术语"工业气体"是指一组特别用于各类工业过程的气体（图1）。它们有别于燃料气体。但是，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领域。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。钢铁工业中一般使用的工业气体是氧气、氮气、氩气和氢气。

图1工业气体

按照气体的特点，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，而有些则必须在低压下供应。工业气体的特点决定了向用户供应气体的方式。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，需要储存在一个包含"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zui合适的，在于一系列因素，包含使用量和流速。另外，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，以保证只能安装与这些要求兼容的调整器。另外，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联接在一块，并以托盘的形式装运。

钢铁工业中一般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。另外，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%）占主导位置。剩余的大约1%是由稀有气体氦气、氖气、氩气、氪气和氙气结合而成。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。它具备高度的氧化性。氧气与可燃物发生剧烈反应，尤其是在其纯净情况下，在反应过程中释放出热量。很多反应必须有水的存在，或由催化剂加快。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，略微溶于水和乙醇。在沸点以下，氧气是一种淡蓝色液体，比水略重。表1中给出了氧气的特点。

氧气可以通过低温蒸馏工艺大规模生产高纯度的气体或液体，亦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，也被叫作GOX或GO，而在以低温液体形式生产时，则被叫作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应用。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，不用的碳与氧气结合，产生碳氧化物，以气体形式离开。氧气通过一个特殊的喷枪被送入钢槽。氧气也被作为提高电弧炉的生产效率。

在工业过程中，空气中的氧气富集增加了反应速率，这导致现有设备的吞吐量更大，或可以降低同等容量的新设备的物理尺寸。与使用普通空气相比，富氧的还有一个好处是节约能源，由于降低了通过炉子或化学过程的氮气和其他气体的数量。降低必须压缩或加热的惰性气体可以降低能耗，这是因为降低了气体压缩要求或降低了制造一定数量产品所需的燃料量。降低燃烧过程中排放到大气中的热气量，也降低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，以保证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包含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中给出了氮的特点。

氮气一般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。它与氧气产生一氧化氮和氮，与氢气产生氨气，与硫磺产生硫化氮。氮气化合物也会通过生物活动自然产生。在高温下或在催化剂的帮助下在中等温度下也会产生化合物。

氮气是使用量的工业气体。除了钢铁工业，它还被普遍用于化工、制药、石油加工、玻璃和陶瓷制造、金属精炼和生产工艺、纸浆和纸张制造以及医疗保健等领域。除了其化学名称N2之外，氮气在气态下也被叫作GAN或GN，在液态下被叫作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规模生产，亦可以通过吸附技术，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规模生产。

气态氮的价值在于它的惰性。它被作为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。液氮也被作为冷却对热敏锐或通常较软的材料，以可以加工或断裂。

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降低碳化和氮化。

收缩接头是传统膨胀接头的一个有趣的取代品。不是加热外部金属部分，而是用液氮冷却内部部分，这样金属就会收缩亦可以插入。当金属恢复到正常温度时，它就会膨胀到之前的尺寸，给出一个非常密切的配合。

氩气

氩（Ar）是一种单原子、无色、无臭、无味、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，被叫作稀有、贵重或惰性气体。该组中的其他气体包含氦、氖、氪、氙和氡。这些气体是单原子气体，其zui外层的电子完全充满。贵族和惰性这两个词被作为表示这些气体与其他材料产生化学作用的能力极弱。此类气体的所有成员在受电时都会发光。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，而且略微溶于水。点是-199.3摄氏度，只比其正常沸点低几度。表1给出了氩气的特点。

氩气是关键性的气体，因其完全惰性而闻名，尤其是在高温下。它是真正的惰性气体中zui丰富和的。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，同时实现两类产品的高回收率，需要进行几级精馏。

几十年来，zui常见的氩气回收和纯化过程使用了几个过程：(i)在低压塔中氩气浓度的地方，从一次空气分离蒸馏系统中获得"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产生水，(iv)通过冷凝和吸附去除水蒸气，(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去除剩余的非氩成分（少量的氮和未消耗的氢）。

随着填料柱技术的发展，能在低压降下进行低温蒸馏，目前很多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，有时也被叫作PLAR（纯液氩）或CLAR（粗液氩）。粗氩一般被认为是制造纯氩的设施的中间产品，但它亦可以是一些能力较低的空气分离工厂的zui终产品，这些工厂将其分配给大型设施进行zui终净化。商业数量的氩气亦能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。氩气的加入降低了铬的损失，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类气体混合的氩气，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、易燃和的气体。它是宇宙中zui丰富的元素，但在大气层中基本没有，因为大气层上部的部分分子在与较重的分子碰撞时可以获得极强的速度，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zui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产生性气体（氢氧）。在任何正常发生的材料中，氢气具备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燃料。

氢气是除氦气以外的所有元素中沸点的。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，其重量仅有水的十四分之一。液态氢不具备腐蚀性或特别的反应性。当从液体转化成气体时，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失。氢气的特点见表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类资源的能量，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（也叫作蒸汽重整或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。该技术已经发展得很好，能在商业上使用，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，使用光可以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。两类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，有可可实现可持续的、低碳的氢气生产。这两类生物工艺是：（i）微生物生物质转化工艺，和（ii）光生物工艺。

制造氢气的zui常见的大规模工艺
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