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炼钢

炼钢是用铁矿（可能包括废铁）产生钢的制程。在炼钢过程中会去除氮、硅、磷、硫等杂质（英语：Impurity），也会控制碳的含量在一定的比例。炼钢时也可能会依照不同的钢质等级要求，加入像是锰、镍、铬、碳及钒等合金元素，以制成合金钢。

炼钢厂里的二个电弧炉

历史 编辑

 
中世纪时的锻铁炉熔炼

古代钢 编辑

参见：铁器时代

铁器最早出现在公元前4000年的古埃及与苏美，是从陨铁获得。公元前3000年至公元前2000年，在小亚细亚，埃及与美索不达米亚越来越多地由铁陨石中提练铁。

最早的钢出土于土耳其安那托利亚的卡曼-卡莱霍尤克（英语：Kaman-Kalehöyük）遗迹，约有四千年的历史[1]。公元前1400年东非人也用碳炉炼钢[2]。中国台西遗址和刘家河商墓也出土了公元前14世纪时商朝的五件铁刃铜钺。铁在当时属于炼铜的副产品，称为海绵铁，可能是用锻铁炉（英语：Bloomery）烧碳熔炼[3]。

在公元前4世纪，伊比利亚半岛出产了像利刃弯刀这种钢兵器，而古罗马军队则在用诺里库姆出产的钢兵器[4]。在战国时代（公元前403－221年）中国用淬火来硬化钢材[5]，而到了汉朝将熟铁和铸铁熔在一起炼出了中碳钢[6][7]。东非的哈亚人在接近2,000年前发明了一种高热高炉，使得他们在那个时候能用1,802 ℃的高温来锻造碳钢[8]。

坩埚钢 编辑

主条目：乌兹钢和大马士革钢

斯里兰卡的莎玛纳拉威瓦发现了建于公元前1000年的炼铁炉[9]，利用季风送风能够生产出高碳钢[10]。印度在公元前300年就开始生产乌兹钢[11]。中东大马士革地区进口乌兹钢打造出大马士革钢。自从乌兹钢的锻造法在公元五世纪从印度传入了中国，中国人除了使用他们本身原创的锻钢法，也采用了乌兹钢的生产法[12]，做出来的钢叫做镔铁。乌兹钢也叫大马士革钢，以其耐用性，与所制刀刃不易损而闻名。最早是由多种不同的材料制成，当中包括各种稀有元素。它本质上是一种以铁为主的复杂合金。最近研究指出，它的内部结构中含有碳纳米管，所以这可能就是它那有名特性的来源，介于当时的铸造技术有限，做出这种结构大概是出于偶然，而不是有意[13]。送风式炉用的是天然风，炉内放置含铁的土壤，并用木材加热。古代的僧伽罗人成功从每两吨的土壤中提炼出一整吨的钢材，当时来说可谓成就卓越。考古学家在莎玛纳拉威瓦找到了这样的一个炉，并成功用古人的方法来生产钢铁[10][14]。

把纯铁与碳（一般是木炭）放在一起于坩埚内慢慢加热，冷却后就能得到坩埚钢，在公元九至十世纪前，梅尔夫这个地方就已经在生产坩埚钢。在十一世纪，有证据指出宋朝的中国共有两种炼钢法：一种把小量熟铁跟铸铁熔在一起，用于生产不均匀的次等钢；另一种是现代贝塞麦炼钢法的前身，透过在冷炉风下的重复锻造，达到不完全除碳的效果[15]。

现代炼钢 编辑

 
一座位于英格兰锡菲尔德的贝塞麦转炉

从十七世纪起，欧洲式炼钢的第一步就是用高炉把铁矿炼成生铁[16]。最早期炉子里烧的是木炭，现代方法则改为烧焦炭，事实证明后者要比前者便宜得多[17][18][19]。

从铁条开始的过程 编辑

主条目：渗碳法和坩埚钢

在这些过程中，生铁需要在精炼厂中接受精炼，以生产出铁条（熟铁），之后再拿铁条去炼钢[16]。

用渗碳法炼钢的程序被记载于一篇在1574年布拉格出版的论文中，并且早在1601年纽伦堡人就在用这方法炼钢。一本在1589年那不勒斯出版的书中有提及相近的方法，用于制作经表面硬化的盔甲与锉。这套程序在1614年被引入英格兰，而巴兹尔·布鲁克爵士于1610年代在什罗普郡的柯尔布鲁德尔生产这种钢[20]。这套方法的原材料是熟铁造的铁条。在十七世纪期间，最好的熟铁是瑞典斯德哥尔摩以北所产的厄勒格伦德铁。到了十九世纪这种铁还是最常用的原料，也就是在用这套方法的期间，几乎用的都是这种铁[21][22]。

在坩埚里烧出来的钢叫坩埚钢，它是没有经过锻造的，因此成品会比均匀。以前大部分的炉都不能达到能熔掉钢的温度。现代的坩埚钢工业最早是由本杰明·汉特斯曼于1740年代的发明所衍生的。一般会把渗碳钢（以渗碳法制成的钢）放在坩埚或熔炉里面熔掉，然后铸成钢锭[22][23]。

从生铁开始的过程 编辑

 
位于勃兰登堡工业博物馆的一台西门子－马丁烤钢炉
 
从电弧炉倒出来的白热钢

炼钢的现代史从1858年[24][25] 引进亨利·贝塞麦的贝塞麦炼钢法开始。他的原料是生铁[26]。他的炼钢法让低成本大量生产变得可行，因此从前用熟铁的地方现在都用软钢[27]。吉尔克莱斯特-托马斯炼钢法（或基本贝塞麦炼钢法）是贝塞麦炼钢法的改良版，就是在转炉内部铺上一层盐基材料，以达到除磷的效果。炼钢的另一项改良就是西门子－马丁炼钢法，能够补足贝塞麦炼钢法的缺点[22]。

在使用碱性氧气炼钢的林茨－多纳维茨炼钢法出现后，上述的炼钢法都被淘汰了，碱性氧气炼钢法及其他氧气炼钢法是在1950年代被开发出来的。碱性氧气炼钢法比其他方法优胜是因为，被泵到表面上的氧气会限制杂质，而从前杂质能够从所用的空气中进入[28]。时至今日，用电弧炉来重新处理废金属是很常见的，处理后能生产出新的钢。它也可用于把生铁转化成钢，但需要使用大量电力（每吨需要约440 kWh），所以一般只能在有大量廉价电力供应的情况下才有经济效益[29]。 炼钢的工艺已存在上千年，

但一直到十九世纪中才商业化（英语：Commercialization），进行大量生产。像坩埚钢制程就是古代的炼钢制程。在1850年代以及1860年的贝塞麦转炉炼钢法及平炉炼钢法让炼钢变成重工业的一部分。

现今炼钢的商业制程主要有二种，分别是以高炉中的液态生铁以及废铁为主要材料的碱性氧气炼钢（英语：basic oxygen steelmaking），以及用废铁或直接还原铁（DRI）为主要材料的电弧炉（EAF）炼钢。氧气炼钢主要是以钢炉中反应的放热特性作为其燃料。而EAF炼钢是由电能来熔化废铁或直接还原铁。近年来的EAF炼钢也使用比较多的化学能，因此也比较类似氧气炼钢[30]。

炼钢是世界上主要的温室气体排放产业之一。截至2020年 (2020-Missing required parameter 1=month!)，全世界炼钢排放的温室气体约占总数的10%[31]。为了气候变化缓解，产业需要找到可以大幅减少温室气体排放的方法[32]。McKinsey公司在2020年提出了一些可能可以减少温室气体排放的技术，包括碳捕捉、制造时的再利用、以及将电弧炉的电源改用太阳能或是风能，或是在制程中制造洁净燃料氢气[32]。

参考资料 编辑

  1. ^ Ironware piece unearthed from Turkey found to be oldest steel. The Hindu (Chennai, India). 2009-03-26 [2009-03-27]. （原始内容存档于2009-03-29）. 
  2. ^ Civilizations in Africa: The Iron Age South of the Sahara. Washington State University. [2007-08-14]. （原始内容存档于2007-06-19）. 
  3. ^ Wagner, Donald B. Early iron in China, Korea, and Japan. [2007-02-28]. （原始内容存档于2007-02-05）. 
  4. ^ "Noricus ensis," Horace, Odes, i. 16.9
  5. ^ Wagner, Donald B. Iron and Steel in Ancient China: Second Impression, With Corrections. Leiden: E.J. Brill. 1993: 243. ISBN 90-04-09632-9. 
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外部链接 编辑

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