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酸性平爐煉鋼(acid open hearth furnace steel making)

在由酸性耐火材料砌築的平爐內採用酸性爐渣進行煉鋼的工藝。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。

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原材料和燃料酸性平爐煉鋼對原料和燃料中的硫、磷含量均有嚴格的要求，對微量有害元素的含量也有嚴格限制。金屬爐料中硫、磷含量通常不得高於0.025%，燃料煤氣含硫量不大於1.5%，重油含硫量不大於0.5%。

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，隨着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。

操作工藝按入爐鋼鐵料的狀態可分冷裝法和雙聯熱裝法(即以鹼性爐冶煉的液體半成品作爐料進行冶煉)兩種；按鋼中硅含量控制工藝可分為限制硅還原法(主動法)和硅還原法(被動法)兩種。在硅還原法的基礎上又派生出硅錳還原法、硅錳釩還原法、「停火吹氧」法等。常用的操作法為冷裝限制硅還原法、雙聯限制硅還原法和雙聯硅還原法。

冷裝限制硅還原法操作期有補爐、裝料、熔化、礦石沸騰、純沸騰、脫氧合金化和出鋼。雙聯限制硅還原法操作期有熱兌半成品和死靜期(無裝料和熔化期)等。限制硅還原法操作後期(脫氧前)鋼中含硅量不超過0.12%或0.17%，需加硅、鋁等強脫氧劑進行終脫氧，冶煉時間較短。

雙聯硅還原法操作期有：

(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；鋼中硅達到0.12%左右時，鋼樣在冷凝時表面會鼓脹，進入上漲期後，鋼水硅還原現象明顯，鋼水也逐漸呈半脫氧狀態；

(6)平靜期；當鋼水含硅量還原到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，硅含量一般達到0.24%～0.36%，平靜期才算終止。用硅還原法冶煉的鋼，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，鋼水中硅的主要來源是爐床。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、硅、錳、鉻等元素的氧化和還原反應。其中硅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含量高有利於發生硅的氧化。限制硅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，故有利於硅的氧化，一般硅含量低於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，則有利於發生硅的還原反應。為了抑制硅的還原需往渣中加入CaO等鹼性物質，以降低渣中SiO2的活度。硅還原法操作後期，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。酸性熔池中硅的氧化和還原可能是同時發生的，若硅還原的速度大於硅氧化的速度，則鋼水中硅含量會自動升高。冶煉高碳鋼(如冷軋輥鋼、滾珠軸承鋼等)時，容易發生硅的還原現象。當採用硅錳還原法操作時，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。硅的還原劑是碳、鐵、錳等。

酸性平爐鋼質量及其應用酸性平爐鋼與鹼性鋼相比，鋼中氧化物夾雜和氣體含量(氫氣一般為2～4cm3/100g)較低，鋼較純潔和不易產生白點。用硅還原法熔煉的鋼中，容易形成球狀硅酸鹽夾雜物。球狀夾雜物在軋制或鍛造過程中不易變形，因而酸性鋼的縱向與橫向性能差異很小。20世紀50年代以前，酸性平爐鋼用來製造曲軸、汽輪機主軸、發電機轉子、大炮身管、滾珠軸承、冷軋輥、壓力容器等高質量產品。50年代以後，電渣重熔、精煉爐熔煉(見VOD法、LF鋼包爐等)、噴射冶金、鋼液真空脫氣等現代爐外精煉技術得到廣泛應用，提高質量鋼的各種手段日臻完備，大大提高了鹼性爐鋼的質量。酸性平爐煉鋼也隨之失去了存在的意義。

平爐煉鋼用的原材料為：①鋼鐵料如生鐵或鐵水、廢鋼；②氧化劑如鐵礦石、工業純氧、人造富礦；③造渣劑如石灰（或石灰石）、螢石、鐵礬土等；④脫氧劑和合金添加劑。根據鋼鐵料中生鐵（或鐵水）和廢鋼的配比，採用下列不同的操作方法：①礦石法。鋼鐵料絕大部分是鐵水,為氧化鐵水中的雜質,在裝料時加入大量鐵礦石；②廢鋼礦石法。鋼鐵料中生鐵占50％以上，廢鋼占50％以下，並配加適量的鐵礦石；③廢鋼法。鋼鐵料中廢鋼占的比例大，為補充含碳量，適當配加生鐵（30～40％），裝料時可不加鐵礦石；④增碳法。鋼鐵料中絕大部分是廢鋼，裝料時加無煙煤或石油焦等增碳。從技術經濟效果考慮，有高爐供應鐵水的地方一般用廢鋼礦石法，廢鋼便宜的地方常用廢鋼法。平爐煉鋼的過程通常分為補爐、裝料（鐵礦石、石灰和廢鋼）、加熱、兌鐵水、熔化、精煉、脫氧和出鋼等幾個步驟：以採用廢鋼礦石法操作的 300噸不吹氧的和吹氧的重油平爐為例，煉一爐鋼各期操作時間如表。裝料和熔化時間約占全爐2/3左右,它與平爐的加熱狀態有密切關聯，所以稱它為熱工期。