钢铁工业中使用的工业气体

术语 "工业气体 "是指一组专门用于各种工业流程的气体（图1）。它们有别于燃料气体。然而，乙炔有时也被认为是工业气体。特种气体，如氖、氪、氙和氦，有时也被视为工业气体的范畴。 工业气体以气体和液体形式生产和供应，以钢瓶、散装液体或管道气体形式运输。钢铁工业中通常使用的工业气体是氧气、氮气、氩气和氢气。

图1 工业气体

根据气体的特性，工业气体以一系列不同的气瓶供应。有些是在高压下供应的，而有些则只能在低压下供应。工业气体的特性决定了向客户供应气体的方式。诸如氧气、氮气、氩气和氢气等气体可以很容易地在200巴的压力下被压缩到钢瓶中。乙炔由于其特性，需要储存在一个含有 "多孔块 "的钢瓶中，气体被保存在一个载体溶剂中。

工业气瓶有一系列的尺寸，通常按容器的水容量来分类。哪种尺寸是最合适的，取决于一系列因素，包括消耗量和流速。此外，每个钢瓶都装有一个为适应气体和压力要求而定制的钢瓶阀。出口螺纹由国家标准决定，以确保只能安装与这些要求兼容的调节器。此外，对于需要更高容量的应用，工业气体是以一系列集束气瓶托盘的形式供应的，集束气瓶托盘由多个气瓶连接在一起，并以托盘的形式装运。

钢铁工业中通常使用的工业气体有氧气、氮气、氩气、氢气和乙炔。这些气体的属性在表1中给出。表后对这些气体进行了描述。此外，一些特殊气体和混合气体被用于钢铁厂实验室的仪器分析工作。

空气是地球上的自然大气，是一种不可燃、无色、无味的气体混合物，其中氮气（78%）和氧气（21%）占主导地位。剩下的大约1%是由稀有气体氦气、氖气、氩气、氪气和氙气组成。压缩（加压）空气被用于钢铁厂的一些应用。它也被用于生产氧气、氮气和氩气。

氧气

氧气（O2）是大气中的一种活性成分，按体积计算占20.94%，按重量计算占空气的23%。它是一种无色、无味、无臭的气体。它具有高度的氧化性。氧气与可燃物发生剧烈反应，特别是在其纯净状态下，在反应过程中释放出热量。许多反应需要有水的存在，或由催化剂加速。氧气的沸点/凝结点较低，为-183摄氏度。该气体比空气重约1.11倍，略微溶于水和酒精。 在沸点以下，氧气是一种淡蓝色液体，比水略重。表1中给出了氧气的特性。

氧气可以通过低温蒸馏工艺大量生产高纯度的气体或液体，也可以通过吸附技术如变压吸附（PSA）或真空变压吸附（VPSA或VSA）少量生产低纯度的气体（通常为93%左右）。图2显示了气体的低温和非低温的生产过程。

图2 气体的低温和非低温生产

氧气是第二大消耗的工业气体。氧气的最大用户是钢铁工业。除了其化学名称O2之外，氧气在以气态形式生产和输送时，也被称为GOX或GO，而在以低温液体形式生产时，则被称为LOX或LO。

氧气的重要性在于其反应性。氧气的反应性被用于钢铁加工以及钢铁的焊接和切割。用基本氧气炉炼钢在很大程度上依赖于氧气的使用。它也被用于富集空气和提高高炉的燃烧温度，以及用其他可燃材料如煤粉、燃油或天然气等代替焦炭。在基本氧气炉的炼钢过程中，不需要的碳与氧气结合，形成碳氧化物，以气体形式离开。氧气通过一个特殊的喷枪被送入钢槽。 氧气也被用来提高电弧炉的生产率。

在工业过程中，空气中的氧气富集增加了反应速率，这使得现有设备的吞吐量更大，或能够减少同等容量的新设备的物理尺寸。与使用普通空气相比，富氧的另一个好处是节约能源，由于减少了通过炉子或化学过程的氮气和其他气体的数量。 减少必须压缩或加热的惰性气体可以减少能源消耗，这是因为减少了气体压缩要求或减少了制造一定数量产品所需的燃料量。 减少燃烧过程中排放到大气中的热气量，也减少了与烟囱气体净化系统有关的规模和净化成本。

氧气与燃料气体一起用于气焊、气割、氧气围巾、火焰清洗、火焰硬化和火焰矫正。在气体切割中，氧气必须是高质量的，以确保高切割速度和干净的切割。

氧气也被用于呼吸器中。这些设备用于钢铁工业中高炉煤气或其他含有一氧化碳的气体含量高于安全值的地方。

氮气

氮气（N2）是一种无色、无臭、无味的气体，占空气的78.09%（按体积计算）。 它是不可燃的，不支持燃烧。 氮气比空气略轻，略溶于水。 氮气在其沸点（-195.8摄氏度）处凝结成无色液体，比水轻。表1中给出了氮的特性。

氮气通常被认为是一种惰性气体，并被当作惰性气体使用。但是氮气并不是真正的惰性气体。 它与氧气形成一氧化氮和二氧化氮，与氢气形成氨气，与硫磺形成硫化氮。 氮气化合物也会通过生物活动自然形成。 在高温下或在催化剂的帮助下在中等温度下也会形成化合物。

氮气是消耗量最大的工业气体。 除了钢铁工业，它还被广泛用于化工、制药、石油加工、玻璃和陶瓷制造、金属精炼和制造工艺、纸浆和纸张制造以及医疗保健等行业。 除了其化学名称N2之外，氮气在气态下也被称为GAN或GN，在液态下被称为LIN或LN。

如图2所示，氮气可以通过低温蒸馏工艺以气体或液体形式大量生产，也可以通过吸附技术，如变压吸附（PSA）或扩散分离工艺（通过特殊设计的中空纤维渗透）以较低纯度气体形式大量生产。

气态氮的价值在于它的惰性。 它被用来保护潜在的反应性材料不与氧气接触。液氮的价值在于冷度和惰性。 当液氮被蒸发并加热到环境温度时，它吸收了大量的热量。 惰性和其极度寒冷的初始状态的结合使液氮成为某些应用的理想冷却剂。液氮也被用来冷却对热敏感或通常较软的材料，以允许加工或断裂。

氮气在钢铁工业中被用作管道净化的气体，热焦炭干熄灭的冷却剂，高炉炉顶的冷却气体，输送煤粉的载气，底吹转炉的惰性气体，以及钢铁热处理的保护气。它被用于不同的实验室进行测试，也是一种工艺气体，与其他气体一起用于减少碳化和氮化。

收缩接头是传统膨胀接头的一个有趣的替代品。不是加热外部金属部分，而是用液氮冷却内部部分，这样金属就会收缩并可以插入。 当金属恢复到正常温度时，它就会膨胀到原来的尺寸，给出一个非常紧密的配合。

氩气

氩（Ar）是一种单原子、无色、无臭、无味、无毒的气体，在大气中的浓度为0.934%（体积）。 氩是一组特殊气体的成员，被称为稀有、贵重或惰性气体。 该组中的其他气体包括氦、氖、氪、氙和氡。 这些气体是单原子气体，其最外层的电子完全充满。 贵族和惰性这两个词被用来表示这些气体与其他材料发生化学作用的能力极弱。 这类气体的所有成员在受电刺激时都会发光。 氩气产生淡蓝色的紫光。

氩气的正常沸点是-185.9摄氏度。该气体的重量大约是空气的1.39倍，并且略微溶于水。冻结点是-199.3摄氏度，只比其正常沸点低几度。表1给出了氩气的特性。

氩气是重要的气体，因其完全惰性而闻名，特别是在高温下。它是真正的惰性气体中最丰富和最便宜的。它通常是在利用空气的低温蒸馏制造高纯度氧气的同时生产的（图2）。 由于氩气的沸点与氧气的沸点非常接近（相差仅2.9摄氏度），因此从氧气中分离出纯氩气，同时实现两种产品的高回收率，需要进行几级精馏。

几十年来，最常见的氩气回收和纯化过程使用了几个步骤：(i) 在低压塔中氩气浓度最高的地方，从一次空气分离蒸馏系统中获取 "侧抽 "流，(ii) 在粗氩塔中处理进料，将氮气返回到低压塔中，产生一个粗氩产品。(iii)加热粗氩，使气流中的氧杂质（通常为2%左右）与受控数量的氢气反应形成水，(iv)通过冷凝和吸附除去水蒸气，(v)将气体重新冷却到低温，(vi)通过在纯氩蒸馏塔中进一步蒸馏除去剩余的非氩成分（少量的氮和未消耗的氢）。

随着填料柱技术的发展，可以在低压降下进行低温蒸馏，现在大多数新工厂都采用全低温蒸馏工艺进行氩气回收和提纯。

氩，除了其化学名称Ar，有时也被称为PLAR（纯液氩）或CLAR（粗液氩）。 粗氩通常被认为是制造纯氩的设施的中间产品，但它也可以是一些能力较低的空气分离工厂的最终产品，这些工厂将其分配给大型设施进行最终净化。商业数量的氩气也可以在制造氨的过程中生产。

氩气被用于需要完全非活性气体的地方。在钢铁熔炼车间，它被用于炼钢联合吹气过程中的底层吹气。它被用于搅拌钢包中的钢水，并作为钢水连续铸造的保护气体。它还用于AOD转炉，与氧气一起吹入熔融金属。氩气的加入减少了铬的损失，并在较低的温度下达到所需的碳含量。

纯氩气以及与其他各种气体混合的氩气，在使用非消耗性钨电极的TIG焊接（钨极惰性气体焊接）和使用消耗性送丝电极的MIG（金属惰性气体）焊接中被用作保护气体。 保护气体的作用是保护电极和焊池免受空气的氧化作用。

氢气

氢气（H2）在大气温度和压力下是一种无色、无臭、无味、易燃和无毒的气体。它是宇宙中最丰富的元素，但在大气层中几乎没有，因为大气层上部的个别分子在与较重的分子碰撞时可以获得很高的速度，并从大气层中喷射出来。它在地球上仍然相当丰富，但是作为水等化合物的一部分。

氢气在空气中燃烧时产生淡蓝色的、几乎看不见的火焰。氢气是所有气体中最轻的，大约是空气重量的十五分之一。 氢气容易点燃，并与氧气或空气一起形成爆炸性气体（氢氧）。在任何正常发生的材料中，氢气具有最高的单位重量燃烧能量释放。这一特性使它成为多级火箭末级的首选燃料。

氢气是除氦气以外的所有元素中沸点最低的。 当冷却到沸点（-252.76摄氏度）时，氢气成为一种透明、无味的液体，其重量只有水的十四分之一。液态氢不具有腐蚀性或特别的反应性。当从液体转化为气体时，氢气会膨胀约840倍。它的低沸点和低密度导致液态氢溢出后迅速消散。氢气的特性见表1。

氢气可以通过一些不同的工艺来生产。热化学过程利用热量和化学反应从有机材料（如化石燃料和生物质）中释放氢气。水（H2O）可以利用电解或太阳能分成氢气和氧气。微生物如细菌和藻类可以通过生物过程生产氢气。图3显示了电解法生产氢气的情况。

图3 电解法生产氢气

一些热化学过程利用各种资源的能量，如天然气、煤或生物质，从其分子结构中释放出氢气。在其他工艺中，热能与封闭的化学循环相结合，从水等原料中生产氢气。获得氢气的常见热化学过程是（i）天然气重整（也称为蒸汽甲烷重整或SMR），（ii）煤气化，（iii）生物质气化，（iv）生物质衍生的液体重整，以及（v）太阳能热化学氢气（STCH）。

电解过程是在电解器中进行的，它使用电力将水分成氢气和氧气。这项技术已经发展得很好，可以在商业上使用，而且正在开发能够有效利用间歇性可再生能源的系统。

直接太阳能水分离，或光解过程，使用光能将水分离成氢气和氧气。这些工艺目前处于研究的早期阶段，但为可持续的氢气生产提供了长期的潜力，对环境的影响很小。两种太阳能水分离过程是（i）光电化学（PEC）过程和（ii）光生物过程。

在生物过程中，使用了微生物。细菌和微藻等微生物可以通过生物反应，利用太阳光或有机物产生氢气。这些技术途径处于早期研究阶段，但从长远来看，有可能实现可持续的、低碳的氢气生产。这两种生物工艺是：（i）微生物生物质转化工艺，和（ii）光生物工艺。

制造氢气的最常见的大规模工艺是碳氢化合物的蒸汽重整。其他用于氢气生产的方法包括通过煤或碳氢化合物的部分氧化生成，电解水，从用于生产氯和其他产品的电解池中回收副产品氢气，以及解离氨气。氢气还可以从各种炼油厂和化工流中回收供内部使用和销售，通常是清洗气体、尾气、燃料气体或其他被污染或低价值的流。净化方法包括变压吸附（PSA）、低温分离和膜气体分离。

一些对氢气需求相对较小的工业流程选择使用紧凑型发电机来生产其需求。 在过去，氨气解离是一种常见的技术选择。 最近，小型包装电解和碳氢化合物重整系统的改进使这些小容量氢气生产的途径越来越有吸引力。电解生产技术可以在高压下生产高纯度的氢气，消除了补充压缩的需要。最新一代高度包装的碳氢化合物重整装置，特别是那些采用自动热生成工艺并在相对较低的温度和压力下运行的装置，已经使现场碳氢化合物重整成为一条可行的氢气生产途径，其生产率比几年前认为的商业上可行的要低很多。

氢气是在催化剂的帮助下，在大约982摄氏度的温度下通过氨的解离产生的。这导致了75%的氢气和25%的单核氮气（N而不是N2）的混合。这种混合物在冷轧卷材和带材的光亮退火过程中被用作保护气氛。氢气也被用作直接还原铁（DRI）生产中的还原剂。

氢气与惰性气体混合以获得还原性气氛，这在钢铁工业的许多应用中是需要的，如实验室、热处理钢和焊接。它经常被用于不锈钢合金和磁性钢合金的退火。

大量的氢气被用来净化含有微量氧气的氩气，利用氧气和氢气的催化结合，然后去除产生的水。

乙炔

乙炔是化学化合物，其化学式为C2H2。它是一种不饱和碳氢化合物，是最简单的炔类化合物。一个乙炔分子由两个碳原子和两个氢原子组成。这两个碳原子通过所谓的三碳键结合在一起。这种键很有用，因为它储存了大量的能量，在燃烧过程中可以作为热量释放。然而，三碳键是不稳定的，这使得乙炔气体对超压、超温、静电或机械冲击等情况非常敏感。

乙炔是一种无色、无味的气体。在大气压力下，乙炔不能作为液体存在，也没有熔点。常压下空气中的绝热火焰温度（AFT）为2534摄氏度，21摄氏度时的比重为0.91。如今，乙炔主要通过甲烷的部分燃烧来制造，或作为碳氢化合物裂解产生的乙烯流中的副产品出现。

由于乙炔的性质不稳定，所以要在特殊条件下储存。这是通过将乙炔溶解在液体丙酮中来实现的。然后将液态丙酮储存在乙炔瓶中，而乙炔瓶中又充满了多孔（像海绵一样）的水泥材料。

乙炔用于钢铁厂的氧乙炔气体切割和焊接以及连铸机的火焰切割机。它有时也被用于钢的渗碳。