基本介紹
- 中文名：酸性平爐煉鋼
- 外文名：acid open hearth furnace steelmaking
- 發明：馬丁
- 國籍：法國
- 時間：1864年
簡介,歷史,工藝,原材料和燃料,酸性爐渣,操作工藝,還原法操作,
簡介
1864年法國工程師馬丁(P．E．Martin)建造的第一座平爐就是酸性的。酸性平爐的冶煉過程不能去除金屬液中的硫、磷有害雜質，故要求使用含硫、磷低的優質爐料，加之這種爐子的生產效率很低，所以這種煉鋼方法沒有得到推廣，但是爐底中SiO2在煉鋼時可被還原，使鋼水自動脫氧，且夾雜物成球形。生產軍工鋼、電機轉子鋼等鋼種時可用此法。中國在19世紀末在漢陽、上海等地建成的早期平爐均為酸性平爐，50年代在齊齊哈爾鋼廠和第一重型機械廠也建有酸性平爐。
歷史
平爐煉鋼的發明者是德國人威廉·西門子。大約從1846年起，他就開始研究燃料效率問題。1856年威廉·西門子和他弟弟弗里德里希·西門子得到一項將蓄熱原理用於所有需大量熱能的爐子的專利。最初，此法主要是用於玻璃熔化爐，可節省50%的燃料。將此法用於煉鋼，是在爐的兩端建有放置“磚格”的蓄熱室，磚格先由煉鋼爐排出的熱氣加熱，然後把要進爐空氣預熱。用固態燃料試驗時，很不順利，存在著一些問題，諸如爐灰堵塞了蓄熱室的磚格等。1861年改用發生爐煤氣作燃料代替直接用焦炭燃燒，從而解決了爐灰的問題。1864年法國人馬丁改造了爐體，又採用了威廉·西門子用蓄熱提高爐溫的辦法，用生鐵和廢鋼煉出了優質鋼。1868年威廉·西門子用生鐵和鐵礦石煉鋼成功。這種煉鋼法被稱做“西門子一馬丁煉鋼法”。 由於這種煉鋼爐形狀低平又有一個平展的熔池，所以被稱為“平爐”。這種煉鋼法也稱為“平爐煉鋼法”。
平爐煉鋼時，經過下層蓄熱室預熱的空氣和煤氣被送人上層熔池，在鐵水表面吹拂、燃燒，能夠比較完全地將鐵水中的碳和其他雜質氧化，得到優質的鋼。雖然平爐冶煉的時間比較長（一般為24小時），但熔池很大，一爐便可煉百噸鋼水，產量較高。而且原料不限於生鐵，廢鋼、鐵屑、熟鐵、鐵礦石均可，煉出的鋼質量穩定、均勻，所以一直沿用至今。
工藝
原材料和燃料
酸性爐渣
爐渣的主要來源是對酸性爐底材料的侵蝕和爐料氧化產物，主要組成是SiO2、FeO、MnO和CaO。當爐渣中SiO2含量超過60%時呈黏稠狀，隨著CaO、MnO、Al2O3含量增加爐渣將會變稀；當SiO2、Cr2O3含量增加爐渣則發稠。酸性爐渣的透氣性很差，能阻止爐氣中的氣體(N2、H2等)進入鋼液中，故所煉得的酸性鋼中的有害氣體含量極低。
操作工藝
還原法操作
雙聯矽還原法操作期有：
(1)補爐；
(2)熱兌液體半成品，在兌入前40～90min先加入酸性返回渣(占金屬爐料重的3%左右)，液體半成品溫度一般在1600℃以上，含碳量比所煉鋼種規格高0.5%～0．9%，硫、磷含量低於0.015%，不用鋁脫氧；
(3)死靜期(一般不超過30min)，這時爐溫偏低，反應微弱，熔池平靜；
(4)礦石沸騰；
(5)上漲期；鋼中矽達到0.12%左右時，鋼樣在冷凝時表面會鼓脹，進入上漲期後，鋼水矽還原現象明顯，鋼水也逐漸呈半脫氧狀態；
(6)平靜期；當鋼水含矽量還原到0.20%以上時，鋼樣表面逐漸呈凹形，鋼水達到自動脫氧狀態，這時熔池沸騰微弱甚至完全停止，矽含量一般達到0.24%～0.36%，平靜期才算終止。用矽還原法冶煉的鋼，一般不用鋁終脫氧；最後是合金化和出鋼。
熔池反應 酸性平爐煉鋼過程中，除爐氣、爐渣、鋼水間相互作用外，爐床也積極參與熔池反應，鋼水中矽的主要來源是爐床。由於酸性爐渣中缺乏自由CaO，不會發生去除鋼中硫、磷的反應。酸性平爐熔池反應主要有碳的氧化反應，鐵、矽、錳、鉻等元素的氧化和還原反應。其中矽的氧化與還原反應具有典型的意義，反應可用下式表達：
[Si]+2(FeO)=2[Fe]+(SiO2) (1)
(SiO2)+2[C]→[Si]+CO↑ (2)
式(1)是可逆反應，向右進行時為放熱反應；式(2)為吸熱反應。單從熱力學觀點考慮，熔池溫度低，渣中SiO2含量低和渣中FeO含量高有利於發生矽的氧化。限制矽還原法的操作前期熔池溫度較低，爐渣較稀，又因加入大量鐵礦石，故有利於矽的氧化，一般矽含量低於0.1%。到熔煉後期，鋼水溫度升高到1630℃左右，渣中SiO2也增加到55%以上，麗渣中FeO含量相應降低，則有利於發生矽的還原反應。為了抑制矽的還原需往渣中加入CaO等鹼性物質，以降低渣中SiO2的活度。矽還原法操作後期，熱力學條件有利於式(1)的反應向左進行和式(2)的反應向右進行。酸性熔池中矽的氧化和還原可能是同時發生的，若矽還原的速度大於矽氧化的速度，則鋼水中矽含量會自動升高。冶煉高碳鋼(如冷軋輥鋼、滾珠軸承鋼等)時，容易發生矽的還原現象。當採用矽錳還原法操作時，由於鋼水中錳含量較高，有利於反應(SiO2)+2[Mn]=[Si]+2(MnO)向右進行。矽的還原劑是碳、鐵、錳等。
