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发表于 2007-8-24 16:43
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造钢打铁
造钢打铁
钢的制作，从制成品来看，可以分成许多的等级。在不同等级的制钢中，高技术的引入并不亚于当今信息技术中的半导体产业。多尘、脏乱的制钢作坊早已成为历史，因为当代优质钢的制作要求非常高的化学纯度和成份精度。
制钢有基本两步骤：铁矿石炼成生铁，再把生铁做成钢。在过去，这两个步骤是分离的，而且各自也包含了许多更细的处理流程。但当代钢厂则是在一整个连续的作业中直接把铁矿石炼为成品钢。
铁矿石其实是铁的氧化物，其中包括Fe2O3, Fe3O4, FeO等，因此要把它们转化成原料铁就应该先脱氧。脱氧的材料是碳。把铁的氧化物和碳一起加热，碳会与氧反应生成一氧化碳和二氧化碳。这两种气体逸出后，剩下的就是铁碳混合物的生铁。
此过程所需的碳，要从高温块煤中获得。块煤在高温分解裂化后释放诸如乙炔、轻油、煤焦油、氨等，它们会被炼焦厂收集出售，用处大且广。块煤最后剩下的部分几乎是纯碳了，这就是焦碳。
但铁矿石和焦碳都含有石头和其它对生铁纯度有害的材料。为了除去有害杂质，铁矿石和焦碳要与石灰（CaO）混合，石灰是从石灰石（CaCO3）生成的。在高温下石灰充当了助熔剂，它在熔融的生铁上层流动并帮它溶解掉许多有害杂质。
铁矿石、焦碳、石灰的混合物在鼓风炉中被转化为生铁。焦碳在气流中燃烧产生的高温环境确保了铁的氧化物能够与碳发生化学反应。石灰助熔剂带走绝大多数的有害杂质并变成熔渣，熔渣可以用于制造混凝土和耐火材料。
在1856年之前，炼铁的整个过程大体如上所述。事实上，绝大多数铁矿石在炼铁过程中都因为温度不够高而并非完全熔化。弥漫在铁矿中的碳和一氧化碳与氧原子发生反应，由此在生铁中形成了固态氧化铁。这种铁接着被锻做成熟铁（如图1所示），它里面含有碳和熔渣。
图1：古代和近代的日本武士刀（刀条）由几块不同的碳钢合制而成，通过把几块钢锻打成一体，目的在于使韧性更好的刀体支撑着硬度更高的刃口。几块不同的钢均用黑铁矿(Fe3O4)原料在木碳炉中炼出来的。刀匠通过辨别碳含量来仔细挑选钢块，再把逐块选出的钢料依照刀条的要求进行排列、组合。通过加热、锤打、折叠，实现各钢块在整个刀坯上组合意图。这样合成的刀坯，越接近纵向中心线，钢的含碳量越低，越接近表皮则碳量越高。接着，刀匠会用一层黏土把除了刀口沿线部分之外的整个刀坯糊满，以保护淬火时的刀条，并减慢覆土部分钢材的降温速度。然后，刀匠加热整个刀坯一直烧到白炽的某个颜色，从碳炉中抽出刀坯立刻浸到水里。淬火后，刀匠会仔细把刀坯磨成非常锋利的刀条。结合第3节故事，并且由于含碳量由里向外增加，我们能够知道，此刀条的刃口会比较硬，刀身和刀背由于降温速度更慢，所以会软一些，这样的结构对于一把好刀是非常重要的。但不幸的是，这把刀在用钝或崩口后，如果从表面磨去一层，余下的刀刃质量将大打折扣，因为水淬的缘故，它的马氏体仅在刀身表面很薄的一层存在。改善的方法则是锻打时进行表面高温渗碳，以增材料的淬透性。
贝西默发明平炉炼钢法，基本氧化流程能够把生铁中的多余碳量和杂质烧除了。基本氧化流程在如今的炼钢厂也占主流，通过在铁水中注入纯氧来实现。此方法做出的铁近乎纯铁了。有时也用真空泵去除铁水中的氧和其它气体。生铁向钢的转化大约需要半个小时，传感器可随处插入钢水以监控和检测钢的成分。
为了得到想要的钢，合金元素会被加进铁水，制成品则从转炉的底部流入盛器。接着在通过铸造设备时，钢水会被浇铸成红通通的钢棒，然后它被放平进入一系列的辊轧加工程序，此过程中钢又被加工成板材、线材、轨道什么的。在炼钢厂里，整个的加工都是顺畅的，几乎不会停歇。石头变铁水，铁水变钢水，钢水变固材，固材变产成品，商品就这么流动着，就算临时改变成钢的成份，对整个过程也不会产生什么影响。
在辊轧设备上加工的冷做（硬化）钢对成型结构有一定的要求，它需要先软化再加工，比如想轧出轿车面板或钢锅，就得先把钢置入高温烤箱退火，然后轧成型。反过来，弹簧钢的制作，则需要先塑性形变，再重新加热并淬火硬化。
还有许多工具，包括锁具、扳手什么的，它们的要求是：外层硬中心软。坚硬的表层使得它们难以穿透并有利于工具的工作接触，较软的中心又有利于它们吸收冲击能量并保护自身的完整。这种钢材结构可以通过表面硬化方法来实现——钢部件表面高温渗碳。通过渗碳，钢材的表面将获得更高一些的淬透性。此条件下淬火后的部件会在整体上变得非常坚固。
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发表于 2007-8-22 13:33
发表于 2007-11-27 19:58
