从原材料到成品——钢铁生产全过程

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：钢和铁是人们最熟悉的两种金属材料，常常把它们连在一起称之为钢铁，似乎是一种材料，但仔细一问：什么是钢，什么是铁？白口铁含有锰、碳与铁化合成的碳化三铁，这是冶炼钢、冷硬铸铁和可锻铸铁的原料；灰口铁含有硅，碳以石墨状态存在组织中，断面呈现灰色，这是冶炼铸铁的原料。图4-2所示为从生铁冶炼成钢和优质钢的生产过程示意图。

钢和铁是人们最熟悉的两种金属材料，常常把它们连在一起称之为钢铁，似乎是一种材料，但仔细一问：什么是钢，什么是铁？一下子会有被蒙住的感觉，说不清楚，有一些说法也不确切、不完整。就是天天和钢铁打交道的有些人，要说清楚钢和铁的含义也未必全对。究竟怎样回答才比较正确，这里从钢铁的生产的角度简要说明钢和铁的关系、区别、性能和特点。

1.铁的基本性质与存在

铁是一种金属元素，符号为Fe。纯铁为灰白色，质坚硬，有光泽，富延展性，在潮湿空气中易生锈。

在自然界中，除了陨石含有纯铁外，几乎所有的铁都与氧结合在一起，存在于铁矿石中。铁矿石中除了氧化铁外，还含有氧化硅、氧化锰和硫、磷等其他杂质。矿石中的可利用金属达到值得开采的含量，方可供冶炼使用。对铁矿石来说，可开采的最低品位^[1]约为20％，铜矿石为0.6％左右。

地球上早就有铁矿石存在，主要是铁与氧、硫和碳化合形成的。冶炼用的铁矿石品位一般为25％～75％。主要铁矿石有：磁铁矿（Fe₂O₃），铁的质量分数为50％～70％；褐铁矿（2Fe₂O₃·3H₂O），铁的质量分数为30％～50％；赤铁矿（Fe₂O₃），铁的质量分数为30％～50％；菱铁矿（FeCO₃），铁的质量分数为30％～50％。

为了从铁矿石中得到生铁，必须把氧去掉。除加热外，多半采用还原剂（与氧有很大亲合作用的元素），实现铁矿石完全熔化，杂质（含渣）与铁液分离，此铁液为生铁液。凝固后，若成块状即为生铁块。

2.钢铁的生产

近代炼铁都在高炉中进行，如图4-1所示。

图4-1 生铁冶炼示意图

把焦炭、铁矿石、石灰石（造渣材料）按一定比例从炉顶装入，同时从下面鼓入热风。在炉内高温条件下，焦炭中的碳与矿石中的氧化铁发生化学反应，将矿石中的铁还原出来；生成的一氧化碳和二氧化碳气体则由炉顶排出，使矿石中的铁和氧分离。在高温下，碳又和铁熔合，生成熔点较低的铁液，从出铁口流出；熔渣浮于铁液面上，从渣口流出。显然，铁液中除了含有碳外，必然还含有来自矿石和焦炭中残存的各种杂质，如硅、锰、硫、磷等。铁液凝固后就是所谓的生铁。它包括白口铁和灰口铁。白口铁含有锰、碳与铁化合成的碳化三铁，这是冶炼钢、冷硬铸铁和可锻铸铁的原料；灰口铁含有硅，碳以石墨状态存在组织中，断面呈现灰色，这是冶炼铸铁的原料。生铁中含有大量的碳和杂质，性能较差。通过炼钢，就可将大部分碳和杂质去掉。

炼钢与炼铁的不同，就在于炼铁是还原过程，炼钢是氧化过程。其原理是利用氧化反应来达到去除碳和杂质的目的。为了促进碳和杂质的氧化，钢液要加热到1700℃左右，同时加入氧化剂（如矿石、氧化铁皮等）加速氧化。近代发展的氧气炼钢，将氧直接吹入钢液，大大强化了冶炼过程，又显著提高了钢的质量。杂质氧化后，钢液中常有过剩的氧存在，有害于钢的力学性能，所以必须加入脱氧剂进行脱氧。脱氧剂一般采用还原性较强的金属及合金，如锰铁、硅铁、铝和钛铁等。炼钢时，还添加各种合金元素，以炼制成合金钢。

工业上大规模炼钢，通常是在转炉、平炉和电炉中进行的。转炉一般冶炼低碳沸腾钢和碳素钢；平炉可冶炼各种优质碳素钢和低合金钢；电炉则能冶炼各种合金钢。由于电炉便于控制炉内气氛和获得较高的温度，因而可以冶炼含易氧化元素（如钒和钛等）和大量难熔元素（如钨、钼等）的合金钢。近年来，氧气顶吹（或底吹）转炉炼钢发展很快，不仅生产低碳钢，也有趋势代替平炉冶炼高碳钢和低合金钢，甚至能生产滚动轴承钢和电工硅钢等。此外，工业上还采用感应电炉、电渣炉、真空精炼炉和电子轰击炉等来冶炼精密合金和特殊金属材料。

将冶炼好的钢液注入钢锭模，就得到各种钢锭。若注入铸型，就得到铸钢件。钢锭经过锻压或轧制后，就变成各种形状的钢材和锻件。钢锭经过压力加工后，能改善钢的组织和夹杂分布，所以同样成分的钢材比铸钢的性能要优越一些。

图4-2所示为从生铁冶炼成钢和优质钢的生产过程示意图。

图4-2所示高炉中冶炼出来的生铁首先倒入混铁炉，混铁炉容量为1000～1600t，混铁炉容纳的铁液量应保证炼钢车间在3～4h内连续开炉之用。同时，混铁炉应能摇动，以便把不同炉次的铁液成分混匀，要对混铁炉中铁液进行脱硫处理。锰和硫化合形成硫化合物，被纳入炉渣。

3.生铁与钢的区别与特点

钢和生铁都是铁和碳的合金，它们的区别主要是含碳量的不同。钢中碳的质量分数小于2％，工业用钢一般碳的质量分数不超过1.4％。生铁中碳的质量分数大于2％，一般在2.5％～4％之间。由于含碳量的差异，造成钢和生铁的性能显然不同，如图4-3所示。对钢来说，含碳量越多，钢材的强度、硬度便越高，而塑性和韧性却随之降低。另外，在热处理实践中还会发现，即使是相同成分的钢材，加热到同样的高温，而采用不同的方式冷却下来时，最终会得到各不相同的力学性能。即钢铁的内部组织结构随着化学成分和热处理工艺的不同而变化，所以性能不同。

图4-2 从生铁冶炼成钢和优质钢生产过程示意图

图4-3 碳对生铁和钢的性能的影响

钢和生铁的比较见表4-2。

表4-2 钢与生铁的比较

从原材料到成品——钢铁生产全过程

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