合成鋼

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合成钢複合材料在煉鋼的運用。

歷史[编辑]

罗伯特·坦普尔李约瑟皆推测合成钢工艺在更早前就存在了,然而第一个融合熟铁铸铁以生产钢铁的明确文字记载是来自6世纪道家匠人綦母怀文,他自543年至550年追随北魏将领高欢(496年至597年,后来被尊为北齐高祖神武帝)。[1][註 1][註 2]唐朝(618年至907年)于659年刊行的《新修本草》亦介绍了将熟铁与铸铁一起搅拌加热的过程,并指出钢铁制品是用来锻造镰刀[4] [註 1]至于后面《新修本草》的记载,苏颂(1020年至1101年)也提出了类似的说明,并指出钢铁在造剑上的利用。[5][註 1]明朝(1368年至1644年),宋应星(1587年至1666年)1637年的著作《天工开物》是第一种文献详细描述钢铁制程者,该书指出熟铁先被锻打成细小的薄板,包成铁片束,最后铸铁堆于其上后下压。[6][註 1]在熔炉中铸铁将先融化,「渗淋入」熟铁中;一旦融合,这半成品将进行重复多次被取出熔炉锻造、加热、并捶打等一系列过程。[6][註 1]坦普尔和李约瑟两位学者皆表示这些制程比后来卡尔·威廉·西门子德语Carl Wilhelm Siemens(Carl Wilhelm Siemens,1823年至1883年)平炉年代更早。[註 2][註 3]

1740年,英国人亨茨曼(B.Hunsman)发明了坩埚炼钢法,為欧洲历史上第一次炼得了液态钢水。此項发明的关键是制造出一种可耐1600℃高曙的耐火材料,以制作坩埚。从此,各种优质钢,例如工具钢均采用坩埚法冶炼

受到战争需要推动,1870年代前后,西方各国的冶金技术有了很大的发展。先是德国人克虏伯钢厂发明了以坩锅铸造大钢块,能夠制造大口径之钢炮;克虏伯钢炮在普法战争中大显神威,声名大振。战爭后,各国纷纷采用了克虏伯钢材制造火炮,使到炮身质量明显提高。与此同时,法国於1865年发明平炉炼钢法后,也开始使用高质量的钢材制造炮身。英国於1878年由托马斯改进了贝色马创造的转炉炼钢法,降低了钢的含磷量,制成的炮身不易碎裂。

1856年,英国人贝塞麦(H.Bessemer)发明了底吹酸性转炉炼钢法,以后被称为贝塞麦转炉炼钢法。从此开创了大规模炼钢的新时代。1879年,英国托马斯(S.G.Thomas)创造了碱性转炉炼钢法。造碱性渣除磷适用于西欧丰富的高磷铁矿的冶炼,一般称托马斯转炉炼钢法。1891年,法国人特罗佩纳(Tropenas)创造了侧面吹风的酸性侧吹转炉炼钢法,曾經在铸钢厂得到应用。

1856年,英国人西门子(K.W.Siemens)使用了蓄热室为平炉的构造奠定了基础。1864年,法国人马丁(P.┵.Martin)利用西门子发明的带蓄热室的火焰炉,用废钢和生铁成功地炼出了钢液,从此发展了平炉炼钢法──在欧洲一些国家称为西门子-马丁炉或马丁炉。此法同当时的转炉炼钢法比较,一‧可以大量使用废钢,而且生铁和废钢配比較灵活,二‧对铁水成分的要求不像转炉那样严格,可以使用转炉不能夠使用的普通生铁,三‧能夠炼的钢种比較转炉多,而且质量比较好。因此,碱性平炉炼钢法问世后就为各国广泛采用,成为世界上主要的炼钢方法。於1930年至1960年年间,世界每年钢的总产量近80%是平炉钢。直到1950年代初期,氧气顶吹转炉投入生产,从1960年代起平炉逐渐才失去其主力地位。平炉炼钢法的最大缺点是冶炼时间长(一般需要6至8小時),燃料耗损大(热能的利用僅20%至25%),基礎設施投资和生产费用高。一个年产1,200万吨钢的钢厂,只要建成6个250至300吨的纯氧顶吹转炉就足夠,如果修建平炉却需要500吨的大型平炉30至40座。目前世界上仍然在生产的平炉普遍采用氧气炼钢,生产率有了比较大的提高,惟除尘系统复杂,投资高昂,因此平炉炼钢不再发展,甚至有拆除改建为顶吹或者底吹转炉的趋势。许多国家原有的炼钢主力──平炉已经或者正在陆续被氧气转炉和电炉所代替。

用氧气代替空气的优越性早被认识,惟因為未能夠获得大量廉价的工业纯氧,长期未能夠实现。至1940年代,空气分离制氧以工业规模进行生产后,炼钢大量用氧有了可能。但是,旧有转炉改用氧气吹炼,炉底风眼烧损很快,甚至使吹炼无法进行。1948年,杜雷尔(R.Durrer)在瑞士采用了水冷氧枪垂直插入炉内吹炼铁水获得成功,1952年,奥地利人林茨(Linz)和多纳维茨(Donawiz)钢厂建立30吨氧气顶吹转炉车间。后来就按照这两个地名的第一个字母称氧气顶吹转炉炼钢法为LD炼钢法。1950年代,LD炼钢法传播到世界各国,逐步取代平炉炼钢法。随着顶吹氧转炉的问世,也出现了其他类型吹氧炼钢方法,例如卡尔多转炉(Kaldo)炼钢法、罗托转炉(Rotor)炼钢法,惟均未能夠推广。喷石灰粉的氧气顶吹转炉炼钢法,被称為LD-AC法,可以吹炼含磷高的生铁,在氧气底吹转炉问世前曾应用于高磷生铁炼钢生产。

尽管氧气顶吹转炉法得到广泛发展,有人认为由底部供气,熔池搅拌力强,冶炼过程较为合理。1965年,加拿大空气液化公司试验成功用同心吹氧管同时吹入气态碳氢化合物来冷却喷嘴的技术,随后法国也试成用燃料油冷却喷嘴的技术,此舉较好地解决了氧气底吹风口烧损快的问题,使到底吹转炉炼钢方法得以复苏。1967年后,德国和法国分别采用了上述两项技术建造氧气底吹转炉投入生产,被称为”OBM”法(即Oxygen Bottom-blowMaximilian)和“LWS”法(為Loire、Wendel/Sidelor和Sprunck三公司的缩写)。1971年,美国引进“OBM”法,用于底吹氧气喷石灰粉吹炼含磷生铁,取名為“Q-BOP”法(Q表示不平静quiet快quick和优质quality,BOP为碱性氧气法))。

氧气顶吹转炉采用喷嘴或透气砖自底部吹入少量惰性气体或氧气,可以明显地改善熔池的搅拌力,兼有底吹和顶吹的优点。1974年,英国首先在1.25吨转炉上使用此法。1975年,法国和卢森堡合作在65吨转炉上先后试验顶底复合吹炼转炉炼钢成功,随后开始在世界范围内推广应用。

參考注釋[编辑]

腳注
  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Temple (1986), 68.[2]
  2. ^ 2.0 2.1 Needham (1986), Volume 4, Part 2, 34.[3]
  3. ^ Temple (1986), 68–69.[2]
引用
  1. ^ 见《北齐书卷四十九,原文:「綦母怀文,不知何郡人。以道术事高祖。……又造宿铁刀,其法烧生铁精以重柔铤,数宿则成刚,以柔铁为刀脊,浴以五牲之溺,淬以五牲之脂,斩甲过三十札。今襄国冶家所铸宿柔铤,乃其遗法,作刀犹甚快利,不能截三十札也。怀文云:“广平郡南斡子城是干将铸剑处,其土可以莹刀。……」
  2. ^ 2.0 2.1 罗伯特·坦普尔《中國的100個世界第一》(The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention)1986
  3. ^ 李约瑟.《中國的科學與文明》(正体中文)(即《中國科學技術史(简体中文)
  4. ^ 见《新修本草》卷四铁精,原文:「……钢铁,是杂炼生镰,作刀、者……」
  5. ^ 见《图经本草》,原文:「初炼去矿,用以铸泻器物者,为生铁;再三销拍,可做鍱者,为鑐铁,亦为之熟铁;以生柔相杂和,用以做刀剑锋刃者,为钢铁」
  6. ^ 6.0 6.1 见《天工开物,原文:「……凡钢铁炼法,用熟铁打成薄片,如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖紧,生铁安置其上(广南生铁名堕子生钢者妙甚),又用破草履盖其上(粘带泥土者,故不速化),泥涂其底下。洪炉鼓鞲,火力到时,生钢先化,渗淋熟铁之中,两情投合。取出加锤,再炼再锤,不一而足。俗名团钢,亦曰灌钢者是也。……」