53．人类进入钢的时代——现代冶炼技术的发明与发展

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53．人类进入钢的时代——现代冶炼技术的发明与发展

19世纪中叶以后，欧洲钢的生产开始了大发展，1856年是大发展的起点，这一年贝塞麦发明了转炉吹炼法，大大缩短了炼钢时间，不久西门子又发明了平炉炼法（1867年），不仅能生产优质钢，而且可大利用大量废钢。这两种方法为现代化炼钢打下了基础，使人类进入钢的时代。

磷的问题是20多年后才由英国人托马斯解决。他从化学反应的角度来研究磷的行为，认为生铁中的磷被空气氧化后生成五氧化二磷，又被吹炼炉的硅质炉衬还原成磷，重新进入钢中，因此他认为，如果采用另一种炉，使它能够和五氧化二磷结合，就能解决这一问题。他和P·吉尔克里斯特合作，于1877年在一座小炉上进行了一系列试验，证明用碱性衬炉可以脱磷，以后又在1.5吨的炉子里进行扩大试验，采用白云石作为炉衬，并以焦油作粘结剂，于1879年获得成功，创造丁碱性转炉炼钢法，又称贝塞麦—托马斯法，从此该法在欧洲推广应用，取得显著成效。

平炉炼钢的发明者是德国人西门子，他和其弟一起研究蓄热式热交换器以及用煤气作燃料，成功地用于玻璃熔化炉，可节省燃料50％，以后应用于熔化坩埚钢，接着研究成功了用生铁和铁矿石一起炼钢的方法，即平炉炼钢法，于1867年取得专利。平炉炼钢的冶炼系在中间的反射炉内进行，炉子的下面有两个蓄热式热交换器，分列左右，轮换使用，用以预热空气。这种炉子的特点是热效率较高，并可达到很高的炉温。同一时候，法国马丁取得西门子关于蓄热室炉子的专利后，试验成功了用生铁和熟铁一起熔炼成钢的方法，接着又用废钢代替熟铁和生铁一起炼钢，这就是现在通用的平炉炼钢法，又称西门子—马丁法。平炉的炉衬也有酸性和碱性两种。

平炉的冶炼时间比转炉长得多，对于100吨的炉子，原料如为生铁∶废钢＝50∶50，则冶炼周期约为8～12小时。

和转炉炼钢比较，平炉具有以下优点：

平炉去除钢中杂质是个缓慢过程，因此钢的成分容易控制。

可以加入任何比例的废钢（当时转炉限于5％）。

碱性平炉可以不受生铁中含磷量的限制（碱性转炉要求生铁中含有足够高的磷，一般须为1.7～2％，否则氧化发热量不够，难以维持炉温；而酸性转炉则要求生铁中含量足够低，才能保证钢的良好性能）。

钢中含氮量少（转炉系空气直接吹入熔体，钢中吸收了一部分氮，易使钢变脆）。

由于具有上述优点，因此平炉发展很快，到1894年时产量已超过了转炉，达到157.5万吨，转炉钢则为153.53万吨。

电炉炼钢系用电作为热源进行炼钢，有两种形式，一是电弧炉，一是感应炉。

电弧炉——西门子于1878年首先应用电弧炉熔化废钢，但由于当时电费太贵，且电力供应不足，限制了该法的发展。1900年法国埃洛特建立了第一座工业用的电弧炼钢炉，先将生铁在碱性转炉内吹炼，去掉硅、锰及大部分碳，然后将熔体装入碱性电弧炉内进一步除磷及碳，直到达到要求的含量，这样可使每炉钢的成分基本一样。

感应炉——意大利费兰蒂于1877年最先采用高频炉熔化金属，但工业应用则始于1899年客林在瑞典建立的炉子。英国的炼钢中心设菲尔德于1907年建立了一座实验炉，可生产2吨重的钢铸件，由于1925年发明了电动发电机组，能获得比较合适的频率（500～3000周／秒），从而加速了感应炉的发展，使它逐渐取代了坩埚炉，用来生产高质量的工具钢。感应炉仅系熔化而不发生冶炼作用，因此可按照需要成分预先配好炉原料。感应加热时产生涡流，对熔体有搅动作用，使钢的成分均匀一致。

用电炉可以冶炼各种性能的合金钢。