钢铁的冶炼历史

         人类的文明可以依照使用工具来区分，从石器时代、青铜器时代、铁器时代，进展到现代。 在数千年前，人类已经会使用钢铁，当时的钢铁主要做为装饰品、武器，以及农渔、狩猎、日常生活用品等。

         根据《尚书》〈禹贡篇〉的记载，中国人在夏禹时代已经开始使用铁制的农具了。 经过一段时间，也开始使用钢制的工具。 中国最早提到炼钢术的书是春秋的《左传》，在〈阖闾传〉中记载：「干将作剑，干将夫妻乃断发剪爪投于炉中，使童女童男三百人鼓橐装碳，金铁乃濡遂以成剑。」这一段文字所描述的武器，也就是武侠小说中为人熟知的干将剑。

         经过考古学家的发掘与考证，发现早在秦汉时代，就有海绵铁炉、圆形炼铁炉、长方形炼铁炉、以及低温炼钢炉了。 根据汉代《夏侯阳算经》的记载，中国当时的炼钢技术已经包含铣铁重熔和去碳两个步骤。 这种炼钢法是把铁放在坩锅中精炼，如果要使钢硬化，就必须加入碳元素。 此外，《山海经》也曾经提到汉朝全国有3千个以上的铁矿场，而且派遣49名官员到各地去监督铁矿的开采。 由此可知，炼铁及炼钢的技术并不是在近代才开始发展的，而是在老祖先的时代早就有的技术。

钢铁的种类及性质

         钢铁一般在工业界通称为「钢」或「铁」，其实它们是铁和碳的合金。 这种合金的主要成分是铁元素，另外还可能有铬、锰、钒、钼、镍、铜等金属元素，以及碳、矽、磷、硫等非金属元素。 在这些元素中，以碳所扮演的角色最为重要。 依照实用的观点，可以概略性地以钢铁材料中的含碳量多寡来区分它们，含碳量高于2％的，就称作铸铁，钢的含碳量则少于2％。

图一、不锈钢带

         钢铁的分类以碳含量多寡及合金的成分，可以分为碳钢与合金钢两大类。 含碳量的多寡也决定钢铁的硬度。 含碳量少的，比较软而强韧。 含碳量比较高的，虽然坚硬，但比较脆。 碳钢依含碳量的多寡，可以划分成含碳量0.30％以下的低碳钢、含碳量0.30％至0.60％的中碳钢、以及含碳量0.60％以上的高碳钢。 合金钢如果依合金元素的总量，也可以分类成合金元素总量在1.5％以下的低合金钢、合金元素总量在1.5％至5.5％的中合金钢、以及合金元素总量在5.5％以上的高合金钢。

         合金钢是在碳钢中添加一种或者一种以上的合金元素，以改善碳钢原来的性质，使适合各种不同的使用目的。 这些常见的合金元素，包括铬、镍、矽、锰、钼、钨、钛、钴、钒等。 一般来说，碳钢的碳含量比合金钢高，因此碳钢比合金钢更适合当作结构用钢，可以有比较好的制震性。 但是，过多的碳却会使钢铁的焊接性及加工成型性变差。

         不锈钢是日常生活中最常见的合金钢，它是在碳钢中加入约12～22％的铬及8～16％的镍。 不锈钢中的铬很容易与空气中的氧反应，在表面上形成一层虽薄但是具有良好保护作用的氧化铬薄膜，可以有效避免母材受到环境的侵蚀，而且薄膜受到外力损伤后，仍然可以很快地再形成新的保护膜。 因此，不锈钢通常用在耐腐性需求较高的场合。

         一般大型钢铁厂有4大系统，即原料准备、炼铁、炼钢和轧钢。 原料包括铁矿石、煤、助熔剂、焦炭等。 铁矿石在高炉中经过还原后形成铁水，这些铁水利用鱼雷车载送到炼钢厂进行炼钢。 钢液经过浇铸冷却后，形成钢胚。 钢胚再经过热轧及冷轧，形成不同厚度的钢板、钢片或钢条。 在钢铁厂中，每一个系统都很重要，任何一个环节出了差错，炼出的钢铁品质就不符合要求。 因此，在钢铁制造过程中，每一项步骤都需要严格把关，才能制造出品质优良的钢材。

炼铁

         炼制生铁的基本原则，就是设法除去铁矿石－氧化铁中的氧原子，使氧化铁还原成金属态的铁。 近代利用高炉来炼铁，可以大量生产。 经由高炉炼成的生铁，通常含有3.5％以上的碳，同时含有相当多的矽、锰、磷、硫等元素。 因此它的性质硬而脆，无法轧制或锻造。 生铁适合铸造，把高炉炼得的生铁放入熔铁炉重熔，待铁水凝固后就可以得到铸铁。

         如果把生铁中所含的碳及杂质减量或消除，便成为熟铁。 熟铁是纯度较高的铁，杂质含量也比较少。 一般来说，熟铁的碳含量都在0.02％以下，富有延展性，适合高温锻接，又称为锻铁。

         由于生铁质脆，熟铁质韧，所制成钢铁的性质可以硬且韧。 古人不知道这是因为含碳量的高低所致，却知道「凡铁分生熟，既炒而熟，生熟相和，炼成则钢」。 虽然古代没有现在完整的冶金学概念，但是老祖先土法炼钢的经验，让我们不得不佩服他们的智慧。

炼钢

         炼钢主要的目的在于降低生铁中的碳含量，以增进钢铁的韧性、可锻性等。 同时，也可以添加不同的合金元素，用来提升钢铁的强度、硬度、耐磨耗性、耐腐蚀性、加工性等。 下列是几种常见的炼钢方法。

图二、不锈钢带如何炼成

         坩锅炼钢法这是一种最古老的炼钢法，由英国人杭兹曼在1740年所发明。 一般常用的坩锅以石墨或黏土制成，生产量少，成本过高，不符合经济原则。 但是所得到的钢品质较佳，适合小型工厂生产，或是专门用来冶炼合金钢。

         转炉炼钢法利用转炉炼钢的方法很多，较坩锅法复杂。 在各种转炉炼钢法中，以贝塞麦转炉法最具代表性，这一种方法是英国人贝塞麦在1856年所发明的。 冶炼方法是把铁水、废铁和石灰石放入转炉内，用一根管子从坩锅口插入熔铁中，吹入高压氧气来炼钢，并使铁水温度急速上升。 在这时候，铁水中的碳会和氧化合成一氧化碳气泡溢出，其他的杂质则会和石灰石化合成泸渣浮在表面上，而原来的铁水便成了钢的熔液。

         大量生产的炼钢法也由此开始。 贝塞麦法只要20分钟就能达到过去采用搅拌炼钢炉24小时的钢铁产量，这也是炼钢炉中最有效率的一种。 但是，贝塞麦法的缺点是无法去除钢铁中的硫、磷等杂质。

         平炉炼钢法平炉法是法国人马丁在1864年采用德国人西门子的方法所进一步开发出来的，因此又称为西门子－马丁法。 在进行平炉炼钢时，经过下层蓄热室预热的空气和煤气被送入上层熔池，在铁水表面吹拂、燃烧，可以比较完全地把铁水中的碳和其他杂质氧化，得到优质的钢。 虽然平炉冶炼的时间比较长，一般是24小时，但因为熔池很大，一炉便可以炼制百吨钢水，所以产量比较高。 而且原料不限制只能使用生铁，废钢、铁屑、熟铁、铁矿石都可以，炼出的钢质量稳定均匀，因此一直沿用至今。

         电炉炼钢法所谓的电炉法是使用电力熔解金属，也就是说，由电能来冶炼钢料，是现代最进步的一种炼钢方 ​​式。 电炉炼钢速度快，品质容易控制。 这个方法使用电力熔化原料，化学反应与平炉相同。 电炉炼钢生产的钢铁纯度极高，目前大部分的特殊合金钢都是使用这种方法炼制的。 近年来，电炉已经日渐应用在各种商用钢品的生产上。 尤其在电价低廉的地区，电炉法更是盛行。

钢铁特性控制

         钢铁刚冶炼出来时是比较大块的钢胚铸件，再依据不同的用途，使这些钢胚在红通通的高热状态下，经过轧延机轧延加工成较长且较薄，厚度约在6 ～12.7 mm之间的钢板，或者更薄的钢片或钢卷。 这种加工制程就好比杆面皮一样，称为热轧程序。 大钢胚制成小钢胚后，也可以再轧制成棒钢或盘卷成一卷一卷的线材。

         钢铁与其他工程材料相比，具有许多特性，例如适当的强度、韧性、硬度、耐冲击性等。 从材料科学的观点来看，钢铁的性质与它的制程及组织息息相关。

         钢铁在历经不同的制造及加工处理程序以后，会改变它的结构组织，从而造成性质的变化。 例如当钢铁经过冷轧处理后，硬度会提升，这主要是因为差排密度大幅提升，并改变微观组织而引起的效果。 结构组织变化也可能造成性质的退化，例如不锈钢中有一种西格玛（σ）相组织，它类似人体中的癌细胞，当不锈钢中有过多的西格玛相组织时，不锈钢的耐腐蚀性会降低，并且脆化。

         由此可知，如果要使钢铁拥有适当的强度、硬度、耐腐蚀性、焊接性、切削性等，可以利用制程、组织、性质的因果关系来加以控制。 例如如果想得到韧性较高的钢铁，就必须选用适当的制程去获得想要的组织，像是使晶粒粗化。 相反地​​，如果需要得到强度较高的钢铁，就必须获得强硬的组织，例如使晶粒细化或产生析出物等。 除此以外，为了因应不同的使用需求，冶金工程师常常利用合金设计的方法，并配合制程的变化，开发不同的微观组织，具有特殊性质的新钢种。

物尽其用的钢铁

         钢铁在人们的食衣住行育乐中扮演着举足轻重的角色，钢铁工业更是衡量一个国家工业生产力的重要指标，常常视为国力强弱的表征。 有些国家甚至把冶炼制造出来的钢铁外销，赚取可观的外汇。

         炼制出1公吨的铁，需要约1,600公斤的铁矿砂、480公斤的焦炭、170公斤的石灰石和150公吨的水。 水用来冷却炉壁，焦炭用来燃烧，至于石灰石则可以结合铁矿还原后残存的杂质形成炉渣。 因为炉渣的比重比铁水轻，所以会浮在铁水上面，容易和铁水分离。 炼铁所得到的炉渣可以做为制造水泥、绝缘材料等的原料。 由此可知，在整个制铁过程中，物质并没有浪费掉。

         钢铁材料也是绿色材料，可以100％回收再利用。 也就是说，废弃的钢铁可以回收熔化、重复使用，不会造成浪费，可达到物尽其用的效果。

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