為什麼?
面對孟慶宇的疑惑,鄭振東同樣想知道答案。
看着同樣露出疑惑的鄭振東,武進步稍作沉思後,並沒有直接給出答案,反而反問道:「你們知道煉鐵和煉鋼的區別嗎?」
「知道呀,我們上學的時候學過!」鄭振東點了點頭,回答問題的同時,腦子中便想起在學校學習過的知識。
在工業革命以前人們偏向使用純鐵,而這時候的純鐵一般是煅鐵。
現在使用純鐵已經非常少了,之所以如此是因為人們找到了更好的材料,那就是碳鋼。
鑄鐵與碳鋼的區別就在於含碳量,一般來說鑄鐵含碳量高,鋼含碳量低。
從鑄鐵變成鋼的過程就涉及到後來的轉爐與平爐,讓我們來看看這個過程。
實際上由鐵變成鋼實際上有兩種路線,一種是從鑄鐵出發,既然鑄鐵含碳量高,那麼我們想方法降低鑄鐵的含碳量即可。
還有一種是從純鐵出發,通過增加純鐵中的含碳量得到鋼。
實際上由於西方最開始使用的是純鐵,因此在制鋼的嘗試中,首先走了後一條路線。
這條路線是鍛打與熱處理路線,實際上在鐵的鍛造中由於採用鐵塊本身的含碳量不同,再加上製造與熱處理工藝的變化,在漫長的鐵器時代中人類是偶然可以做出鋼的。
當然那時候人類根本意識不到含碳量對鐵基合金強度的影響,因此能不能煉出鋼完全看人品與經驗。
這古代的冶煉和現在做的化合物結晶一樣都有點玄學的意思,為了煉出強度較好的鐵合金古人也是求神拜佛,無所不用,甚至還有以人祭劍的。
實際上古代那些名劍,用今天的觀點來看應該就是碳鋼。
在歷史上,第一種有意識規模化生產的鋼材是所謂的大馬士革鋼。
類似於阿拉伯數字不是阿拉伯人發明一樣,大馬士革鋼實際上也來源於印度。
而由於東方冶煉技術的特點,這種鋼的製備方法走的是鑄鐵出發路線。印度人首先煉出鑄鐵,然後反覆加熱冷卻,減少含碳量,最後得到1.5%含碳量的鋼,實際上這是一種鑄鋼。
大馬士革鋼被作為優良武器被阿拉伯人採用,並逐漸傳到了歐洲。這大概是在公元7世紀的時候。
大馬士革鋼因為有獨特的花紋而文明,但是實際上,這是由於但是冶煉技術不足不得已而為之的。
印度人冶煉出來的鑄鋼被稱為烏茲鋼,阿拉伯人從印度人手中購買鋼錠後再用於打造武器。
由於烏茲鋼含碳量變化較大,不同的鋼錠反覆摺疊鍛打後導致武器表面出現隨機的花紋。
而中世紀的歐洲由於還沒有掌握鑄鐵技術,因此他們製作鋼採用了另一種工藝,那就是滲碳法,在生鐵的基礎上在鍛打時候加入碳形成鋼,這種鋼和今天的低碳鋼成分接近。
當然製作鋼是非常昂貴的,當年的鋼鐵價格非常之高,因此很多武器上,只有刀刃那一部分是鋼,其他部分還是鐵。
可見,在工業革命以前,制鋼的效率都是非常低下的,無論是鍛打還是滲碳都是間歇操作,根本無法以持續產量進行。
這一切都在工業革命期間有了改變,在工業革命階段,煉鋼爐先後由攪煉爐演變為平爐,轉爐徹底造就了現在的可見,在工業革命以前,制鋼的效率都是非常低下的,無論是鍛打還是滲碳都是間歇操作,根本無法以持續產量進行。
這一切都在工業革命期間有了改變,在工業革命階段,煉鋼爐先後由攪煉爐演變為平爐,轉爐徹底造就了現在的鋼鐵工業。
我們先來說說傳統的攪煉法,採用焦爐煉鐵,鐵中一般含有1%的矽,為了進一步得到鋼,需要進行精煉,一般來說,精煉分成兩部分,一部分是是將矽氧化,第二步將鐵中的碳氧化。
在這個過程中,人類最初使用的爐形為反射攪煉爐。通過這種工藝可以將鋼材的含碳量控制在0.5%-1.2%左右這項技術成熟已經到了1850年,攪煉爐的熔煉溫度可以達到1400c。
18世紀反射攪煉爐煉鋼法,鐵塊加入爐內,利用木炭的燃燒在爐內形成高溫。
空氣分兩部分進入,從風管進入的是熱風,用於木炭燃燒,爐頂部還有冷空氣路口,冷空氣進入後作為氧化介質,氧化鑄鐵中的矽與碳。
但是隨着鐵被提純,熔點升高,導致鐵水有凝固趨勢,因此需要人工進行攪拌,所以稱為攪煉爐。
在攪煉爐的基礎上,添加蓄熱技術就形成了現在的平爐。
蓄熱技術最早由德國的西門子兄弟於1856年提出(這兩西門子不是我們熟悉的那個西門子)。
所謂蓄熱就是用一部分蓄熱體,一般是無矽酸鹽材料,實現爐氣與熱風的換熱,節約熱風能量的消耗,由於蓄熱材料耐溫的限制,蓄熱技術最早被應用於玻璃工業上,因為玻璃融化溫度不高。
但到了1867年前後,這項技術被法國人馬丁用於煉鋼,最後演化成現在的平爐,由於採用了蓄熱體進行換熱,平爐的溫度可以達到1700c左右,這個溫度已經達到了鋼材的熔點,因此平爐已經不需要進行攪拌了,同時冶煉含碳量更低的鋼也稱為了可能。
馬丁-西門子平爐的結構是這樣的,下方的四個格子就是蓄熱體,兩兩一組,爐內的煙氣首先經過第一組蓄熱體對其進行加熱,但蓄熱體溫度達到要求後將爐內煙氣通入另一組蓄熱體。
此時空氣從已經加熱的蓄熱體內通過,空氣預熱,蓄熱體冷卻。隨後再對氣爐進行切換,重複以上過程,間接用煙氣對空氣進行換熱。幾乎與此同時,另一種煉鋼方法也開始普及開來,並最終沿用至今,那就是轉爐煉鋼。
轉爐煉鋼是一個非常有意思的課題,在這裏我們用反應工程的角度來分析一下這個過程。
首先我們來做一個熱量核算,在這個系統中輸入的熱量有兩個來源:燃料燃燒放熱,另外就是氧化反應,由於空氣與碳反應是放出熱量的過程。
這些熱量的用途有哪幾種呢,首先是鐵塊熔化需要熱量,另外就是空氣加熱與爐子散。
煉鐵和煉鋼都是一種很常見的工藝,煉鋼主要是利用了氧化反應,煉鐵主要是利用氧化劑把硫、磷等雜質等雜質去除。
煉鐵是用還原劑將鐵從礦石中還原出來:fe2o3+3co=2fe+3co2,主要原料:鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣。
主要設備:高爐
煉鋼是用氧化劑將生鐵中多餘的碳氧化掉:c+o2=co2。
主要原料:生鐵、氧氣、適量造渣材料(生石灰)、脫氧劑
主要設備是:轉爐煉鋼(為例)、電弧爐煉鋼、平爐煉鋼
煉鋼工藝流程
採礦(獲得鐵礦石)----選礦(將鐵礦石破碎、磁選成鐵精粉)---燒結(將鐵精粉燒結成具有一定強度、粒度的燒結礦)---冶煉(將燒結礦運送至高爐,熱風、焦碳使燒結礦還原成鐵水,並脫硫)---煉鋼(在轉爐內高壓氧氣將鐵水脫磷、去除夾雜,變成鋼水)---精練(進一步脫磷、去除夾雜,提高純淨度)---連鑄(熱狀態下將鋼水鑄成具有一定形狀的連鑄坯)---軋鋼(將連鑄坯軋製成用戶要求的各種型號的鋼材,如板材、線材、管材等)。
煉鐵與煉鋼的區別
1、原料不同。煉鐵原料為鐵礦石、焦炭等,煉鋼原料為生鐵和廢鋼。
2、設備不同。通常煉鐵用的設備是高爐,煉鋼用的是轉爐、電爐等。
3、工藝不同。煉鐵是鋼鐵生產的上游、工藝不同。煉鐵是鋼鐵生產的上游工藝,煉鐵得到的生鐵是煉鋼工藝的原料,即煉鐵在前,煉鋼在後。
4、產品不同。煉鐵的產品是生鐵(鐵水)或鑄鐵,煉鋼的產品是鋼(註:生鐵經過脫碳等處理後即成為鋼,鋼鐵的區別在於含碳量不同)。
綜上所述:煉鋼和煉鐵是鋼鐵生產中的兩個階段,一般是先煉鐵,而後進一步進行煉鋼,最後得到各種鋼材。
如果把生產鋼材的過程比作蛋炒飯,那麼煉鐵就可以看做是蒸米飯的過程,而煉鋼就是把做好的大米飯拿過來炒的過程。
想到這裏,鄭振東就簡單的把自己所學的知識複述了一遍。
「你說的這些都對。」武進步肯定的點了點頭,然後語氣蕭索的說道:「咱們鋼鐵廠既沒有平爐,至於轉爐那就更沒有了,所以根本煉不了鋼,只能煉鐵!」
鄭振東不免有些驚訝,趕緊追問道:「沒有平爐?怎麼會這樣?我知道咱們沒有轉爐,怎麼連平爐都沒有啊?」
武進步嘆道:「咱們廠現在沒有技術呀,你也知道咱們國家跟西方國家的關係不好,所以他們對我們實行技術封鎖,我們得不到先進的技術。
再加上咱們資金緊張,根本經不起折騰和浪費,所以暫時就只能光煉鐵不煉鋼了。」
鄭振東聽到這裏點了點頭,接着也跟着嘆氣,想着以後看看有機會能不能改變這種現狀。
三人又聊了幾句,鄭振東看時間不早了,便開口道:「小孟,等周末有時間,伱喊上老劉,咱們到時候聚一下!」
孟慶宇點點頭,道:「嗯,好的東哥,等晚上下了班,我就跟老劉說!」
三人站起身走到水池,把飯盒清洗乾淨。
然後鄭振東在武進步和孟慶宇的陪同下,走到食堂兌換處換了一些飯票,這才往外走去。
出了食堂後,鄭振東笑着拍了拍孟慶宇的胳膊,道:「行了,小孟,我先去上班了,咱們有空再聊!」
「好的東哥,那我也去上班了,咱們回聊,等有空的時候,我去工程指揮部看你!」
說完這句話,孟慶宇點了點頭,然後拿着飯盒往東面走去。
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