鋼鐵工業中使用的工業氣體

術語 "工業氣體 "是指一組專門用于各種工業流程的氣體（圖1）。它們有別于燃料氣體。然而，乙炔有時也被認為是工業氣體。特種氣體，如氖、氪、氙和氦，有時也被視為工業氣體的范疇。 工業氣體以氣體和液體形式生產和供應，以鋼瓶、散裝液體或管道氣體形式運輸。鋼鐵工業中通常使用的工業氣體是氧氣、氮氣、氬氣和氫氣。

圖1 工業氣體

根據氣體的特性，工業氣體以一系列不同的氣瓶供應。有些是在高壓下供應的，而有些則只能在低壓下供應。工業氣體的特性決定了向客戶供應氣體的方式。諸如氧氣、氮氣、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，需要儲存在一個含有 "多孔塊 "的鋼瓶中，氣體被保存在一個載體溶劑中。

工業氣瓶有一系列的尺寸，通常按容器的水容量來分類。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，每個鋼瓶都裝有一個為適應氣體和壓力要求而定制的鋼瓶閥。出口螺紋由國家標準決定，以確保只能安裝與這些要求兼容的調節器。此外，對于需要更高容量的應用，工業氣體是以一系列集束氣瓶托盤的形式供應的，集束氣瓶托盤由多個氣瓶連接在一起，并以托盤的形式裝運。

鋼鐵工業中通常使用的工業氣體有氧氣、氮氣、氬氣、氫氣和乙炔。這些氣體的屬性在表1中給出。表后對這些氣體進行了描述。此外，一些特殊氣體和混合氣體被用于鋼鐵廠實驗室的儀器分析工作。

空氣是地球上的自然大氣，是一種不可燃、無色、無味的氣體混合物，其中氮氣（78%）和氧氣（21%）占主導地位。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用。它也被用于生產氧氣、氮氣和氬氣。

氧氣

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

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

圖2 氣體的低溫和非低溫生產

氧氣是第二大消耗的工業氣體。氧氣的最大用戶是鋼鐵工業。除了其化學名稱O2之外，氧氣在以氣態形式生產和輸送時，也被稱為GOX或GO，而在以低溫液體形式生產時，則被稱為LOX或LO。

氧氣的重要性在于其反應性。氧氣的反應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程中，不需要的碳與氧氣結合，形成碳氧化物，以氣體形式離開。氧氣通過一個特殊的噴槍被送入鋼槽。 氧氣也被用來提高電弧爐的生產率。

在工業過程中，空氣中的氧氣富集增加了反應速率，這使得現有設備的吞吐量更大，或能夠減少同等容量的新設備的物理尺寸。與使用普通空氣相比，富氧的另一個好處是節約能源，由于減少了通過爐子或化學過程的氮氣和其他氣體的數量。 減少必須壓縮或加熱的惰性氣體可以減少能源消耗，這是因為減少了氣體壓縮要求或減少了制造一定數量產品所需的燃料量。 減少燃燒過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有關的規模和凈化成本。

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。這些設備用于鋼鐵工業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。

氮氣

氮氣（N2）是一種無色、無臭、無味的氣體，占空氣的78.09%（按體積計算）。 它是不可燃的，不支持燃燒。 氮氣比空氣略輕，略溶于水。 氮氣在其沸點（-195.8攝氏度）處凝結成無色液體，比水輕。表1中給出了氮的特性。

氮氣通常被認為是一種惰性氣體，并被當作惰性氣體使用。但是氮氣并不是真正的惰性氣體。 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。 氮氣化合物也會通過生物活動自然形成。 在高溫下或在催化劑的幫助下在中等溫度下也會形成化合物。

氮氣是消耗量最大的工業氣體。 除了鋼鐵工業，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療保健等行業。 除了其化學名稱N2之外，氮氣在氣態下也被稱為GAN或GN，在液態下被稱為LIN或LN。

如圖2所示，氮氣可以通過低溫蒸餾工藝以氣體或液體形式大量生產，也可以通過吸附技術，如變壓吸附（PSA）或擴散分離工藝（通過特殊設計的中空纖維滲透）以較低純度氣體形式大量生產。

氣態氮的價值在于它的惰性。 它被用來保護潛在的反應性材料不與氧氣接觸。液氮的價值在于冷度和惰性。 當液氮被蒸發并加熱到環境溫度時，它吸收了大量的熱量。 惰性和其極度寒冷的初始狀態的結合使液氮成為某些應用的理想冷卻劑。液氮也被用來冷卻對熱敏感或通常較軟的材料，以允許加工或斷裂。

氮氣在鋼鐵工業中被用作管道凈化的氣體，熱焦炭干熄滅的冷卻劑，高爐爐頂的冷卻氣體，輸送煤粉的載氣，底吹轉爐的惰性氣體，以及鋼鐵熱處理的保護氣。它被用于不同的實驗室進行測試，也是一種工藝氣體，與其他氣體一起用于減少碳化和氮化。

收縮接頭是傳統膨脹接頭的一個有趣的替代品。不是加熱外部金屬部分，而是用液氮冷卻內部部分，這樣金屬就會收縮并可以插入。 當金屬恢復到正常溫度時，它就會膨脹到原來的尺寸，給出一個非常緊密的配合。

氬氣

氬（Ar）是一種單原子、無色、無臭、無味、無毒的氣體，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。 貴族和惰性這兩個詞被用來表示這些氣體與其他材料發生化學作用的能力極弱。 這類氣體的所有成員在受電刺激時都會發光。 氬氣產生淡藍色的紫光。

氬氣的正常沸點是-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。凍結點是-199.3攝氏度，只比其正常沸點低幾度。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生產的（圖2）。 由于氬氣的沸點與氧氣的沸點非常接近（相差僅2.9攝氏度），因此從氧氣中分離出純氬氣，同時實現兩種產品的高回收率，需要進行幾級精餾。

幾十年來，最常見的氬氣回收和純化過程使用了幾個步驟：(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中獲取 "側抽 "流，(ii) 在粗氬塔中處理進料，將氮氣返回到低壓塔中，產生一個粗氬產品。(iii)加熱粗氬，使氣流中的氧雜質（通常為2%左右）與受控數量的氫氣反應形成水，(iv)通過冷凝和吸附除去水蒸氣，(v)將氣體重新冷卻到低溫，(vi)通過在純氬蒸餾塔中進一步蒸餾除去剩余的非氬成分（少量的氮和未消耗的氫）。

隨著填料柱技術的發展，可以在低壓降下進行低溫蒸餾，現在大多數新工廠都采用全低溫蒸餾工藝進行氬氣回收和提純。

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

氬氣被用于需要完全非活性氣體的地方。在鋼鐵熔煉車間，它被用于煉鋼聯合吹氣過程中的底層吹氣。它被用于攪拌鋼包中的鋼水，并作為鋼水連續鑄造的保護氣體。它還用于AOD轉爐，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）焊接中被用作保護氣體。 保護氣體的作用是保護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色、無臭、無味、易燃和無毒的氣體。它是宇宙中最豐富的元素，但在大氣層中幾乎沒有，因為大氣層上部的個別分子在與較重的分子碰撞時可以獲得很高的速度，并從大氣層中噴射出來。它在地球上仍然相當豐富，但是作為水等化合物的一部分。

氫氣在空氣中燃燒時產生淡藍色的、幾乎看不見的火焰。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火箭末級的首選燃料。

氫氣是除氦氣以外的所有元素中沸點最低的。 當冷卻到沸點（-252.76攝氏度）時，氫氣成為一種透明、無味的液體，其重量只有水的十四分之一。液態氫不具有腐蝕性或特別的反應性。當從液體轉化為氣體時，氫氣會膨脹約840倍。它的低沸點和低密度導致液態氫溢出后迅速消散。氫氣的特性見表1。

氫氣可以通過一些不同的工藝來生產。熱化學過程利用熱量和化學反應從有機材料（如化石燃料和生物質）中釋放氫氣。水（H2O）可以利用電解或太陽能分成氫氣和氧氣。微生物如細菌和藻類可以通過生物過程生產氫氣。圖3顯示了電解法生產氫氣的情況。

圖3 電解法生產氫氣

一些熱化學過程利用各種資源的能量，如天然氣、煤或生物質，從其分子結構中釋放出氫氣。在其他工藝中，熱能與封閉的化學循環相結合，從水等原料中生產氫氣。獲得氫氣的常見熱化學過程是（i）天然氣重整（也稱為蒸汽甲烷重整或SMR），（ii）煤氣化，（iii）生物質氣化，（iv）生物質衍生的液體重整，以及（v）太陽能熱化學氫氣（STCH）。

電解過程是在電解器中進行的，它使用電力將水分成氫氣和氧氣。這項技術已經發展得很好，可以在商業上使用，而且正在開發能夠有效利用間歇性可再生能源的系統。

直接太陽能水分離，或光解過程，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，但為可持續的氫氣生產提供了長期的潛力，對環境的影響很小。兩種太陽能水分離過程是（i）光電化學（PEC）過程和（ii）光生物過程。

在生物過程中，使用了微生物。細菌和微藻等微生物可以通過生物反應，利用太陽光或有機物產生氫氣。這些技術途徑處于早期研究階段，但從長遠來看，有可能實現可持續的、低碳的氫氣生產。這兩種生物工藝是：（i）微生物生物質轉化工藝，和（ii）光生物工藝。

制造氫氣的最常見的大規模工藝是碳氫化合物的蒸汽重整。其他用于氫氣生產的方法包括通過煤或碳氫化合物的部分氧化生成，電解水，從用于生產氯和其他產品的電解池中回收副產品氫氣，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。

一些對氫氣需求相對較小的工業流程選擇使用緊湊型發電機來生產其需求。 在過去，氨氣解離是一種常見的技術選擇。 最近，小型包裝電解和碳氫化合物重整系統的改進使這些小容量氫氣生產的途徑越來越有吸引力。電解生產技術可以在高壓下生產高純度的氫氣，消除了補充壓縮的需要。最新一代高度包裝的碳氫化合物重整裝置，特別是那些采用自動熱生成工藝并在相對較低的溫度和壓力下運行的裝置，已經使現場碳氫化合物重整成為一條可行的氫氣生產途徑，其生產率比幾年前認為的商業上可行的要低很多。

氫氣是在催化劑的幫助下，在大約982攝氏度的溫度下通過氨的解離產生的。這導致了75%的氫氣和25%的單核氮氣（N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程中被用作保護氣氛。氫氣也被用作直接還原鐵（DRI）生產中的還原劑。

氫氣與惰性氣體混合以獲得還原性氣氛，這在鋼鐵工業的許多應用中是需要的，如實驗室、熱處理鋼和焊接。它經常被用于不銹鋼合金和磁性鋼合金的退火。

大量的氫氣被用來凈化含有微量氧氣的氬氣，利用氧氣和氫氣的催化結合，然后去除產生的水。

乙炔

乙炔是化學化合物，其化學式為C2H2。它是一種不飽和碳氫化合物，是最簡單的炔類化合物。一個乙炔分子由兩個碳原子和兩個氫原子組成。這兩個碳原子通過所謂的三碳鍵結合在一起。這種鍵很有用，因為它儲存了大量的能量，在燃燒過程中可以作為熱量釋放。然而，三碳鍵是不穩定的，這使得乙炔氣體對超壓、超溫、靜電或機械沖擊等情況非常敏感。

乙炔是一種無色、無味的氣體。在大氣壓力下，乙炔不能作為液體存在，也沒有熔點。常壓下空氣中的絕熱火焰溫度（AFT）為2534攝氏度，21攝氏度時的比重為0.91。如今，乙炔主要通過甲烷的部分燃燒來制造，或作為碳氫化合物裂解產生的乙烯流中的副產品出現。

由于乙炔的性質不穩定，所以要在特殊條件下儲存。這是通過將乙炔溶解在液體丙酮中來實現的。然后將液態丙酮儲存在乙炔瓶中，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的火焰切割機。它有時也被用于鋼的滲碳。