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鋼鐵工業(yè)中使用的工業(yè)氣體

術(shù)語(yǔ) "工業(yè)氣體 "是指一組專門用于各種工業(yè)流程的氣體（圖1）。它們有別于燃料氣體。然而，乙炔有時(shí)也被認(rèn)為是工業(yè)氣體。特種氣體，如氖、氪、氙和氦，有時(shí)也被視為工業(yè)氣體的范疇。 工業(yè)氣體以氣體和液體形式生產(chǎn)和供應(yīng)，以鋼瓶、散裝液體或管道氣體形式運(yùn)輸。鋼鐵工業(yè)中通常使用的工業(yè)氣體是氧氣、氮?dú)?、氬氣和氫氣?/p>

圖1 工業(yè)氣體

根據(jù)氣體的特性，工業(yè)氣體以一系列不同的氣瓶供應(yīng)。有些是在高壓下供應(yīng)的，而有些則只能在低壓下供應(yīng)。工業(yè)氣體的特性決定了向客戶供應(yīng)氣體的方式。諸如氧氣、氮?dú)?、氬氣和氫氣等氣體可以很容易地在200巴的壓力下被壓縮到鋼瓶中。乙炔由于其特性，需要儲(chǔ)存在一個(gè)含有 "多孔塊 "的鋼瓶中，氣體被保存在一個(gè)載體溶劑中。

工業(yè)氣瓶有一系列的尺寸，通常按容器的水容量來(lái)分類。哪種尺寸是最合適的，取決于一系列因素，包括消耗量和流速。此外，每個(gè)鋼瓶都裝有一個(gè)為適應(yīng)氣體和壓力要求而定制的鋼瓶閥。出口螺紋由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)決定，以確保只能安裝與這些要求兼容的調(diào)節(jié)器。此外，對(duì)于需要更高容量的應(yīng)用，工業(yè)氣體是以一系列集束氣瓶托盤的形式供應(yīng)的，集束氣瓶托盤由多個(gè)氣瓶連接在一起，并以托盤的形式裝運(yùn)。

鋼鐵工業(yè)中通常使用的工業(yè)氣體有氧氣、氮?dú)?、氬氣、氫氣和乙炔。這些氣體的屬性在表1中給出。表后對(duì)這些氣體進(jìn)行了描述。此外，一些特殊氣體和混合氣體被用于鋼鐵廠實(shí)驗(yàn)室的儀器分析工作。

空氣是地球上的自然大氣，是一種不可燃、無(wú)色、無(wú)味的氣體混合物，其中氮?dú)猓?8%）和氧氣（21%）占主導(dǎo)地位。剩下的大約1%是由稀有氣體氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣組成。壓縮（加壓）空氣被用于鋼鐵廠的一些應(yīng)用。它也被用于生產(chǎn)氧氣、氮?dú)夂蜌鍤狻?/p>

氧氣

氧氣（O2）是大氣中的一種活性成分，按體積計(jì)算占20.94%，按重量計(jì)算占空氣的23%。它是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭的氣體。它具有高度的氧化性。氧氣與可燃物發(fā)生劇烈反應(yīng)，特別是在其純凈狀態(tài)下，在反應(yīng)過(guò)程中釋放出熱量。許多反應(yīng)需要有水的存在，或由催化劑加速。氧氣的沸點(diǎn)/凝結(jié)點(diǎn)較低，為-183攝氏度。該氣體比空氣重約1.11倍，略微溶于水和酒精。 在沸點(diǎn)以下，氧氣是一種淡藍(lán)色液體，比水略重。表1中給出了氧氣的特性。

氧氣可以通過(guò)低溫蒸餾工藝大量生產(chǎn)高純度的氣體或液體，也可以通過(guò)吸附技術(shù)如變壓吸附（PSA）或真空變壓吸附（VPSA或VSA）少量生產(chǎn)低純度的氣體（通常為93%左右）。圖2顯示了氣體的低溫和非低溫的生產(chǎn)過(guò)程。

圖2 氣體的低溫和非低溫生產(chǎn)

氧氣是第二大消耗的工業(yè)氣體。氧氣的最大用戶是鋼鐵工業(yè)。除了其化學(xué)名稱O2之外，氧氣在以氣態(tài)形式生產(chǎn)和輸送時(shí)，也被稱為GOX或GO，而在以低溫液體形式生產(chǎn)時(shí)，則被稱為L(zhǎng)OX或LO。

氧氣的重要性在于其反應(yīng)性。氧氣的反應(yīng)性被用于鋼鐵加工以及鋼鐵的焊接和切割。用基本氧氣爐煉鋼在很大程度上依賴于氧氣的使用。它也被用于富集空氣和提高高爐的燃燒溫度，以及用其他可燃材料如煤粉、燃油或天然氣等代替焦炭。在基本氧氣爐的煉鋼過(guò)程中，不需要的碳與氧氣結(jié)合，形成碳氧化物，以氣體形式離開(kāi)。氧氣通過(guò)一個(gè)特殊的噴槍被送入鋼槽。 氧氣也被用來(lái)提高電弧爐的生產(chǎn)率。

在工業(yè)過(guò)程中，空氣中的氧氣富集增加了反應(yīng)速率，這使得現(xiàn)有設(shè)備的吞吐量更大，或能夠減少同等容量的新設(shè)備的物理尺寸。與使用普通空氣相比，富氧的另一個(gè)好處是節(jié)約能源，由于減少了通過(guò)爐子或化學(xué)過(guò)程的氮?dú)夂推渌麣怏w的數(shù)量。 減少必須壓縮或加熱的惰性氣體可以減少能源消耗，這是因?yàn)闇p少了氣體壓縮要求或減少了制造一定數(shù)量產(chǎn)品所需的燃料量。 減少燃燒過(guò)程中排放到大氣中的熱氣量，也減少了與煙囪氣體凈化系統(tǒng)有關(guān)的規(guī)模和凈化成本。

氧氣與燃料氣體一起用于氣焊、氣割、氧氣圍巾、火焰清洗、火焰硬化和火焰矯正。在氣體切割中，氧氣必須是高質(zhì)量的，以確保高切割速度和干凈的切割。

氧氣也被用于呼吸器中。這些設(shè)備用于鋼鐵工業(yè)中高爐煤氣或其他含有一氧化碳的氣體含量高于安全值的地方。

氮?dú)?/p>

氮?dú)猓∟2）是一種無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味的氣體，占空氣的78.09%（按體積計(jì)算）。 它是不可燃的，不支持燃燒。 氮?dú)獗瓤諝饴暂p，略溶于水。 氮?dú)庠谄浞悬c(diǎn)（-195.8攝氏度）處凝結(jié)成無(wú)色液體，比水輕。表1中給出了氮的特性。

氮?dú)馔ǔ１徽J(rèn)為是一種惰性氣體，并被當(dāng)作惰性氣體使用。但是氮?dú)獠⒉皇钦嬲亩栊詺怏w。 它與氧氣形成一氧化氮和二氧化氮，與氫氣形成氨氣，與硫磺形成硫化氮。 氮?dú)饣衔镆矔?huì)通過(guò)生物活動(dòng)自然形成。 在高溫下或在催化劑的幫助下在中等溫度下也會(huì)形成化合物。

氮?dú)馐窍牧孔畲蟮墓I(yè)氣體。 除了鋼鐵工業(yè)，它還被廣泛用于化工、制藥、石油加工、玻璃和陶瓷制造、金屬精煉和制造工藝、紙漿和紙張制造以及醫(yī)療保健等行業(yè)。 除了其化學(xué)名稱N2之外，氮?dú)庠跉鈶B(tài)下也被稱為GAN或GN，在液態(tài)下被稱為L(zhǎng)IN或LN。

如圖2所示，氮?dú)饪梢酝ㄟ^(guò)低溫蒸餾工藝以氣體或液體形式大量生產(chǎn)，也可以通過(guò)吸附技術(shù)，如變壓吸附（PSA）或擴(kuò)散分離工藝（通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的中空纖維滲透）以較低純度氣體形式大量生產(chǎn)。

氣態(tài)氮的價(jià)值在于它的惰性。 它被用來(lái)保護(hù)潛在的反應(yīng)性材料不與氧氣接觸。液氮的價(jià)值在于冷度和惰性。 當(dāng)液氮被蒸發(fā)并加熱到環(huán)境溫度時(shí)，它吸收了大量的熱量。 惰性和其極度寒冷的初始狀態(tài)的結(jié)合使液氮成為某些應(yīng)用的理想冷卻劑。液氮也被用來(lái)冷卻對(duì)熱敏感或通常較軟的材料，以允許加工或斷裂。

氮?dú)庠阡撹F工業(yè)中被用作管道凈化的氣體，熱焦炭干熄滅的冷卻劑，高爐爐頂?shù)睦鋮s氣體，輸送煤粉的載氣，底吹轉(zhuǎn)爐的惰性氣體，以及鋼鐵熱處理的保護(hù)氣。它被用于不同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，也是一種工藝氣體，與其他氣體一起用于減少碳化和氮化。

收縮接頭是傳統(tǒng)膨脹接頭的一個(gè)有趣的替代品。不是加熱外部金屬部分，而是用液氮冷卻內(nèi)部部分，這樣金屬就會(huì)收縮并可以插入。 當(dāng)金屬恢復(fù)到正常溫度時(shí)，它就會(huì)膨脹到原來(lái)的尺寸，給出一個(gè)非常緊密的配合。

氬氣

氬（Ar）是一種單原子、無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味、無(wú)毒的氣體，在大氣中的濃度為0.934%（體積）。 氬是一組特殊氣體的成員，被稱為稀有、貴重或惰性氣體。 該組中的其他氣體包括氦、氖、氪、氙和氡。 這些氣體是單原子氣體，其最外層的電子完全充滿。 貴族和惰性這兩個(gè)詞被用來(lái)表示這些氣體與其他材料發(fā)生化學(xué)作用的能力極弱。 這類氣體的所有成員在受電刺激時(shí)都會(huì)發(fā)光。 氬氣產(chǎn)生淡藍(lán)色的紫光。

氬氣的正常沸點(diǎn)是-185.9攝氏度。該氣體的重量大約是空氣的1.39倍，并且略微溶于水。凍結(jié)點(diǎn)是-199.3攝氏度，只比其正常沸點(diǎn)低幾度。表1給出了氬氣的特性。

氬氣是重要的氣體，因其完全惰性而聞名，特別是在高溫下。它是真正的惰性氣體中最豐富和最便宜的。它通常是在利用空氣的低溫蒸餾制造高純度氧氣的同時(shí)生產(chǎn)的（圖2）。 由于氬氣的沸點(diǎn)與氧氣的沸點(diǎn)非常接近（相差僅2.9攝氏度），因此從氧氣中分離出純氬氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種產(chǎn)品的高回收率，需要進(jìn)行幾級(jí)精餾。

幾十年來(lái)，最常見(jiàn)的氬氣回收和純化過(guò)程使用了幾個(gè)步驟：(i) 在低壓塔中氬氣濃度最高的地方，從一次空氣分離蒸餾系統(tǒng)中獲取 "側(cè)抽 "流，(ii) 在粗氬塔中處理進(jìn)料，將氮?dú)夥祷氐降蛪核?，產(chǎn)生一個(gè)粗氬產(chǎn)品。(iii)加熱粗氬，使氣流中的氧雜質(zhì)（通常為2%左右）與受控?cái)?shù)量的氫氣反應(yīng)形成水，(iv)通過(guò)冷凝和吸附除去水蒸氣，(v)將氣體重新冷卻到低溫，(vi)通過(guò)在純氬蒸餾塔中進(jìn)一步蒸餾除去剩余的非氬成分（少量的氮和未消耗的氫）。

隨著填料柱技術(shù)的發(fā)展，可以在低壓降下進(jìn)行低溫蒸餾，現(xiàn)在大多數(shù)新工廠都采用全低溫蒸餾工藝進(jìn)行氬氣回收和提純。

氬，除了其化學(xué)名稱Ar，有時(shí)也被稱為PLAR（純液氬）或CLAR（粗液氬）。 粗氬通常被認(rèn)為是制造純氬的設(shè)施的中間產(chǎn)品，但它也可以是一些能力較低的空氣分離工廠的最終產(chǎn)品，這些工廠將其分配給大型設(shè)施進(jìn)行最終凈化。商業(yè)數(shù)量的氬氣也可以在制造氨的過(guò)程中生產(chǎn)。

氬氣被用于需要完全非活性氣體的地方。在鋼鐵熔煉車間，它被用于煉鋼聯(lián)合吹氣過(guò)程中的底層吹氣。它被用于攪拌鋼包中的鋼水，并作為鋼水連續(xù)鑄造的保護(hù)氣體。它還用于AOD轉(zhuǎn)爐，與氧氣一起吹入熔融金屬。氬氣的加入減少了鉻的損失，并在較低的溫度下達(dá)到所需的碳含量。

純氬氣以及與其他各種氣體混合的氬氣，在使用非消耗性鎢電極的TIG焊接（鎢極惰性氣體焊接）和使用消耗性送絲電極的MIG（金屬惰性氣體）焊接中被用作保護(hù)氣體。 保護(hù)氣體的作用是保護(hù)電極和焊池免受空氣的氧化作用。

氫氣

氫氣（H2）在大氣溫度和壓力下是一種無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味、易燃和無(wú)毒的氣體。它是宇宙中最豐富的元素，但在大氣層中幾乎沒(méi)有，因?yàn)榇髿鈱由喜康膫€(gè)別分子在與較重的分子碰撞時(shí)可以獲得很高的速度，并從大氣層中噴射出來(lái)。它在地球上仍然相當(dāng)豐富，但是作為水等化合物的一部分。

氫氣在空氣中燃燒時(shí)產(chǎn)生淡藍(lán)色的、幾乎看不見(jiàn)的火焰。氫氣是所有氣體中最輕的，大約是空氣重量的十五分之一。 氫氣容易點(diǎn)燃，并與氧氣或空氣一起形成爆炸性氣體（氫氧）。在任何正常發(fā)生的材料中，氫氣具有最高的單位重量燃燒能量釋放。這一特性使它成為多級(jí)火箭末級(jí)的首選燃料。

氫氣是除氦氣以外的所有元素中沸點(diǎn)最低的。 當(dāng)冷卻到沸點(diǎn)（-252.76攝氏度）時(shí)，氫氣成為一種透明、無(wú)味的液體，其重量只有水的十四分之一。液態(tài)氫不具有腐蝕性或特別的反應(yīng)性。當(dāng)從液體轉(zhuǎn)化為氣體時(shí)，氫氣會(huì)膨脹約840倍。它的低沸點(diǎn)和低密度導(dǎo)致液態(tài)氫溢出后迅速消散。氫氣的特性見(jiàn)表1。

氫氣可以通過(guò)一些不同的工藝來(lái)生產(chǎn)。熱化學(xué)過(guò)程利用熱量和化學(xué)反應(yīng)從有機(jī)材料（如化石燃料和生物質(zhì)）中釋放氫氣。水（H2O）可以利用電解或太陽(yáng)能分成氫氣和氧氣。微生物如細(xì)菌和藻類可以通過(guò)生物過(guò)程生產(chǎn)氫氣。圖3顯示了電解法生產(chǎn)氫氣的情況。

圖3 電解法生產(chǎn)氫氣

一些熱化學(xué)過(guò)程利用各種資源的能量，如天然氣、煤或生物質(zhì)，從其分子結(jié)構(gòu)中釋放出氫氣。在其他工藝中，熱能與封閉的化學(xué)循環(huán)相結(jié)合，從水等原料中生產(chǎn)氫氣。獲得氫氣的常見(jiàn)熱化學(xué)過(guò)程是（i）天然氣重整（也稱為蒸汽甲烷重整或SMR），（ii）煤氣化，（iii）生物質(zhì)氣化，（iv）生物質(zhì)衍生的液體重整，以及（v）太陽(yáng)能熱化學(xué)氫氣（STCH）。

電解過(guò)程是在電解器中進(jìn)行的，它使用電力將水分成氫氣和氧氣。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很好，可以在商業(yè)上使用，而且正在開(kāi)發(fā)能夠有效利用間歇性可再生能源的系統(tǒng)。

直接太陽(yáng)能水分離，或光解過(guò)程，使用光能將水分離成氫氣和氧氣。這些工藝目前處于研究的早期階段，但為可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)提供了長(zhǎng)期的潛力，對(duì)環(huán)境的影響很小。兩種太陽(yáng)能水分離過(guò)程是（i）光電化學(xué)（PEC）過(guò)程和（ii）光生物過(guò)程。

在生物過(guò)程中，使用了微生物。細(xì)菌和微藻等微生物可以通過(guò)生物反應(yīng)，利用太陽(yáng)光或有機(jī)物產(chǎn)生氫氣。這些技術(shù)途徑處于早期研究階段，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，有可能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的、低碳的氫氣生產(chǎn)。這兩種生物工藝是：（i）微生物生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝，和（ii）光生物工藝。

制造氫氣的最常見(jiàn)的大規(guī)模工藝是碳?xì)浠衔锏恼羝卣?。其他用于氫氣生產(chǎn)的方法包括通過(guò)煤或碳?xì)浠衔锏牟糠盅趸?，電解水，從用于生產(chǎn)氯和其他產(chǎn)品的電解池中回收副產(chǎn)品氫氣，以及解離氨氣。氫氣還可以從各種煉油廠和化工流中回收供內(nèi)部使用和銷售，通常是清洗氣體、尾氣、燃料氣體或其他被污染或低價(jià)值的流。凈化方法包括變壓吸附（PSA）、低溫分離和膜氣體分離。

一些對(duì)氫氣需求相對(duì)較小的工業(yè)流程選擇使用緊湊型發(fā)電機(jī)來(lái)生產(chǎn)其需求。 在過(guò)去，氨氣解離是一種常見(jiàn)的技術(shù)選擇。 最近，小型包裝電解和碳?xì)浠衔镏卣到y(tǒng)的改進(jìn)使這些小容量氫氣生產(chǎn)的途徑越來(lái)越有吸引力。電解生產(chǎn)技術(shù)可以在高壓下生產(chǎn)高純度的氫氣，消除了補(bǔ)充壓縮的需要。最新一代高度包裝的碳?xì)浠衔镏卣b置，特別是那些采用自動(dòng)熱生成工藝并在相對(duì)較低的溫度和壓力下運(yùn)行的裝置，已經(jīng)使現(xiàn)場(chǎng)碳?xì)浠衔镏卣蔀橐粭l可行的氫氣生產(chǎn)途徑，其生產(chǎn)率比幾年前認(rèn)為的商業(yè)上可行的要低很多。

氫氣是在催化劑的幫助下，在大約982攝氏度的溫度下通過(guò)氨的解離產(chǎn)生的。這導(dǎo)致了75%的氫氣和25%的單核氮?dú)猓∟而不是N2）的混合。這種混合物在冷軋卷材和帶材的光亮退火過(guò)程中被用作保護(hù)氣氛。氫氣也被用作直接還原鐵（DRI）生產(chǎn)中的還原劑。

氫氣與惰性氣體混合以獲得還原性氣氛，這在鋼鐵工業(yè)的許多應(yīng)用中是需要的，如實(shí)驗(yàn)室、熱處理鋼和焊接。它經(jīng)常被用于不銹鋼合金和磁性鋼合金的退火。

大量的氫氣被用來(lái)凈化含有微量氧氣的氬氣，利用氧氣和氫氣的催化結(jié)合，然后去除產(chǎn)生的水。

乙炔

乙炔是化學(xué)化合物，其化學(xué)式為C2H2。它是一種不飽和碳?xì)浠衔铮亲詈?jiǎn)單的炔類化合物。一個(gè)乙炔分子由兩個(gè)碳原子和兩個(gè)氫原子組成。這兩個(gè)碳原子通過(guò)所謂的三碳鍵結(jié)合在一起。這種鍵很有用，因?yàn)樗鼉?chǔ)存了大量的能量，在燃燒過(guò)程中可以作為熱量釋放。然而，三碳鍵是不穩(wěn)定的，這使得乙炔氣體對(duì)超壓、超溫、靜電或機(jī)械沖擊等情況非常敏感。

乙炔是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體。在大氣壓力下，乙炔不能作為液體存在，也沒(méi)有熔點(diǎn)。常壓下空氣中的絕熱火焰溫度（AFT）為2534攝氏度，21攝氏度時(shí)的比重為0.91。如今，乙炔主要通過(guò)甲烷的部分燃燒來(lái)制造，或作為碳?xì)浠衔锪呀猱a(chǎn)生的乙烯流中的副產(chǎn)品出現(xiàn)。

由于乙炔的性質(zhì)不穩(wěn)定，所以要在特殊條件下儲(chǔ)存。這是通過(guò)將乙炔溶解在液體丙酮中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后將液態(tài)丙酮儲(chǔ)存在乙炔瓶中，而乙炔瓶中又充滿了多孔（像海綿一樣）的水泥材料。

乙炔用于鋼鐵廠的氧乙炔氣體切割和焊接以及連鑄機(jī)的火焰切割機(jī)。它有時(shí)也被用于鋼的滲碳。