鋼材的原材料與生產工藝

一、原材料

鋼的源頭是鐵礦砂,即鐵元素(fe)在自然界中的存在形式,純粹的鐵在自然界中是不存在的,鐵礦砂主要分為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦三種,這些都是鐵的氧化物,不同之處在于它們的氧化方式。鐵礦砂中的含鐵量越高越好,理論上鐵礦砂中的最高含鐵量在72%左右,含鐵量在60%以上稱為富鐵礦。鐵礦砂先在熔爐內還原成鐵(銑鐵),再送入煉鋼爐內脫碳精煉成鋼,廢鋼也可在煉鋼爐熔煉再生。一般鋼鐵依使用用途制成性質、形狀各異的商品,既所謂的鋼鐵制品。通常鋼鐵制品是將鐵礦石還原,熔解成銑鐵(煉銑),銑鐵精煉成鋼(煉鋼),鋼再軋延、加工后制成各種鋼鐵制品,廣義的鋼鐵制品包含鑄鐵、鑄鋼、鍛造鋼品及鋼材加工的制品。

在討論鋼鐵的原料之前,我們先要弄清楚,究竟鋼和鐵有什么不同?是否有不同的成份呢?在日常生活上大家總是把鋼和鐵聯在一起稱為“鋼鐵”,可見鋼和鐵應該是一種物質才對;事實上,由科學的眼光來看,鋼和鐵是有少許不同的,它們的主要成份都是鐵元素,只是所含的碳元素量不同。我們通常以碳的含量在2%以上的叫“生鐵”,低于這個數值的叫“鋼”。因此,在冶煉鋼鐵的過程中,含鐵的礦石先在鼓風爐(blast furnace)(高爐)中被冶煉成熔融生鐵,而后熔融生鐵再放到煉鋼爐(steel making furnace)中精煉成鋼。

生產鋼鐵所需要的原料分成四大類來分別討論:第一類討論的是各種含有鐵質的礦石原料;第二類是煤和焦炭;第三類則討論在冶煉的過程中用來制造熔碴(sl*g)的熔劑(或稱助熔劑flux),如石灰石等;最后一類是各種輔助原料,如廢鋼料(scrap)、氧氣等。

二、鐵礦石種類及分布

在理論上來說,凡是含有鐵元素或鐵化合物的礦石都可以叫做鐵礦石。但是,在工業上或者商業上來說,鐵礦石不但是要含有鐵的成份,而且必須有利用的價值才行??墒?,由于很難絕對性的判定一個礦石是否有利用價值,所以在工業上很難訂立一個鐵礦石的標準。舉例來說,歐洲所產的鐵礦品質很差,而且含鐵量很低,只是因為他們找不到好的礦石,所以他們就把這種礦石稱為鐵礦石;而澳洲目前因為品質好含鐵量高的礦石存量很多,所以像歐洲所用的那種礦石在澳洲已經認為毫無價值。那么,在歐洲所使用的鐵礦石,在美國就不被鋼鐵業界認為是鐵礦石了。再譬如說,在過去被認為含鐵量太低沒有利用價值的礦石,由于現在工業技術的進步,發展出許多廉價的方法來富化礦石中鐵的成份,于是這些含鐵量低的礦石也就成為有價值的鐵礦石了。于是,我們歸納出一個結論,就是在工業上對于鐵礦石判定的標準是隨著地區性的供求關系、工業技術水準的改變及交通運輸的狀況而改變的。以目前的標準來看,礦石中的平均含鐵量大約在25%以上,才被稱為有利用價值的鐵礦石。

鐵都是以化合物的狀態存在于自然界中,尤其是以氧化鐵的狀態存在的量特別多?,F在將幾種比較重要的鐵礦石提出來說明:(前三種是主要種類)

(1)磁鐵礦(magnetite)是一種氧化鐵的礦石,主要成份為fe3o4,是fe2o3和feo的復合物,呈黑灰色,比重大約5.15左右,含fe 72.4%,o 27.6%,具有磁性。在選礦(beneficiation)時可利用磁選法,處理非常方便;但是由于其結構細密,故被還原性較差。經過長期風化作用后即變成赤鐵礦。

(2)赤鐵礦(hematite)也是一種氧化鐵的礦石,主要成份為fe2o3,呈暗紅色,比重大約為5.26,含fe 70%,o 30%,是最主要的鐵礦石。由其本身結構狀況的不同又可分成很多類別,如赤色赤鐵礦(red hematite)、鏡鐵礦(specularhematite)、云母鐵礦(micaceous hematite)、粘土質赤鐵(red ocher)等。

(3)褐鐵礦(limonite)這是含有氫氧化鐵的礦石。它是針鐵礦(goethite)hfeo2和鱗鐵礦(lepidocrocite)feo(oh)兩種不同結構礦石的統稱,也有人把它主要成份的化學式寫成m fe2o3nh2o,呈現土黃或棕色,含有fe約62%,o 27%,h2o 11%,比重約為3.6~4.0,多半是附存在其它鐵礦石之中。

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