鋼鐵製造與熱處理

煉鋼主要的目的在於降低生鐵中的碳含量,以增進鋼鐵的韌性、可鍛性等。同時,也可以添加不同的合金元素,用來提升鋼鐵的強度、硬度、耐磨耗性、耐腐蝕性、加工性等。

何謂鼓風爐

轉爐煉鋼法 利用轉爐煉鋼的方法很多,較坩鍋法複雜。在各種轉爐煉鋼法中,以貝塞麥轉爐法最具代表性,這一種方法是英國人貝塞麥在1856年所發明的。冶煉方法是把鐵水、廢鐵和石灰石放入轉爐內,用一根管子從坩鍋口插入熔鐵中,吹入高壓氧氣來煉鋼,並使鐵水溫度急速上升。在這時候,鐵水中的碳會和氧化合成一氧化碳氣泡溢出,其他的雜質則會和石灰石化合成瀘渣浮在表面上,而原來的鐵水便成了鋼的熔液。

平爐煉鋼法 平爐法是法國人馬丁在1864年採用德國人西門子的方法所進一步開發出來的,因此又稱為西門子-馬丁法。在進行平爐煉鋼時,經過下層蓄熱室預熱的空氣和煤氣被送入上層熔池,在鐵水表面吹拂、燃燒,可以比較完全地把鐵水中的碳和其他雜質氧化,得到優質的鋼。雖然平爐冶煉的時間比較長,一般是24小時,但因為熔池很大,一爐便可以煉製百噸鋼水,所以產量比較高。而且原料不限制只能使用生鐵,廢鋼、鐵屑、熟鐵、鐵礦石都可以,煉出的鋼質量穩定均勻,因此一直沿用至今。

坩鍋煉鋼法 這是一種最古老的煉鋼法,由英國人杭茲曼在1740年所發明。一般常用的坩鍋以石墨或黏土製成,生產量少,成本過高,不符合經濟原則。但是所得到的鋼品質較佳,適合小型工廠生產,或是專門用來冶煉合金鋼。

電爐煉鋼法 所謂的電爐法是使用電力熔解金屬,也就是說,由電能來冶煉鋼料,是現代最進步的一種煉鋼方式。電爐煉鋼速度快,品質容易控制。這個方法使用電力熔化原料,化學反應與平爐相同。電爐煉鋼生產的鋼鐵純度極高,目前大部分的特殊合金鋼都是使用這種方法煉製的。近年來,電爐已經日漸應用在各種商用鋼品的生產上。尤其在電價低廉的地區,電爐法更是盛行。

鋼鐵製造流程圖

鼓風爐(blast furnace)blast furnace)為主要設備,又稱高爐,用以將鐵礦還原成生鐵。

。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐,並使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內形成交替分層結構。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣,聚集在爐缸中,定期從鐵口、渣口放出。

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鼓風機送出的冷空氣在熱風爐加熱到800~1350℃以後,經風口連續而穩定地進入爐缸,熱風使風口前的焦炭燃燒,產生2000℃以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加熱鐵礦石和熔劑,使成為液態;並使鐵礦石完成一系列物理化學變化,煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進行劇烈的傳熱、傳質和傳動量的過程。

下降爐料中的毛細水分當受熱到100~200℃即蒸發,褐鐵礦和某些脈石中的結晶水要到500~800℃才分解蒸發。主要的熔劑石灰石和白雲石,以及其他碳酸鹽和硫酸鹽,也在爐中受熱分解。石灰石中CaCO3和白雲石中MgCO3的分解溫度分別為900~1000℃和740~900℃。鐵礦石在高爐中於400℃或稍低溫度下開始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區先熔於爐渣,然後再從渣中還原出鐵。

石炭在高爐中不熔化,只是到風口前才燃燒氣化,少部分焦炭在還原氧化物時氣化成CO。而礦石在部分還原並升溫到1000~1100℃時就開始軟化;到1350~1400℃時完全熔化;超過1400℃就滴落。焦炭和礦石在下降過程中,一直保持交替分層的結構。由於高爐中的逆流熱交換,形成了溫度分布不同的幾個區域:

1區是礦石與焦炭分層的干區,稱塊狀帶,沒有液體;

2區為由軟熔層和石炭夾層組成的軟熔帶,礦石開始軟化到完全熔化;

3區是液態渣、鐵的滴落帶,帶內只有石炭仍是固體;

4風口前有一個袋形的石炭迴旋區,在這裡,焦炭強烈地迴旋和燃燒,是爐內熱量和氣體還原劑的主要產生地。

心得:做完了這張心智圖,我已經充分的理解到鋼鐵製造所需的原料、製程等等...,熱處理也比之前了解得更深入一些。

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1.焠火:用途是讓碳鋼表面硬度很硬(像SS400這種沒有碳元素的鐵怎麼熱處理都沒用)。過程是加熱到鋼材裡的晶粒達到可變態狀態,然後急速冷卻,讓它晶粒瞬間變成很硬的麻田散鐵

2.退火:用途是降低鋼材的硬度。過程是將鋼材加熱到適當溫度,並保持一段時間,通常置於爐內或以灰燼加以覆蓋,任其自然緩慢冷卻的處理。台灣老師傅講的台語"退鋼"就是講這個

3.回火:用途是消去剛硬化處理過鋼材裡的內應力。過程是將鋼材加熱到A1變態點(723℃)以下的適當溫度,藉以消除內應力。例子是現在工具機的床軌不像以前本錢很厚可以棄之在野外任其風吹雨淋好幾年讓它自然消除鑄造完的內應力,現在幾乎都是接單完下單給鑄造廠或鑄造商,馬上鑄造,床軌送去做高週波→回火→研磨

4.正常化:有點像回火與調質的綜合體,用途是使鋼材組織的均勻化,也可消除鋼材的內應力,並獲得例如加工性、切削性的機械性質。

5.調質:用途是使鋼材增加強度和韌性。過程是先焠火再高溫回火。調質完的鋼材加工完還能再做高週波等表面硬化處理