钢铁是怎样炼成的？

钢合金的生产和性能介绍

根据世界钢铁协会的数据，2019 年钢铁产量为 18.699 亿吨。与 2018 年相比，产量增加了 3.4%，是 1999 年产量的两倍多。世界对钢铁的需求不断增长。它用于建筑、工业和制造业。它既坚固又便宜，是所有类型制造的理想选择。

钢是由什么制成的？

铁是钢的主要元素成分，是地壳中含量最丰富的元素之一。所有钢合金主要是铁和 0.002–2.1% 重量的碳。在这个范围内，碳与铁结合以形成坚固的分子结构。由此产生的晶格微观结构有助于实现我们在钢中所依赖的某些材料特性，例如抗拉强度和硬度。

尽管所有钢都是由铁和碳制成的，但不同类型的钢中每种元素的百分比不同。钢还可以包括其他元素，如镍、钼、锰、钛、硼、钴或钒。在钢合金的“配方”中添加不同的元素会影响其材料特性。钢的制造和处理方法进一步增强了这些能力。

一组值得注意的合金钢含有铬。所有这些合金通常被称为不锈钢。

如何炼钢

在最基本的情况下，钢是通过在非常高的温度（2600°F 以上）下混合碳和铁制成的。

初级炼钢 用一种叫做“生铁”的产品制造钢铁。生铁是从矿石中冶炼出来的铁，它所含的碳比钢中正确的要多。

这家钢铁制造商使用了一种通过熔化生铁产生氧气的系统。这个过程在整个熔融金属中产生相等的氧化。氧化去除多余的碳。它还能蒸发或结合由硅、磷和锰等元素构成的杂质。

二次炼钢 是“在钢包里”完成的。它是对钢进行精炼和合金化的过程。二次炼钢可以从熔化废钢开始，或者继续一个初级过程。可以添加元素以获得特定的合金。钢铁工人还可以去除表面杂质（除渣）。钢包被加热和冷却到必要的化学过程所需的温度。

精加工钢材

在铸造厂中，钢是用沙子或熔模铸造成图案形状的。在钢厂，钢通过连铸机铸造成原材料。连铸机制造标准化的生钢形状，而不是接近成品的零件。粗钢将被加工或加工成最终产品。钢厂通常铸造和成型板材、钢坯、棒材、大方坯、管材、钢锭和线材。

钢厂也可以在生产过程中对钢进行热轧或冷轧。这些过程创造了不同的形状和饰面。在发货前，钢材可能会在离开工厂前被切割、缠绕或捆扎。

在铸造厂或轧机中，钢可以进行热处理。淬火、回火、正火和退火等最终步骤可以塑造合金在应用中的行为方式。

钢的发明

考古学家在距今 4000 年前的土耳其遗址发现了最早的钢铁。坩埚钢，如著名的南印度 Wootz 钢，早在 4 ^th 公元前世纪。然而，直到 1800 年代中期，炼钢都极具挑战性。

钢在 2700°F 左右熔化。对于制造坩埚钢的古代熔炉来说，保持这种高温是一个挑战。此外，在由硅和锰等元素制成的钢合金中也发现了杂质。管理这些仍然是一个挑战。在古代炼钢中，他们制造了漫长的多步骤过程。创始人将花费一整天的时间加热、搅拌、除渣和重新加热他们的合金。钢铸好后，再由铁匠加工。在铁砧上敲打形成最终的形状。它还有助于分布和减轻碳变化、孔隙或夹杂物。

1856 年，亨利·贝塞默（Henry Bessemer）申请了一项以新方式制造钢铁的工艺专利。使用 Bessemer 转炉，而不是传统的熔体容器，使钢铁制造商能够通过熔融金属鼓泡空气。在与空气反应时，杂质会氧化并产生废气。氧化还有助于产生和维持炼钢所需的高温。

一个在铸造厂工作一整天，在锻造厂工作更多时间的过程被一个可以生产 5 吨钢的 20 分钟过程所取代。 Bessemer 的钢材也比大多数钢铁制造商所希望的更坚固、质量更高。这项创新支持了工业革命。

钢有磁性吗？

大多数钢都是磁性的，但不是全部。钢主要由铁制成，而铁具有磁性。铁磁性最初是在自然界中的“磁石”中发现的——由磁铁矿（一种铁的氧化物）制成的石头。其他元素也是铁磁性的，如钴和镍。这些元素有时也存在于钢中。

众所周知，不锈钢是非磁性的，尽管所有不锈钢都含有铁，而且许多还含有镍。说实话，只有一些不锈钢合金是非磁性的。奥氏体不锈钢（含镍）在大多数情况下是非磁性的（尽管它在加工时会变得非常温和）。其他类型，如铁素体或马氏体合金，是不锈钢和磁性的。

钢材的特性

钢之所以如此常用，是因为它具有特定的材料特性以及相对较低的成本。与其他许多建筑和工具制造材料（如木材、石头、混凝土或铸铁）相比，钢合金具有：

• 硬度 :在逐渐增加压力的情况下抗压痕
• 韧性 ：当材料确实变形时，韧性描述了它在断裂前的距离
• 屈服强度 :在逐渐增加的压力下拉动时抵抗变形
• 抗拉强度 ：材料在断裂前承受拉力的能力
• 延展性 :通过锤击或压制而不会断裂的能力
• 延展性 ：在不失去韧性的情况下进行成型的能力 - 加工金属通常会使它更脆，但韧性材料在加工时不会很快变脆。

这些性能的测试范围因合金而异，但总的来说，钢比许多其他材料更硬、更坚韧（不易碎）。

钢材的种类

合金钢有四大类：碳钢、工具钢、合金钢和不锈钢。

• 碳钢 — 低碳钢、中碳钢和高碳钢主要因硬度和延展性而异。与其他钢相比，低碳钢或低碳钢往往更具延展性，但硬度也较低。在范围的另一端，高碳钢更硬。但是，高碳钢的延展性通常较低。
• 工具钢 —添加了钨、钒或钼等元素的高碳钢，经过热处理和淬火以达到卓越的硬度，用于工具钢。
• 合金钢 — 该系列钢通常是指混合特定元素以获得非凡材料性能的钢，通常属于其他系列的钢除外。所有的钢都是合金，而且很多都有额外的元素。然而，合金钢是为特定应用而制造的不寻常钢，其范围从有价值的配方到用于喷气发动机的特殊合金。
• 不锈钢 — 这些钢与铬合金化，通过钝化使其防锈。

钢铁生产：循环利用的故事

钢铁（和其他金属）的最佳特性之一是废料可以变成全新的优质金属。二次炼钢过程产生的合金与生铁中的任何合金一样好。金属物品会因使用而降解，但金属的元素化学意味着熔化和合金化会产生全新的产品。

因此，炼钢产量的增长不需要新矿石冶炼的匹配增长（尽管生铁生产仍然是钢铁供应链的重要组成部分。）回收和加工废钢意味着昨天的汽车面板可以成为明天的工字钢。

98% 的钢材可回收，这种金属是世界上最可回收的产品之一。尽管如此，它并非没有环境挑战。焦炭是一种煤，通常用作炼钢的碳输入。此外，熔化或熔炼和氧化以及其他生产过程所需的高能量确实会产生化学品和二氧化碳。幸运的是，炼钢行业正在进行大量研究以缓解生产问题。其中一些包括将二氧化碳循环回钢铁本身，作为碳的来源，从而降低对焦炭等其他来源的需求。

随着这些技术的改进和实施，炼钢将继续成为未来的主要行业之一。它支撑、推动和建设我们的经济。