炼钢就是什么(“铁”是怎么变身，成为“钢”的？)

炼钢先炼铁。钢从生铁而来。用铁矿石冶炼而得的生铁，含碳量较高，而且含有许多杂质（如硅、锰、磷、硫等）。因此，生铁缺乏塑性和韧性，力学性能差，除熔化浇铸外，无法进行压力加工，因而限制了它的用途。

为了克服生铁的这些缺点，使它在工业上能起到更大的作用，还必须在高温下利用各种来源的氧，把生铁里面的杂质氧化清除到一定的程度，以得到一定成分和一定性质的铁碳合金——钢。

这种在高温下氧化清除生铁中杂质的方法叫炼钢。

炼钢的基本原理

生铁中的各种杂质，在高温环境下，不同程度上都与氧有较大的亲和力。因此可以利用氧化的方法使它们成为液体、固体或气体氧化物，液体和固体氧化物在高温下与炉衬和加入炉内的熔剂进行反应，结合成炉渣，并在扒渣时被排除炉外，气体也在钢水沸腾时被CO带到炉外。

在炼钢炉内，杂质的氧化主要是依靠FeO的存在而实现的。

2Fe＋O₂→2FeO

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硅元素的氧化

硅与氧有较大的亲和力，因此硅的氧化很迅速，它在冶炼初期就已经完全被氧化而生成SiO₂：

Si+2FeO→SiO₂+2Fe

同时SiO₂又和FeO反应形成硅酸盐：

2FeO+SiO₂→2FeO·SiO₂

这种盐是炉渣中很重要的一部分，它与CaO作用生成稳定化合物2CaO·SiO₂和FeO，前者牢固存在于炉渣中，后者变成了渣中的游离成分，使渣中FeO的含量增加，对促进杂质的氧化是比较有利的。其反应如下：

2FeO·SiO₂+2CaO→2CaO·SiO₂+2FeO

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锰元素的氧化

锰也是易氧化的元素，它所生成的MnO有较高的熔点，MnO在金属液中并不溶解，但是它与SiO₂形成化合物浮在液体金属表面，成为炉渣的一部分。

Mn+FeO→MnO+Fe

2MnO+SiO₂→2MnO·SiO₂

硅、锰的氧化反应放出大量的热，可以使炉温迅速提高（这一点对转炉炼钢特别重要），大大加速了碳的氧化过程。

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碳元素的氧化

碳的氧化需要吸收大量的热能，所以必须在较高的温度下才能进行。碳的氧化又是炼钢过程中很重要的一个反应：

C+FeO→CO+Fe

由于碳氧化时生成了CO气体，它从液体金属中逸出时起强烈的搅拌作用，这种作用叫做“沸腾”。产生沸腾的结果，可以促使熔池成分和温度均匀，加速金属与炉渣界面的反应，同时也有利于去除钢中气体和夹杂物。

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磷元素的氧化

磷的氧化在不太高的温度下即可发生，去磷过程由几个反应组合而成，其反应如下：

2P+5FeO→P₂O₅+5Fe

P₂O₅+3FeO→3FeO·P₂O₅

当在碱性炉渣中有足够的CaO时会发生如下反应：

3FeO·P₂O₅+4CaO→4CaO·P₂O₅+3FeO

所生成的4CaO·P₂O₅是稳定的化合物，它牢固地保持在炉渣中，因而达到了去磷的目的。

必须注意，钢水在脱氧过程中，要加入硅铁、锰铁等脱氧剂，因而常常在脱氧以后，炉渣呈现酸性，而使3FeO·P₂O₅遭到破坏，从中还原出P₂O₅，而P₂O₅是不稳定的氧化物，它在高温下易被碳还原，产生回磷现象。这也说明了在酸性炉内去磷是十分困难的。为了防止这种现象的产生，必须适当地增加炉渣碱度和渣量，提高炉渣氧化性等。

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硫元素的氧化

硫是以FeS的形式存在。当炉渣中有足够的CaO时，同样也能将硫去除，反应如下：

FeS+CaO→CaS+FeO

生成的CaS并不溶于钢水中，而形成了炉渣浮在钢水表面。

上面这个反应是可逆反应，而且是在含有FeO的炉渣中进行的，当FeO与CaS发生作用时，会使硫重新回到钢水中，所以去硫效率随渣中FeO的含量减少而增高。

而渣中含有足够的碳时，反应就不同了：

CaO+FeS+C→CaS+Fe+CO

由于碳夺去了FeO中的氧，失去了CaS与FeO作用的可能性，使反应不能逆向进行，这就是为什么电炉炼钢时去硫要比其他两种方法来得完全的原因。

在去硫过程中，锰也起了促进去硫的作用，其过程如下：

FeS+MnO→MnS+FeO

生成的MnS几乎不溶于钢水而进入渣中。因此，去硫的作用随锰的氧化而加大。

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FeO的脱氧

通过上述一系列氧化反应以后，虽然杂质被氧化了，达到了去除的目的，但是也由于氧化的结果，使钢水中含有较多的FeO，也就是说钢水中存在着大量的氧，给钢带来很大的危害，一方面使钢带有大量气泡；另一方面也使钢出现热脆和冷脆现象，而且危害性随含碳量的增加而加大。

因此，在炼钢过程的最后，还必须设法去除钢水中大量存在着的氧。通常采用的方法是在钢水中加入一些脱氧剂，如锰铁、硅铁、铝等，它们强烈地从FeO中夺取氧而达到脱氧的目的，其反应如下：

FeO+Mn→MnO+Fe

2FeO+Si→SiO₂+2Fe

3FeO+2Al→Al₂O₃+3Fe

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炉渣的作用

整个炼钢过程由氧化和还原两个过程组成，通常把碳、硅、锰、磷的氧化称为氧化期内的反应，把脱硫和脱氧称为还原期内的反应。从以上各项反应式中可以看到，为了清除金属中的杂质，必须考虑多方面的因素，但是其中最主要的因素就是造渣和除渣。

炉渣在炼钢过程中具有下列重要作用：

①炉渣应保证炼钢过程按一定反应方向来进行（氧化或还原）。

②炉渣应保证最大限度地去除金属中的有害杂质（磷和硫），以及防止炉气中的气体（氮气和氢气）进入到金属中。

③炉渣应保证操作过程中铁和其他有价值的元素损失最小。

炼钢的基本方法

①转炉炼钢

转炉炼钢法就是利用空气或氧气，采取底吹、侧吹和顶吹的方式，使铁水中的元素氧化到规定限度，从而得到成分合格的钢的一种炼钢方法。

②电炉炼钢

电炉是利用电能转变成热能来炼钢的，常用的电炉有两种：电弧炉和感应电炉。电弧炉用得最广，宜于冶炼优质钢和合金钢；感应电炉用于冶炼高级合金钢和有色合金。

③平炉炼钢

随着工业的发展，金属加工工业中积累了大量废钢。当时无法用转炉将它重新吹炼成钢，因此炼钢工作者们就寻找一种用废钢作原料的炼钢方法。1864年由法国人马丁发明了平炉炼钢法。

氧气顶吹转炉炼钢法的迅速发展，逐渐取代了平炉炼钢法。随着科学技术的进步，一些新的炼钢方法不断出现，比如钢水的真空处理、电渣炉熔炼、真空感应电炉熔炼等方法，早已得到了越来越多的使用。

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