§ 5-1 傳統煉鋼法

機械材料

第 五 章 鋼鐵製造方法及一般應用

§ 5-1 傳統煉鋼法

§ 5-2 一貫作業煉鋼方法

§ 5-3 鋼料製品之種類及用途概述

§ 5-4 鋼鐵工業最近之發展

§ 5-1 傳統煉鋼法

※ 煉鋼法是將生鐵加以氧化精鍊，除去雜質如碳、

矽、錳、磷、硫等，使其成分合於所需品級的操作。

※ 目前通用的煉鋼法只有三種：

1. 平爐法(open-hearth process) 2. 轉爐法(converter process)

3. 電爐法(electric furnace process)

 坩堝法(crucible process)可說已遭淘汰，只有少數 地方如瑞士、英、美等仍有一些小工廠用以煉製特殊 合金鋼。

§ 5-1-1 平爐煉鋼法

※ 平爐煉鋼法又稱西門子－馬丁法，採用反射式蓄熱 爐，稱為平爐(open-hearth furnace)。

※ 平爐利用反射作用來保溫，燃料與空氣分別預熱 後，由平爐邊緣之噴口處燃燒，火焰通過鐵水上方，

利用爐頂及爐壁等複雜的反射及回熱系統，保持燃燒 效率及增高溫度。

※ 高溫廢氣則導入蓄熱室以預熱空氣及燃料。

※ 平爐煉鋼法因雜質之氧化甚緩，其冶煉時間較長。

※ 原料可為固態或液態生鐵、廢鋼、石灰石(熔劑)、赤 鐵礦及磁鐵礦(以提供氧化物、促進碳之移除)。

 以爐床內襯酸性磚或鹼性磚之不同，可分為酸性平 爐法及鹼性平爐法兩種。

※ 酸性法因爐渣為酸性，無法除去鐵水內的磷、硫等 雜質，故所用之生鐵必須含P、S量低者。

※ 鹼性平爐法可處理含P、S量較高之生鐵(亦即品級較 差之生鐵)，作業過程須隨時添加石灰石，以控制爐 渣使成鹼性。

※ 新式平爐法採爐床吹煉(turbo-hearth process)，係於 爐床上方吹入空氣或純氧，促進氧化，以縮短冶煉時 間並精煉之。

§ 5-1-2 轉爐煉鋼法

※ 轉爐煉鋼法係英人柏思麥(Henry Bessemer)於1856年 發明。

※ 爐底有許多空氣噴管，空氣由耳部氣道進入，經噴 管壓入熔融之鐵水內，將矽、錳、磷、碳等順序氧 化，產生之熱足以維持鐵水之熔融狀態，故不需使用 燃料，為其特徵之一。

※ 因爐內襯之不同，轉爐法也有酸性與鹼性之分，其 爐渣特性、對P、S移除能力一如平爐法者，。

※ 鑄鋼工業多用酸性轉爐(可熔煉較多次)，鍛鋼工業多 用鹼性轉爐。

※ 較諸平爐法，轉爐法的優點為操作簡單、提煉時間 短、不需燃料，每單位產量之設廠費用較低。

 同心或偏心之分，以開口之中心與爐體中心線是否 重合而定。

※ 較諸轉爐法，平爐法的優點為提煉損失較少，成品 可作更精確控制，鹼性平爐法還容許原料成分有更大 的變動。

 一般言之，平爐鋼之品質較轉爐鋼優良。在適當的 操作條件下，鹼性平爐可生產最優良的鋼料。

§ 5-1-3 電爐煉鋼法

※ 電爐法中，電力僅作熱源。

※ 就發熱方式而言，冶金用電爐有三種： 【電阻爐 較少用於煉鋼】

1. 電弧爐(electric-arc furnace) 2. 電阻爐(resistance furnace) 3. 感應爐(induction furnace)

※ 電弧爐之爐床由鋼板製成，內襯耐火磚，有：

1. 酸性電弧爐：酸性磚

 爐床乃磨碎之矽質黏土，其邊牆砌以矽磚。

2. 鹼性電弧爐：鹼性磚

 爐床襯以鎂磚。

 電極由爐頂洞口插入爐內，具有裝料口及出鋼口，

操作方面又分傾卸式與固定式，前者因出鋼及除渣都 較方便，故使用最為普遍。

※ 電弧爐以放電方式有：

1. 間接式電弧爐：利用金屬上方的電極間放電，熱量藉輻射 傳給金屬者。

2. 直接式電弧爐：利用電極與金屬間放電(金屬亦為一極)者。

 因較經濟，故應用較廣。

 使用三相電流，係以高壓供應，再變為低壓之大電流而 生電弧。

 加熱率之控制一般利用自動控制系統調整電極與金屬液 間距離而達成之。

※ 感應爐乃利用金屬本身作為一變壓器之二次線圈，由感應所 生之渦電流及磁滯加熱金屬，幾乎無聲，效率很高。唯容量 較小，多為1~5 噸

※ 電爐法之主要用途在於利用轉爐鋼或平爐鋼，配以合金元 素，熔煉成合金鋼；也有將海棉鐵置於電爐煉成一般鋼料 者。

 本省一般民間工廠多用電爐製鋼，使用拆船之鋼板或各機械 工廠之廢鋼料為原料。

※ 電爐法之

 優點：可在精確控制下迅速加熱至甚高之溫度，鋼品優良 (因無有害之氣體如氧、氮、氫等)，爐中可隨吾人所欲控制為 氧化、還原或中性之狀態，合金成分不致損失，此點對使用 易氧化之昂貴合金成分尤其重要。故此法適於產製高級鋼品 及適用於使用大量廢鋼作原料及需生產多種不同鋼品之地 區。

 缺點：分批操作，產量不大，成本較高，大量生產普通級 之低碳鋼、中碳鋼時，不若轉爐法或平爐法之經濟實用。

※ 本省民間各大鋼鐵廠，目前多採用電弧爐熔廢鋼，再將鋼液 由底注至鹼氧爐吹煉，可說是一複合式煉鋼法。

§ 5-2 一貫作業煉鋼方法

※ 「一貫作業」指由原料、煉鐵、煉鋼至軋成各種鋼料製品，

係在同一鋼鐵廠內各工場完成者；其優點有節省中間產品轉 運的浪費、避免再加熱熔煉的能源耗損、易於控制鋼品品 質、可大量生產等。

※ 一貫作業可概括為四大部份：原料處理部份、煉鐵工廠、煉 鋼工廠、軋鋼廠。

※ 原料處理部份：

 廠區深水碼頭：用以卸下進口礦砂及煤炭。

堆料場

煉焦及副產品工廠：用以將煤炭煉成焦炭並處理其副產品。

粉鐵礦燒結工廠：可將粉狀鐵礦燒結成塊狀，以提高冶煉效 果。

氧氣製造設備：提供轉爐或鼓風爐之用。

石灰石煆燒工廠：豎窯煆燒。

水處理廠及發電廠：利用高爐廢氣或焦爐氣發電。

※ 煉鐵工廠：

 鼓風爐(blast furnace)：為主要設備，又稱高爐，

用以將鐵礦還原成生鐵。

熱風爐：用以將冷空氣加熱以送入鼓風爐煉鐵。

高爐氣處理設備：除塵。

※ 煉鋼工廠：主要設備為轉爐及連續鑄造機。

※ 軋鋼廠：計有鋼板、鋼胚、條鋼和線材等四個生產 工廠。

§ 5-2-1 煉鐵作業

※ 煉鐵係用鼓風爐，又稱高爐，其使用之原料有四 種：鐵礦石、燃料、熔劑(flux)及熱空氣。

※ 鐵礦包括赤鐵礦(Fe₂ O₃ )、磁鐵礦(Fe₃ O₄ )、褐鐵礦 (2Fe₂ O₃ •3H₂ O)、菱鐵礦(FeCO₃ )及黃鐵礦(FeS₂ )等。

※ 赤鐵礦、磁鐵礦為高品位者。

※ 品味較低者須先經過選礦(ore-dressing)的步驟。今 日 為 提 高 鼓 風 爐 的 作 業 效 率 ， 常 先 將 粉 礦 燒 結 (sintering)成塊狀者。

※ 鼓風爐所用之燃料，尚須當作鐵礦之還原劑。最常 用者為焦炭(coke)，次為無煙煤及木炭等。

※ 熔劑之作用在於與鐵礦中的雜質起化學反應，結合 成爐渣(slag)而與鐵分離。

※ 一般鐵礦之雜質大多為酸性之矽砂(SiO₂ )，故選用鹼 性之石灰石(limestone，CaCO₃ )，使兩者反應，中和 生成矽酸鈣(CaSiO₃ )之熔融液，浮於鐵液上方，一方 面有隔絕空氣使鐵液不受氧化之害，另一方面尚能自 鐵水中將雜質「拔出」，以純化鐵液。有時添加適量 螢石(fluorspar，CaF₂ )於石灰石中，可助於除去鐵液 中的硫分，尚可使爐渣稀薄，提高流動性。

※ 熱空氣提供燃燒所需之氧氣，但必須用熱風爐將冷 空氣預熱。

※ 在鼓風爐內煉鐵的步驟：

 自爐頂進料(鐵礦、焦炭、熔劑)及自爐底鼓入熱空 氣。

 熱空氣燃燒焦炭，生成熱以備化學反應及熔化成品 之需，同時生成一氧化碳，可還原鐵礦。

 熔劑與雜質結合生成爐渣。

 廢氣自爐頂排出，鐵水及爐渣則自爐底出料。

※ 鼓風爐之爐體由鋼板 焊接而成，內襯以耐 火磚。最底部稱為爐 床 (hearth) 或 坩 堝 (crucible) ， 為 柱 形 ， 高 約 8.3 公 尺 ， 直 徑 10.3公尺，它的上方有 風口(tuyere)三十個，

中 間 有 排 渣 口 (cinder notch)一個，下方有出 鐵 口 (iron notch) 二 個，由於它能容納熔 融的成品，因此具有 坩堝的作用。

※ 爐床的上端，爐壁漸敞，形成一個倒置的圓錐體 狀，稱為爐腹(bosh)，爐腹上方為爐胸(stack)，又逐 漸向上縮小，至喉部(throat)處直徑減為8公尺。

※ 「無鐘式」加料設備。

※ 爐底、爐床、爐腹等處因須承受極高溫或熔融物，

其內襯採炭磚。

※ 每 一 座 鼓 風 爐 都 配 備 有 3~5 座 熱 風 爐 (hot blast stove)，由燃燒室、液壓支撐、蓄熱磚室、爐頂裝置 構成。內部之耐火磚排成垂直間隔以便蓄熱。

※ 其操作可分為兩個階段，一為燃燒期，將燃燒之熱 量蓄存於蓄熱磚室，另一為預熱期，由鼓風機送來之 冷空氣流經蓄熱磚室而被預熱。由鼓風爐之交互輪流 使用，可保熱空氣的供應永不中斷。

※ 配料送入爐內，由風口送入之熱空氣上升後與爐內 焦炭作用生強還原性氣體CO，可將氧化鐵還原成 鐵，並產生CO₂；此CO₂若再與焦炭相遇，又可變成 CO，如此反覆作用，如下列反應式所示：

2C (焦炭) + O₂ → 2CO ↑

3CO + Fe₂ O₃ (鐵礦)→ 2Fe ↓ + 3CO₂ ↑ CO₂ + C (焦炭) → 2CO

※ 失去氧之鐵礦生成鐵，因與大量熱焦炭接觸，受大 量「滲透作用」故吸收極多碳，在甚低於純鐵熔點的 溫度便可熔化，流到最底層的爐床內。

※ 熔劑石灰石在下降過程中，遇熱分解生成石灰與 CO₂，石灰與鐵礦中的雜質(SiO₂ )結合，在高熱下形 成矽酸鈣的熔融爐渣，也落入爐床，浮於鐵上。

CaCO₃ (熔劑) → CaO + CO₂ CaO + SiO₂ (鐵礦中)→ CaSiO₃

※ 鑽穿出鐵口，即可使鐵水流下，這種鐵稱為生鐵或 銑鐵(pig iron)，可鑄成銑錠，供翻砂(鑄造)之用，或 以運銑車(torpedo car)送往煉鋼工廠煉鋼。

※ 爐渣、爐渣棉。

§ 5-2-2 煉鋼作業

※ 一貫作業煉鋼廠之煉鋼作業都以轉爐法行之。

※ 壓縮空氣與鐵水接觸後，即開始氧化，首先將Si、

Mn燒成氧化物，二、三分鐘後Si、Mn只剩微量，碳 開始氧化，轉爐開口處會冒出黃紅色火焰，火焰很快 地增強，直至最後，……。

※ 增碳劑使鋼水的含碳量合於要求。

※ 二次大戰後，轉爐法迭經改進，採用純氧而不用空 氣，採用頂吹而不用底吹(底吹者底部局部過熱，極 易損壞)，遂有奧國之L－D鹼氧轉爐法(如圖5-8(b))、

法國之O.L.P. (oxygen-lime process之簡稱)法及瑞典 之Kaldo鹼氧轉爐法(如圖5-8(c))等問世。

 這些方法皆使用爐底封閉之鹼性轉爐，並以純氧自 爐頂吹入，吹於鋼液上方，氧氣吹管則以水冷卻。

 Kaldo法者氧氣斜吹。

 O.L.P.法則更於氧氣中夾帶石灰粉末，以達精煉之 目的。

§ 5-2-3 軋鋼作業

※ 冶煉完成並增碳至預定組成後的鋼液開始出爐、鑄 錠。

※ 鋼錠(ingot)的製造法有傳統之鐵模鑄造及連續鑄造 (continuous casting)兩種。

※ 鐵 模 鑄 造 時 ， 鋼 液 由 煉 鋼 爐 傾 入 澆 注 桶 (teeming laddle)。

 鋼模以鑄鐵製造。

 一種大頭鑄模，其頂由耐火材料製成，稱為補澆冒 頭(feeder head)，可貯存鋼水，以使冷卻收縮過程 中，鑄錠尺寸不變。

※ 鋼 錠 以 澆 注 之 前 脫 氧 程 度 之 不 同 而 有 未 靜 鋼 錠 (rimmed steel ingot)、全靜鋼錠(killed steel ingot)及 半靜鋼錠(semi-killed steel ingot)之分。

【killed為脫氧除氣之意】

 其特徵在於採取垂直的鋼液流動方式。

 熔融之鋼液由高處(盛鋼處)流經鋼液分配器進入水冷 的黃銅模。

 用乙炔將之切成適當長度。

 連續鑄造法可省下鑄錠、脫模、均熱及預軋成粗鋼 胚(bloom)等手續，故較經濟。

※ 淨面鋼錠：係以錳鐵或他種脫氧劑作輕度脫氧，凝 固時有氣泡放出，一如沸騰(氧與碳結合所生之CO氣 體自鋼液逸出，在錠頂燃燒)，故內部有許多氣泡─

靠近外側者為一次氣泡，內部者為二次氣泡，成多孔 性組織；但凝固後鋼錠的外表面潔淨，故稱為「淨 面」鋼，又稱未靜鋼。

 淨面鋼錠限於含矽、錳量低且含碳量不超過0.15 % 之鋼採用。

 淨面鋼錠只宜於作鍛造品之用，如鋼帶、鋼板(包 括船板)及鋼線等，這些製品具有優良表面。

※ 全靜鋼錠：係添加強脫氧劑，如矽鐵或鋁以「完 全」脫氧者，因沒有CO氣體產生，錠內乃無氣泡，

且鋼液得以靜靜地凝固。

 其 特 徵 為 只 有 少 數 氣 孔 及 錠 頂 形 成 大 的 縮 管 (shrinkage pipe)。

 全靜鋼之含碳量通常超過0.25 %，材質均勻，可製 造鑄件或鍛件。

 全靜鋼錠外皮有一薄層細晶粒，其內為與模壁垂直 的柱狀晶粒，心部則為多角形晶粒(參見圖2-6)。

 全靜鋼錠的成本高，且須切除10~20 %之縮管，故 一般只有在製造高級鋼時採用之。

※ 半靜鋼錠：為中度脫氧者，其特徵介於未靜鋼錠與 全靜鋼錠之間，適於含碳量0.15~0.25 %之鋼。

※ 煉鋼廠澆注之鋼錠：

 一部份直接外售，供一般鑄鋼工廠鑄造用。

 大部份均經熱軋(hot rolling)或冷軋(cold rolling)成 鋼板或各種型鋼才售出。

※ 無論是否剛脫模之鋼錠在軋製之前，皆須送入均熱 爐(soaking furnace)加熱，使表裡溫度合一，宜於軋 鋼。

※ 以中鋼之軋鋼廠為例，又細分為鋼板工廠、鋼胚工 廠、條鋼工廠及線材工廠等四個生產工廠。

※ 軋鋼機有二重軋機(two-high mill)、三重軋機(three- high mill)及萬能軋機(universal mill)之分，各有二 個、三個及四個軋輥(roll)。

※ 鋼板須以扁鋼胚(slab，將鋼液鑄成此特殊形狀)軋 製，均熱溫度達1250~1350 °C。熱軋時產生厚的銹 皮，以高壓沖水法去除之。

※ 鋼 胚 工 廠 將 鑄 成 大 鋼 胚 之 鋼 錠 熱 軋 成 小 鋼 胚 (billet)，供條鋼及線材工廠之用。

※ 鋼錠之軋製，甚少只使用冷軋者，通常係先以熱軋 軋至稍大於定尺，再行冷軋；或在一般熱軋操作之末 期，鋼料尺寸略大於定尺時，不再將之放入均熱爐加 熱，在低於鋼材再結晶溫度軋製之，使具有適當強 度。

※ 冷軋前須作去銹處理，以增進軋製精度及形狀完 整。去銹之法採酸洗法。

※ 冷軋屬於冷加工，可將鋼材晶粒沿加工方向拉長，

促使鋼材強、硬度變大，即為加工硬化。

§ 5-3 鋼料製品之種類及用途概述

※ 常見的鋼料製品及其用途概述如下：

1. 板材：如鋼板，用於造船、建築及機械結構，也 可繼續軋成鋼片或鋼帶。

2. 鋼軌：用於鐵路或特種構造。

3. 構造用型鋼：包括角鋼、I形樑、槽形鋼等，大多 用於機械構造。

4. 桿材：多用以繼續軋製或抽製線材。

5. 線材：用於機械構造或建築上。成捲之鋼線，俗 稱圓盤。

6. 鋼管：用於化工、石油或公共事業。

※ 鋼材之分類法：

 依合金元素之有無劃分：

1. 碳鋼：主要成份為Fe及C，但總或多或少含有 Mn、Si、P、S等雜質，不算是合金元素

。

2. 合金鋼：在碳鋼內添加合金元素Mn、V、Cr、

Ni、W、……等一種或多種，以改善 其性質所得之鋼。

 依煉鋼法劃分：

1. 轉爐鋼 2. 平爐鋼 3. 電爐鋼 4. 坩堝鋼

 依含碳量多寡劃分：

1. 工業用純鐵

2. 低碳鋼：含碳0.30 %以下(重量百分率，下同) 3. 中碳鋼：含碳0.30 ~ 0.60 %

4. 高碳鋼：含碳0.60 %以上

 依軟硬程度劃分：

1. 極軟鋼：含碳0.1 %以下，適於製造鍍錫或鍍鋅鐵皮。

2. 軟鋼：含碳0.15 ~ 0.25 %之間，用以製造鋼絲、螺釘、鋼板

、鋼管等。

3. 半軟鋼：含碳0.25 ~ 0.35 %之間，用於造船、建築、製軸與 齒輪等。

4. 半硬鋼：含碳0.35 %~ 0.60 %之間，適於中型及大型鍛造品 如軸、曲柄、曲柄銷、傳動軸、齒輪等。

5. 硬鋼：含碳0.60 ~ 0.80 %之間，用於土木工具、機件等。

6. 極硬鋼：含碳0.80 %~ 2.0 %之間，適於製造鑽、鑿、刀具

、模子、機件等。

 依鋼之組織劃分：

1. 亞共析鋼(hypo-eutectoid steel)：含碳量在0.80 % 以下之鋼稱之。其組織為波來鐵(pearlite)與 初析肥粒鐵。

2. 共析鋼(eutectoid steel)：含碳量為0.80 %之鋼稱之

。其組織全為波來鐵。

3. 過共析鋼(hyper-eutectoid steel)：含碳量超過0.80

%之鋼稱之。其組織為波來鐵與網狀之初析 雪明碳鐵(cementite)。

 依鋼之用途劃分：

1. 構造用鋼：包括碳鋼及合金鋼中供機械及土木建 築構造用者。

2. 特種用途鋼：(除碳工具鋼外，皆為合金鋼)

 工具鋼(tool steel)：包括碳工具鋼及合金工 具鋼。

 不銹鋼(stainless steel)

 彈簧鋼(spring steel)

 耐熱鋼(heat-resisting steel)

 磁性鋼(magnetic steel)

 特殊物性鋼(steels with special physical

properties)：例如恆範鋼熱脹係數趨於零。

§ 5-4 鋼鐵工業最近之發展

※ 鋼鐵工業的新發展走向高產能、高品質。

※ 直接還原法(煉鐵技術)：以氫氣或天然氣在高溫下與 精礦起直接還原作用，將鐵礦中之氧驅走，變成海綿 狀固體之法，又稱海綿鐵(sponge iron)法。

 優點：建廠投資少、操作費用低、耗用能源少、

維護費用低，故被認為可與鼓風爐法並駕 齊驅。

 缺點：(1) 需精礦或高級選礦設備。

(2) 較適合中、小型規模之產能(年產量小於 100萬噸)，規模再大則經濟效益很成問 題。

(3) 需用電弧爐煉鋼，無法使用轉爐。

※ 薄鋼板之連鑄技術。

§§ 作業：

1. 目前通用的煉鋼法只有那三種？

2. 就發熱方式而言，冶金用電爐有那三種？

3. 試簡述電爐煉鋼法的優缺點？

4. 一貫作業煉鋼法可概括為那四大部份？

5. 鋼錠之種類可分那三種？

6. 鋼材之分類依含碳量多寡劃分為那四種？

7. 鋼材之分類依鋼之組織劃分為那三種？(請註明其組織及含碳

%)