现代冶炼技术的发展过程是怎样的？

-现代冶炼技术的发明与发展19世纪中期以后，欧洲的钢铁生产开始大发展，1856是大发展的起点。这一年，贝塞麦发明了转炉吹炼法，大大缩短了炼钢时间，西门子也很快发明了平炉冶炼法(1867)，不仅生产出了优质钢，还大量利用了废钢。这两种方法奠定了现代炼钢的基础，将人类带入了钢铁时代。

20多年后，英国人托马斯解决了磷的问题。他从化学反应的角度研究了磷的行为，认为生铁中的磷被空气氧化生成五氧化二磷，被吹炼炉的硅质炉衬还原成磷，重新进入钢中。所以他想，如果再用一个炉子把它和五氧化二磷结合起来，这个问题就可以解决了。他与P Gelchrist合作，在1877的小炉上进行了一系列实验，证明用碱性炉衬炉可以实现脱磷。后来他在1.5吨的炉内进行了放大实验，用白云石作炉衬，焦油作粘结剂，在1879成功，创造了丁基碱性转炉炼钢法，又称贝塞麦法。

平炉炼钢的发明者是德国人西门子。他和哥哥一起研究了蓄热式换热器，用煤气做燃料，成功地用在玻璃熔窑上，节省了50%的燃料。后来，它被用来熔化坩埚钢。随后又成功研究出用生铁和铁矿石炼钢的方法，即平炉炼钢法，并获得1867专利。平炉炼钢的冶炼在中间反射炉中进行，炉下有两个蓄热式换热器，交替使用预热空气。这种炉的特点是热效率高，炉温高。与此同时，法国的马丁公司在获得西门子关于蓄热炉的专利后，成功实验了将生铁和熟铁炼成钢的方法，然后用废钢代替熟铁和生铁一起炼钢。这就是现在常见的平炉炼钢法，也称为西门子-马丁法。平炉的炉衬也是酸性和碱性的。

平炉冶炼时间比转炉冶炼时间长得多。一座100吨的炉，如果原料是生铁:废钢= 50: 50，冶炼周期约为8 ~ 12小时。

与转炉炼钢相比，平炉有以下优点:

平炉去除钢中的杂质是一个缓慢的过程，因此钢的成分容易控制。

可以加入任意比例的废钢(当时转炉限制在5%)。

碱性平炉不受生铁中磷含量的限制(碱性转炉要求生铁中含有足够的磷，一般为1.7 ~ 2%，否则氧化热值不够，难以维持炉温；但酸性转炉中铁的含量应足够低，以保证钢的良好性能。

钢中氮含量低(转炉系统中空气直接吹入熔体，钢中吸收了部分氮，使钢变脆)。

由于上述优点，平炉得到了迅速发展。到1894，产量已经超过转炉，达到1575万吨，而转炉钢是153530吨。

电炉炼钢用电作为炼钢的热源。有两种形式，一种是电弧炉，一种是感应炉。

电弧炉——西门子最早在1878使用电弧炉熔化废钢，但这种方法的发展受到了电费高和供电不足的限制。1900年，第一座工业电弧炼钢炉在法国埃利奥特建成。首先在碱性转炉中吹炼生铁，除去硅、锰和大部分碳，然后将熔体放入碱性电弧炉中进一步除磷和碳，直到达到要求的含量，这样各炉成分基本相同。

感应炉——意大利人费兰蒂在1877年首次使用高频炉熔化金属，但其工业应用始于1899年克林在瑞典建立的炉子。1907年，英国炼钢中心谢菲尔德建立了实验炉，可生产2吨铸钢件。由于1925年发电机组的发明，可以获得相对合适的频率(500 ~ 3000周/秒)，加速了感应炉的发展，逐渐取代坩埚炉生产高质量的工具钢。感应炉只熔化不熔炼，可以根据需要的成分提前准备好炉原料。感应加热时，产生涡流，可以搅拌熔体，使钢的成分均匀。

电炉可以冶炼各种性能的合金钢。

法拉第是合金钢的创始人。为了找到适合电磁的材料，他从1819开始在铁中加入各种元素，其中就包括铬。可惜他的工作没有进一步做下去，否则“合金钢时代”将提前50年到来。

1871年，英国试制出铬钢，1877年，法国制成含铬生铁和铬钢，用于工业，高炉冶炼铬合金随即开始。

R mushet在1871中发现，锰钨钢在空气中冷却后硬度很大，所以用作工具钢。这种合金的出现给机械工业带来了一场革命，其使用寿命是以前高碳钢的5-6倍，机床速度提高了1倍。

然后R hadfield在合金钢领域又迈出了重要的一步。他在1883年发明了锰钢。之前有人研究过锰的作用，发现锰虽然能让钢变硬，但是变脆了。r·哈德菲尔德进一步发现，如果加入大量的锰(10%或更多)，钢不仅具有足够的硬度，还具有良好的抗拉强度和延展性。锰钢的韧性也可以通过加热到1050℃并在水中淬火来提高(而碳钢经过这样的处理后会变脆)。锰钢还有另一个优异的性能:受到撞击时，表层变硬，内部保持坚韧，非常适合制造铁路叉、挖掘机、挖泥船等。锰钢的发现给机械工业增加了一种有价值的材料。

哈德菲尔德还发明了硅钢，最初用作工具钢。后来发现硅含量达到5%时，具有高磁导率、高电阻、低磁滞的特点，特别适合制造电动机、发电机的转子、变压器铁芯等电器。硅钢从1907开始成为电力行业不可或缺的基础材料。

英国人J·莱利在1889年发明的镍钢在工程上发挥了极其重要的作用。他发现当镍添加到4.7%时，钢的强度可以增加一倍。这种优异的性能迅速奠定了镍钢的地位。

本世纪初，美国的F. W .泰勒和m .怀特发明的高速钢很快被欧洲采用。它的典型成分是:钨18%，铬4%，钒1%，碳0.5%，有时还有钴。这种钢在高温下不会软化。使用这种钢作为工具，切割速度可以从高碳钢的30英尺/分钟提高到500英尺/分钟。

1913英国人H. Brearley发明了不锈钢，它由13%的铬和0.3%的碳组成。后来德国人B·施特劳斯和E·毛雷尔加入镍，进一步提高了耐蚀性和机械性能。这就是今天广泛使用的18%铬和8%镍的不锈钢。钢中加铬不仅耐腐蚀，还能防止高温下氧化剥落，是原子能工业、火箭、汽轮机等的理想材料。

自工业革命以来，金属材料在工业生产中长期处于重要地位。在金属材料中，钢铁占据首位。19世纪中叶以前，铁是主要的金属材料。本世纪下半叶以来，钢迅速取代铁成为工业发展的重要支柱，开创了材料工业的钢铁时代。20世纪，由于工业、交通、建筑、军事等部门的大量需求，钢铁在产量、质量、品种和冶炼技术方面都有了新的进展。

20世纪上半叶，虽然炼铁技术仍以19世纪发明的高炉冶炼为主，炼钢技术仍以19世纪发明的平炉冶炼为主，以转炉炼钢和电炉冶炼特殊钢为铺垫，但冶炼技术、原料处理和轧制技术都在不断改进。

1930左右，冶金学家开始研究直接使用氧气的炼钢方法，并论证了用高浓度氧气代替空气可以提高炼钢效率。

20世纪40年代，氧气斜吹转炉炼钢法、卧式转炉双管吹氧法、纯氧顶吹转炉炼钢法相继出现，其中纯氧顶吹转炉炼钢法的优势最为明显。与当时常见的平炉相比，其投资减少一半左右，效率提高数倍，成本低，质量高，因此迅速得到推广。在电力充足的国家，如美国和意大利，电弧炉炼钢和感应炉炼钢已用于精炼特殊钢的生产。20世纪40年代出现的连续铸钢法是炼钢技术的一大进步。它可以节省锭模和初轧机，成倍提高生产率，明显降低投资和成本。

炼钢技术的发展也表明，在各种特殊钢和合金钢的不断问世。不同的特殊钢和合金钢可以满足不同的特殊需要。20世纪初，渗碳被发明，渗碳技术渗氮很快发展起来。从20世纪20年代末到30年代，镍和铬被添加到普通碳钢中，制成了一系列坚韧的镍铬钢。重要合金钢锰钢的精炼技术也取得了新的进展。1882年，英国人S·R·哈德菲尔德首先研制出的锰钢，含锰量约为12 ~ 13%。20世纪初开发出含锰80%的高锰钢，具有极高的韧性，可用于舰船和武器的装甲。1900年哈德菲尔德研发出高磁导率的硅钢，是制造电器的好材料。1912年，英国人H. Brearley用一定比例的镍和铬制成了耐腐蚀性能良好的不锈钢。1912年，美国生产出含镍71 ~ 80%的导磁钢。1923年，德国研制成功高硬度氮化钢。第二次世界大战中，通过对镍铬合金进行氮化和热处理，获得了一种新的坚硬耐磨的合金。20世纪40年代，出现了一种能承受800℃高温的镍铬合金。此外，通过添加不同比例的硅、钼、铌、铝和钛，这一时期还诞生了多种具有特殊性能的合金钢。这些合金材料的出现促进了机械、电力、化工、交通和军事工业的发展。

后来，钛等金属材料虽然在强度上超过了钢，但由于数量极其有限，远未取代钢。钢一直以其巨大的数量和品种主宰着金属材料的世界。据专家预测，至少在未来50年内，不会有任何金属材料取代其主导地位。