”鋼”是什麼做的?

Question

"鋼"是什麼做的?
鐵做的嗎?他原本也是鐵嗎?

Answer 1

製鋼的化學鋼鐵的製造是金屬工業中最重要的一環。以美國而言，1979年美國鋼的出貨總量就多達一億噸；據估計，1980年鋼的消耗量將增至一億八百萬噸！鋼是一種有展性的鐵合金，含有0.05～1的碳和一些其他元素。鋼的特性主要決定於其化學組成和熱處理。這些特性，如硬度、韌性、拉張強度和展延性等，都可因鋼加熱至某一溫度後，採取不同的冷卻速率而有所改變。鋼中其他元素的種類及濃度，對於熱處理的結果，也佔著決定性的地位。鐵是鋼中的主要元素。雖然鐵的含量將近地球質量的40％，但在最外部十哩厚的地殼層中，鐵只是含量最豐富的第四位元素（其含量為5％）。除了少數例外，自然界中的鐵總是與氧、矽、硫、碳等共同存在，氧化鐵Fe2O3是最適合製鋼的鐵資源。一連串控制中的化學反應，使得地殼中的鐵礦石製成了鋼。製鋼的基礎化學從鐵礦石製鋼有許多不同的製法，有的製法在單一的操作中就含有幾個階段，有的製法則可能只適用於鋼鐵製造中的一小部分。然而，一些化學反應的綜合，將可描述所有的這些技術。鐵礦石轉變成鋼主要是個純化的過程，含有兩個氧化還原反應系統。氧化可定義為在化學變化之中，元素從低氧化態轉移到高氧化態；而還原則為元素從高氧化態到低氧化態。製鋼過程中的氧化還原反應，主要與氧有關。氧在還原時自化合物中移去，而氧化時則與元素或化合物結合。由於鐵礦石多為氧化物的形態，所以在製作程序中，首先即須將其還原為較純的金屬狀態。一氧化碳是主要的還原劑，一些其他的氧化物雜質也可部分或全部與鐵一起還原出來。這操作可在鼓風爐（用焦炭──已還原為碳的煤）或直接還原爐（用氣體或煤）中進行。鼓風爐中的還原產物是液態的，稱為生鐵；直接還原爐中的產物則為固態，稱為DRI（directly reduced iron﹐意即直接還原鐵）。生鐵含有90％以上的鐵，及4.5％碳、1.7％鎂、0.3％磷、0.04％硫及1％矽。DRI含90～95％鐵，其餘則為矽石（SiO2）及礬土（Al2O3）。如此組成的金屬只具有限的用途，因此必須再加以精製、純化。接下來的反應是利用氧化來移去過多的碳和雜質，純氧、空氣中的氧或氧化鐵，皆可用為氧化劑。碳可以CO的形態除去，然後在煙囪中轉化成CO2。其他的雜質可被轉化為氧化物，並浮在液態金屬的表面，形成液態熔渣。這個氧化過程，可在鹼性氧氣爐、開口式熔爐（即平爐）或電爐中進行。精製之後，可以加入合金，使得鋼的化學組成符合某種規格的要求。在這步驟中，鋼的化學組成已經大致決定。不過，控制氣壓下的熱處理仍可以可預期的方式，改變鋼中碳、氮，或硫的含量。因為鋼的特性直接決定於其化學組成，所以鋼的化學在各個過程中必須小心地控制。在每個過程完成前，必須抽樣分析。如有必要，可以依照化學分析的結果，選擇適當的合金加入或改變製法，以調整熔鋼中的化學組成。快速而精確的化學分析和電腦控制下的操作，有助於鋼的品質控制，使其符合成品規格的要求。一些典型的鋼，其組成及用途可見附表。與礦石精製有關的化學反應，受到反應速率和反應平衡的控制。許多重要的反應在爐中的條件下都是可逆的。平衡受到溫度的影響，爐中的溫度又呈梯度分布，所以許多反應完成的趨向，也因在爐中的位置不同而異。我們也常常加入過量的反應物，趨使想要的反應早些完成。原料鐵礦石、灰石和煤是鋼鐵製造中的主要原料。鐵礦石可定義為可製成鋼、鐵成品的含鐵化合物。化合物的所在和種類，限制了鐵礦源的有效性。鐵的含量在所有火成岩中佔了5％，不過，這些鐵是以硫化物型態（FeS2）及矽酸鹽形態〔(Mg,Fe)2SiO4〕存在，並不適合於鋼、鐵的製造。經過許多年岩石風化的結果，使得一些沉積物轉化為較簡單的化合物。這些化合物如下：磁鐵礦　Fe3O4赤鐵礦　Fe2O3針鐵礦　HFeO2纖鐵礦　FeO(OH)菱鐵礦　FeCO3皆可用來製鋼。鐵礦石中也含有磷、矽、鋁、錳、鈣、鎂和硫的氧化物。鐵礦石的等級主要決定於雜質的含量。

Answer 2

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