时，会产生强烈搅拌作用（称为“沸腾”）。沸腾可促使熔池成分和温度均匀，加速金属与炉渣界面反应，同时有利于去除钢中气体和夹杂物。

4. 磷元素的氧化：磷的氧化在不太高的温度下即可发生，去磷过程由多步反应组成：

2P + 5FeO→P₂O₅ + 5Fe

P₂O₅ + 3FeO→3FeO·P₂O₅

当碱性炉渣中有足够CaO时，会发生如下反应，生成稳定的4CaO·P₂O₅（牢固保持在炉渣中，实现去磷）：

3FeO·P₂O₅ + 4CaO→4CaO·P₂O₅ + 3FeO

需注意：钢水脱氧时加入硅铁、锰铁等脱氧剂后，炉渣常呈酸性，可能破坏3FeO·P₂O₅，还原出不稳定的P₂O₅（高温下易被碳还原，产生“回磷”现象）。因此，酸性炉内去磷难度较大，需适当增加炉渣碱度和渣量、提高炉渣氧化性以防止回磷。

5. 硫元素的氧化：硫以FeS形式存在，当炉渣中有足够CaO时，可通过以下反应去硫：

FeS + CaO→CaS + FeO

生成的CaS不溶于钢水，形成炉渣浮于钢水表面。上述反应为可逆反应，且在含FeO的炉渣中进行——FeO与CaS作用会使硫重回钢水，因此去硫效率随渣中FeO含量减少而提高。

若渣中含足够碳，反应会发生变化，碳夺取FeO中的氧，避免CaS与FeO作用，使反应无法逆向进行，这也是电炉炼钢去硫比其他方法更完全的原因：

CaO + FeS + C→CaS + Fe + CO

此外，锰可促进去硫，反应如下（生成的MnS几乎不溶于钢水，进入炉渣）：

FeS + MnO→MnS + FeO

2.3 FeO的脱氧

上述氧化反应虽去除了杂质，但也使钢水中含有较多FeO（即大量氧），对钢造成危害：一方面导致钢中产生大量气泡，另一方面使钢出现热脆和冷脆现象，且危害性随含碳量增加而加大。

因此，炼钢后期需去除钢水中的氧，通常通过加入锰铁、硅铁、铝等脱氧剂实现（脱氧剂从FeO中夺取氧），反应如下：

FeO + Mn→MnO + Fe

2FeO + Si→SiO₂ + 2Fe

3FeO + 2Al→Al₂O₃ + 3Fe

2.4 炉渣的作用

炼钢过程由氧化和还原两个阶段组成：碳、硅、锰、磷的氧化属于氧化期反应，脱硫和脱氧属于还原期反应。清除金属杂质需考虑多方面因素，其中核心是造渣和除渣。炉渣在炼钢中的重要作用包括：

① 保证炼钢过程按特定反应方向（氧化或还原）进行；

② 最大限度去除金属中的有害杂质（磷和硫），防止炉气中的氮气、氢气进入金属；

③ 保证操作过程中铁及其他有价值元素的损失最小。

三、炼钢的基本方法

3.1 转炉炼钢

转炉炼钢法是利用空气或氧气，通过底吹、侧吹、顶吹的方式，将铁水中的元素氧化至规定限度，从而得到成分合格钢的方法。

（流程说明：倒入铁水后，将氧气吹入熔化金属，氧气与铁中碳结合生成一氧化碳（反应放热，维持铁的熔化状态）；废钢占熔化金属的1/4，石灰与磷等杂质反应形成熔渣（浮于钢水表面）；工序完成后，炉子倾侧使钢水流进铸勺，再翻转炉子清除熔渣。）

3.2 电炉炼钢

电炉通过将电能转化为热能实现炼钢，常用电炉包括电弧炉和感应电炉：

- 电弧炉应用最广，适用于冶炼优质钢和合金钢；

- 感应电炉适用于冶炼高级合金钢和有色合金。

3.3 平炉炼钢

随着工业发展，金属加工行业积累了大量废钢，而当时无法用转炉将其重新炼制成钢。1864年，法国人马丁发明了平炉炼钢法（以废钢为原料）。

此后，氧气顶吹转炉炼钢法迅速发展，逐渐取代了平炉炼钢法。随着科技进步，钢水真空处理、电渣炉熔炼、真空感应电炉熔炼等新方法不断涌现，并得到广泛应用。