碱性氧气顶吹转炉炼钢：从萌芽到现代工艺的演进
碱性氧气顶吹转炉炼钢（BOS）是现代钢铁工业的基石工艺，其核心在于将高纯氧气顶吹入转炉熔池，实现铁水快速脱碳、脱磷、脱硫及升温。本文详细追溯了从贝塞麦转炉、托马斯转炉、西门子-马丁平炉到电弧炉的演进脉络，重点记录了林茨-多纳维茨（LD）转炉工艺的诞生、关键技术突破（软吹原理、顶底复吹、转炉煤气回收）、全球扩散历程及中国当前的主导地位。
一、 炼钢工艺的早期演进（19世纪）
- 1772年：法国雷奥穆尔从科学好奇心出发研究控制铁碳含量。
- 1850年：美国凯利、1856年：英国贝塞麦因工业革命对钢量质需求，发明鼓风炼钢（贝塞麦转炉），开启现代炼钢纪元。
- 1865年：西门子-马丁平炉问世，利用蓄热式燃烧预热空气，可熔化废钢并炼铁水，热工灵活但冶炼周期长（8小时/200-250吨）。
- 1877年：托马斯转炉（碱性平炉改良）解决高磷铁水炼钢难题，采用“后吹”氧化磷。
19世纪下半叶创新密集，完成了从固相还原（竖炉）到液相氧化精炼的范式转移。
二、 纯氧顶吹炼钢概念的提出与工业氧气制备突破
- 1856年：贝塞麦申请纯氧顶吹脱碳专利（英专利2207），但受限于无法大量廉价制氧而长期停留在纸面。
- 1928年：林德公司开发林德-弗兰克尔空气分离法，实现大规模廉价工业氧气供应，为BOS工艺创造双重前提条件。
三、 二战前后的关键探索与失败教训
- 1930s：奥托·莱莱普尝试底吹纯氧，因钢质极差失败；休伯特·豪特曼亲历记录。
- 1939年：德国C.V. 施瓦茨申请超音速吹氧专利，虽与后世LD工艺相似但核心特征不同，二战爆发中断应用。
- 1930s末：瑞士罗伯特·杜雷尔开始自主实验。
四、 LD转炉工艺的诞生（1948-1952）
1. 格拉尔芬根实验与理论奠基
- 战后，海因里希·海尔布鲁格与杜雷尔在瑞士格拉尔芬根罗尔铁厂实验，建成首座顶吹氧气转炉（图1）。杜雷尔奠定理论基础，建议VÖEST采用独立容器、顶吹、软吹模式。
图1 格拉尔芬根首座顶吹氧气转炉照片
2. 林茨2吨实验转炉的突破
- 1949年6月3日：VÖEST启动2吨实验转炉试验。初期挫折后，6月25日降低氧压、抬高枪位（软吹），实现熔池充分搅拌（CO气体鼓动）、FeO生成吸收杂质，产出可轧制薄板的优质钢。
- 后扩大至15吨露天实验转炉（10月2日首炉），连续生产数百炉验证稳定性。
图2 LD转炉吹氧前后剖面示意
3. 多纳维茨并行研发与专利布局
- 1949年5月：曼内斯曼、VÖEST、罗尔铁厂、奥地利阿尔卑斯山股份（ÖAMG/多纳维茨）达成合作协议，分工研发。
- 多纳维茨证明氧气竖炉无价值，转而自主开发“SK”（氧气转炉）工艺，1949年底决定新建钢厂。
- 1949年12月9日：VÖEST总裁里希特-布罗姆决策建设首座LD钢厂；多纳维茨同步跟进。
- 1950年：首批工艺专利申请。
4. 工业化投产与早期性能验证
- 1952年11月27日：林茨LD钢厂1号转炉投产（图3）；1953年1月5日正式开厂。
- 1953年6月17日产量破10万吨，12月初达25万吨。多纳维茨二号厂5月22日投产。
- LD钢优势：无需脱氧、低气低氮、无磷硫、冷成形性远优平炉钢、焊接结构性能优异，广泛供应德、美等国冷轧厂。
图3 VÖEST林茨LD钢厂1号转炉厂房剖面
五、 全球扩散与工艺持续迭代
1. 国际化推广时间轴
- 1954年：加拿大Dominion Foundries（2×60吨）、美国McLouth Steel（VÖEST技术支持）；
- 1956年：法国庞佩钢铁（15吨）；
- 1957-1960年：西德、日本、巴西、美国、印度鲁尔凯拉、英国、挪威、阿根廷、澳大利亚等密集建厂，1960年在建数超历史累计。
2. 关键技术演进主线
| 阶段 | 核心创新 | 解决痛点 |
|---|---|---|
| 1960s | 底吹惰性气搅拌 | 顶吹熔池混合不足、死区存在 |
| 早期1970s | 底吹氧气（烃气/燃油保护喷嘴） | 强化熔池搅拌、脱磷增效 |
| 晚期1970s | 顶底复吹（主流转炉型式） | 兼顾顶吹高强度脱碳与底吹均匀搅拌 |
| 1970s | LBE工艺（枪顶吹氧+底吹氩/氮） | ARBED-IRSID开发，后吹氩防氮增溶 |
| 1950s-60s | 转炉煤气抑燃回收（热值1600-2000 kcal/Nm³） | 解决褐烟污染、回收高热值燃气、产蒸汽 |
| 1977至今 | 炉衬耐材、氧枪/底喷嘴、大型化（350吨级） | 炉寿命达数千炉、单耗持续下降 |
3. 环保与能源回收：从“褐烟标志”到“火炬隐身”
- 早期敞口罩全燃烧+间接水冷/蒸发冷却，单吨钢产烟300kg蒸汽、250Nm³烟气，粉尘比表面积300-500 m²/g，治理难度极大。
- 抑燃燃烧回收系统：冷却、净化、回收一体化，单吨钢回收转炉煤气70-100 Nm³，蒸汽80 kg（蒸发冷却），实现能源循环与超低排放。
- 现代转炉运行仅由火炬堰判断，环保压力转化为技术升级动力。
六、 现状与数据
- 2014年：全球粗钢16.69亿吨，BOS法产量12.29亿吨，占比73.7%，仍为绝对主流。
- 转炉大型化至350吨级，配合精炼、连铸、轧制全流程集成，支撑高品质钢材规模化供给。
七、 结语
LD转炉工艺的诞生是冶金原理（软吹/CO搅拌）、工业气体技术（林德制氧）、工程实践（林茨-多纳维茨协同）三位一体的典范。从1949年实验突破到21世纪全球73%份额，其核心逻辑始终围绕高效脱碳、杂质分离、热能利用、环保达标展开。未来演进方向聚焦于富氧/氢基冶金适配、智能化吹炼模型、近零排放、超大型化与柔性化生产，持续巩固其在长流程炼钢中的统治地位。
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