鋼鐵的冶煉歷史

         人類的文明可以依照使用工具來區(qū)分，從石器時代、青銅器時代、鐵器時代，進(jìn)展到現(xiàn)代。 在數(shù)千年前，人類已經(jīng)會使用鋼鐵，當(dāng)時的鋼鐵主要做為裝飾品、武器，以及農(nóng)漁、狩獵、日常生活用品等。

         根據(jù)《尚書》〈禹貢篇〉的記載，中國人在夏禹時代已經(jīng)開始使用鐵制的農(nóng)具了。 經(jīng)過一段時間，也開始使用鋼制的工具。 中國最早提到煉鋼術(shù)的書是春秋的《左傳》，在〈闔閭傳〉中記載：「干將作劍，干將夫妻乃斷發(fā)剪爪投于爐中，使童女童男三百人鼓橐裝碳，金鐵乃濡遂以成劍。」這一段文字所描述的武器，也就是武俠小說中為人熟知的干將劍。

         經(jīng)過考古學(xué)家的發(fā)掘與考證，發(fā)現(xiàn)早在秦漢時代，就有海綿鐵爐、圓形煉鐵爐、長方形煉鐵爐、以及低溫?zé)掍摖t了。 根據(jù)漢代《夏侯陽算經(jīng)》的記載，中國當(dāng)時的煉鋼技術(shù)已經(jīng)包含銑鐵重熔和去碳兩個步驟。 這種煉鋼法是把鐵放在坩鍋中精煉，如果要使鋼硬化，就必須加入碳元素。 此外，《山海經(jīng)》也曾經(jīng)提到漢朝全國有3千個以上的鐵礦場，而且派遣49名官員到各地去監(jiān)督鐵礦的開采。 由此可知，煉鐵及煉鋼的技術(shù)并不是在近代才開始發(fā)展的，而是在老祖先的時代早就有的技術(shù)。

鋼鐵的種類及性質(zhì)

         鋼鐵一般在工業(yè)界通稱為「鋼」或「鐵」，其實(shí)它們是鐵和碳的合金。 這種合金的主要成分是鐵元素，另外還可能有鉻、錳、釩、鉬、鎳、銅等金屬元素，以及碳、矽、磷、硫等非金屬元素。 在這些元素中，以碳所扮演的角色最為重要。 依照實(shí)用的觀點(diǎn)，可以概略性地以鋼鐵材料中的含碳量多寡來區(qū)分它們，含碳量高于2％的，就稱作鑄鐵，鋼的含碳量則少于2％。

圖一、不銹鋼帶

         鋼鐵的分類以碳含量多寡及合金的成分，可以分為碳鋼與合金鋼兩大類。 含碳量的多寡也決定鋼鐵的硬度。 含碳量少的，比較軟而強(qiáng)韌。 含碳量比較高的，雖然堅硬，但比較脆。 碳鋼依含碳量的多寡，可以劃分成含碳量0.30％以下的低碳鋼、含碳量0.30％至0.60％的中碳鋼、以及含碳量0.60％以上的高碳鋼。 合金鋼如果依合金元素的總量，也可以分類成合金元素總量在1.5％以下的低合金鋼、合金元素總量在1.5％至5.5％的中合金鋼、以及合金元素總量在5.5％以上的高合金鋼。

         合金鋼是在碳鋼中添加一種或者一種以上的合金元素，以改善碳鋼原來的性質(zhì)，使適合各種不同的使用目的。 這些常見的合金元素，包括鉻、鎳、矽、錳、鉬、鎢、鈦、鈷、釩等。 一般來說，碳鋼的碳含量比合金鋼高，因此碳鋼比合金鋼更適合當(dāng)作結(jié)構(gòu)用鋼，可以有比較好的制震性。 但是，過多的碳卻會使鋼鐵的焊接性及加工成型性變差。

         不銹鋼是日常生活中最常見的合金鋼，它是在碳鋼中加入約12～22％的鉻及8～16％的鎳。 不銹鋼中的鉻很容易與空氣中的氧反應(yīng)，在表面上形成一層雖薄但是具有良好保護(hù)作用的氧化鉻薄膜，可以有效避免母材受到環(huán)境的侵蝕，而且薄膜受到外力損傷后，仍然可以很快地再形成新的保護(hù)膜。 因此，不銹鋼通常用在耐腐性需求較高的場合。

         一般大型鋼鐵廠有4大系統(tǒng)，即原料準(zhǔn)備、煉鐵、煉鋼和軋鋼。 原料包括鐵礦石、煤、助熔劑、焦炭等。 鐵礦石在高爐中經(jīng)過還原后形成鐵水，這些鐵水利用魚雷車載送到煉鋼廠進(jìn)行煉鋼。 鋼液經(jīng)過澆鑄冷卻后，形成鋼胚。 鋼胚再經(jīng)過熱軋及冷軋，形成不同厚度的鋼板、鋼片或鋼條。 在鋼鐵廠中，每一個系統(tǒng)都很重要，任何一個環(huán)節(jié)出了差錯，煉出的鋼鐵品質(zhì)就不符合要求。 因此，在鋼鐵制造過程中，每一項步驟都需要嚴(yán)格把關(guān)，才能制造出品質(zhì)優(yōu)良的鋼材。

煉鐵

         煉制生鐵的基本原則，就是設(shè)法除去鐵礦石－氧化鐵中的氧原子，使氧化鐵還原成金屬態(tài)的鐵。 近代利用高爐來煉鐵，可以大量生產(chǎn)。 經(jīng)由高爐煉成的生鐵，通常含有3.5％以上的碳，同時含有相當(dāng)多的矽、錳、磷、硫等元素。 因此它的性質(zhì)硬而脆，無法軋制或鍛造。 生鐵適合鑄造，把高爐煉得的生鐵放入熔鐵爐重熔，待鐵水凝固后就可以得到鑄鐵。

         如果把生鐵中所含的碳及雜質(zhì)減量或消除，便成為熟鐵。 熟鐵是純度較高的鐵，雜質(zhì)含量也比較少。 一般來說，熟鐵的碳含量都在0.02％以下，富有延展性，適合高溫鍛接，又稱為鍛鐵。

         由于生鐵質(zhì)脆，熟鐵質(zhì)韌，所制成鋼鐵的性質(zhì)可以硬且韌。 古人不知道這是因?yàn)楹剂康母叩退?，卻知道「凡鐵分生熟，既炒而熟，生熟相和，煉成則鋼」。 雖然古代沒有現(xiàn)在完整的冶金學(xué)概念，但是老祖先土法煉鋼的經(jīng)驗(yàn)，讓我們不得不佩服他們的智慧。

煉鋼

         煉鋼主要的目的在于降低生鐵中的碳含量，以增進(jìn)鋼鐵的韌性、可鍛性等。 同時，也可以添加不同的合金元素，用來提升鋼鐵的強(qiáng)度、硬度、耐磨耗性、耐腐蝕性、加工性等。 下列是幾種常見的煉鋼方法。

圖二、不銹鋼帶如何煉成

         坩鍋煉鋼法這是一種最古老的煉鋼法，由英國人杭茲曼在1740年所發(fā)明。 一般常用的坩鍋以石墨或黏土制成，生產(chǎn)量少，成本過高，不符合經(jīng)濟(jì)原則。 但是所得到的鋼品質(zhì)較佳，適合小型工廠生產(chǎn)，或是專門用來冶煉合金鋼。

         轉(zhuǎn)爐煉鋼法利用轉(zhuǎn)爐煉鋼的方法很多，較坩鍋法復(fù)雜。 在各種轉(zhuǎn)爐煉鋼法中，以貝塞麥轉(zhuǎn)爐法最具代表性，這一種方法是英國人貝塞麥在1856年所發(fā)明的。 冶煉方法是把鐵水、廢鐵和石灰石放入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，用一根管子從坩鍋口插入熔鐵中，吹入高壓氧氣來煉鋼，并使鐵水溫度急速上升。 在這時候，鐵水中的碳會和氧化合成一氧化碳?xì)馀菀绯?，其他的雜質(zhì)則會和石灰石化合成瀘渣浮在表面上，而原來的鐵水便成了鋼的熔液。

         大量生產(chǎn)的煉鋼法也由此開始。 貝塞麥法只要20分鐘就能達(dá)到過去采用攪拌煉鋼爐24小時的鋼鐵產(chǎn)量，這也是煉鋼爐中最有效率的一種。 但是，貝塞麥法的缺點(diǎn)是無法去除鋼鐵中的硫、磷等雜質(zhì)。

         平爐煉鋼法平爐法是法國人馬丁在1864年采用德國人西門子的方法所進(jìn)一步開發(fā)出來的，因此又稱為西門子－馬丁法。 在進(jìn)行平爐煉鋼時，經(jīng)過下層蓄熱室預(yù)熱的空氣和煤氣被送入上層熔池，在鐵水表面吹拂、燃燒，可以比較完全地把鐵水中的碳和其他雜質(zhì)氧化，得到優(yōu)質(zhì)的鋼。 雖然平爐冶煉的時間比較長，一般是24小時，但因?yàn)槿鄢睾艽?，一爐便可以煉制百噸鋼水，所以產(chǎn)量比較高。 而且原料不限制只能使用生鐵，廢鋼、鐵屑、熟鐵、鐵礦石都可以，煉出的鋼質(zhì)量穩(wěn)定均勻，因此一直沿用至今。

         電爐煉鋼法所謂的電爐法是使用電力熔解金屬，也就是說，由電能來冶煉鋼料，是現(xiàn)代最進(jìn)步的一種煉鋼方 ??式。 電爐煉鋼速度快，品質(zhì)容易控制。 這個方法使用電力熔化原料，化學(xué)反應(yīng)與平爐相同。 電爐煉鋼生產(chǎn)的鋼鐵純度極高，目前大部分的特殊合金鋼都是使用這種方法煉制的。 近年來，電爐已經(jīng)日漸應(yīng)用在各種商用鋼品的生產(chǎn)上。 尤其在電價低廉的地區(qū)，電爐法更是盛行。

鋼鐵特性控制

         鋼鐵剛冶煉出來時是比較大塊的鋼胚鑄件，再依據(jù)不同的用途，使這些鋼胚在紅通通的高熱狀態(tài)下，經(jīng)過軋延機(jī)軋延加工成較長且較薄，厚度約在6 ～12.7 mm之間的鋼板，或者更薄的鋼片或鋼卷。 這種加工制程就好比桿面皮一樣，稱為熱軋程序。 大鋼胚制成小鋼胚后，也可以再軋制成棒鋼或盤卷成一卷一卷的線材。

         鋼鐵與其他工程材料相比，具有許多特性，例如適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、韌性、硬度、耐沖擊性等。 從材料科學(xué)的觀點(diǎn)來看，鋼鐵的性質(zhì)與它的制程及組織息息相關(guān)。

         鋼鐵在歷經(jīng)不同的制造及加工處理程序以后，會改變它的結(jié)構(gòu)組織，從而造成性質(zhì)的變化。 例如當(dāng)鋼鐵經(jīng)過冷軋?zhí)幚砗?，硬度會提升，這主要是因?yàn)椴钆琶芏却蠓嵘?，并改變微觀組織而引起的效果。 結(jié)構(gòu)組織變化也可能造成性質(zhì)的退化，例如不銹鋼中有一種西格瑪（σ）相組織，它類似人體中的癌細(xì)胞，當(dāng)不銹鋼中有過多的西格瑪相組織時，不銹鋼的耐腐蝕性會降低，并且脆化。

         由此可知，如果要使鋼鐵擁有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、硬度、耐腐蝕性、焊接性、切削性等，可以利用制程、組織、性質(zhì)的因果關(guān)系來加以控制。 例如如果想得到韌性較高的鋼鐵，就必須選用適當(dāng)?shù)闹瞥倘カ@得想要的組織，像是使晶粒粗化。 相反地??，如果需要得到強(qiáng)度較高的鋼鐵，就必須獲得強(qiáng)硬的組織，例如使晶粒細(xì)化或產(chǎn)生析出物等。 除此以外，為了因應(yīng)不同的使用需求，冶金工程師常常利用合金設(shè)計的方法，并配合制程的變化，開發(fā)不同的微觀組織，具有特殊性質(zhì)的新鋼種。

物盡其用的鋼鐵

         鋼鐵在人們的食衣住行育樂中扮演著舉足輕重的角色，鋼鐵工業(yè)更是衡量一個國家工業(yè)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，常常視為國力強(qiáng)弱的表征。 有些國家甚至把冶煉制造出來的鋼鐵外銷，賺取可觀的外匯。

         煉制出1公噸的鐵，需要約1,600公斤的鐵礦砂、480公斤的焦炭、170公斤的石灰石和150公噸的水。 水用來冷卻爐壁，焦炭用來燃燒，至于石灰石則可以結(jié)合鐵礦還原后殘存的雜質(zhì)形成爐渣。 因?yàn)闋t渣的比重比鐵水輕，所以會浮在鐵水上面，容易和鐵水分離。 煉鐵所得到的爐渣可以做為制造水泥、絕緣材料等的原料。 由此可知，在整個制鐵過程中，物質(zhì)并沒有浪費(fèi)掉。

         鋼鐵材料也是綠色材料，可以100％回收再利用。 也就是說，廢棄的鋼鐵可以回收熔化、重復(fù)使用，不會造成浪費(fèi)，可達(dá)到物盡其用的效果。

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