貝塞麥轉爐鍊鋼法

現代鍊鋼法最早起始於1856年英國人H. Bessemer發明的酸性底吹轉爐鍊鋼法，該方法首次解決了大規模生產液態鋼的問題，奠定了近代鍊鋼工藝方法的基礎。由於空氣與鐵水直接作用，貝塞麥鍊鋼方法因而具有很快的冶煉速度，成為當時主要的鍊鋼方法。但是，Bessemer工藝採用的酸性爐襯，不能造鹼性爐渣，因而不能進行脱磷和脱硫。1879年英國人S. G. Thomas發明了鹼性空氣底吹轉爐鍊鋼法，成功地解決了冶煉高磷生鐵的問題。由於西歐許多鐵礦為高磷鐵礦，直到20世紀70年代末，Thomas鍊鋼法仍被法國、盧森堡、比利時等國的一些鋼鐵廠所採用 ^[1]  。

轉爐鍊鋼是一種不需外加熱源，主要以液態生鐵為原料的鍊鋼方法。轉爐鍊鋼法的主要特點是：靠轉爐內液態生鐵的物理熱和生鐵內各組分（如碳、錳、硅、磷等）與送入爐內的氧進行化學反應所產生的熱量，使金屬達到出鋼要求的成分和温度。爐料主要為鐵水和造渣料（如石灰、石英、螢石等），為調整温度，可加入廢鋼以及少量的冷生鐵塊和礦石等。轉爐按爐襯的耐火材料性質分為鹼性（用鎂砂或白雲石為內襯）和酸性（用硅質材料為內襯）;按氣體吹入爐內的部位分為底吹、頂吹和側吹;按吹煉採用的氣體，分為空氣轉爐和氧氣轉爐。酸性轉爐不能去除生鐵中的硫和磷，須用優質生鐵，因而應用範圍受到限制。鹼性轉爐適於用高磷生鐵鍊鋼，曾在西歐得到較大發展。空氣吹煉的轉爐鋼，因含氮量高，質量不如平爐鋼，且原料有侷限性，又不能多配廢鋼，未能像平爐那樣在世界範圍內廣泛採用。1952年氧氣頂吹轉爐問世，逐漸取代空氣吹煉的轉爐和平爐，現在已經成為世界上主要鍊鋼方法。

隨着工業革命的勝利，工場手工業轉向了機器大工業。機器的大量發明和廣泛使用，使鋼鐵成了最基本的工業材料。從前的鍊鋼方法已經不能滿足工業和技術發展的急需，尋找新鍊鋼法最早獲得成就的是英國的威廉·凱利。19世紀40年代末他在肯特郡自己開辦的工廠裏發現，精煉生鐵時，少加一些木炭，多往爐內鼓進些空氣，能使爐温升高。此法不僅節約了木炭，而且可以把鐵煉成鋼。1851年凱利建成了新的鍊鋼爐，但他嚴格保密，不向外公佈。

首先公佈轉爐鍊鋼法是英國發明家貝塞麥。直接導致他尋找新鍊鋼法的契機是軍備和戰爭的需要。1854年底，在阿薩斯諾靶場試射貝塞麥研製的新型炮彈時，軍官們擔心：用生鐵鑄造的舊炮發射這種新型炮彈，它是否承受得了炮彈的爆炸力，貝塞麥回憶説： “這是導致他考慮去尋找新鍊鋼方法的 “一個火花”。

隨後貝塞麥設計了一個爐子，高約1.22米，系固定式的垂直容器，下部有6個風口，可加入熔融生鐵約350公斤。試驗時人們對此表示極大的懷疑。就連參加實驗的工匠們都警告他説，不加焦炭光吹空氣，會使鐵水在爐中凝固。但是，從爐底鼓進空氣後，情況出人意料。首先將鐵水中的錳和硅氧化，形成褐色煙霧逸出，在這期間，鐵水中的碳也被氧化成二氧化碳。爐温從倒入鐵水時的135。C大約上升到1600。C，反應非常劇烈，象火山爆發一樣。整個過程約30分鐘，而且不需要任何燃料，就可以煉一爐鋼。接着，他將鍊鋼爐從固定式結構改為可向一側傾倒，以使煉好的鋼水易於倒出。使鍊鋼爐成為可轉動的爐。即轉爐。1857年他取得了這項發明的專利。

貝塞麥的發明，引起世界各國的興趣，紛紛申請採用該法生產的專利。但是很快就出現了問題，不少鋼鐵企業用此法煉出的鋼太脆，一擊就碎，原因是礦石中含磷較高。而貝塞麥實驗用的礦石恰巧含磷較低。貝塞麥花了很大精力試圖解決這一問題，但未能取得成效，此法只限於吹煉含磷少的生鐵。

轉爐吹煉法還有另一個質量問題，即鑄錠內有許多氣孔。這一問題由貝塞麥的一位蘇格蘭朋友烏希特建議“鼓風”之後加去氧劑（鐵錳合金）得以解決。

磷的問題是20多年後由英國人托馬斯解決的。他認為生鐵中的磷被空氣氧化後，又被硅質爐襯還原成磷，重新進入鋼水。經過一番努力，他發現石灰石能使鐵水脱磷，但必須把貝塞麥轉爐原先的酸性硅酸質爐襯改為鹼性爐襯。新的鹼性耐火磚是用在高温下燒成熟料的白雲石與焦油混合燒成的。1877年托馬斯利用一個星期天的時間在南威爾鍊鋼廠進行了實驗，用鹼性耐火磚砌襯，在轉爐冶煉過程中與鼓風的同時添加石灰石使爐渣成為高鹼性，結果煉出了脱磷的鋼。實驗大獲成功，創造了鹼性轉爐鍊鋼法，又稱貝塞麥一托馬斯法。

第二次世界大戰後，不少國家開始實驗用純氧代替空氣鍊鋼。1948年奧地利首先取得了技術突破。此法是把生鐵水與廢鋼混合，倒入轉爐中，然後吹氧，將碳與雜質迅速燒掉。用這種方法煉出的鋼，質量可與平爐煉出的鋼相媲美，所需時間卻只有平爐的十分之一。 ^[2] 

當空氣或氧氣吹入鐵水時，生鐵中易氧化元素就開始氧化,產生的氧化物和加入的石灰形成爐渣。各項元素按其與氧結合能力的順序依次氧化。首先氧化的是硅、錳和少量的鐵。開始時因温度低(1200～1300℃)，而且石灰溶解很慢，組成低氧化鈣的鐵-錳-硅酸渣。隨着温度升高，碳開始激烈地進行氧化。隨石灰逐漸溶解，爐渣轉變為硅酸鈣渣或磷酸鈣渣,磷和硫亦被脱除,熔池鐵液中各種元素氧化的先後順序為硅、釩、錳、鉻。碳隨着温度的提高而分別先於有關元素氧化（見自由焓）。

轉爐吹煉終了時，鋼液中存在着少量過剩的溶解氧，一般為0.01～0.08%。其含量主要取決於終點鋼水的碳含量。但在固體鋼中氧的溶解度很低, 僅為0.002～0.003%,因此在澆鑄後的鋼水凝固過程中，氧便以FeO形式析出,影響鋼的質量。所以,要煉成合格的鋼,就必須脱氧。脱氧是將與氧親和力較大的元素及其合金作為脱氧劑加入鋼液中，利用脱氧產物不溶於鋼液而析出上浮脱離鋼液的原理,使鋼中的含氧量降到規定限度之下(見鋼的脱氧反應)。在生產中常用的脱氧元素錳、硅、鋁,它們的脱氧能力依次遞增。為提高脱氧效率,使脱氧產物易於形成大顆粒排出，脱氧劑的加入一般應採用由弱到強的順序，即先加錳鐵，再加硅鐵，最後加鋁（或鋁鐵）。