鹼性平爐鍊鋼法

1856年，德國工程師威廉·西門子使用蓄熱室為平爐的構造奠定了基礎。1864年，法國工程師馬丁利用有蓄熱室的火焰爐，以煤氣或重油為燃料，在燃燒火焰直接加熱的狀態下，將生鐵和廢鋼等原料熔化並精煉成鋼液。同轉爐鍊鋼法相比，可大量使用廢鋼，而且生鐵和廢鋼配比靈活；對鐵水成分的要求不像轉爐那樣嚴格，可使用轉爐不能用的普通生鐵；能煉的鋼種比轉爐多，質量較好。平爐鍊鋼法問世後立刻為各國廣泛採用，成為世界上主要的鍊鋼方法。在1930年至1960年的30年間，世界每年鋼的總產量近80%是平爐鋼。50年代初期氧氣頂吹轉爐投入生產，從60年代起平爐逐漸失去其主力地位。許多國家的平爐已經或正在陸續被氧氣轉爐和電爐所代替。

在鹼性耐火材料砌築的熔鍊室內進行熔鍊的平爐鍊鋼法。鹼性平爐的爐底和堤坡由鎂質或鎂鉻質耐火材料砌築，爐頂由懸掛式鎂磚或鋁鎂磚構成。冶煉過程使用鹼性渣操作，能有效地去除鋼液中的磷和一定程度的脱硫。由於鹼性平爐對鐵水成分和生鐵/廢鋼配比的適應性強，1970年以前鹼性平爐鍊鋼是世界上最主要的鍊鋼法。按金屬爐料組成的不同，有廢鋼礦石法、礦石法、廢鋼法和廢鋼增碳法等4種。

最重要和最常用的鹼性平爐鍊鋼工藝。鐵水為金屬料的主要組成部分，佔55%～85%，廢鋼量在45%以下。熔鍊過程分為補爐、裝料、熔化、精煉、脱氧和出鋼5期，為了縮短整個熔鍊時間，實際操作時通常是相鄰期交叉進行的。

從上爐出鋼開始至下爐裝入第一槽爐料的期間為補爐期。當上爐鋼水一經放出，爐內熔池液麪就開始下降，當後牆渣線、出鋼口和爐頭堤坡暴露於液麪時，立即用補爐機進行修補，補爐材料為鎂砂、白雲石、鐵皮、焦油和滷水等。補爐時爐內要保持正壓和高温，即向爐內供給足量燃料，使補爐材料與爐體很好燒結。

向爐內裝入第一槽冷爐料至兑完全部鐵水的期間為裝料期。為了保證爐料在全部熔化完畢時得到合適的熔畢碳和熔畢渣鹼度，事先必須進行爐料的配料計算，計算爐料中的礦石量和石灰石量。熔畢碳是指爐料全部熔化完畢時金屬液中的含碳量。此值應比所鍊鋼種的含碳量高出0.25%～0.80%(與爐容量大小有關，平均值為0.5%左右)，以保證精煉期的造渣、脱碳、升温和控制鋼液成分能夠順利進行。合適的熔畢碳取決於正確的礦石加入量，而後者與爐子噸位、鐵水和廢鋼的配比及成分、爐子氧化能力和熔化期的放渣量及其成分等因素有關。而這些參數間的相互關係主要依靠實踐經驗來確定。裝料的順序和速度、爐料加熱的時間都對爐料的熔化速度、成渣速度和總冶煉時間有極大影響。裝料順序根據爐料的導熱性能、難熔程度以及它們對爐襯材料的作用來確定。導熱性差、熱容小的礦石和石灰石先裝入，而導熱性好的生鐵和廢鋼則後裝入。通常在爐底上首先裝礦石，其後是石灰石和礦石交替裝入，最後裝入廢鋼，而重廢鋼應裝在上層靠近後牆側，該處受熱條件最好。裝料操作的原則是高温快裝、均勻鋪平和分層燒透。冷爐料裝完後，堆堵好爐門的假門坎，加熱爐料一定時間。然後經過兑鐵口連續兑入鐵水，直至兑完，這時熔池開始活躍沸騰，而且熔池渣面升高，很快形成大量酸性初期渣。裝料期應向爐內供應最高流量的燃料以快速加熱裝入的冷料，但當初渣生成後適當減少燃料流量。裝料時間佔總熔鍊時間的20%～30%。

從兑完鐵水至爐料全部熔化完畢的期間為熔化期，它是平爐熔鍊各期中最長的一個階段，約佔總冶煉時間的30%～50%。故縮短熔化期是實現平爐快速鍊鋼的關鍵。熔化期的任務是將爐料全部熔化並加熱至一定温度，使爐渣具有合適的鹼度和良好的流動性。同時在爐料熔畢時保證金屬液內有合適的熔畢碳，為精煉期創造良好的條件。當鐵水兑入爐內後，立即與礦石發生激烈反應，熔池開始沸騰而上漲，生成大量發泡偏酸性渣，這時需及時通過後牆上的放渣口或爐門進行放渣，可去除熔池金屬液中50%～90%的磷和10%～20%的硫，同時可大大改善向熔池的傳熱和傳氧，也減輕初渣對爐襯的侵蝕。當金屬爐料熔化時，裝在爐底上的石灰石加熱後開始分解，其產物石灰(CaO)上浮進入渣中，並放出大量的CO₂氣體使熔池產生沸騰，稱為石灰沸騰，這種沸騰有利於熔池的加熱和氧化反應的進行。在熔化中期，隨着温度上升，廢鋼和生鐵塊大量熔化，熔池裏發生劇烈沸騰(俗稱“大翻”)現象，也加速熔池加熱和反應進行。這時金屬液中的碳與礦石、渣中的FeO發生反應生成大量CO也引起熔池強烈沸騰，由於CO在熔池上方燃燒放出很大熱量，故此時需適當減少向爐內的燃料供應。當熔池停止“大翻”時，即表明爐料已全部熔化完畢。若熔池温度合適，爐渣鹼度接近2而且流動性良好，即可結束熔化期，而進入精煉期。

從熔畢到爐內預脱氧(出鋼)的期間稱為精煉期。精煉期包含兩個階段，即礦石沸騰期和純沸騰期。精煉期的主要任務是調整鋼液成分，降低C、P、S含量並使之達到預脱氧前的要求;充分去除鋼液中的夾雜物和氣體，提高鋼液純淨度;加熱鋼液到出鋼所需温度。礦石沸騰期是指從爐料熔畢到純沸騰開始這段時間。當爐料完全熔化和熔池温度達到預定值時，即可向熔池加進鐵礦石進行精煉，加進鐵礦石的目的是為了提高鋼液的脱碳速度以縮短冶煉時間，C和O反應生成的大量CO逸出使熔池發生激烈沸騰，這種攪動有利於熔池的傳熱、造渣、氣體和夾雜物的去除以及温度和成分的均勻。由加入礦石而產生CO使熔池沸騰的現象，稱為礦石沸騰;這種沸騰對完成精煉任務起着決定性作用。鐵礦石分批加入，其數量和時間應與平爐的供熱能力相配合，為了促進脱硫、脱磷反應，在鐵礦石之後還需分批加入一定量的石灰。當鐵礦石和爐渣與鋼液間的氧化熔鍊反應接近完成時，熔池沸騰逐漸減弱，這表示礦石沸騰期結束和純沸騰期開始。純沸騰期是指從礦石沸騰結束到預脱氧前的這段時間。鐵礦石和爐渣與鋼液間的強烈氧化反應已經結束，代之而起的是鋼液內部的C-O反應開始發生，從爐門窺孔可見到整個熔池表面冒着均勻而細小的CO氣泡，很像粥鍋裏的冒泡沸騰，人們稱這種沸騰為純沸騰。純沸騰的作用是進一步去除鋼液中的氣體和夾雜物和加熱鋼液至出鋼温度。為保證鋼的質量，對純沸騰的時間有着嚴格的規定。通過取出鋼樣和渣樣的分析和觀察以及鋼液温度的測定，就可判斷純沸騰期的結束。進行爐內預脱氧和出鋼。在出鋼過程中向鋼流和鋼包內投脱氧劑進行終脱氧。

當鋼液成分和温度達到所鍊鋼種要求而結束精煉期時，即可進行爐內預脱氧和準備出鋼，這時可適當減少向爐內供給燃料。爐內預脱氧對鋼液温度影響較小，鋼液成分較均勻，脱氧產物易於排除，但脱氧劑收得率較低。打開出鋼口的操作也很重要，要保持出鋼口平整圓滑，不使鋼流發散，這是保證鋼質量的重要條件，出完鋼要把出鋼口清理乾淨，在修補完爐底後便將它堵塞嚴實，以保證下爐的順利操作。

這種鍊鋼工藝實際上是廢鋼礦石法的一種極端，即金屬爐料只有生鐵(或鐵水)，而沒有廢鋼，故在爐料中必須加入大量的鐵礦石作為生鐵中雜質元素的氧化劑，也因此而稱為礦石法。當採用鐵水為金屬爐料時，就沒有熔化期，冶煉時間可大為縮短。裝料期、精煉期和出鋼等操作基本上與廢鋼礦石法相似。此法極少採用。

這種工藝是廢鋼礦石法的另一種特例，其金屬爐料中大部為廢鋼，僅有少量生鐵且為固態。鋼液中雜質元素的氧化劑主要來自氧化性爐氣(O₂、H₂O和CO2)，還有少量來自加入的鐵礦石。金屬液中的碳主要來自加入的生鐵，經氧化生成的CO造成熔池強烈的沸騰，大大促進了爐內的傳熱和傳氧過程，保證了精煉作用和鋼液的質量。冶煉過程的操作工藝有些部分類似於廢鋼礦石法。

這種工藝是在完全缺乏生鐵條件下的廢鋼法，即金屬爐料全部由廢鋼組成，精煉期所需的碳來自爐料中的增碳劑，如無煙煤、焦炭、石墨等。此法與廢鋼法的主要區別是爐料中被氧化放熱的元素硅和錳含量較低，而且爐料更難於熔化，為此必須向平爐內供給大流量燃料以獲得熔鍊室的高温。爐料中的含磷量很低，裝料時只需用少量石灰石，所以不需採用放渣操作。冶煉操作與廢鋼法大致相同。 ^[2]