1910年,高炉的炉体支撑结构已经使用坚固的钢板和钢柱,炉壁外的钢壳也装置了水冷设备,这些已经形成了现代化高炉的基本形态。
1960年,高炉容积向大型化发展,1973年以后的高炉,最大内容积达到4,000立方米以上,每天可产1万吨的铁水。其他炼铁方法虽然也有进步,但由于高炉的产量大且热效率高,这也使得高炉炼铁法,一直到目前仍是炼制生铁的主流方法。
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”。
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。
(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。
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。
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。
(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。
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。
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。
(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。
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。
(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。