平炉炼钢

定义

平炉炼钢指以煤气或重油等为燃料，在平炉熔炼室内靠燃烧火焰直接加热，把生铁、废钢、铁屑、铁矿石等炉料熔化并精炼成钢液的炼钢方法^[4]。其设备因炉体外形低矮、熔池浅平而得名平炉，在部分欧洲国家被称为西门子—马丁炉或马丁炉^[2]。按熔炼室砌筑耐火材料的不同，可分为碱性平炉炼钢与酸性平炉炼钢两类，前者对炉料适应性强、能够脱磷脱硫，是实际生产中占主导的形式^[5]。

与转炉依靠铁水自身元素氧化放热不同，平炉炉体庞大、散热与废气带走的热量多，必须由外部持续供给燃料并把空气和煤气预热，才能维持炼钢所需的高温^[4]。这一特点决定了它的操作节奏、原料搭配方式和能耗水平。

原理

平炉主体由炉头、熔炼室、蓄热室和沉渣室组成^[6]。空气与煤气先在蓄热室中被高温废气加热，随后经炉头送入熔炼室燃烧，火焰掠过热炉底上的浅熔池并向其传热；燃烧后的废气从另一端炉头经沉渣室、蓄热室排入烟道，同时把热量留给格子砖^[7]。经过一定时间换向，气流方向反转，两侧蓄热室交替吸热与放热，炉温因而可以稳定在 1600 ℃ 以上^[7]。

熔炼室内为氧化性气氛，炉气中的氧、二氧化碳和水汽不断向熔池供氧，使炉渣保持较高氧化性。炉渣密度约为钢液的一半，浮在熔池表面，既充当炉气向钢液传热、传氧的媒介，又承担吸收硫、磷等杂质和保护钢液不过度氧化、少吸气体的作用^[4]。因此造好碱度与流动性合适的炉渣、在精炼期维持活跃的脱碳沸腾，是平炉操作的关键。

一炉钢的熔炼通常经过补炉、装料、熔化、精炼、脱氧和出钢几个阶段，实际操作中相邻阶段常交叉进行^[5]。熔化期约占冶炼时间的 30%～50%，装料期约占 20%～30%，两期合称热工期，是缩短冶炼周期的重点^[5]。按生铁（铁水）与废钢的比例，操作分为矿石法、废钢矿石法、废钢法和增碳法 4 种。

发展历程

蓄热原理是平炉的技术起点。1856 年，威廉·西门子与弗里德里希·西门子获得把蓄热原理用于高温炉的专利，最初用于玻璃熔炉，可节省约一半燃料^[2]。1861 年改用发生炉煤气作燃料，避开了固体燃料炉灰堵塞蓄热室砖格的问题^[2]。

1864 年，法国工程师皮埃尔·埃米尔·马丁改造炉体，运用西门子的蓄热方法，以生铁和废钢炼出合格钢液，平炉炼钢法由此成型；1868 年西门子又以生铁和铁矿石炼钢成功^[2]。早期平炉熔炼室用酸性耐火材料砌筑，不能去除硫、磷，后来改用碱性耐火材料，可适应含硫磷较高的炉料，平炉炼钢随之迅速推广^[6]。

平炉在 1900 年至 1970 年间长期是世界主要炼钢方法，1930 年至 1960 年的 30 年里世界钢产量近 80% 为平炉钢^[1]。20 世纪 50 年代初氧气顶吹转炉投产，60 年代起平炉逐渐失去主力地位，被氧气转炉和电炉陆续替代；就失去主导地位的时点而言，世界范围大致在 1970 年，中国则在 1979 年^[6]。

中国最早的炼钢平炉建于 1890 年，由设在上海的江南机器制造总局建成 3 吨和 15 吨酸性平炉各一座；1949 年以前除鞍山有若干较大平炉外，多为小型平炉^[1]。此后对原有平炉进行修复改造并新建大中型平炉，进入 20 世纪 70 年代后未再新建^[1]。

应用

平炉最突出的用途是消化废钢。它可按任意比例搭配生铁与废钢，对铁水成分要求不严，可使用转炉难以处理的普通生铁，冶炼钢种较多且成分均匀，因而长期承担优质钢和合金钢的生产^[1]。在废钢资源集中的地区，以废钢为主的废钢法和增碳法具有成本优势；有高炉供应铁水的地方则多采用废钢矿石法。

20 世纪后半期，平炉普遍采用吹氧强化冶炼。供氧方式包括炉头富氧、炉门吹氧、后墙氧枪和炉顶多孔喷枪顶吹，其中顶吹法每吨钢用氧约 30～50 标准立方米，效果显著、应用最广^[4]。氧气平炉取消了单独的加热期，兑入约三分之二铁水后即下枪吹氧，熔化与精炼的界限也随之模糊。据记载，1981 年中国近 80% 的平炉钢是用氧冶炼的^[4]。

酸性平炉虽因不能脱硫脱磷、效率低而未获推广，但炉底二氧化硅在冶炼中可被还原，使钢水自动脱氧，夹杂物呈球形，适合生产军工钢、电机转子钢等钢种^[2]。

局限

平炉必须依靠外供燃料维持冶炼温度，热效率低。不吹氧的平炉每炼 1 吨钢约消耗 100 万千卡热量，相当于 140 千克标准煤；热支出中高温废气带走的热量接近一半^[4]。反应速度慢、冶炼时间长也是其固有短板，一炉钢往往需要约 24 小时，尽管熔池大、单炉可达上百吨钢水^[8]。

即便后来扩大炉容量至 900 吨并采用氧气强化冶炼，平炉仍未克服上述缺陷，最终被淘汰^[1]。吹氧虽提高了生产率和热利用率，但吹氧平炉炉气含尘量大，容易堵塞烟道并恶化环境，加装除尘器不便且投资较高。

酸性平炉的适用范围更为有限：它无法去除金属液中的硫、磷，只能使用硫磷含量很低的优质炉料，且生产效率很低^[2]。此外，平炉冶炼对炉料配比、熔毕碳等参数的判断在很大程度上依赖操作者的实践经验，过程控制带有经验性^[5]。

参见

• 转炉炼钢 —— 以铁水自身氧化放热完成冶炼、后来取代平炉的主要炼钢方法。

• 电弧炉炼钢 —— 利用电能熔化废钢的炼钢方式，与平炉一同替代了平炉的主力地位。

• 西门子—马丁炉 —— 平炉的正式名称，因西门子与马丁的贡献而命名。

• 蓄热室 —— 平炉预热空气与煤气、获得高温的核心装置。

• 废钢 —— 平炉炼钢最重要的炉料之一。

• 炉渣 —— 在平炉内承担传热传氧、脱除硫磷和保護钢液的作用。