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钢铁是怎样炼成的?

大科学 ransiwen 3年前 (2016-11-02) 758次浏览 已收录 0个评论

钢铁是怎样炼成的?

铁是一种非常有用的物质,原因在于:

  • 相对而言,尤其是与木材或铜相比,铁非常坚固。
  • 加热后,使用简单工具就能比较容易地将铁弯曲、塑形。
  • 和木材不同,铁耐热性好,因此可用于制造引擎之类的东西。
  • 铁可以被磁化,这在制造电机和发电机时非常有用。
  • 铁的储量丰富,铁在地壳中的含量为 5%,在某些地区的铁矿石中,铁的含量甚至高达 70%。
  • 相对而言,炼铁比较简单,只需使用简单的工具。
钢铁是怎样炼成的?

Jefferson David Chalfant 作品《铁匠》

如果将钢铁与铝等其他金属比较,不难发现钢铁在历史上享有重要地位的原因。炼铝需要消耗大量的电力。铝成型必须依赖浇铸或挤出工艺。炼铁则简单得多。人类使用铁的历史已有几千年,铝则是从 20 世纪开始才真正为人类所利用。(有趣的事实:华盛顿纪念碑顶端 25.4 厘米高的金字塔形尖顶是用铝而不是金制成的,因为在 1884 年,铝比金更贵重!)

如果没有铁,人类就不可能制造出燧发枪等武器。所幸制造铁是比较容易的,原始社会中就有相应的工具。将来可能有一天,科技高度发达,铝、塑料、碳、玻璃纤维等将完全取代铁。但现在,出于经济因素的考虑,和这些贵得多的替代品比较,经济实惠的铁和钢还是有很大的优势。

钢铁唯一的问题是易于生锈。但是通过涂层、电镀、镀铬或牺牲阳极等工艺,可以对生锈进行控制。

炼铁是从铁矿石开始的。铁矿石其实就是铁含量比较高的石头。

钢铁是怎样炼成的?
赤铁矿,一种常见的铁矿石

15-20 世纪之间,某些国家由于其铁矿石储量丰富而获得了一定的竞争优势。比如,英国、美国、法国、德国、西班牙和俄罗斯都有丰富的铁矿石储量。回顾这些国家在历史上的重要地位,您就不难看出铁矿石储量和国家实力之间的关系!

常见的铁矿石包括:

  • 赤铁矿:Fe2O3,70%的铁
  • 磁铁矿:Fe3O4,72%的铁
  • 褐铁矿:Fe2O3+H2O,50%-66%的铁
  • 菱铁矿:FeCO3,48%的铁

这些矿石经常混合在含硅的岩石中。
从上面可以看出,所有铁矿石都含有铁的氧化物。要从铁矿石中提炼铁,就需要去除氧元素,得到纯铁。

钢铁是怎样炼成的?用铁矿石炼铁最原始的设备称为炼铁炉。在炼铁炉中,将木炭铁矿石一起燃烧,并提供充足的氧气(由风箱或鼓风机提供)。木炭基本是纯碳。碳和氧气结合,形成二氧化碳和一氧化碳,并在此过程中释放大量的热量。碳和一氧化碳与铁矿石中的氧元素结合,带走氧元素,剩下金属铁。

金子!
愚人金,其实是……

钢铁是怎样炼成的?
黄铁矿 FeS2

含有硫化铁的黄铁矿色泽泛黄,常被误以为是金矿石。

炼铁炉中的温度没有高到将铁完全熔化,而是形成海绵状团块,其中含有矿石中的铁和硅酸盐,称为海绵铁块。对海绵铁块进行加热和锤打后,玻璃状的硅酸盐与金属铁混合,成为熟铁。熟铁硬度高,容易煅制,是铁匠铺的理想材料。

更为先进的炼铁方法是在高炉中.在高炉中加入铁矿石、木炭或焦炭(焦炭是由煤制成的木炭)以及石灰石 (CaCO3)。高炉底部吹入大量的空气。石灰石中的钙与硅酸盐相结合,形成炉渣。铁水汇集在高炉底部,上面是一层炉渣。高炉定期开闸,让铁水流出并冷却。

铁水一般流过沙子垫底的流槽。冷却后的金属称为生铁

钢铁是怎样炼成的?生产一吨生铁,需要 2 吨铁矿石、1 吨焦炭和半吨石灰石。燃烧过程需要消耗 5 吨空气。高炉中心的温度高达 1600℃!

生铁中含有 4%-5%的碳,又硬又脆,几乎没什么用。可采用下列方式来处理:

  • 将生铁熔化,和炉渣混合锤打,去掉其中大部分的碳(降低至 0.3%),制成熟铁。铁匠一般都是用熟铁制作工具、马蹄铁等。熟铁加热后,可锻、可弯、可焊,很容易加工。
  • 制成


就是去除了大部分杂质的铁。钢仍然包含一定浓度的碳(0.5%-1.5%)。硅、磷和硫等杂质会大大降低钢的强度,因此必须去除。与铁比较,钢的优点在于强度高。

平炉是使用生铁炼钢的一种方式。将生铁、石灰石和铁矿石加入平炉内。加热至约 871℃。石灰石和铁矿石形成炉渣,漂浮在表面。碳和其他杂质被氧化,从铁中析出,成为炉渣。如果碳含量适当,即可得到碳素钢

另一种使用生铁炼钢的方法是柏思麦法。

多数现代钢厂都采用氧气顶吹转炉来炼钢。其优点在于速度快,其速度是平炉炼钢的 10 倍。

炼钢过程中可加入多种金属,制成具有不同特性的合金。例如,加入 10%-30% 的铬可制成不锈钢。加入铬和钼可制成铬钼钢,强度大,重量轻。

自然界的两个巧合大大促进了人类前进的速度。其一是大量的有用之物(如铁矿石),其二是丰富的石油和煤,为炼铁提供能源。这是非常幸运的巧合,因为如果没有铁和能源,我们绝对不可能发展到如今的程度。


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