【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第五章鐵?

§5-5鋼的冶煉

【01】從高爐煉出來的生鐵，由于其中含有較多的碳和相當(dāng)多的硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)，因此性質(zhì)松脆而不堅固，不容易進(jìn)行機(jī)械加工。所以，絕大部分的生鐵，都用來煉鋼。要把生鐵煉成鋼，就要設(shè)法降低生鐵中的含碳量，同時要把硫、磷等有害雜質(zhì)盡量除去。

煉鋼的原理

【02】把生鐵煉成鋼也是一個氧化-還原過程。主要是把熔融的生鐵進(jìn)行氧化，使其中所含的大部分雜質(zhì)變成氣體和爐渣而除去。

【03】煉鋼一般分成兩個階段，即：氧化生鐵中的雜質(zhì)和使煉成的鋼脫氧?，F(xiàn)簡單介紹如下。

1、氧化生鐵中的雜質(zhì)

【04】液態(tài)生鐵中鐵的含量大大超過其他雜質(zhì)，當(dāng)加入氧化劑（氧氣或鐵的氧化物）后，鐵就被氧化，使部分的鐵轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘉嗚F并放出熱量：

【05】生成的氧化亞鐵會使生鐵中的雜質(zhì)硅、錳、碳依次氧化：

【06】其中有放熱反應(yīng)，也有吸熱反應(yīng)。但總的來講，放熱大于吸熱，因此煉鋼爐內(nèi)的溫度仍能提高。

【07】如果生鐵里含硫和磷的量較多，還必須在熔煉過程里加入大量的生石灰。生鐵里含的磷，當(dāng)被氧化亞鐵氧化時，生成五氧化二磷，五氧化二磷又跟氧化亞鐵反應(yīng)生成磷酸亞鐵，磷酸亞鐵遇生石灰反應(yīng)生成磷酸鈣，成為爐渣而除去：

【08】硫在液態(tài)合金里，以硫化亞鐵形式存在，遇到生石灰就起反應(yīng)生成硫化鈣，成為爐渣而排出：

2、使煉成的鋼脫氧

【09】所有氧化反應(yīng)都進(jìn)行完畢后，先把生成的爐渣排出。但氧化后的液態(tài)合金里還含有少量剩余的氧化亞鐵，雖然含量不多，但會大大影響鋼的質(zhì)量。因為它一方面能使鋼發(fā)生熱脆性，另一方面能跟鋼里的碳結(jié)合生成一氧化碳，使鋼里發(fā)生氣泡，降低鋼的堅固性。因此，必須把這少量的氧化亞鐵除去。一般在鋼將要熔煉完畢的時候，加一些還原劑（叫做脫氧劑），如錳鐵、硅鐵或金屬鋁等，它們跟氧化亞鐵反應(yīng)，使鋼脫氧：

【10】硅、錳等在各種鋼里的含量必需符合各種不同的標(biāo)準(zhǔn)。所以，加入錳鐵、硅鐵等脫氧劑，還可以調(diào)整鋼里硅、錳等的含量。

【11】這里第一和第二兩個反應(yīng)，看來好象與氧化生鐵里的雜質(zhì)時的反應(yīng)相同，但其目的顯然是不同的。這里的反應(yīng)是使煉成的鋼脫氧，提高鋼的質(zhì)量，而氧化生鐵里的雜質(zhì)時的反應(yīng)，則是除去生鐵里的雜質(zhì)而使生鐵變成鋼。

煉鋼的方法

【12】煉鋼的方法，一般可分成轉(zhuǎn)爐煉鋼、平爐煉鋼和電爐煉鋼三種?，F(xiàn)簡單介紹如下。

1、轉(zhuǎn)爐煉鋼法

【13】這種煉鋼法使用的氧化劑是空氣里的氧氣。把空氣鼓入熔融的生鐵里，使雜質(zhì)硅、錳等氧化。在氧化過程里所放出的大量熱量（含1%的硅可使生鐵的溫度升高200℃），可使?fàn)t內(nèi)達(dá)到足夠高的溫度。所以用轉(zhuǎn)爐煉鋼不需另外使用燃料。

【14】轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐里進(jìn)行的。轉(zhuǎn)爐的外形象個梨（圖5·5），內(nèi)壁襯有耐火磚，爐側(cè)有許多小孔（風(fēng)口），壓縮空氣從這些小孔里吹入爐內(nèi)，所以又叫做側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。開始冶煉時，先把轉(zhuǎn)爐傾斜至水平位置，從入口處注入溫度約1300℃的液態(tài)生鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空氣并轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)爐使它直立起來。這時，液態(tài)生鐵表面劇烈地反應(yīng)，使鐵、硅、錳氧化，并生成爐渣，鋼液呈沸騰狀，爐口出現(xiàn)小火花，但火焰短而不明亮。由于熔化的鋼鐵和爐渣的對流作用，使反應(yīng)遍及整個爐內(nèi).幾分鐘后，當(dāng)鋼液中只剩下少量的硅與錳時，碳便開始氧化，生成一氧化碳，使鋼液劇烈沸騰。爐口由于逸出的一氧化碳的燃燒而出現(xiàn)巨大的火焰。最后，磷也發(fā)生氧化并進(jìn)一步生成了磷酸亞鐵。磷酸亞鐵再跟生石灰反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鈣成為爐渣。

【15】當(dāng)碳與磷逐漸減少，火焰退落，爐口出現(xiàn)了四氧化三鐵的褐色蒸氣時，表明鋼已煉成。這時應(yīng)立即停止鼓風(fēng)，并把轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)到水平位置，把鋼水傾至鋼水包里，再加脫氧劑進(jìn)行脫氧。整個冶煉過程只需15分鐘左右。

【16】如果空氣是從爐底吹入，那就是底吹轉(zhuǎn)爐。

【17】隨著制氧技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)普遍采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（也有側(cè)吹轉(zhuǎn)爐）。這種轉(zhuǎn)爐吹入的是高壓工業(yè)純氧，反應(yīng)更為劇烈，能進(jìn)一步提高生產(chǎn)率和鋼的質(zhì)量。

2、平爐煉鋼法

【18】平爐煉鋼法也叫馬丁法。

【19】平爐煉鋼使用的氧化劑是通入的空氣和爐料里的氧化物（廢鋼，廢鐵，鐵礦石）。反應(yīng)所需的熱量是由燃燒氣體燃料（高爐煤氣，發(fā)生爐煤氣）或液體燃料（重油）所供給，平爐（圖5·6）的爐膛是一個耐火磚砌成的槽，上面有耐火磚制成的爐頂蓋住。平爐的前墻上有裝料口，裝料機(jī)就從這里把爐料裝到平爐里去。熔煉時裝料口用耐火磚造成的門關(guān)起來。平爐的后墻上有二個開口，下面的是出鋼口，上面的是出渣口。爐膛的二端都筑有爐頭，爐頭各有二個孔道，供導(dǎo)入燃料與熱空氣，或從爐里導(dǎo)出爐氣之用。

【20】平爐煉鋼所用的原料有廢鋼、廢鐵、鐵礦石、生鐵和熔劑(石灰石或生石灰)。開始冶煉時，燃料遇到導(dǎo)入的熱空氣就在爐料面上燃燒，溫度高達(dá)1800℃。熱量直接由火焰?zhèn)鹘o爐料，使?fàn)t料迅速熔化（因為純鐵的熔點(diǎn)是1535℃而鋼的熔點(diǎn)略低）。同時有一部分熔化了的生鐵在熱空氣和廢鋼或鐵礦石里的氧的作用下，被氧化成氧化亞鐵，生鐵里的雜質(zhì)硅、錳被氧化亞鐵氧化，生成了爐渣。由于爐里放有過量的生石灰，磷與硫等雜質(zhì)就生成磷酸鈣和硫化鈣成為爐渣。其次碳也進(jìn)行氧化，生成一氧化碳從熔化的金屬里冒出，好象金屬在沸騰一樣。

【21】反應(yīng)快要進(jìn)行完畢的時候，加入脫氧劑并定時把爐渣扒出。在冶煉將完成時，要根據(jù)爐前分析（用快速分析法，只需幾分鐘可完成）來檢驗鋼的成分是否合乎要求。煉得的鋼從出鋼口流入鋼水包里，再從鋼水包注入模子里鑄成制品或鋼錠。

【22】為了提高爐溫，氣體燃料或空氣要在蓄熱室里進(jìn)行預(yù)熱。

【23】蓄熱室是用耐火磚砌成空格的室（圖5·6a），每座平爐有二對蓄熱室。在每一對蓄熱室里，一個室加熱氣體燃料，另一室加熱空氣。操作時氣體撚料沿著管子經(jīng)過蓄熱室Ⅲ，空氣沿著另一管子經(jīng)過蓄熱室Ⅳ，在爐膛口上方會合，發(fā)生燃燒。燃燒后的廢氣掠過爐膛，從另一方排出，把蓄熱室Ⅰ和Ⅱ加熱。經(jīng)過30~40分鐘后轉(zhuǎn)動導(dǎo)管里的變向裝置，改變氣體方向，這時氣體燃料和空氣便通過蓄熱室Ⅰ和Ⅱ受熱，在爐膛上方燃燒，再經(jīng)過蓄熱室Ⅲ，Ⅳ，使這二室加熱。如此交替地改變氣流方向，就可充分利用熱量，使?fàn)t膛達(dá)到1000~1300℃的高溫。

【24】在平爐里不但可以加入液態(tài)的生鐵，而且可以加入固態(tài)的生鐵以及鋼鐵加工工業(yè)上的廢鋼、鐵礦石等。同時爐料的成分沒有嚴(yán)格的限制，可以全部用生鐵，也可以全部用廢鋼。平爐容積大，鋼的損耗少，可以冶煉出各種不同成分的碳鋼與合金鋼，鋼的質(zhì)量也高。缺點(diǎn)是建筑費(fèi)用較高，熱能的利用率較低。在平爐里如果用含氧30%的富氧空氣鼓風(fēng)，同時在熔化的金屬里吹入氧氣，可使生產(chǎn)率提高70%，冶煉的時間縮短24小時，并可節(jié)約燃料，富氧空氣也不需經(jīng)過預(yù)熱。

3、電爐煉鋼法

【25】鋼還可以在以電能為熱源的電爐里冶煉。使用電爐煉鋼能煉出優(yōu)質(zhì)的合金鋼。

【26】電爐的種類很多，應(yīng)用最廣泛的是電弧爐（圖5·7）。電弧爐的外形呈圓柱形。小型電爐的直徑約2.5公尺，容量3.5噸；大型電爐的直徑可達(dá)6公尺，容量達(dá)80噸。電爐的爐壁和爐底都用耐火磚襯里，爐上有一球面拱形的爐頂。靠近爐底二旁有裝料口和出鋼口，裝料門下有一個出渣槽。電爐的電極用石墨制成，裝在爐頂上用青銅箍夾住。爐里的熱量完全來自電極和爐料之間生成的電弧，以及電流通過爐料所產(chǎn)生的熱。電極可以不斷地上下移動，用來調(diào)節(jié)溫度和補(bǔ)充電極下端的消耗。電爐煉鋼一般用冷的廢鋼，也可以用熱的鋼液作原料。冶煉時把爐關(guān)閉，爐里溫度高達(dá)2000℃，鋼液能發(fā)生沸騰。整個煉鋼過程約需3小時。

【27】電爐便于管理，冶煉時間較短，可以冶煉出各種不同成分的合金鋼，包括含有各種難熔金屬如鎢和鉬的合金鋼。合金元素在電爐里的損失量比在平爐和轉(zhuǎn)爐里都少。但用電比用其他燃料的成本卻要高些。

【28】現(xiàn)將三種煉鋼法列表比較（見表5·1）。

習(xí)題5-5

1、煉鋼的化學(xué)原理怎樣？和煉鐵的原理有什么相同和不同的地方？

2、煉鋼一般有哪幾種方法？試就每種方法的原料，使用的氧化劑，反應(yīng)時熱量的來源，產(chǎn)品以及優(yōu)缺點(diǎn)作一比較。

3、煉鋼時用哪些物質(zhì)作脫氧劑？加脫氧劑的目的是什么？

4、煉鋼開始和熔煉完畢時，都常有下列反應(yīng)：

在作用上有什么不同？

5、畫出側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的簡圖，說明轉(zhuǎn)爐煉鋼的操作過程。

6、平爐的構(gòu)造和平爐煉鋼的操作過程怎樣？

7、把5克鋼的試樣放在氧氣里灼燒，得到0.1克的二氧化碳。求這種鋼里含碳的百分率。【0.55%】