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(nèi)還原成鐵(銑鐵),再送入煉鋼爐內(nèi)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(zhì)、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(lián)在一起稱為“鋼鐵”,可見鋼和鐵應該是一種物質(zhì)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(shù)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(chǎn)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(zhì)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(slag)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(yè)上或者商業(yè)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。可是,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(yè)上很難訂立一個鐵礦石的標準。舉例來說,歐洲所產(chǎn)的鐵礦品質(zhì)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(zhì)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(jīng)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(yè)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(xiàn)在工業(yè)技術(shù)的進步,發(fā)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(jié)論,就是在工業(yè)上對于鐵礦石判定的標準是隨著地區(qū)性的供求關(guān)系、工業(yè)技術(shù)水準的改變及交通運輸?shù)臓顩r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(tài)存在于自然界中,尤其是以氧化鐵的狀態(tài)存在的量特別多?,F(xiàn)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F(xiàn)e?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(jié)構(gòu)細密,故被還原性較差。經(jīng)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F(xiàn)e?70%,O?30%,是最主要的鐵礦石。由其本身結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)礦石的統(tǒng)稱,也有人把它主要成份的化學式寫成m?Fe2O3nH2O,呈現(xiàn)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。

  (4)菱鐵礦(Siderite)是含有碳酸鐵的礦石,主要成份為FeCO3,呈現(xiàn)青灰色,比重在3.8左右。這種礦石多半含有相當多數(shù)量的鈣鹽和鎂鹽。由于碳酸根在高溫約800~900℃時會吸收大量的熱而放出二氧化碳,所以我們多半先把這一類礦石加以焙燒之后再加入鼓風爐。(5)鐵的硅酸鹽礦(Silicate?Iron)此類礦石是一種復合鹽,沒有一定的化學式,成份的變化很大,一般呈現(xiàn)深綠色,比重為3.8左右,含鐵成份很低,是一種較差的鐵礦石。

  (6)硫化鐵礦(Sulphide?iron)這種礦石含有FeS2,含F(xiàn)e只有46.6%而S的含量達到53.4%。呈現(xiàn)灰黃色,比重大約為4.95~5.10。由于這種礦石常常含有許多其它較貴重的金屬如銅(Copper)、鎳(Nickel)、鋅(Zinc)、金(Gold)、銀(Silver)等,所以常被用做他種金屬冶煉工業(yè)的原料;又由于它含有大量的硫,所以常被用來提制硫磺,鐵反而變成了副產(chǎn)品,所以事實上已不能稱為鐵礦石。

  鐵在地球表面,分布非常廣泛,而且存量也極為豐富,幾乎所有的巖石和動植物的殘骸之中都含有少許鐵的成份;根據(jù)地質(zhì)學家的估計,地殼中大約有4~5%是鐵的元素。

  雖然這許多含鐵的物質(zhì)中只有極少部份是具有價值的鐵礦石,但是它的存量已經(jīng)是極為豐富。對于地球上鐵礦石貯存量的估計,目前沒有一個可以確信的數(shù)字。目前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的主要產(chǎn)鐵礦國有美國、加拿大、巴西、澳洲、南非、印度、法國、英國、瑞典、西班牙、蘇俄、中國、委內(nèi)瑞拉等。

  中國鐵礦資源有兩個特點:一是貧礦多,貧礦出儲量占總儲量的80%;二是多元素共生的復合礦石較多。此外礦體復雜,有些貧鐵礦床上部為赤鐵礦,下部為磁鐵礦。

  (1)東北地區(qū)鐵礦?東北的確鐵礦主要是鞍山礦區(qū),它是目前我國儲量開采量最大的礦區(qū),大型礦體主要分布在遼寧省的鞍山(包括大弧山、櫻桃園、東西鞍山、弓長嶺等)、本溪(男芬、歪頭山、通遠堡等),部分礦床分布在吉林省通化附近。鞍山礦區(qū)是鞍鋼、本鋼的主要原料基地。

  鞍山礦區(qū)礦石的主要特點:

  1)除極少富礦外,約占儲量的98%為貧礦,含鐵量20~40%,平均30%左右。必須經(jīng)過選礦處理,精選后含鐵量可達60%以上。

  2)礦石礦物以磁鐵礦和赤鐵礦為主,部分為假象赤鐵礦和半假象赤鐵礦。其結(jié)構(gòu)致密堅硬,脈石分布均勻而致密,選礦比較困難,礦石的還原性較差。

  3)脈石礦物絕大部分是由石英石組成的,SiO2在40~50%。但本溪通遠堡鐵礦為自溶性礦石,其堿度(Ca+Mg/SiO2)在1以上。且含錳1.29~7.5%可代替錳礦使用。

  4)礦石含S、P雜質(zhì)很少,本溪男芬鐵礦含P很低,是冶煉優(yōu)質(zhì)生鐵的好原料。

  (2)華北地區(qū)鐵礦?主要分布在河北省宣化、遷安和邯鄲、邢臺地區(qū)的武安、礦山村等的地區(qū)以及內(nèi)蒙和山西各地。是首鋼、包鋼、太鋼和邯鄲、宣化及陽泉等鋼鐵廠的原料基地。

  遷灤礦區(qū)礦石為鞍山式貧磁鐵礦,含酸性脈石,S、P雜質(zhì)少,礦石的可選性好。

  邯邢礦區(qū)主要是赤鐵礦和磁鐵礦,礦石含鐵量在40%-55%之間,脈石中含有一定的堿性氧化物,部分礦石S高。

  (3)中南地區(qū)鐵礦?中南地區(qū)鐵礦以湖北大冶鐵礦為主,其他如湖南的湘潭,河南省的安陽、舞陽,江西和廣東省的海南島等地都有相當規(guī)模的儲量,這些礦區(qū)分別成為武鋼、湘鋼及本地區(qū)各大中型高爐的原料供應基地。

  大冶礦區(qū)是我國開采最早的礦區(qū)之一,主要包括鐵山、金山店、成潮、靈鄉(xiāng)等礦山,儲量比較豐富。礦石主要是鐵銅共生礦,鐵礦物主要為磁鐵礦,其次是赤鐵礦,其他還有黃銅礦和黃鐵礦等。礦石含鐵量40-50%,最高的達54-60%。脈石礦物有方解石、石英等,脈石中含SiO28%左右,有一定的溶劑性(CaO/SiO2為0.3左右),礦石含P低,(一般0.027%),含S高且波動很大(0.01-1.2%),并含有Cu(0.2-1.0%)和Co(0.013%-0.025%)等含有色金屬。礦石的還原性較差,礦石經(jīng)燒結(jié)、球團造塊后入高爐冶煉。

  (4)華東地區(qū)鐵礦?華東地區(qū)鐵礦產(chǎn)區(qū)主要是自安徽省蕪湖至江蘇南京一帶的凹山,南山、姑山、桃沖、梅山、鳳凰山等礦山。此外還有山東的金嶺鎮(zhèn)等地也有相當豐富的鐵礦資源儲藏,是馬鞍山鋼鐵公司及其他一些鋼鐵企業(yè)原料供應基地。

  蕪寧礦區(qū)鐵礦石主要是赤鐵礦,其次是磁鐵礦,也有部分硫化礦如黃銅礦和黃鐵礦。鐵礦石品位較高,一部分富礦(含F(xiàn)e50%-60%)可直接入爐冶煉,一部分貧礦要經(jīng)選礦精選、燒結(jié)造塊后供高爐使用。礦石的還原性較好。脈石礦物為石英、方解石、磷灰石和金紅石等,礦石中含S、P雜質(zhì)較高(含P一般為0.5%,最高可達1.6%,梅山鐵礦含S平均可達2%-3%),礦石有一定的溶劑性(如凹山及梅山的富礦中平均堿度可達0.7-0.9),部分礦石含V,Ti及Cu等有色金屬。

  (5)其他地區(qū)鐵礦?除上述各地區(qū)鐵礦外,我國西南地區(qū)、西北地區(qū)各省,如四川、云南、貴州、甘肅、新疆、寧夏等地都有豐富的不同類型的鐵礦資源,分別為攀鋼、重鋼和昆鋼等大中型鋼鐵廠高爐生產(chǎn)的原料基地。

  三、鋼材的生產(chǎn)工藝

  碳素鋼的定義及鋼中五元素

  含碳2%以下的鐵碳合金稱為鋼。碳素鋼中的五元素是指化學成份中的主要組成物,即?C、Si、Mn、S、P(碳、硅、錳、硫、磷)。其次是在煉鋼過程中不可避免地會混入氣體,含O、H、N(氧、氫、氮)。此外,用鋁-硅脫氧鎮(zhèn)靜工藝中,必然在鋼水中含有?Al,當Als(酸溶鋁)≥0.020%時,還有細化晶粒的作用。

  化學元素對鋼性能的影響

  1、碳(C):鋼中含碳量增加,屈服點和抗拉強度升高,但塑性和沖擊性降低,當碳量0.23%超過時,鋼的焊接性能變壞,因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼,含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力,在露天料場的高碳鋼就易銹蝕;此外,碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。

  2、硅(Si):在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑,所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.15-0.30%的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限,屈服點和抗拉強度,故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入1.0-1.2%的硅,強度可提高15-20%。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合,有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用,可制造耐熱鋼。含硅1-4%的低碳鋼,具有極高的導磁率,用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加,會降低鋼的焊接性能。

  3、錳(Mn):在煉鋼過程中,錳是良好的脫氧劑和脫硫劑,一般鋼中含錳0.30-0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”,較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性,且有較高的強度和硬度,提高鋼的淬性,改善鋼的熱加工性能,如16Mn鋼比A3屈服點高40%。含錳11-14%的鋼有極高的耐磨性,用于挖土機鏟斗,球磨機襯板等。錳量增高,減弱鋼的抗腐蝕能力,降低焊接性能。

  4、磷(P):在一般情況下,磷是鋼中有害元素,增加鋼的冷脆性,使焊接性能變壞,降低塑性,使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%,優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。

  5、硫(S):硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性,降低鋼的延展性和韌性,在鍛造和軋制時造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?,降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055%,優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040%。在鋼中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常稱易切削鋼。

  6、鉻(Cr):在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中,鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性,但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性,因而是不銹鋼,耐熱鋼的重要合金元素。

  7、鎳(Ni):鎳能提高鋼的強度,而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力,在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源,故應盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。

  8、鉬(Mo):鉬能使鋼的晶粒細化,提高淬透性和熱強性能,在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應力,發(fā)生變形,稱蠕變)。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬,能提高機械性能。?還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。

  9、鈦(Ti):鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密,細化晶粒力;降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當?shù)拟?,可避免晶間腐蝕。

  10、釩(V):釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細化組織晶粒,提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物,在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。

  11、鎢(W):鎢熔點高,比重大,是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢,可顯著提高紅硬性和熱強性,作切削工具及鍛模具用。

  12、鈮(Nb):鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性,提高強度,但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮,可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮,可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。

  13、鈷(Co):鈷是稀有的貴重金屬,多用于特殊鋼和合金中,如熱強鋼和磁性材料。

  14、銅(Cu):武鋼用大冶礦石所煉的鋼,往往含有銅。銅能提高強度和韌性,特別是大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時容易產(chǎn)生熱脆,銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當銅含量小于0.50%對焊接性無影響。

  15、鋁(Al):鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁,可細化晶粒,提高沖擊韌性,如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能,鋁與鉻、硅合用,可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。

  16、硼(B):鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密性和熱軋性能,提高強度。

  17、氮(N):氮能提高鋼的強度,低溫韌性和焊接性,增加時效敏感性。

  18、稀土(Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬,但他們的氧化物很像“土”,所以習慣上稱稀土。鋼中加入稀土,可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì),從而改善了鋼的各種性能,如韌性、焊接性,冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土,可提高耐磨性。