近代钢铁革命：炼钢技术突破与优质钢铁产出

2023-12-07 百科知识版权反馈

【摘要】：崔登堡与鲁慕共同为后世炼钢奠定了良好的基础。贝塞麦转炉炼钢法的发明标志着大量炼钢的时代已经到来。这样保持炉温就能炼制出品质优良的软钢。平炉炼钢1884年，碱性直吹炉去磷硫的试验，经过冶金先锋们的前仆后继，终于成功了，随后英国人大拜在华尔斯的百慕堡首次建造了一座碱性平炉，炼出了不含磷硫的钢。

4.近代炼钢

（1）吹气炼钢构想的发起

1716—1726年间，法国生产出来的铁，跟英国和瑞典相比差远了，法国人只好高价向英国和瑞典买铁。

鲁慕当时身为法国科学会成员，看到这种情形后，觉得自己不能生产出高品质的铁来，是一种耻辱，愧对自己所拥有的荣誉。他想着怎么提升铁的品质，思考怎么改良炼炉。1722年，他的理想实现了，法国生铁品质终于能与英国及瑞典生铁相媲美了。他确实让法国能够轻松冶炼出了品质良好的可锻白口铁，却没有冶炼出钢。

虽然鲁慕切中炼钢的要点，可他还是没有成功冶炼出钢，但这不要紧，因为他为后人开启了吹气炼钢秘密的门，所以后世仍尊崇他为“炼钢先锋”。

炼钢铁水

哲学家的思想总是那么深远，那么有预见性，瑞典的哲学家崔登堡就是这样的哲学家，他通过绘图把他的想法说了出来，说吹气炼铁能成钢。

传言崔登堡画出来的这种炉可以炼钢，燃料是木炭，可以很方便地倾动拆卸，泥砌成的内炉身，铁骨支撑的结构，加箍捆实的外炉，可拆卸修理的炉底，上有风管的炉缸，在风管对面的出铁口位，由炉口加入的矿料。这些完全是崔登堡承袭鲁慕的设计，只是鲁慕的吹气炉不能炼钢，而崔登堡的可以，但后来还是把崔登堡设计的炼炉叫做鲁崔式直吹炉。崔登堡与鲁慕共同为后世炼钢奠定了良好的基础。

（2）贝塞麦转炉炼钢法

英国的贝塞麦先生提出了贝塞麦转炉炼钢法。

他成功地找到吹气入炉内的诀窍，用贝塞麦转炉炼钢法炼出钢，他这种方法是酸性转炉法。贝塞麦转炉炼钢法的发明标志着大量炼钢的时代已经到来。

贝塞麦为了改良当时铸炮用钢，参考了前人的炼钢经验，进行了许多试验。他在试验中发现，当吹空气炼钢时，吹进冷空气，可炉内的铁水不但没有变冷，炉温反而升高了。于是他立刻着手制作能在炉内鼓入空气的装置，用来进行测试，结果他试验成功了；然后他又再进行坩埚吹气试验，从坩埚口把管子插入熔铁中，向炉里吹入空气，没想到他又获得了同样完美的成果。

转炉炼钢炉

（3）平炉炼钢

当年贝塞麦法炼钢有一个缺陷，就是炼出的钢品质十分不稳定。在炼出不同品质的钢中，有一种软硬适中的软钢，它性能最佳，此种软钢里的碳素比熟铁高一点，比坩埚炼出的钢低一点，是利于加工使用的好钢材。

威廉·西门为了解决这个问题，1856年，他用炒熟铁的方法，把生铁、废钢和铁矿石里的碳硅炒去，把碳量适当地留下一点；威廉依着倒焰炉（反射炉）的样子，做了一个小的原始平炉，为了不让炉内的铁水凝固了，于是他用上了他自己发明的废热再生器，对吹入炉里的冷空气进行加热，让它成为热气吹入炉内。

这样保持炉温就能炼制出品质优良的软钢。1867年，西门家族的两兄弟威廉·西门和佛里德瑞·西门，在英国的伯明翰用这种方法制造了平炉来炼钢，后来，他们把这种炼钢的方法命名为平炉法。

1864年，法国人马丁和他的助手埃墨尔两人在一个叫做赛勒尼的地方，制造了一个原始型平炉，学着威廉的方法装上了废热再生器，往炉中投入高碳生铁、废钢和适量的铁矿，炼出了含碳量适当且品质优良的软钢，德国人把这种炉子叫做西门马丁炉。

平炉炼钢

1884年，碱性直吹炉去磷硫的试验，经过冶金先锋们的前仆后继，终于成功了，随后英国人大拜在华尔斯的百慕堡首次建造了一座碱性平炉，炼出了不含磷硫的钢。

（4）托马斯转炉

贝塞麦转炉只能把低磷硫生铁投进去炼，可欧洲的铁含磷硫量都很高，把这些含磷硫量高的钢放进贝塞麦炉会造成其热脆冷裂的不良特性。1865年起，史瑞勒下定决心要去除贝塞麦法炼钢的磷硫。1872年，他终于成功地用碱性炉衬及材料除去了钢中的磷。他是个十分谨慎的人，严谨地进行无数次实验，最后得到实验结论：在碱性直吹炉中，去除元素的顺序为硅、磷、锰、硫；而在酸性直吹炉中的去除顺序是硅、碳、锰。

用高镁石灰石制成碱性砖，用它来砌造炉，把磷铁矿放进炼炉中先炼成生铁，再把这种含磷铁水倒进直吹炉内吹炼，就能得到没有磷的钢。而磷已经进入渣中，钢中的磷已经被成功去除。

炼铁出铁

1871年，托马斯也在想怎么除去贝塞麦炉中的磷，他专门在家里设置个小试验室，并常常抽空到附近钢铁厂去打听情况。功夫不负有心人，在四年的后的一天，人家告诉他，去磷的关键在于炉内衬的化学性质，碱性炉衬才能去掉磷。酸性炉衬不能造出碱性渣，无法去除钢中的磷。1877年3月，他经过许多次实验后，发表了“贝塞麦炉中去磷法”论文；1878年3月，英国钢铁协会认可了他的办法；1879年他在英国申请了专利。

贝塞麦法炼钢会产生的磷硫通过托马斯转炉炼钢除去了。碱性耐火砖做的炉衬，脱磷反应热可作热源加以利用，因德国、比利时、卢森堡等地蕴涵着非常丰富的高磷铁矿，只能利用这种方法脱去磷硫，所以这种方法在欧洲非常盛行。

在1910年，当时世界四分之一的钢都是用这种方法炼制出来的，但这种方法也有缺点：它要以空气为炼钢所需要的氧气来源，废钢不能太多，如果废钢比超过5%～6%，炼炉就无法达到热平衡，所以平炉炼钢法在这种情况下再度受到重视。

知识小百科

粗钢

粗钢，即钢坯。是由生铁进入转炉脱去碳和其他杂质后，加入合金、碳，浇铸而成。

钢坯

（5）电炉炼钢

1866年，德国人伟尔纳•西门子与格拉姆等人发明了发电机后，人们能够很方便地利用电能了，这促成了以电力发热炼钢的发展。

早期电炉炼钢的品质比不上坩埚所炼的钢，但却比平炉钢或贝塞麦钢要好很多。(www.chuimin.cn)

电炉炼钢钢水

1880年，威廉·西门提出用电发热来炼钢和铁，这种方法可以提高炉温、迅速熔化难熔的金属、不会产生杂质且能制成合金钢。

1898年，意大利人史台塞诺建造了一个威廉所说的电炉，用电弧熔化铁矿，但没有取得很高的效率。

1899年，法国人艾乐用炭极直接与铁发生电弧来熔制铬铁，因为炉口敞开的电炉散热太快，所以他在1902年改用密封式电炉，改良后的电炉省电、效率高，电炉炼制出的钢很受人们欢迎。

直流式电炉

1917年，怀亚特研究诱导式电炉，最初电炉是有管式的，多使用在铜合金类的熔炼。1930年，制造出孔洞型电气还原炉，使炼制生铁的电炉革新。

1930年，无管式诱导炉的发明者德国人达仑堡和包腾堡，把高频感应炉成功变成了高级合金钢冶炼的标准设备。

1980年的前的电弧炉都是交流式，后来出现了直流式电炉，直流式电炉的噪音小、闪烁电震低、能源效率较高，所以越来越受欢迎。

炼钢的钢水

知识小百科

沸腾钢

沸腾钢，又叫脱氧不完全钢。用锰铁和铝脱氧之后，钢水中含有的氧还高于碳氧平衡的氧量。所以，多余的氧就和碳反应生成一氧化碳，在浇铸时钢水就会呈现沸腾状，因此得名。

原料钢棒

（6）碱性氧气炼钢法

1956年,奥地利的奥钢联钢厂首先证实，用氧吹入炉内比空气吹入炉内更好。因为直接吹入不含氮氢的氧气，钢的品质变得更加优良。用这种方法炼出的钢，它的成本较低，品质比平炉所炼的钢好，热效率及产量比托马斯转炉高。在建造费及固定费比平炉低。因此贝塞麦转炉炼钢法又大受欢迎，就连向来不爱用这种方法的英国人，也跟着用了。

1932年，德国柏林大学有个杜勒博士，他研究过转炉纯氧吹炼方法，那时突然爆发了第二次世界大战，兵荒马乱，他不得不暂时中止这项研究。德国阿亨大学的苏瓦茨也在同样的时间进行着同样的研究。 1948年，杜勒来到瑞士的菊非林根工厂，得到赫尔·布朗大力帮助，才接着继续他的研究。他放弃原来的老方法，用碱性转炉，把纯氧从钢液上方吹入钢液内，用这样的方法精炼，他终于成功了。

（7）不锈钢的发展

钢铁虽然便宜耐用，却有一个不可补救的缺点，就是在空气中太容易生锈。

不锈钢发明后，不仅成了制造锅碗勺瓢的材料，也是工业上不可或缺的器材。

不锈钢餐具

发明不锈钢是英国人哈瑞·布里莱，他于1913年发现将铬加入低碳钢后，钢铁就不容易生锈了，不锈钢就这样正式问世。由于不锈钢的锻造很难，最后还是哈瑞·布里莱本人亲自动手操作指导，才算冲过了难关，正式奠定了不锈钢在工业上的地位。中国在唐代虽有“不生涩铁腰带”，这或许是铁矿内伴生镍、铬，而不是人们特意炼制出来的。

方坯连续铸机

（8）连续铸钢法

早期炼出的钢液或生铁液，是灌在固定形状的模子内，让它自然冷却或冲水冷却，钢锭模体是四方锥形的，上部较窄小，底部较宽大，这一方面能增加它的稳定性，另一方面也有利于钢锭的脱模作业。

不过，钢锭铸造法有很多缺点：

①占用很大的厂房面积，

②作业时间很长，

③钢液的温度很高，

④钢锭收缩造成产能损失过大。

第二次世界大战以后，由于大型炼钢炉的不断出现，产能需求亦不断攀升，人们需要一种100%的连续铸钢法。随着连续铸钢法的发明，传统的钢锭铸造法就和平炉炼钢一起走入历史，被完全淘汰了。

20世纪50年代问世的连续铸钢法，是现代化的铸造法。将钢液用盛钢桶装起来，提到连续铸钢机上，让中间包给它分流，钢液不断振动进入水冷的结晶器中，经过拉矫机的矫直，钢液不断冷却变成一条条直条形的钢坯，再用火焰切割器把钢坯分割成规定的尺寸，钢坯的宽度与厚度可以更换结晶器，或直接在线上进行调整，就能获得大方坯、板坯以及矩形坯。

连续铸钢法之所以能够淘汰钢锭铸造法，除了没有前面说的缺点外，更主要是因为，它能够灵活地变更尺寸，迎合了市场对不同钢材的需求，还有节约能源、节省成本、人力及产能效率高等优点。

近代钢铁革命：炼钢技术突破与优质钢铁产出

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