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【工艺技术】钢铁的前世今生

发表时间:2021-03-22【
 

 

刚铁的此生来世是造物主眷顾的礼物图片,此生则是人类祖先智慧生活的结晶体。

 


01 上天的礼物图片


颗流星划破长空,从天而降的恰是一块含铁量很高的铁陨石,这是上帝送给世间的礼物。6000多年前的古埃及人与苏美尔人是上帝的幸运儿,他们发现并利用了这份礼物,最早用铁陨石中的天然铁制作成铁器,并将这些铁器以天降神物尊称。因为落入地表的铁陨石+分难得,所以那时的天然铁就显得弥足珍贵,铁器自然也就成了当时的奢侈品。

 

但实际上地球上的铁元素并不稀缺,铁是排在铝之后第二多的金属元素,只不过地球上的铁是以化合物的形态躲藏在岩石或沉积物中,即铁矿石中。大约在4500多年前,精明的古代小亚细亚半岛(现今的土耳其)的赫梯人发现了铁矿石中隐藏着铁的秘密,他们用树木直接火烧的方法,从铁矿石中熔炼出铁,这也让他们最先走进了铁器时代。

 

小技巧

考古发现最早的陨铁器是在尼罗河流域的格泽(Gerzeh)和幼发拉底河流域乌尔(Ur)出土于公元前4000多年前的铁珠和匕首。

 

想想

为什么落入地表的铁陨石含铁量都很高,甚至可以达到95%以上?

 

02 没法小觑的风箱

古时我国大是人体过往上很早再生利于铜金铜金矿石熔练铁的国家地区一种,距今汉晋东汉就进入设置了我国大过往上引一位豪的铁器网络。室温下将铜金铜金矿石熔融的并且把铁稀有元素复原成铁,这便是再生利于铜金铜金矿石炼铁的基础原理图,也便是说炼铁时依据要有个必没法少的依据因素,那便是要有很高的温湿度。

 

木炭是中国很早的发明,既可以通过燃烧提供温度也可以利用其不完全燃烧时产生的一氧化碳来还原铁。木炭虽然是炼铁一箭双雕的好选择,但仅靠木炭自然的温度(700)想有效地炼出铁来还不够,因为这个温度离有效还原铁的温度(1000℃以上)还有一定的差距。如何解决这个问题?人们起先想到了利用牛皮制造成的风袋来鼓风,促进木炭燃烧以提高温度这使得木炭在炼铁中有了真正的用武之地。这种是且的风袋式的风箱经过逐先改进创新是终演变成效率更高的水力推拉的活塞式风箱,大大提高了古代中国的炼铁效率

 

所以说风箱鼓风是人类历史上了不起的发明,试想炼铁时如果没有风箱的鼎力相助,那么铁器至今可能还是价格不菲的奢侈品,古代文人墨客留下的佳句可能就是“书中自有黑铁屋”了;如果没有铁器的大量使用,中国的农耕文明也不可能有那么快的大发展

小知识

木制双活塞式风箱是中国在鼓风技术方面的重要发明,比欧洲早了400年以上的历史。

 

填一填

为什么中国铁钱从西汉始铸,北宋鼎盛,南宋渐亡?

 

03 为什么要百炼能成钢

中国自古流传着很多关于宝剑的传说。相传在春秋末年,吴王阖闾找到巧匠干将炼造宝剑。干将“采五山之铁精,六合之金英”,动用了300名童男童女,为其向炉火中添加木炭鼓风,干将的妻子莫邪还把自己的指甲与头发投入炉火中助其炼剑,最终炼成了两把绝世宝剑,剑身有龟裂纹的叫“干将”,有水波纹的叫“莫邪”干将所选用的“铁精”实质上是含碳量较低的、质量较好、但含有较多杂质的铁块。于将把铁块反复放入炉火中加热锤炼,将炉火中的碳渗入铁的表面,并去其杂质,其实就是炼钢的简要过程,所以干将炼造的宝剑也可以称为钢剑,而干将这种炼钢的方法叫作渗碳炼钢法,也是中国较早的炼钢方法。后来,人们把炼出的优质钢称为“百炼精钢”,这正是成语“百炼成钢”的由来,“百炼”就是工匠们经过上百次的加热和反复折叠锻打成钢的过程干将炼钢时采用的是含碳量低的铁块,含碳量很高的铁块是否也可以炼成钢呢?答案是肯定的,但不用千锤百炼,而像炒菜一样地炒就行了,所以可以称

“炒钢”。西汉时期开始,人们已能够把铁块加热到熔融或半融状态,再不断地搅拌,增加空气与铁的接触面,使铁水中多余的碳氧化,逐渐降低含碳量以炼成钢。因此简单地说,炼钢就是调节铁中的含碳量

 

小技巧

 

铁与钢的区别主要在于含碳量的多少,含碳量大于2%的为生铁,0.2%-2%的为钢,小于0.2%的为熟铁或纯铁。

 

仔细观察

古人怎么判断铁中含碳量的高低,选择是渗碳还是脱碳炼钢法呢?

 

04 当煤见到了铁

长期以来,欧洲一直将木炭作为炼铁的唯一燃料。随着欧洲炼铁业的迅速发展,欧洲各地的森林资源很快就消耗殆尽。到了18世纪末期,英国森林资源几乎枯竭,这一度使得英国的炼铁业险些步入穷途末路,直到英国开始大量使用煤来炼铁。值得一提的是,中国在魏晋南北朝时期(公元3-6世纪)就开始用煤替代木炭炼铁,到了宋代(公元10-13世纪)已形成了北方用煤、南方用木炭的局面,而到了明代(公元14-17世纪)已大多用煤来炼铁了。据推算,宋代铁的年产量达到7万吨以上,明代则达到了15万吨以上,而使得英国森林资源接近枯竭时的工业革命初期,英国铁的年产量也仅仅相当于中国宋代时的水平

所以不难想象,如果没有煤在炼铁中的替代使用,现今全球18亿吨以上的钢铁年产量会是一个不可想象的天文数字;又或许全球的森林资源早已不复存在,青山绿水只能在历史课本里才能找到。因此,当煤遇到了铁,不仅是解决了炼铁燃料的瓶颈,而且还从某种程度上拯救了地球的自然生态

小技巧

直至今日,英国的森林覆盖率也仅恢复到11.8%,全球排名第134位。

 

05 现时代废钢材产业四种件

尽管中国炼铁与炼钢技术都不是世界最早的,但是中国古代在冶炼技术上的不断发明创造,使得从公元前6世纪的春秋时代起,便遥遥领先世界数千年,直到后来居上的欧洲使钢铁的生产效率有了更大的提高,欧洲才成为现代钢铁工业生产工艺的开拓者。

 

高炉、转炉(电炉)、轧机是现代全流程钢铁生产工艺的“三大件”。现代钢铁的主要生产流程是:先将铁矿石在高炉中冶炼成铁水,接着把铁水注入转炉或电炉冶炼成钢,再将钢水铸成连铸坯或钢锭,经过轧机塑性变形加工成各种用途的钢材。

 

圈红件 高炉,以“高大能吃”著称。顾名思义,就是一个比较高大的竖立直圆桶形的炼铁熔炉炼出来的铁水被称为生铁。不过,炼铁技术发展初期时的炼铁熔炉很小,构造也很简单,被称为竖炉。现代高炉自上而下由炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5个重要的部分组成,是一个技术复杂、系统性很强的炼铁设备。但不管怎样,古代早期竖炉炼铁的基本原理没变,是现代高炉的鼻祖。当前世界上最大的高炉是韩国浦项钢厂1号高炉容积达到6000立方米日产铁水量可达到12万吨以上。

 

二寄重 转炉,因“灵动高效”得名。炉体通常

为梨形,可以大角度地倾转,故称转炉,炼出来的钢被称为粗钢。现代的转炉炼钢法由一位无心插柳的英国工程师贝斯麦(Henry Bessemer)1856年发明,由此开创了钢铁生产的新时代。由于此前的炮筒是用铸铁做成的,容易发生裂纹,贝斯麦为了解决这一问题,尝试用反射炉把生铁熔化后再掺入合金,以制造炮筒。在试验时,当他开动鼓风机后,突然发现了一种奇异的现象:在炉子边缘上一些不熔化的生铁和吹入的空气起作用而发生燃烧。他把经过燃烧后的生铁用铁棍挑起来进行化验,结果发现铁被吹成含碳很低的钢。再进一步研究,贝斯麦发明了底吹空气式转炉。把铁水及少量废钢与铁合金放入炉内后吹入空气,铁水中的碳、硅、锰等元素被氧化并发出大量的热,变成了韧性很好的钢。这是一项震惊世界的发明,因为用这种方法炼钢,不再需要外加燃料,且十几分钟就能炼成数吨的优质钢,效率比过去的炼钢方法高出上百倍。1948年,德国人罗伯特杜勒(Robert Durrer)在瑞士在贝斯麦的发明基础上,用纯氧气顶吹转炉炼钢的试验获得成功。1952年在奥地利的林茨城(Linz)1953年在多纳维茨城(Donawitz)先后建成两座一次能装30吨铁水的氧气顶吹转炉,并投入生产,

该炼钢法也被称为LD”转炉法,使得炼钢的效率又提升了一大步,成为当今主要的转炉类型。后来电炉的发明也是基于这种转炉之上。目前世界最大的氧气顶吹转炉是德国奥古斯特蒂森钢厂的超大转炉一次能装400吨铁水日产钢量能达到1万吨

 

第三大件--轧机,有“万钧气盖”之力,使钢锭或钢坯在旋转的轧辊之间产生塑性变形,轧出各种断面形状与尺寸的钢材的机械设备。根据其断面形状,轧机可大体分为型材、线材、板材、管材类;按轧制时的温度不同,还可以分为热轧与冷轧类。

 

小知识

现今铁是被利用最广、用量最多的金属,其消耗量约占金属总消耗量的95%。2018年全球钢铁产量超过18亿吨,如果以宽、高各1米截面为单位,可以绕地球5圈以上。

 

仔细观察

高炉与转炉技术的发展都经历了从小到大的过程,但在实际生产中它们是越大越好么?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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