鋼鐵是怎么煉成的要詳細(xì)過程

【專家解說】：自然界中鐵的蘊(yùn)藏量極為豐富，占地殼元素含量的5%，居地球物質(zhì)中的第四位。煉鐵過程實(shí)質(zhì)上就是將從自然形態(tài)--礦石等含鐵化合物還原出來的過程。煉鐵生產(chǎn)設(shè)備是高爐。高爐生產(chǎn)所得的冶煉產(chǎn)品是生鐵，副產(chǎn)品是爐渣、煤氣和爐塵。 　　鐵是怎樣從高爐里煉出來的? 　　簡(jiǎn)單的說就是：輸料系統(tǒng)把燒結(jié)礦（由燒結(jié)廠燒成的）、焦碳、石灰石等原料輸入到高爐頂?shù)牟剂舷到y(tǒng)，由布料系統(tǒng)均勻的按一定比例布入爐內(nèi)。熱風(fēng)系統(tǒng)將風(fēng)吹進(jìn)高爐，焦碳燃燒形成一定的高溫（1150--1200度）化學(xué)氣氛，燒結(jié)礦中鐵的氧化物在這種溫度和環(huán)境下發(fā)生還原反應(yīng)。礦石中的氧一部分形成二氧化碳，一部分變成一氧化碳，還有一些雜質(zhì)氣體被高溫排走，進(jìn)入除塵凈化系統(tǒng)和高爐燃?xì)饣厥障到y(tǒng)，無用的二氧化碳被排走，一氧化碳被回收再利用。礦石中的鐵被還原后在高溫下行成液態(tài)鐵水。鐵水又叫生鐵。生鐵可分三類：一類是供煉鋼用的鋼鐵（硅SI含量小于1.25%）；一類是供澆鑄機(jī)件和工具的鑄造鐵（硅含量大于1.25%）；還有一類是鐵合金（主要是錳鐵和硅鐵）。 　　鋼又是怎樣煉成的呢? 　　煉鋼實(shí)質(zhì)上是將鐵水（生鐵）加溫并添加不同的元素，通過吹氧等手段，使鐵的含碳量降低到0.2-1.7%的冶煉過程?？蔁挸龆喾N不同質(zhì)地的鋼。如加錳，就煉出錳鋼；加鎳、鉻、鈦就煉出不易生銹的鋼。 　　鐵和鋼的區(qū)別：鐵分為生鐵和熟鐵。熟鐵、鋼和生鐵都是鐵碳合金，以碳的含量多少來區(qū)別。一般含碳量小于0.2%的叫熟鐵或純鐵，含量在0.2-1.7%的叫鋼，含量在1.7%以上的叫生鐵。熟鐵軟，塑性好，容易變形，強(qiáng)度和硬度均較低，用途不廣；生鐵含碳很多，硬而脆，幾乎沒有塑性；鋼具有生鐵和熟鐵兩種優(yōu)點(diǎn)，為人類廣泛利用。 早期的煉鐵是將鐵礦石和木炭一層夾一層地放在煉爐中，在650－1000℃和上焙燒利用木炭的不完全燃燒產(chǎn)生的一氧化碳使鐵礦石中的氧化鐵還原成鐵。由于煉爐中溫度偏低，不能使熔點(diǎn)為1535℃的鐵熔化，所以得不到液態(tài)的鐵。人們等煉鐵成功后冷卻煉爐，取出鐵塊， 這種煉鐵方法叫塊煉鐵。用這種方法煉得鐵質(zhì)地疏松，還夾雜著許多來臬礦石的氧化物和經(jīng)。在實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)如果把這種鐵，加熱到一定溫度下經(jīng)這反復(fù)鍛打，就可把夾雜的氧化物擠出去，此時(shí)鐵的機(jī)械性能就得到了改善。 在反復(fù)鍛打鐵塊的基礎(chǔ)上，古人又找出塊煉鐵滲碳成鋼的經(jīng)驗(yàn)，這種鋼地就是最早的鋼。它是為改變塊煉鐵的性能而要用木炭作燃料，加熱塊煉鐵并鍛打，這樣少量的碳會(huì)從鐵的表面滲進(jìn)去。西漢時(shí)，為提高塊煉鐵滲碳鋼的質(zhì)量，人們都增加了鍛打的次數(shù)，由十次，三十次，五十次增至近百次從而得到所謂的“百煉鋼”。由此也產(chǎn)生了“百煉成鋼”這一成語，它用來比喻久經(jīng)鍛煉，變得非常堅(jiān)強(qiáng)，成為優(yōu)秀人物。 春秋戰(zhàn)國(guó)鋼鐵的冶煉 　　春秋時(shí)代是我國(guó)由奴隸社會(huì)向封建社會(huì)轉(zhuǎn)變的階段。促成這一社會(huì)變革的物質(zhì)因素，是社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。 　　勞動(dòng)工具是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的重要標(biāo)志。鐵制工具的廣泛使用，促進(jìn)了我國(guó)由奴隸制向封建制的過渡。商代用隕鐵制作了鐵刃銅鉞，說明對(duì)鐵的性質(zhì)和鍛打嵌鑄的技術(shù)已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)和掌握，但當(dāng)時(shí)尚不知人工煉鐵。 　　春秋時(shí)期，鐵器已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、手工業(yè)生產(chǎn)中使用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用鐵鋤、鐵斧等。鐵器堅(jiān)硬、鋒利，勝過木石和青銅工具。晉國(guó)用鐵鑄刑鼎，鑄鼎的鐵是作為軍賦向民間征收的，可見晉國(guó)民間鐵已不少。在江蘇六合縣程橋、湖南長(zhǎng)沙龍洞坡等地出土了春秋時(shí)的鐵器。戰(zhàn)國(guó)初或稍早已發(fā)明鑄鐵技術(shù)，這是我國(guó)勞動(dòng)人民對(duì)冶金技術(shù)的重大貢獻(xiàn)，比外國(guó)早一千八百年左右。河北興隆縣壽王墳出土了大量戰(zhàn)國(guó)時(shí)的鐵范，其中有較復(fù)雜的復(fù)合范和雙型腔，還采用了難度較大的金屬型芯，反映了當(dāng)時(shí)的鑄造工藝已有較高水平。戰(zhàn)國(guó)時(shí)發(fā)明的用柔化退火制造可鍛鑄件的技術(shù)和多管鼓風(fēng)技術(shù)是冶金技術(shù)的重要成就，比歐洲早二千年左右。戰(zhàn)國(guó)時(shí)還掌握了塊煉鐵固態(tài)滲碳制鋼的方法和淬火技術(shù)。 　　塊煉鐵的方法也就是“固體還原法”。由于塊煉鐵是鐵礦石在較低溫度下從固體狀態(tài)被木炭還原的產(chǎn)物，所以質(zhì)地疏松，還夾雜有許多來自礦石的氧化物，例如氧化亞鐵和硅酸鹽。這種塊煉鐵在一定溫度下若經(jīng)過反復(fù)鍛打，便可將夾雜的氧化物擠出去，機(jī)械性能就改善了。從江蘇六合縣程橋東周墓出土的鐵條，就是塊煉鐵的產(chǎn)品。春秋末期和戰(zhàn)國(guó)初期的一些鍛造鐵器也是以塊煉鐵為材料。 　　在反復(fù)鍛打塊煉鐵的實(shí)踐中，人們又總結(jié)出塊煉鐵滲碳成鋼的經(jīng)驗(yàn)。從河北易縣武陽臺(tái)村的燕下都遺址44號(hào)墓中曾出土79件鐵器，經(jīng)分析鑒定，它們的大部分都是由塊煉鋼鍛成的，這證明至遲在戰(zhàn)國(guó)后期塊煉滲碳鋼的技術(shù)已在應(yīng)用，塊煉鐵質(zhì)柔不堅(jiān)，塊煉鋼雖經(jīng)滲碳處理，變得較堅(jiān)硬，但在生產(chǎn)上仍嫌不足。人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中又摸索出塊煉鋼的淬火工藝，這就進(jìn)一步提高了塊煉鋼的機(jī)械性能。上述燕下都出土的鍛鋼件，大部份是經(jīng)過淬火處理的，這又表明在當(dāng)時(shí)，人們對(duì)淬火工藝也較熟悉了。 　　生鐵的冶鑄工藝，在原料、燃料上與塊煉法基本一樣。它們之間主要的差別在冶煉溫度的不同。塊煉法的爐溫大約在1000(C左右，離純鐵的熔點(diǎn)（1534(C）相差很遠(yuǎn)，而生鐵冶煉時(shí)，爐溫達(dá)到了1100-1200(C。在冶煉中，被還原生成的固態(tài)鐵會(huì)吸收碳，這種吸收隨著溫度的升高，速度就會(huì)加快。 　　另一方面吸收碳后，鐵的熔點(diǎn)隨之降低，當(dāng)含碳量達(dá)到2.0%時(shí)，熔點(diǎn)降至1380(C；當(dāng)含碳量達(dá)到4.3%時(shí)，熔點(diǎn)為最低，僅1146(C。在這種條件下，爐溫就可使鐵熔化，從而得到了液態(tài)的生鐵。液態(tài)生鐵就可以直接澆鑄成器，冶鑄過程簡(jiǎn)化了，就使鐵器的生產(chǎn)有了大發(fā)展的可能。 　　江蘇六合程橋東周墓出土的鐵丸，洛陽出土的公元前五世紀(jì)的鐵錛、鐵鏟都是生鐵器物，這證明在塊煉法的同時(shí)，我國(guó)已出現(xiàn)生鐵冶鑄工藝。生鐵與塊煉鐵同時(shí)發(fā)展，是我國(guó)古代鋼鐵冶金技術(shù)發(fā)展的獨(dú)特途徑。世界上許多其他國(guó)家，從塊煉鐵發(fā)展到生鐵，大約經(jīng)歷了上千年的時(shí)間。就拿歐洲一些國(guó)家來說，雖很早已有塊煉鐵，但出現(xiàn)生鐵則在公元十三世紀(jì)末和十四世紀(jì)初。 　　生鐵的生產(chǎn)效率高，鑄造性能又較好，這為廣泛使用鐵器提供方便。在冶煉生鐵的初期，由于溫度還不夠高，硅含量也較低，致使生鐵中的碳在冷卻凝固時(shí)不能成為石墨狀態(tài)，而成為碳化三鐵（Fe3C），與奧氏體狀態(tài)的鐵在1146(C共晶。因此，煉出的生鐵性脆而硬，鑄造性能雖好，但強(qiáng)度不夠，這種生鐵，人們稱它為白口鐵，它只能鑄造某些農(nóng)具。從河北興隆燕國(guó)礦冶遺址出土的大批鋤、范等，就是由白口鐵鑄成的。 　　為了克服白口鐵的脆性，在戰(zhàn)國(guó)早期，人們就創(chuàng)造了白口鑄鐵柔化處理技術(shù)。所謂柔化處理就是將白口鑄鐵長(zhǎng)時(shí)間加熱，使碳化鐵分解為鐵和石墨，消除了大塊的滲碳體，這對(duì)減少脆性、提高韌性可以起良好的作用。處理后的白口鐵就變成了展性鑄鐵。長(zhǎng)沙出土的戰(zhàn)國(guó)鐵鏟，輝縣出土的戰(zhàn)國(guó)中期鐵帶鉤，易縣燕下都出土的戰(zhàn)國(guó)晚期鐵镢、鋤等，都是屬于這種展性鑄鐵。