煉鋼操作中去除鋼中雜質(zhì)，主要是依靠將鋼水中雜質(zhì)驅(qū)向爐渣。即利用鋼中雜質(zhì)與某些造渣物質(zhì)如氧化硅、氧化鈣、氧化鐵等相互結(jié)合成不溶于鋼水的渣，上浮在鋼水的表面，然后扒去渣液，即可得純凈鋼水。所以有句行話，“煉鋼即煉渣”，也就是說要得到好鋼必須造成合適的鋼渣。貝塞麥煉鋼爐的爐襯用的是硅質(zhì)耐火材料，即所謂“酸性”爐襯，所形成的鋼渣也是含氧化硅很高的酸性爐渣。這種爐渣不能與硫、磷等雜質(zhì)結(jié)合，所以去除雜質(zhì)的能力很低，必須使用低硫、低磷的優(yōu)質(zhì)生鐵為原料。這就極大地限制了這種煉鋼爐的應(yīng)用范圍。因為低硫、低磷的鐵礦資源極有限，一般情況下，不容易滿足貝塞麥煉鋼法對所用生鐵的質(zhì)量要求，煉得的鋼往往性能欠佳。1877年，英國入托馬斯和吉爾克里斯特解決了這一難題。他們使用白云石(氧化鈣和氧化鎂為主的礦物)作轉(zhuǎn)爐爐襯，為使?fàn)t襯可塑性好并結(jié)合密實，其中摻人10％左右的瀝青作黏合料。用這種爐襯的煉鋼爐被稱為堿性轉(zhuǎn)爐或托馬斯?fàn)t，可以造成含氧化鈣較高的堿性渣，對去除鋼水中的磷很有效，而且由于鋼渣中富含五氧化二磷(P₂O₅)還可用作農(nóng)家磷肥，真是一舉兩得。這種方法在法國、比利時等擁有高磷鐵礦的地區(qū)很受歡迎，延續(xù)使用到20世紀(jì)50年代，直到氧氣煉鋼興起方被淘汰。

就在貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼法問世后不到十年，煉鋼技術(shù)方面出現(xiàn)一顆耀眼的新星。1864年，英國籍德國人西門子(K．W．Siemens)發(fā)明了“平爐煉鋼法”。這種方法是在原有的炒鋼反射爐的基礎(chǔ)上，加用了蓄熱室，使燃氣和空氣先預(yù)熱到高溫，然后入反射爐燃燒，燃料的燃燒熱和預(yù)熱空氣與燃氣中含有的物理熱相疊加，就使?fàn)t溫提高到1600℃以上，爐料可熔化成液態(tài)鋼水，再經(jīng)造渣、精煉等操作，可煉成質(zhì)量很高的液態(tài)鋼。

平爐煉鋼盛極一時

同年，法國工程師馬丁又在這種爐中搭配廢鋼，這就更擴大了原料來源，這種煉鋼方法也稱“西門子一馬丁爐煉鋼法”，因為這種爐子形狀如同一間小平房，在中國一般稱為“平爐煉鋼”。平爐煉鋼對原料要求不高，礦石、生鐵、廢鋼均可搭配入爐；爐襯可用堿性耐火材料，也可用酸性耐火材料，但用酸性爐襯要求原料含硫、磷低，所以很少使用。堿性平爐可從容造渣、甚至可多次放渣脫去雜質(zhì)、鋼液化學(xué)成分也較容易控制；爐容積可以造得很大，小爐子可數(shù)噸、數(shù)十噸，大爐子可達千噸；而且，由于爐中燃氣是從鋼液表面掠過，并不像轉(zhuǎn)爐中那樣直接穿過鋼液，所以有害氣體(氮、氫等)含量較少，精煉過程中，還可進一步脫去氣體，減少于鋼材脆裂的傾向；雖然每爐冶煉時間長達數(shù)小時或更多，但就產(chǎn)量、質(zhì)量，成本各項指標(biāo)上衡量得失，還是遠勝于轉(zhuǎn)爐煉鋼。此法一出，便以強大的競爭力向全世界推廣，將轉(zhuǎn)爐煉鋼法擠出市場，除了有特殊原料條件(如法國、比利時等)或有特殊用途(如鑄造廠中小型轉(zhuǎn)爐)。新建大型煉鋼廠多是采用平爐煉鋼。1888年法國埃魯發(fā)明了電爐煉鋼法，但由于電能消耗大，成本高，只宜用在高質(zhì)量鋼和高合金鋼等生產(chǎn)，也無法與平爐煉鋼競爭。直到20世紀(jì)中葉，近百年間，全世界80％的鋼都是產(chǎn)自平爐，可謂盛極一時。

技術(shù)嫁接 技術(shù)集成

說來有趣，蓄熱室是煉鋼業(yè)向玻璃制造業(yè)學(xué)習(xí)的成果，也可稱之為“技術(shù)嫁接，技術(shù)集成”?！靶顭崾摇笔且粋€內(nèi)部砌有格子磚的小室，高溫氣流通過時，便將其格子磚加熱，頗似中國北方農(nóng)家火炕。再通人冷風(fēng)時，冷風(fēng)接受格子磚加熱，變成熱風(fēng)，即可增加燃燒后的溫度，這種原理早在高爐熱風(fēng)爐上有所應(yīng)用。1856年，西門子取得蓄熱室專利。他是利用玻璃熔化爐的廢氣通過蓄熱室，提高了燃氣入爐前的溫度。不需再用燃燒加熱熱風(fēng)爐，即可取得很高爐溫。這一發(fā)明使玻璃生產(chǎn)成本大幅降低，并便于生產(chǎn)大塊平板玻璃。此技術(shù)隨即被引用于煉鋼平爐，就形成新的煉鋼技術(shù)。1862年西門子當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員，1877年榮任英國鋼鐵學(xué)會主席。

從這個事例中可見新技術(shù)與老技術(shù)的繼承發(fā)展的關(guān)系，各行各業(yè)之間技術(shù)集成相互滲透的關(guān)系。反射爐炒鋼古已有之，在中國自東漢時即普遍使用，有近2000年的歷史。在歐洲也沿用數(shù)百年之久。一旦加入了“蓄熱室”這一新設(shè)施，頓使面目一新，在煉鋼界獨領(lǐng)風(fēng)騷近百年?？芍^“老樹新花”。20世紀(jì)50年代崛起的氧氣煉鋼也是在被冷落了百年之久的“吹爐”(轉(zhuǎn)爐)技術(shù)中，引進使用氧氣吹煉，從而煥發(fā)青春，成為煉鋼技術(shù)主流。

氧氣頂吹 風(fēng)靡全球

早在1855年貝塞麥就設(shè)想使用氧氣吹煉鐵水，使之脫碳成鋼。他也曾設(shè)想從爐子上部插入管子，導(dǎo)人空氣或氧氣以便吹煉，酷似現(xiàn)代“頂吹”。然而19世紀(jì)中葉，制氧技術(shù)還很幼稚，不能制出大量氧氣，所以貝塞麥只能從原理上推論設(shè)想而已。事隔80年，20世紀(jì)30年代，工業(yè)制氧技術(shù)已趨成熟，有些科學(xué)家又開始從事氧氣煉鋼的開發(fā)研究，其中最著名的是德國工業(yè)大學(xué)的杜爾教授，他發(fā)表了實驗室研究論文，但第二次世界大戰(zhàn)打斷了研究進程，杜爾先生逃避到瑞士。1945年，他在瑞士用一個小轉(zhuǎn)爐試驗用氧氣煉鋼成功。戰(zhàn)后重建被“二戰(zhàn)”破壞的基礎(chǔ)設(shè)施急需大量鋼材，鋼價飛漲。尋求新的快速煉鋼方法成為熱門課題，杜爾被奧地利鋼鐵公司請去進行氧氣煉鋼開發(fā)研究。1952年，杜爾不負眾望，在奧地利的林茨一多納維茨鋼廠建成30噸頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐，后來就用這兩個地名的字頭命名稱之為“L－D煉鋼法”。此法原理并不復(fù)雜，使用一根雙層套管，兩管之間有循環(huán)冷卻水，中空內(nèi)管可通高壓氧氣流。吹煉時，管子垂直向下深入爐中，高壓氣流沖向罐狀容器(煉鋼爐)中鐵水，使鐵水中的雜質(zhì)，硅、錳、磷、碳等迅速氧化，此時，氧化所產(chǎn)生的熱量使鋼液溫度急劇上升，待鋼水的成分和溫度達到合適要求時，可加入脫氧劑及合金料調(diào)節(jié)鋼水達到所需標(biāo)準(zhǔn)即可出鋼。每爐吹煉的時間僅15～20分鐘，即使連加料、出鋼、補爐等輔助操作一般不超過一小時，而且不需外加燃料。早期爐容數(shù)十噸，后來發(fā)展為數(shù)百噸。年產(chǎn)數(shù)百萬噸的鋼廠也只需3～4個煉鋼爐，煉鋼廠的基建資金和建設(shè)時間大為節(jié)省，如此多快好省的技術(shù)當(dāng)然應(yīng)該不脛而走，風(fēng)靡全球。

然而，好事多磨，新煉鋼方法推廣中阻力重重。首先本身尚不完善，其一是吹煉氣流流速高達數(shù)倍或十?dāng)?shù)倍音速，與鋼水反應(yīng)激烈，向爐外噴濺及氧化損耗的鋼水較大。其二是吹煉產(chǎn)生的紅色粉塵(氧化鐵)彌漫空間，污染周圍環(huán)境極為嚴(yán)重。三是所產(chǎn)鋼中脫氣等操作及合金化均待改進。所以，有些國家的專家們對L－D法評價不高，前蘇聯(lián)對此不感興趣，也影響當(dāng)時中國拒絕了這項技術(shù)引進。日本和西歐各國則很快引進改善了上述缺點，尤其是與此新煉鋼技術(shù)相輔相成的各種相關(guān)技術(shù)集成，如：“鋼包冶金”(盛鋼桶中做各種精煉處理)，連續(xù)鑄造，各種自動化操作系統(tǒng)等等相繼發(fā)展完成。到20世紀(jì)60年代，氧氣頂吹煉鋼以其投資少、建設(shè)快、效益高等優(yōu)勢，成為煉鋼技術(shù)主流，能使鋼產(chǎn)量成倍增長。以日本為例，在二戰(zhàn)后的廢墟上，采用氧氣煉鋼技術(shù)，以不足20年時間，鋼產(chǎn)量躍升到8千萬噸。中國在20世紀(jì)80年代以后，大力引進推廣這項煉鋼技術(shù)，現(xiàn)在鋼產(chǎn)量早逾億噸，躍居世界首位。回首往事，不免為20世紀(jì)50年代中國的決策失誤而扼腕嘆息。