花上十分钟，了解一个工业常识。
在前面'古人怎么炼钢铁’那一篇中，我讲了固体渗碳钢和炒钢两种古代的炼钢方法，两种方法看上去完全两码事，都是在炼钢，那么我们怎么用一句话来说清楚炼钢的基本原理呢？
固体渗碳钢是打铁式炼钢，因为多次和红热的碳接触，铁里渗透进了碳，缺碳的熟铁就慢慢变成钢了。
炒钢是往含碳量超标的生铁水里撒矿石粉，当作氧化剂把多余的碳氧化掉。
还有，铁水里如果硫和磷这样的杂质多了，得想办法弄出来，如果要炼合金钢，又要往铁水里加合金元素，总之，铁里某种杂质少了就往里加，多了就往外拿，这就是炼钢的共同性。
现在可以用一句话总结了：炼钢就是调整铁中的各种杂质含量，以达到我们需要的性能。
为什么不说达到需要的杂质比例而说性能呢？因为调整杂质比例的目的，就是为了提高性能嘛。
一种钢号的标准，既包含杂质含量标准，也包含力学性能标准，而且通常是以性能指标为准的。
既然是调整杂质比例，那么原材料不同，或者想要的钢种不同，炼钢方法都可能不一样，所以，炼钢方法是五花八门的。
之前介绍过几种古代炼钢法，包括炒钢法，固体渗碳法，灌钢法以及百炼钢法等等，今天来聊一聊现代的炼钢方法。
现代也有很多种炼钢方法，小众的，炼高标准钢的坩埚钢、电渣重熔钢等方法，我就不讲了，比较常见的炼钢方法，有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢以及电弧炉炼钢三种，三种炼钢法大致可以分两类，平炉和电弧炉一类，转炉是另一类。
从冶炼方式看，平炉和电弧炉都是混合熔炼方式，也就是把含碳量高低不同的原料混合熔炼，形成含碳量合适的钢。
转炉则是把氧气直接往铁水里吹，把多余的碳烧掉，属于脱碳法冶炼方式。
炼钢不是一下子就干完的，有一个过程，即使用融化了的高温铁水开始炼钢，也需要维持热量。
这方面平炉和电弧炉也是一类，都是外供热量，平炉是燃料供热方式，电弧炉自然是电弧供热。
转炉属于自供热方式，冶炼过程自己产热，你想啊，把氧气一吹进去，多余的碳燃烧了，硫和磷也燃烧了，就连铁也烧起来了，还怕不能保持温度？
现在先从平炉炼钢开始聊。
1856年，德国的西门子兄弟发明了蓄热室，啥叫蓄热室？我前面讲过的高炉用的热风炉就是，也就是用耐火砖砌成曲里拐弯的风道，通入高温烟气，就加热耐火砖，再通入空气，就被耐火砖加热成热风。
1864年，法国的马丁在蓄热室基础上发明了平炉，因此平炉也称为马丁炉或者西门子—马丁炉，从此开启了现代炼钢工艺。
到1900前后，平炉炼钢成为炼钢工艺的绝对主流，并且独领风骚近七十年。
平炉主体像个浴缸，底部的出水孔就是出钢口，两侧有墙，上面加盖，进气和出气都两头通过，称为炉头，两个炉头架在一对蓄热室的一端，蓄热室的另一端，并排布置着烟道和风道，一对烟道汇总后连到烟囱或者余热锅炉，风道则连着鼓风机。
平炉的气流方向是轮换的，轮到一号蓄热室送风时，热风从这一端进入炉头，同时加喷重油或者通入煤气，火焰就在浴缸上方燃烧，为铁水供热，高温烟气从另一个炉头离开，去加热二号蓄热室，然后从烟道排掉，等二号蓄热室温度够高时，再把气流方向切换过来。
在铁水上方燃烧加热，会不会有点隔靴搔痒？热效率低下去，冶炼时间就会提上来，一来一去，不太耗能了吗？是的，平炉炼钢的确非常耗能，因此炼钢成本也高，这就是它最终被淘汰的理由。
但平炉有自己的优势，它可以有很多种不同的装料方案，比如生铁加矿石，矿石作为氧化剂，这是炒钢法的升级版，还有生铁加废钢铁再加少量矿石，这个配方可以把废钢铁搭配着用掉，还有废钢铁加少量碳粉，这是以废钢铁为主原料了，因为热风有氧气，有一定氧化性，加碳粉是作为增碳剂，补充冶炼中含碳量损失的。
平炉低碳钢中碳钢高碳钢都能炼，合金钢也没问题，加进合金原料就是，而且不挑食，生铁和废钢铁都能吃进去。
而且因为平炉冶炼时间长，冶炼中成分变化缓慢，所以冶炼过程容易掌握，成分容易控制准确。
这就是平炉炼钢曾经大受欢迎的原因。
上世纪五十年代，转炉氧气吹炼法出现，效率高，能耗低，炼钢成本下降，表现出很强的优势，开始撼动平炉的霸主地位，从六十年代开始，国际上新建炼钢炉慢慢以转炉为主，到七十年代，平炉炼钢比例掉落第一名地位，然后慢慢走向淘汰。
转炉氧气吹炼法出现的时候，正好是我们的建国之初，百废待兴之下，需要建设大量的炼钢设备，一场必然的争论在当时的龙头企业鞍山钢铁厂吵起来了：建平炉还是建转炉？
当然是支持平炉的居多，人们从小时候开始就知道平炉，全世界炼钢都用平炉，转炉算个什么鬼？支持转炉的一方人数虽少，份量却也不轻，以厂里的总工程师为首，以技术高层居多。
官司打到冶金部，惊动了中南海，总理都介入了，然后就惊动了伟人，在全国先进工作者代表大会上，伟人问与会的钢铁界代表：是平炉好还是转炉好啊？下面的呼声连成一片：平炉好！
一个富有生命力的新工艺诞生之际，我们正在白手起家，这是一次弯道超车的绝好契机，却在这一片呼声中就此流失，人家开始用转炉替代平炉的时候，我们却建成了一大堆平炉，等我们明白过来，开始转向转炉为主时，国际上已经初步完成了转型，技术上又落后了十多年。
群众的眼睛真的总是雪亮的吗？在对未来方向的技术判断上，一个总工程师的眼光，能不能抵得上成百上千的先进工作者？
现在该请转炉登场了。
转炉工艺早已有之，但直到氧气顶吹技术诞生之前，转炉没什么优势，不是转炉战胜了平炉，而是被氧气顶吹技术附身之后，才获得了胜利的，因为炉形的原因，氧气顶吹技术和转炉搭配，是不二的选择。
上面是转炉外观和剖面示意图，本想从教科书上拍一张偷个懒，结果发现在讲转炉的多达半本书的篇幅里，居然没有一张外观图，剖面图又过于细节了，不合适，简直莫名其妙。
图中可以看出，转炉的'转’，不是转圈圈，是倾转，就像茶杯倒水那样，转炉进料时、吹炼时、取样时，出渣时以及出钢时，都有不同的倾角。
从剖面图看，转炉的炉形就是一个收口的茶杯，上方的吹氧枪是水冷的，以便承受炉内高温，即使这样，旁边也有一支备用氧枪等着，随时可以替补，这个没有画出来。
氧枪是不插进铁水里的，它有两种枪位，一种是高位软吹，离开足够的距离，铁水液面会被吹出一个坑来，氧气是以超音速从氧枪里出来的，力量不小。软吹对铁水的搅拌作用不大，主要用于炉渣融化阶段。
另一种是低位强吹，距离液面很近，而且氧气压力加大，氧气射流会直接吹进铁水里，把铁水冲击破碎成液滴，形成强烈的氧化反应和搅拌作用，产生的热量也很大，用于快速冶炼过程。
吹氧的目的就是脱碳，虽然其他杂质也能够氧化，但只要含碳量到达标准就要停止吹炼，所以还得另想办法去除杂质，包括添加石灰石溶剂造渣，让杂质以钢渣的形式排掉，以及采用铁水炉外脱硫，让硫杂质在进入转炉前就排除掉等，具体方法太专业，不讲了。
用吹氧脱碳的炼钢原理很容易理解，就不多讲了，讲几个必要的辅助工艺。
吹氧需要大量的高纯度氧气，怎么得到的？如果制氧成本太高，肯定会影响到炼钢成本。
工业制氧主要采用空气冷冻法，利用空气中不同成分沸点不同，把氧气分离出来。
具体工艺是先净化空气，尽可能清除除开氧和氮之外的气体，包括水蒸气和二氧化碳等等，然后在高压下深冻，利用高压下气体的液化温度会提升很多的原理，让空气液化，然后慢慢减压升温，让更容易气化的氮气先跑出来，就是作为副产品的工业级纯氮，剩下的，就是工业级纯氧了，纯度在99.5%左右。
工业制氧一次投资大，因为需要高压设备和深制冷设备，但原料是免费的空气，运行成本只有能耗和人工，不算高。
吹氧冶炼损耗大，一百吨铁水只能得到九十吨钢水，其中近六吨是烧掉的碳、硅、硫、磷等杂质，这是该有的，本来就是为了这个才吹氧的，还有四吨多是把铁烧成了氧化铁，一部分混在钢渣里了，一部分喷溅到炉外了，还有一部分变成烟尘了。
其他的可以不管，烟尘里的三氧化二铁就该处理掉，因为会污染大气，因为比较重，会很快落下来，所以主要受污染的是钢铁厂自己及周边环境，我在钢厂长大，小时候厂里没有转炉还好点，读中学时就不同了，学工劳动进到厂里，满眼都是铁锈红。
宝钢作为一个样板，全面采用了环保设施，转炉吹炼的烟气直接被除尘设备吞了，第一次去宝钢，都不相信自己在钢厂里，那叫一个干净整洁，到处是绿化带，加上厂区太大，内部有十几条公交路线，不看两边的厂房，都以为自己在城里逛呢。
到现在任何一家大点的钢铁企业就都是这样了。
环保设备投入很大，据说宝钢的环保设备让设备总投资增加了三分之一，但也不是没回报，除尘设备回收的烟尘粉末，基本上都是三氧化二铁，那就是人造精矿粉嘛，直接送回烧结厂做成烧结矿炼铁去。
转炉冶炼脱碳速度快，一不小心就吹过头了，怎么把握冶炼时间？这就需要快速化验钢水成分了，用光学方法速度最快，比如光谱仪或者金相仪，具体是什么我不知道也不想知道，反正有这样的快速办法。
但不可能把这样的精密设备配备到炉前，没那么奢侈，条件也太恶劣，所以还需要快速送样的方法。
方法是用压缩空气吹：用长柄钢勺把钢水舀出来，倒进模子里成为比拇指粗一圈的钢样，放进保温杯大小的圆筒里，把圆筒放到口径正好的管道里关好，通进压缩空气，呼的一下，圆筒就像炮弹一样飞向中心检验室了，这叫做风动送样，那个圆筒容器我们就叫'炮弹’。
转炉冶炼别的都好，就是挑食，因为是脱碳冶炼，只适合以高炉生铁为原料，那么多的废钢铁谁来炼？也许当初反对转炉支持平炉的呼声里，就有这方面考虑。
怎么办，找搭档啊，冶炼原理和平炉同类的电弧炉不就是吗？
因为冶炼原理和平炉同类，平炉的优点电弧炉基本都有，比如不挑食，电弧炉还有一些平炉没有的优点，它供热方式直接，热效率高因此冶炼更快还耗能低，更重要的是电弧温度很高，使得电弧炉的冶炼温度能够达到三千度以上，比平炉和转炉都高很多，冶炼一些熔点很高的合金时不需要另想办法，扔进去就行，更适合冶炼各种特殊合金钢。
吃进高炉生铁，冶炼大路货的转炉，与吃进废钢铁，冶炼高档货的电弧炉搭配，可谓走遍天下都不怕了，平炉自然就没有生存空间了。
上图是电弧炉的结构示意，教科书上拍的，终于可以偷个懒了。
电弧炉就像个茶壶，出钢槽就是壶嘴，从壶盖伸下三根电极，对应于三相交流电的abc三相。
起弧时，电极探下接触物料，形成短路电流，然后猛然拉起，因为电路里的电感不允许电流突变，就会形成极高的感应电压把间隙里的空气电离击穿，电弧就形成了。
直接短路会让电网吃不消，所以电弧炉要配备电炉变压器，把电压降到很低，自身阻抗很高，就允许短路操作了，也称为短路变压器，变压器属于电感设备，因此也提供了产生电弧所必须的大电感。
电弧里电流的大小，由电极与物料的距离决定，距离小电流大，反之亦然，以电极升降为执行手段，针对电流大小进行闭环控制，就能够有效控制炉内的温度，让电弧炉的冶炼控制更加精准。
起弧时可以让电极直接杵到块状物料上，因此电弧炉炼钢可以直接加入块状的废钢铁，取消化铁炉这个环节，又是一个优点。
唯一一个缺点，大缺点：这是个电老虎，太耗电了。
电极是消耗品，短到杵不到炉料就报废了，小时候常见到邻居大哥哥们从渣场'抢’到报废电极，成百斤重，够一家人烤火一个冬天，没有呛人的煤烟，舒服，但更需要防止煤气中毒，现在不知道有没有回收利用，我觉得那才是合理的。
炼钢工艺算讲完了，分享一个快速学习工业常识的窍门：工业知识可以分为基本原理，工艺原理以及细节技术三个层面，基本原理简单明白但不够用，细节技术知识繁琐而数量庞大，学不胜学，也没必要学那么多，所以只要紧紧抓住工艺原理这个中间层面，花点功夫彻底弄明白道理就足够了，我这里讲的工业常识，基本就是这个范式。
人说隔行如隔山，是对细节知识而言的，换个行当，细节知识一大堆等着你去学，所以我觉得提前学习细节知识极不合算，用得着时再学才是正确打开方式，现在许多学校教学重细节不重原理，错得离谱。
至于基本原理和工艺原理，隔行如隔山就是屁话，那就是一个小土包，半天时间就跨过去了。
下次打算聊聊连续铸坯，是炼钢和轧钢之间的一个重要环节。
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