術(shù)語(yǔ)"工業(yè)氣體"是指一組特別用于各類工業(yè)流程的氣體（圖1）。它們有別于燃料氣體。但是，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)氣體的領(lǐng)域。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)中一般使用的工業(yè)氣體是氧氣、氮?dú)狻鍤夂蜌錃狻?p>
圖1工業(yè)氣體
按照氣體的特點(diǎn)，工業(yè)氣體以一系列不相同的氣瓶供應(yīng)。有些是在高壓下供應(yīng)的，而有些則務(wù)必在低壓下供應(yīng)。工業(yè)氣體的特點(diǎn)決定了向客戶供應(yīng)氣體的方法。諸如氧氣、氮?dú)狻鍤夂蜌錃獾葰怏w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，需要貯存在一個(gè)包含"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分類。哪種尺寸是zui合適的，在于一系列因素，包含使用量和流速。另外，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)標(biāo)決定，以保證只能安裝與這些要求兼容的調(diào)整器。另外，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)氣瓶連接在一塊，并以托盤的形式裝運(yùn)。
鋼鐵工業(yè)中一般使用的工業(yè)氣體有氧氣、氮?dú)狻鍤狻錃夂鸵胰病＿@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。另外，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、無色、無味的氣體混合物，其中氮?dú)猓?8%）和氧氣（21%）占主導(dǎo)位置。其余的大約1%是由稀有氣體氦氣、氖氣、氬氣、氪氣和氙氣組合而成。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%。它是一種無色、無味、無臭的氣體。它具備高度的氧化性。氧氣與可燃物發(fā)生劇烈反應(yīng)，特別是在其純凈情況下，在反應(yīng)流程中釋放出熱量。很多反應(yīng)務(wù)必有水的存在，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中給出了氧氣的特點(diǎn)。
氧氣可以經(jīng)過低溫蒸餾工藝工業(yè)化生產(chǎn)高純度的氣體或液體，還可以經(jīng)過吸附技術(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)流程。
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。氧氣的客戶是鋼鐵工業(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)，也被叫作GOX或GO，而在以低溫液體形式生產(chǎn)時(shí)，則被叫作LOX或LO。
氧氣的重要性在于其反應(yīng)性。氧氣的反應(yīng)性被用于鋼鐵加工及其鋼鐵的焊接和切割。用基本氧氣爐煉鋼在較大程度上依賴于氧氣的應(yīng)用。它也被用于富集空氣和提高高爐的燃燒溫度，及其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流程中，不用的碳與氧氣組合，產(chǎn)生碳氧化物，以氣體形式離開。氧氣經(jīng)過一個(gè)獨(dú)特的噴槍被送入鋼槽。氧氣也被作為提高電弧爐的生產(chǎn)效率。
在工業(yè)流程中，空氣中的氧氣富集增加了反應(yīng)速率，這導(dǎo)致現(xiàn)有設(shè)備的吞吐量更大，或可以降低同等容量的新設(shè)備的物理尺寸。與使用普通空氣相比，富氧的還有一個(gè)好處是節(jié)省能源，由于降低了經(jīng)過爐子或化學(xué)流程的氮?dú)夂推渌麣怏w的數(shù)量。降低務(wù)必壓縮或加熱的惰性氣體可以降能源消耗低，這是因?yàn)榻档土藲怏w壓縮要求或降低了制造一定數(shù)量產(chǎn)品所需的燃料量。降低燃燒流程中排放到大氣中的熱氣量，也降低了與煙囪氣體凈化系統(tǒng)相關(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，氧氣務(wù)必是高質(zhì)量的，以保證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)中高爐煤氣或其他包含一氧化碳的氣體高含量于安全值的地方。
氮?dú)?p>
氮?dú)猓∟2）是一種無色、無臭、無味的氣體，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)成無色液體，比水輕。表1中給出了氮的特點(diǎn)。
氮?dú)庖话惚徽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。它與氧氣產(chǎn)生一氧化氮和氮，與氫氣產(chǎn)生氨氣，與硫磺產(chǎn)生硫化氮。氮?dú)饣衔镆矔?huì)經(jīng)過生物活動(dòng)自然產(chǎn)生。在高溫下或在催化劑的幫助下在中等溫度下也會(huì)產(chǎn)生化合物。
氮?dú)馐鞘褂昧康墓I(yè)氣體。除了鋼鐵工業(yè)，它還被普遍用于化工、制藥、石油加工、玻璃和陶瓷制造、金屬精煉和生產(chǎn)工藝、紙漿和紙張制造及其醫(yī)療保健等領(lǐng)域。除了其化學(xué)名稱N2之外，氮?dú)庠跉鈶B(tài)下也被叫作GAN或GN，在液態(tài)下被叫作LIN或LN。
如圖2所示，氮?dú)饪梢越?jīng)過低溫蒸餾工藝以氣體或液體形式工業(yè)化生產(chǎn)，還可以經(jīng)過吸附技術(shù)，如變壓吸附（PSA）或擴(kuò)散分離工藝（經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的中空纖維滲透）以較低純度氣體形式工業(yè)化生產(chǎn)。
氣態(tài)氮的價(jià)值在于它的惰性。它被作為保護(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)的組合使液氮成為某些應(yīng)用的理想冷卻劑。液氮也被作為冷卻對(duì)熱敏感或一般較軟的材料，以可以加工或斷裂。
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，及其鋼鐵熱處理的保護(hù)氣。它被用于不相同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，亦是一種工藝氣體，與其他氣體一起用于降低碳化和氮化。
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，如此金屬就會(huì)收縮還可以插入。當(dāng)金屬恢復(fù)到正常溫度時(shí)，它就會(huì)膨脹到之前的尺寸，給出一個(gè)十分密切的配合。
氬氣
氬（Ar）是一種單原子、無色、無臭、無味、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，被叫作稀有、貴重或惰性氣體。該組中的其他氣體包含氦、氖、氪、氙和氡。這些氣體是單原子氣體，其zui外層的電子完全充滿。貴族和惰性這兩個(gè)詞被作為表示這些氣體與其他材料產(chǎn)生化學(xué)作用的能力極弱。這類氣體的所有成員在受電時(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，而且略微溶于水。點(diǎn)是-199.3攝氏度，只比其正常沸點(diǎn)低幾度。表1給出了氬氣的特點(diǎn)。
氬氣是關(guān)鍵性的氣體，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zui豐富和的。它一般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)十分接近（相差僅2.9攝氏度），因而從氧氣中分離出純氬氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩類產(chǎn)品的高回收率，需要進(jìn)行幾級(jí)精餾。
幾十年來，zui常見的氬氣回收和純化流程使用了幾個(gè)流程：(i)在低壓塔中氬氣濃度的地方，從一次空氣分離蒸餾系統(tǒng)中得到"側(cè)抽"流，(ii)在粗氬塔中處理進(jìn)料，將氮?dú)夥祷氐降蛪核校a(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)產(chǎn)生水，(iv)經(jīng)過冷凝和吸附去除水蒸氣，(v)將氣體重新冷卻到低溫，(vi)經(jīng)過在純氬蒸餾塔中進(jìn)一步蒸餾去除剩余的非氬成分（少量的氮和未消耗的氫）。
隨著填料柱技術(shù)的發(fā)展，能在低壓降下進(jìn)行低溫蒸餾，當(dāng)前很多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)也被叫作PLAR（純液氬）或CLAR（粗液氬）。粗氬一般被認(rèn)為是制造純氬的設(shè)施的中間產(chǎn)品，但它還可以是一些能力較低的空氣分離工廠的zui終產(chǎn)品，這些工廠將其分配給大型設(shè)施進(jìn)行zui終凈化。商業(yè)數(shù)量的氬氣也能在制造氨的流程中生產(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)合吹氣流程中的底層吹氣。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。氬氣的加入降低了鉻的損耗，并在較低的溫度下達(dá)到所需的碳含量。
純氬氣及其與其他各類氣體混合的氬氣，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)氣體的效果是保護(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色、無臭、無味、易燃和的氣體。它是宇宙中zui豐富的元素，但在大氣層中基本沒有，因?yàn)榇髿鈱由喜康牟糠址肿釉谂c較重的分子碰撞時(shí)可以得到很高的速度，并從大氣層中噴射出來。它在地球上仍然相當(dāng)豐富，但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、幾乎看不見的火焰。氫氣是所有氣體中zui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產(chǎn)生性氣體（氫氧）。在任何正常發(fā)生的材料中，氫氣具備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)的燃料。
氫氣是除氦氣以外的所有元素中沸點(diǎn)的。當(dāng)冷卻到沸點(diǎn)（-252.76攝氏度）時(shí)，氫氣成為一種透明、無味的液體，其重量只有水的十四分之一。液態(tài)氫不具備腐蝕性或特別的反應(yīng)性。當(dāng)從液體轉(zhuǎn)化成氣體時(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)氫溢出后迅速消失。氫氣的特點(diǎn)見表1。
氫氣可以經(jīng)過一些不相同的工藝來生產(chǎn)。熱化學(xué)流程利用熱量和化學(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)菌和藻類可以經(jīng)過生物流程生產(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)流程利用各類資源的能量，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)相組合，從水等原料中生產(chǎn)氫氣。得到氫氣的常見熱化學(xué)流程是（i）天然氣重整（也稱為作蒸汽重整或SMR），（ii）煤氣化，（iii）生物質(zhì)氣化，（iv）生物質(zhì)衍生的液體重整，及其（v）太陽(yáng)能熱化學(xué)氫氣（STCH）。
電解流程是在電解器中進(jìn)行的，它使用電力將水分成氫氣和氧氣。該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很好，能在商業(yè)上使用，而且正在開發(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，或光解流程，使用光可以將水分離成氫氣和氧氣。這些工藝當(dāng)前處于研究的初期階段，但為可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)提供了常年的潛力，對(duì)環(huán)境的影響很小。兩類太陽(yáng)能水分離流程是（i）光電化學(xué)（PEC）流程和（ii）光生物流程。
在生物流程中，使用了微生物。細(xì)菌和微藻等微生物可以經(jīng)過生物反應(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)來看，有可可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的、低碳的氫氣生產(chǎn)。這兩類生物工藝是：（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zui常見的大規(guī)模工藝
