炼钢
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炼钢是用铁矿(可能包括废铁)产生钢的制程。在炼钢过程中会去除氮、矽、磷、硫等杂质,也会控制碳的含量在一定的比例。炼钢时也可能会依照不同的钢质等级要求,加入像是锰、镍、铬、碳及钒等合金元素,以制成合金钢。
历史
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古代钢
铁器最早出现在公元前4000年的古埃及与苏美,是从陨铁获得。公元前3000年至公元前2000年,在小亚细亚,埃及与美索不达米亚越来越多地由铁陨石中提练铁。
最早的钢出土于土耳其安那托利亚的卡曼-卡莱霍尤克遗迹,约有四千年的历史[1]。公元前1400年东非人也用碳炉炼钢[2]。中国台西遗址和刘家河商墓也出土了公元前14世纪时商朝的五件铁刃铜钺。铁在当时属于炼铜的副产品,称为海绵铁,可能是用锻铁炉烧碳熔炼[3]。
在公元前4世纪,伊比利亚半岛出产了像利刃弯刀这种钢兵器,而古罗马军队则在用诺里库姆出产的钢兵器[4]。在战国时代(公元前403-221年)中国用淬火来硬化钢材[5],而到了汉朝将熟铁和铸铁熔在一起炼出了中碳钢[6][7]。东非的哈亚人在接近2,000年前发明了一种高热高炉,使得他们在那个时候能用1,802 ℃的高温来锻造碳钢[8]。
坩埚钢
斯里兰卡的莎玛纳拉威瓦发现了建于公元前1000年的炼铁炉[9],利用季风送风能够生产出高碳钢[10]。印度在公元前300年就开始生产乌兹钢[11]。中东大马士革地区进口乌兹钢打造出大马士革钢。自从乌兹钢的锻造法在公元五世纪从印度传入了中国,中国人除了使用他们本身原创的锻钢法,也采用了乌兹钢的生产法[12],做出来的钢叫做镔铁。乌兹钢也叫大马士革钢,以其耐用性,与所制刀刃不易损而闻名。最早是由多种不同的材料制成,当中包括各种稀有元素。它本质上是一种以铁为主的复杂合金。最近研究指出,它的内部结构中含有碳纳米管,所以这可能就是它那有名特性的来源,介于当时的铸造技术有限,做出这种结构大概是出于偶然,而不是有意[13]。送风式炉用的是天然风,炉内放置含铁的土壤,并用木材加热。古代的僧伽罗人成功从每两吨的土壤中提炼出一整吨的钢材,当时来说可谓成就卓越。考古学家在莎玛纳拉威瓦找到了这样的一个炉,并成功用古人的方法来生产钢铁[10][14]。
把纯铁与碳(一般是木炭)放在一起于坩埚内慢慢加热,冷却后就能得到坩埚钢,在公元九至十世纪前,梅尔夫这个地方就已经在生产坩埚钢。在十一世纪,有证据指出宋朝的中国共有两种炼钢法:一种把小量熟铁跟铸铁熔在一起,用于生产不均匀的次等钢;另一种是现代贝塞麦炼钢法的前身,透过在冷炉风下的重复锻造,达到不完全除碳的效果[15]。
现代炼钢
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从十七世纪起,欧洲式炼钢的第一步就是用高炉把铁矿炼成生铁[16]。最早期炉子里烧的是木炭,现代方法则改为烧焦炭,事实证明后者要比前者便宜得多[17][18][19]。
从铁条开始的过程
在这些过程中,生铁需要在精炼厂中接受精炼,以生产出铁条(熟铁),之后再拿铁条去炼钢[16]。
用渗碳法炼钢的程序被记载于一篇在1574年布拉格出版的论文中,并且早在1601年纽伦堡人就在用这方法炼钢。一本在1589年那不勒斯出版的书中有提及相近的方法,用于制作经表面硬化的盔甲与锉。这套程序在1614年被引入英格兰,而巴兹尔·布鲁克爵士于1610年代在什罗普郡的柯尔布鲁德尔生产这种钢[20]。这套方法的原材料是熟铁造的铁条。在十七世纪期间,最好的熟铁是瑞典斯德哥尔摩以北所产的厄勒格伦德铁。到了十九世纪这种铁还是最常用的原料,也就是在用这套方法的期间,几乎用的都是这种铁[21][22]。
在坩埚里烧出来的钢叫坩埚钢,它是没有经过锻造的,因此成品会比均匀。以前大部份的炉都不能达到能熔掉钢的温度。现代的坩埚钢工业最早是由本杰明·汉特斯曼于1740年代的发明所衍生的。一般会把渗碳钢(以渗碳法制成的钢)放在坩埚或熔炉里面熔掉,然后铸成钢锭[22][23]。
从生铁开始的过程
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炼钢的现代史从1858年[24][25] 引进亨利·贝塞麦的贝塞麦炼钢法开始。他的原料是生铁[26]。他的炼钢法让低成本大量生产变得可行,因此从前用熟铁的地方现在都用软钢[27]。吉尔克莱斯特-托马斯炼钢法(或基本贝塞麦炼钢法)是贝塞麦炼钢法的改良版,就是在转炉内部铺上一层盐基材料,以达到除磷的效果。炼钢的另一项改良就是西门子-马丁炼钢法,能够补足贝塞麦炼钢法的缺点[22]。
在使用碱性氧气炼钢的林茨-多纳维茨炼钢法出现后,上述的炼钢法都被淘汰了,碱性氧气炼钢法及其他氧气炼钢法是在1950年代被开发出来的。碱性氧气炼钢法比其他方法优胜是因为,被泵到表面上的氧气会限制杂质,而从前杂质能够从所用的空气中进入[28]。时至今日,用电弧炉来重新处理废金属是很常见的,处理后能生产出新的钢。它也可用于把生铁转化成钢,但需要使用大量电力(每吨需要约440 kWh),所以一般只能在有大量廉价电力供应的情况下才有经济效益[29]。 炼钢的工艺已存在上千年,
但一直到十九世纪中才商业化,进行大量生产。像坩埚钢制程就是古代的炼钢制程。在1850年代以及1860年的贝塞麦转炉炼钢法及平炉炼钢法让炼钢变成重工业的一部份。
现今炼钢的商业制程主要有二种,分别是以高炉中的液态生铁以及废铁为主要材料的碱性氧气炼钢,以及用废铁或直接还原铁(DRI)为主要材料的电弧炉(EAF)炼钢。氧气炼钢主要是以钢炉中反应的放热特性作为其燃料。而EAF炼钢是由电能来熔化废铁或直接还原铁。近年来的EAF炼钢也使用比较多的化学能,因此也比较类似氧气炼钢[30]。
炼钢是世界上主要的温室气体排放产业之一。截至2020年[update],全世界炼钢排放的温室气体约占总数的10%[31]。为了气候变化缓解,产业需要找到可以大幅减少温室气体排放的方法[32]。McKinsey公司在2020年提出了一些可能可以减少温室气体排放的技术,包括碳捕捉、制造时的再利用、以及将电弧炉的电源改用太阳能或是风能,或是在制程中制造洁净燃料氢气[32]。
参考资料
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存档于2022-12-10).
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外部链接
- 短片 The Drama of Steel (1946) 可在互联网档案馆自由下载
- U.S. Steel Gary Works Photograph Collection, 1906–1971 (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- '"Steel for the Tools for Victory", Popular Science (December 1943) large detailed article with numerous illustrations and cutaways on the modern basics of making steel
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