花上十分鐘，了解一個(gè)工業(yè)常識(shí)。

    在前面'古人怎么煉鋼鐵’那一篇中，我講了固體滲碳鋼和炒鋼兩種古代的煉鋼方法，兩種方法看上去完全兩碼事，都是在煉鋼，那么我們?cè)趺从靡痪湓拋碚f清楚煉鋼的基本原理呢？

    固體滲碳鋼是打鐵式煉鋼，因?yàn)槎啻魏图t熱的碳接觸，鐵里滲透進(jìn)了碳，缺碳的熟鐵就慢慢變成鋼了。

    炒鋼是往含碳量超標(biāo)的生鐵水里撒礦石粉，當(dāng)作氧化劑把多余的碳氧化掉。

    還有，鐵水里如果硫和磷這樣的雜質(zhì)多了，得想辦法弄出來，如果要煉合金鋼，又要往鐵水里加合金元素，總之，鐵里某種雜質(zhì)少了就往里加，多了就往外拿，這就是煉鋼的共同性。

    現(xiàn)在可以用一句話總結(jié)了：煉鋼就是調(diào)整鐵中的各種雜質(zhì)含量，以達(dá)到我們需要的性能。

    為什么不說達(dá)到需要的雜質(zhì)比例而說性能呢？因?yàn)檎{(diào)整雜質(zhì)比例的目的，就是為了提高性能嘛。

    一種鋼號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，既包含雜質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)，也包含力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)，而且通常是以性能指標(biāo)為準(zhǔn)的。

    既然是調(diào)整雜質(zhì)比例，那么原材料不同，或者想要的鋼種不同，煉鋼方法都可能不一樣，所以，煉鋼方法是五花八門的。

    之前介紹過幾種古代煉鋼法，包括炒鋼法，固體滲碳法，灌鋼法以及百煉鋼法等等，今天來聊一聊現(xiàn)代的煉鋼方法。

    現(xiàn)代也有很多種煉鋼方法，小眾的，煉高標(biāo)準(zhǔn)鋼的坩堝鋼、電渣重熔鋼等方法，我就不講了，比較常見的煉鋼方法，有平爐煉鋼、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼以及電弧爐煉鋼三種，三種煉鋼法大致可以分兩類，平爐和電弧爐一類，轉(zhuǎn)爐是另一類。

    從冶煉方式看，平爐和電弧爐都是混合熔煉方式，也就是把含碳量高低不同的原料混合熔煉，形成含碳量合適的鋼。

    轉(zhuǎn)爐則是把氧氣直接往鐵水里吹，把多余的碳燒掉，屬于脫碳法冶煉方式。

    煉鋼不是一下子就干完的，有一個(gè)過程，即使用融化了的高溫鐵水開始煉鋼，也需要維持熱量。

    這方面平爐和電弧爐也是一類，都是外供熱量，平爐是燃料供熱方式，電弧爐自然是電弧供熱。

    轉(zhuǎn)爐屬于自供熱方式，冶煉過程自己產(chǎn)熱，你想啊，把氧氣一吹進(jìn)去，多余的碳燃燒了，硫和磷也燃燒了，就連鐵也燒起來了，還怕不能保持溫度？

    現(xiàn)在先從平爐煉鋼開始聊。

    1856年，德國的西門子兄弟發(fā)明了蓄熱室，啥叫蓄熱室？我前面講過的高爐用的熱風(fēng)爐就是，也就是用耐火磚砌成曲里拐彎的風(fēng)道，通入高溫?zé)煔?，就加熱耐火磚，再通入空氣，就被耐火磚加熱成熱風(fēng)。

    1864年，法國的馬丁在蓄熱室基礎(chǔ)上發(fā)明了平爐，因此平爐也稱為馬丁爐或者西門子—馬丁爐，從此開啟了現(xiàn)代煉鋼工藝。

    到1900前后，平爐煉鋼成為煉鋼工藝的絕對(duì)主流，并且獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷近七十年。

    平爐主體像個(gè)浴缸，底部的出水孔就是出鋼口，兩側(cè)有墻，上面加蓋，進(jìn)氣和出氣都兩頭通過，稱為爐頭，兩個(gè)爐頭架在一對(duì)蓄熱室的一端，蓄熱室的另一端，并排布置著煙道和風(fēng)道，一對(duì)煙道匯總后連到煙囪或者余熱鍋爐，風(fēng)道則連著鼓風(fēng)機(jī)。

    平爐的氣流方向是輪換的，輪到一號(hào)蓄熱室送風(fēng)時(shí)，熱風(fēng)從這一端進(jìn)入爐頭，同時(shí)加噴重油或者通入煤氣，火焰就在浴缸上方燃燒，為鐵水供熱，高溫?zé)煔鈴牧硪粋€(gè)爐頭離開，去加熱二號(hào)蓄熱室，然后從煙道排掉，等二號(hào)蓄熱室溫度夠高時(shí)，再把氣流方向切換過來。

    在鐵水上方燃燒加熱，會(huì)不會(huì)有點(diǎn)隔靴搔癢？熱效率低下去，冶煉時(shí)間就會(huì)提上來，一來一去，不太耗能了嗎？是的，平爐煉鋼的確非常耗能，因此煉鋼成本也高，這就是它最終被淘汰的理由。

    但平爐有自己的優(yōu)勢(shì)，它可以有很多種不同的裝料方案，比如生鐵加礦石，礦石作為氧化劑，這是炒鋼法的升級(jí)版，還有生鐵加廢鋼鐵再加少量礦石，這個(gè)配方可以把廢鋼鐵搭配著用掉，還有廢鋼鐵加少量碳粉，這是以廢鋼鐵為主原料了，因?yàn)闊犸L(fēng)有氧氣，有一定氧化性，加碳粉是作為增碳劑，補(bǔ)充冶煉中含碳量損失的。

    平爐低碳鋼中碳鋼高碳鋼都能煉，合金鋼也沒問題，加進(jìn)合金原料就是，而且不挑食，生鐵和廢鋼鐵都能吃進(jìn)去。

    而且因?yàn)槠綘t冶煉時(shí)間長，冶煉中成分變化緩慢，所以冶煉過程容易掌握，成分容易控制準(zhǔn)確。

    這就是平爐煉鋼曾經(jīng)大受歡迎的原因。

    上世紀(jì)五十年代，轉(zhuǎn)爐氧氣吹煉法出現(xiàn)，效率高，能耗低，煉鋼成本下降，表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，開始撼動(dòng)平爐的霸主地位，從六十年代開始，國際上新建煉鋼爐慢慢以轉(zhuǎn)爐為主，到七十年代，平爐煉鋼比例掉落第一名地位，然后慢慢走向淘汰。

    轉(zhuǎn)爐氧氣吹煉法出現(xiàn)的時(shí)候，正好是我們的建國之初，百廢待興之下，需要建設(shè)大量的煉鋼設(shè)備，一場必然的爭論在當(dāng)時(shí)的龍頭企業(yè)鞍山鋼鐵廠吵起來了：建平爐還是建轉(zhuǎn)爐？

    當(dāng)然是支持平爐的居多，人們從小時(shí)候開始就知道平爐，全世界煉鋼都用平爐，轉(zhuǎn)爐算個(gè)什么鬼？支持轉(zhuǎn)爐的一方人數(shù)雖少，份量卻也不輕，以廠里的總工程師為首，以技術(shù)高層居多。

    官司打到冶金部，驚動(dòng)了中南海，總理都介入了，然后就驚動(dòng)了偉人，在全國先進(jìn)工作者代表大會(huì)上，偉人問與會(huì)的鋼鐵界代表：是平爐好還是轉(zhuǎn)爐好啊？下面的呼聲連成一片：平爐好！

    一個(gè)富有生命力的新工藝誕生之際，我們正在白手起家，這是一次彎道超車的絕好契機(jī)，卻在這一片呼聲中就此流失，人家開始用轉(zhuǎn)爐替代平爐的時(shí)候，我們卻建成了一大堆平爐，等我們明白過來，開始轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)爐為主時(shí)，國際上已經(jīng)初步完成了轉(zhuǎn)型，技術(shù)上又落后了十多年。

    群眾的眼睛真的總是雪亮的嗎？在對(duì)未來方向的技術(shù)判斷上，一個(gè)總工程師的眼光，能不能抵得上成百上千的先進(jìn)工作者？

    現(xiàn)在該請(qǐng)轉(zhuǎn)爐登場了。

    轉(zhuǎn)爐工藝早已有之，但直到氧氣頂吹技術(shù)誕生之前，轉(zhuǎn)爐沒什么優(yōu)勢(shì)，不是轉(zhuǎn)爐戰(zhàn)勝了平爐，而是被氧氣頂吹技術(shù)附身之后，才獲得了勝利的，因?yàn)闋t形的原因，氧氣頂吹技術(shù)和轉(zhuǎn)爐搭配，是不二的選擇。

    上面是轉(zhuǎn)爐外觀和剖面示意圖，本想從教科書上拍一張偷個(gè)懶，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在講轉(zhuǎn)爐的多達(dá)半本書的篇幅里，居然沒有一張外觀圖，剖面圖又過于細(xì)節(jié)了，不合適，簡直莫名其妙。

    圖中可以看出，轉(zhuǎn)爐的'轉(zhuǎn)’，不是轉(zhuǎn)圈圈，是傾轉(zhuǎn)，就像茶杯倒水那樣，轉(zhuǎn)爐進(jìn)料時(shí)、吹煉時(shí)、取樣時(shí)，出渣時(shí)以及出鋼時(shí)，都有不同的傾角。

從剖面圖看，轉(zhuǎn)爐的爐形就是一個(gè)收口的茶杯，上方的吹氧槍是水冷的，以便承受爐內(nèi)高溫，即使這樣，旁邊也有一支備用氧槍等著，隨時(shí)可以替補(bǔ)，這個(gè)沒有畫出來。

    氧槍是不插進(jìn)鐵水里的，它有兩種槍位，一種是高位軟吹，離開足夠的距離，鐵水液面會(huì)被吹出一個(gè)坑來，氧氣是以超音速從氧槍里出來的，力量不小。軟吹對(duì)鐵水的攪拌作用不大，主要用于爐渣融化階段。

    另一種是低位強(qiáng)吹，距離液面很近，而且氧氣壓力加大，氧氣射流會(huì)直接吹進(jìn)鐵水里，把鐵水沖擊破碎成液滴，形成強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)和攪拌作用，產(chǎn)生的熱量也很大，用于快速冶煉過程。

    吹氧的目的就是脫碳，雖然其他雜質(zhì)也能夠氧化，但只要含碳量到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)就要停止吹煉，所以還得另想辦法去除雜質(zhì)，包括添加石灰石溶劑造渣，讓雜質(zhì)以鋼渣的形式排掉，以及采用鐵水爐外脫硫，讓硫雜質(zhì)在進(jìn)入轉(zhuǎn)爐前就排除掉等，具體方法太專業(yè)，不講了。

    用吹氧脫碳的煉鋼原理很容易理解，就不多講了，講幾個(gè)必要的輔助工藝。

    吹氧需要大量的高純度氧氣，怎么得到的？如果制氧成本太高，肯定會(huì)影響到煉鋼成本。

    工業(yè)制氧主要采用空氣冷凍法，利用空氣中不同成分沸點(diǎn)不同，把氧氣分離出來。

    具體工藝是先凈化空氣，盡可能清除除開氧和氮之外的氣體，包括水蒸氣和二氧化碳等等，然后在高壓下深凍，利用高壓下氣體的液化溫度會(huì)提升很多的原理，讓空氣液化，然后慢慢減壓升溫，讓更容易氣化的氮?dú)庀扰艹鰜?，就是作為副產(chǎn)品的工業(yè)級(jí)純氮，剩下的，就是工業(yè)級(jí)純氧了，純度在99.5%左右。

    工業(yè)制氧一次投資大，因?yàn)樾枰邏涸O(shè)備和深制冷設(shè)備，但原料是免費(fèi)的空氣，運(yùn)行成本只有能耗和人工，不算高。

    吹氧冶煉損耗大，一百噸鐵水只能得到九十噸鋼水，其中近六噸是燒掉的碳、硅、硫、磷等雜質(zhì)，這是該有的，本來就是為了這個(gè)才吹氧的，還有四噸多是把鐵燒成了氧化鐵，一部分混在鋼渣里了，一部分噴濺到爐外了，還有一部分變成煙塵了。

    其他的可以不管，煙塵里的三氧化二鐵就該處理掉，因?yàn)闀?huì)污染大氣，因?yàn)楸容^重，會(huì)很快落下來，所以主要受污染的是鋼鐵廠自己及周邊環(huán)境，我在鋼廠長大，小時(shí)候廠里沒有轉(zhuǎn)爐還好點(diǎn)，讀中學(xué)時(shí)就不同了，學(xué)工勞動(dòng)進(jìn)到廠里，滿眼都是鐵銹紅。

    寶鋼作為一個(gè)樣板，全面采用了環(huán)保設(shè)施，轉(zhuǎn)爐吹煉的煙氣直接被除塵設(shè)備吞了，第一次去寶鋼，都不相信自己在鋼廠里，那叫一個(gè)干凈整潔，到處是綠化帶，加上廠區(qū)太大，內(nèi)部有十幾條公交路線，不看兩邊的廠房，都以為自己在城里逛呢。

    到現(xiàn)在任何一家大點(diǎn)的鋼鐵企業(yè)就都是這樣了。

    環(huán)保設(shè)備投入很大，據(jù)說寶鋼的環(huán)保設(shè)備讓設(shè)備總投資增加了三分之一，但也不是沒回報(bào)，除塵設(shè)備回收的煙塵粉末，基本上都是三氧化二鐵，那就是人造精礦粉嘛，直接送回?zé)Y(jié)廠做成燒結(jié)礦煉鐵去。

    轉(zhuǎn)爐冶煉脫碳速度快，一不小心就吹過頭了，怎么把握冶煉時(shí)間？這就需要快速化驗(yàn)鋼水成分了，用光學(xué)方法速度最快，比如光譜儀或者金相儀，具體是什么我不知道也不想知道，反正有這樣的快速辦法。

    但不可能把這樣的精密設(shè)備配備到爐前，沒那么奢侈，條件也太惡劣，所以還需要快速送樣的方法。

    方法是用壓縮空氣吹：用長柄鋼勺把鋼水舀出來，倒進(jìn)模子里成為比拇指粗一圈的鋼樣，放進(jìn)保溫杯大小的圓筒里，把圓筒放到口徑正好的管道里關(guān)好，通進(jìn)壓縮空氣，呼的一下，圓筒就像炮彈一樣飛向中心檢驗(yàn)室了，這叫做風(fēng)動(dòng)送樣，那個(gè)圓筒容器我們就叫'炮彈’。

    轉(zhuǎn)爐冶煉別的都好，就是挑食，因?yàn)槭敲撎家睙?，只適合以高爐生鐵為原料，那么多的廢鋼鐵誰來煉？也許當(dāng)初反對(duì)轉(zhuǎn)爐支持平爐的呼聲里，就有這方面考慮。

    怎么辦，找搭檔啊，冶煉原理和平爐同類的電弧爐不就是嗎？

    因?yàn)橐睙捲砗推綘t同類，平爐的優(yōu)點(diǎn)電弧爐基本都有，比如不挑食，電弧爐還有一些平爐沒有的優(yōu)點(diǎn)，它供熱方式直接，熱效率高因此冶煉更快還耗能低，更重要的是電弧溫度很高，使得電弧爐的冶煉溫度能夠達(dá)到三千度以上，比平爐和轉(zhuǎn)爐都高很多，冶煉一些熔點(diǎn)很高的合金時(shí)不需要另想辦法，扔進(jìn)去就行，更適合冶煉各種特殊合金鋼。

    吃進(jìn)高爐生鐵，冶煉大路貨的轉(zhuǎn)爐，與吃進(jìn)廢鋼鐵，冶煉高檔貨的電弧爐搭配，可謂走遍天下都不怕了，平爐自然就沒有生存空間了。

    上圖是電弧爐的結(jié)構(gòu)示意，教科書上拍的，終于可以偷個(gè)懶了。

    電弧爐就像個(gè)茶壺，出鋼槽就是壺嘴，從壺蓋伸下三根電極，對(duì)應(yīng)于三相交流電的abc三相。

    起弧時(shí)，電極探下接觸物料，形成短路電流，然后猛然拉起，因?yàn)殡娐防锏碾姼胁辉试S電流突變，就會(huì)形成極高的感應(yīng)電壓把間隙里的空氣電離擊穿，電弧就形成了。

    直接短路會(huì)讓電網(wǎng)吃不消，所以電弧爐要配備電爐變壓器，把電壓降到很低，自身阻抗很高，就允許短路操作了，也稱為短路變壓器，變壓器屬于電感設(shè)備，因此也提供了產(chǎn)生電弧所必須的大電感。

    電弧里電流的大小，由電極與物料的距離決定，距離小電流大，反之亦然，以電極升降為執(zhí)行手段，針對(duì)電流大小進(jìn)行閉環(huán)控制，就能夠有效控制爐內(nèi)的溫度，讓電弧爐的冶煉控制更加精準(zhǔn)。

    起弧時(shí)可以讓電極直接杵到塊狀物料上，因此電弧爐煉鋼可以直接加入塊狀的廢鋼鐵，取消化鐵爐這個(gè)環(huán)節(jié)，又是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

    唯一一個(gè)缺點(diǎn)，大缺點(diǎn)：這是個(gè)電老虎，太耗電了。

    電極是消耗品，短到杵不到爐料就報(bào)廢了，小時(shí)候常見到鄰居大哥哥們從渣場'搶’到報(bào)廢電極，成百斤重，夠一家人烤火一個(gè)冬天，沒有嗆人的煤煙，舒服，但更需要防止煤氣中毒，現(xiàn)在不知道有沒有回收利用，我覺得那才是合理的。

    煉鋼工藝算講完了，分享一個(gè)快速學(xué)習(xí)工業(yè)常識(shí)的竅門：工業(yè)知識(shí)可以分為基本原理，工藝原理以及細(xì)節(jié)技術(shù)三個(gè)層面，基本原理簡單明白但不夠用，細(xì)節(jié)技術(shù)知識(shí)繁瑣而數(shù)量龐大，學(xué)不勝學(xué)，也沒必要學(xué)那么多，所以只要緊緊抓住工藝原理這個(gè)中間層面，花點(diǎn)功夫徹底弄明白道理就足夠了，我這里講的工業(yè)常識(shí)，基本就是這個(gè)范式。

    人說隔行如隔山，是對(duì)細(xì)節(jié)知識(shí)而言的，換個(gè)行當(dāng)，細(xì)節(jié)知識(shí)一大堆等著你去學(xué)，所以我覺得提前學(xué)習(xí)細(xì)節(jié)知識(shí)極不合算，用得著時(shí)再學(xué)才是正確打開方式，現(xiàn)在許多學(xué)校教學(xué)重細(xì)節(jié)不重原理，錯(cuò)得離譜。

    至于基本原理和工藝原理，隔行如隔山就是屁話，那就是一個(gè)小土包，半天時(shí)間就跨過去了。

    下次打算聊聊連續(xù)鑄坯，是煉鋼和軋鋼之間的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。