氧气作为现代工业的“血液”，其制备与应用技术深刻推动了冶金行业的变革。氧气冶炼工艺以高纯度氧气为核心，通过强化氧化反应实现金属提纯与杂质去除，已成为钢铁、有色金属等领域的关键技术。以下从氧气制备原理、冶炼工艺分类、技术优势及发展趋势展开分析。

一、工业制氧：从空气到高纯氧气的分离技术

工业氧气的制备是冶炼工艺的基础，目前主流方法包括分离液态空气法、分子筛吸附法和膜分离技术，其中分离液态空气法因成本低、纯度高（99.5%以上），成为钢铁冶炼的首选。

● 分离液态空气法：在低温（-196℃）高压条件下将空气液化，利用液氮（沸点-196℃）与液氧（沸点-183℃）的沸点差异，通过精馏塔逐级蒸发分离，最终获得高纯度氧气。该方法属于物理变化，能耗较低且可大规模连续生产，满足炼钢对氧气的巨量需求（如转炉氧耗达55-70m³/t）。

● 分子筛制氧法：利用氮分子直径大于氧分子的特性，通过特制分子筛吸附氮气，富集氧气。虽纯度略低（90%-95%），但设备紧凑、启动快，适用于中小型冶炼场景。

● 膜分离技术：通过富氧膜在压力下选择性渗透氧气，可获得含氧量30%-90%的富氧空气，能耗低但纯度有限，多用于辅助供氧。

二、氧气炼钢：高效去除杂质的核心工艺

氧气冶炼在钢铁行业中应用最广泛，以氧气转炉炼钢为代表，通过氧气与铁水中的碳、硅、锰等元素发生氧化反应，实现快速脱杂与升温。其技术路径可按供氧方式分为三类：

1. 顶吹转炉炼钢（LD法）

● 工艺原理：通过炉顶水冷氧枪将高压纯氧（0.8-1.2MPa）以超音速射流吹入1700℃熔池，氧流冲击形成乳化区，加速碳氧反应（C+O₂=CO₂↑），释放的热量维持冶炼温度（1580-1620℃），脱磷率可达90%以上。

● 发展历程：1952年由奥地利林茨-多纳维茨公司首创，我国1971年在攀钢建成首座120吨转炉，20世纪90年代实现顶底复吹转炉国产化，当前氧耗已降至55-70m³/t，接近国际先进水平。

2. 底吹转炉炼钢

● 技术特点：氧气通过炉底喷嘴直接吹入熔池，搅拌更均匀，喷溅损失减少，金属收得率较顶吹法提升1%-2%。采用粉状造渣剂（如石灰）可加速成渣，脱磷效率提高10%-15%，尤其适用于中磷生铁（磷含量0.4%-1.2%）冶炼。

● 应用现状：21世纪以来在我国大规模推广，通过风嘴-分配器系统替代传统氧枪，设备维护成本降低20%-30%。

3. 顶底复吹转炉

● 复合优势：结合顶吹氧枪的强氧化能力与底吹惰性气体（Ar/N₂）的搅拌作用，终点氧活度降低200-400ppm，钢液成分均匀性显著提升。日本开发的STB法、我国宝钢300吨转炉均采用此技术，冶炼周期缩短至45分钟以内。

三、技术优势与发展趋势

氧气冶炼相比传统空气炼钢，具有效率高、周期短、成本低的显著优势：

● 冶炼周期：从空气炼钢的6-8小时缩短至40-60分钟；

● 杂质去除：碳含量可降至0.04%-0.08%，硫、磷去除率超90%；

● 能源优化：通过OG气体回收系统（如日本新日铁）回收CO气体，转化为燃料或化工原料，吨钢节能15-20kg标准煤。

未来，氧气冶炼将向智能化、绿色化发展：

● 智能化控制：采用动态供氧模型，根据熔池碳含量实时调节氧流量，如我国某钢厂通过AI算法将氧耗波动控制在±2m³/t以内；

● 低碳技术：开发富氧燃烧与氢氧混合冶炼，减少CO₂排放，欧盟“超低CO₂炼钢”项目已实现氧耗降低15%的目标；

● 跨领域应用：在有色金属（如铜、镍冶炼）中推广氧气底吹工艺，提升金属回收率。