「鐵」是怎麼變身，成為「鋼」的？

法律顧問：趙建英律師

鍊鋼先煉鐵。鋼從生鐵而來。用鐵礦石冶煉而得的生鐵，含碳量較高，而且含有許多雜質（如硅、錳、磷、硫等）。因此，生鐵缺乏塑性和韌性，力學性能差，除熔化澆鑄外，無法進行壓力加工，因而限制了它的用途。

為了克服生鐵的這些缺點，使它在工業上能起到更大的作用，還必須在高溫下利用各種來源的氧，把生鐵裡面的雜質氧化清除到一定的程度，以得到一定成分和一定性質的鐵碳合金——鋼。

這種在高溫下氧化清除生鐵中雜質的方法叫鍊鋼。

鍊鋼的基本原理

生鐵中的各種雜質，在高溫環境下，不同程度上都與氧有較大的親和力。因此可以利用氧化的方法使它們成為液體、固體或氣體氧化物，液體和固體氧化物在高溫下與爐襯和加入爐內的熔劑進行反應，結合成爐渣，並在扒渣時被排除爐外，氣體也在鋼水沸騰時被CO帶到爐外。

在鍊鋼爐內，雜質的氧化主要是依靠FeO的存在而實現的。

2Fe＋O22FeO

01

硅元素的氧化

硅與氧有較大的親和力，因此硅的氧化很迅速，它在冶煉初期就已經完全被氧化而生成SiO2：

Si 2FeOSiO2 2Fe

同時SiO2又和FeO反應形成硅酸鹽：

2FeO SiO22FeO·SiO2

這種鹽是爐渣中很重要的一部分，它與CaO作用生成穩定化合物2CaO·SiO2和FeO，前者牢固存在於爐渣中，後者變成了渣中的遊離成分，使渣中FeO的含量增加，對促進雜質的氧化是比較有利的。其反應如下：

2FeO·SiO2 2CaO2CaO·SiO2 2FeO

02

錳元素的氧化

錳也是易氧化的元素，它所生成的MnO有較高的熔點，MnO在金屬液中並不溶解，但是它與SiO2形成化合物浮在液體金屬表面，成為爐渣的一部分。

Mn FeOMnO Fe

2MnO SiO22MnO·SiO2

硅、錳的氧化反應放出大量的熱，可以使爐溫迅速提高（這一點對轉爐鍊鋼特別重要），大大加速了碳的氧化過程。

03

碳元素的氧化

碳的氧化需要吸收大量的熱能，所以必須在較高的溫度下才能進行。碳的氧化又是鍊鋼過程中很重要的一個反應：

C FeOCO Fe

由於碳氧化時生成了CO氣體，它從液體金屬中逸出時起強烈的攪拌作用，這種作用叫做「沸騰」。產生沸騰的結果，可以促使熔池成分和溫度均勻，加速金屬與爐渣界面的反應，同時也有利於去除鋼中氣體和夾雜物。

04

磷元素的氧化

磷的氧化在不太高的溫度下即可發生，去磷過程由幾個反應組合而成，其反應如下：

2P 5FeOP2O5 5Fe

P2O5 3FeO3FeO·P2O5

當在鹼性爐渣中有足夠的CaO時會發生如下反應：

3FeO·P2O5 4CaO4CaO·P2O5 3FeO

所生成的4CaO·P2O5是穩定的化合物，它牢固地保持在爐渣中，因而達到了去磷的目的。

必須注意，鋼水在脫氧過程中，要加入硅鐵、錳鐵等脫氧劑，因而常常在脫氧以後，爐渣呈現酸性，而使3FeO·P2O5遭到破壞，從中還原出P2O5，而P2O5是不穩定的氧化物，它在高溫下易被碳還原，產生回磷現象。這也說明了在酸性爐內去磷是十分困難的。為了防止這種現象的產生，必須適當地增加爐渣鹼度和渣量，提高爐渣氧化性等。

05

硫元素的氧化

硫是以FeS的形式存在。當爐渣中有足夠的CaO時，同樣也能將硫去除，反應如下：

FeS CaOCaS FeO

生成的CaS並不溶於鋼水中，而形成了爐渣浮在鋼水表面。

上面這個反應是可逆反應，而且是在含有FeO的爐渣中進行的，當FeO與CaS發生作用時，會使硫重新回到鋼水中，所以去硫效率隨渣中FeO的含量減少而增高。

而渣中含有足夠的碳時，反應就不同了：

CaO FeS CCaS Fe CO

由於碳奪去了FeO中的氧，失去了CaS與FeO作用的可能性，使反應不能逆向進行，這就是為什麼電爐鍊鋼時去硫要比其他兩種方法來得完全的原因。

在去硫過程中，錳也起了促進去硫的作用，其過程如下：

FeS MnOMnS FeO

生成的MnS幾乎不溶於鋼水而進入渣中。因此，去硫的作用隨錳的氧化而加大。

06

FeO的脫氧

通過上述一系列氧化反應以後，雖然雜質被氧化了，達到了去除的目的，但是也由於氧化的結果，使鋼水中含有較多的FeO，也就是說鋼水中存在著大量的氧，給鋼帶來很大的危害，一方面使鋼帶有大量氣泡；另一方面也使鋼出現熱脆和冷脆現象，而且危害性隨含碳量的增加而加大。

因此，在鍊鋼過程的最後，還必須設法去除鋼水中大量存在著的氧。通常採用的方法是在鋼水中加入一些脫氧劑，如錳鐵、硅鐵、鋁等，它們強烈地從FeO中奪取氧而達到脫氧的目的，其反應如下：

FeO MnMnO Fe

2FeO SiSiO2 2Fe

3FeO 2AlAl2O3 3Fe

07

爐渣的作用

整個鍊鋼過程由氧化和還原兩個過程組成，通常把碳、硅、錳、磷的氧化稱為氧化期內的反應，把脫硫和脫氧稱為還原期內的反應。從以上各項反應式中可以看到，為了清除金屬中的雜質，必須考慮多方面的因素，但是其中最主要的因素就是造渣和除渣。

爐渣在鍊鋼過程中具有下列重要作用：

爐渣應保證鍊鋼過程按一定反應方向來進行（氧化或還原）。

爐渣應保證最大限度地去除金屬中的有害雜質（磷和硫），以及防止爐氣中的氣體（氮氣和氫氣）進入到金屬中。

爐渣應保證操作過程中鐵和其他有價值的元素損失最小。

鍊鋼的基本方法

轉爐鍊鋼

轉爐鍊鋼法就是利用空氣或氧氣，採取底吹、側吹和頂吹的方式，使鐵水中的元素氧化到規定限度，從而得到成分合格的鋼的一種鍊鋼方法。

電爐鍊鋼

電爐是利用電能轉變成熱能來鍊鋼的，常用的電爐有兩種：電弧爐和感應電爐。電弧爐用得最廣，宜於冶煉優質鋼和合金鋼；感應電爐用於冶煉高級合金鋼和有色合金。

平爐鍊鋼

隨著工業的發展，金屬加工工業中積累了大量廢鋼。當時無法用轉爐將它重新吹煉成鋼，因此鍊鋼工作者們就尋找一種用廢鋼作原料的鍊鋼方法。1864年由法國人馬丁發明了平爐鍊鋼法。

氧氣頂吹轉爐鍊鋼法的迅速發展，逐漸取代了平爐鍊鋼法。隨著科學技術的進步，一些新的鍊鋼方法不斷出現，比如鋼水的真空處理、電渣爐熔煉、真空感應電爐熔煉等方法，早已得到了越來越多的使用。

End

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