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百煉成鋼真功夫,詳解不銹鋼帶如何煉成的?

來源:鑫發(fā)金屬      發(fā)布日期:2016-05-09      瀏覽:0

鑫發(fā)不銹鋼帶

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,進展到現(xiàn)代。 在數(shù)千年前,人類已經(jīng)會使用鋼鐵,當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?!惯@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、以及低溫煉鋼爐了。 根據(jù)漢代《夏侯陽算經(jīng)》的記載,中國當時的煉鋼技術已經(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。

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。 依照實用的觀點,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%。

不銹鋼帶

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作結構用鋼,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,在表面上形成一層雖薄但是具有良好保護作用的氧化鉻薄膜,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格把關,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。 古人不知道這是因為含碳量的高低所致,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)在完整的冶金學概念,但是老祖先土法煉鋼的經(jīng)驗,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。

不銹鋼帶如何煉成

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。

         轉爐煉鋼法利用轉爐煉鋼的方法很多,較坩鍋法復雜。 在各種轉爐煉鋼法中,以貝塞麥轉爐法最具代表性,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氣泡溢出,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一步開發(fā)出來的,因此又稱為西門子-馬丁法。 在進行平爐煉鋼時,經(jīng)過下層蓄熱室預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,但因為熔池很大,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,化學反應與平爐相同。 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?shù)膹姸取㈨g性、硬度、耐沖擊性等。 從材料科學的觀點來看,鋼鐵的性質(zhì)與它的制程及組織息息相關。

         鋼鐵在歷經(jīng)不同的制造及加工處理程序以后,會改變它的結構組織,從而造成性質(zhì)的變化。 例如當鋼鐵經(jīng)過冷軋?zhí)幚砗?,硬度會提升,這主要是因為差排密度大幅提升,并改變微觀組織而引起的效果。 結構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胞,當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?shù)膹姸?、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?shù)闹瞥倘カ@得想要的組織,像是使晶粒粗化。 相反地??,如果需要得到強度較高的鋼鐵,就必須獲得強硬的組織,例如使晶粒細化或產(chǎn)生析出物等。 除此以外,為了因應不同的使用需求,冶金工程師常常利用合金設計的方法,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,常常視為國力強弱的表征。 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合鐵礦還原后殘存的雜質(zhì)形成爐渣。 因為爐渣的比重比鐵水輕,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、重復使用,不會造成浪費,可達到物盡其用的效果。

 

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