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从纯铁到钢到合金钢

纯铁是很软的金属,既不能制刀枪,也不能铸铁锅、犁锄。但当纯铁中含有一定量的碳后,就变成我们在各方面使用的钢铁了。纯铁中含碳在0.02%以上就变成硬度较低的能拔铁丝、轧制薄白铁板等用的低碳钢。铁中含碳量0.25%至0.6%的范围内的钢叫中碳钢,其硬度中等,可轧成建筑钢材,钢板、铁钉等制品。铁中含碳量0.6%至2.0%时就成为硬度很高的、可制刀枪、模具等的高碳钢了。低、中、高碳钢合在一起就叫“碳素钢”。如果铁中碳含量超过2.0%就变成又硬又脆的可铸铁锅、暖气片、犁等的生铁了。一般生铁含碳量为3.5%—5.5%。所以纯铁、钢和生铁的区别主要就在于铁中的含碳量的不同。

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  在铁与钢的生产中,首先是把铁矿石在炼铁高炉中用碳还原成铁的同时铁中也吸收了4.5%—5.5%的碳,然后再把生铁装入炼钢炉中把碳和其他杂质用氧气氧化去除降低到所需要的含量,即炼成各种含碳量的碳素钢。据《世界金属导报》报告的“国际钢协”统计2002年上半年(1至6月)累计我国钢产量为8480万t,居世界首位;同期世界的十大产钢国排列顺序为:第2名日本5230万t,第3美国4440万t,第4俄罗斯2840万t(独联体为4840万吨),第5德国2240万t(欧盟15国总计8040万t),第6韩国2230万t,第7乌克兰1650万t,第8巴西1410万t,第9印度1400万t,第10意大利1340万t;英国607万t,居第17位。

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  随着科学技术的发展,碳素钢在强度、硬度、韧性、弹性、抗腐蚀性等各方面都不能满足现代化工农业和国防上的需要了。冶金工作者们研究发现在钢中加入一些其他元素可改善碳素钢的性能,使碳钢获得更优异的和特殊的性能,扩充其用途和使用范围,从而研制出各种合金钢。在普通碳素钢的基础上,只要加入小于5%的总含量的硅、锰、铁、钛、铌、硼、稀土等合金元素就可炼出强度高于同等含碳量的普通碳素钢30—40%的低合金高强度钢,一吨钢可顶1.3—1.4%吨普通碳素钢用。若在含碳1%的碳素钢中加入6—15%铬,能炼出各种高级滚珠钢和滚动轴承钢。钢中加入13—19%铬就成为有磁性不锈钢,如在这种钢中再加入9%镍就变成无磁性不锈钢了;所以不能用有无磁来鉴别是否是不锈钢,因生活上用的大部分不锈钢是有磁的,可被磁铁吸起来。含碳低于0.06%的钢中加入8—27%铬和4.5—6.5%铝的钢称为电热合金,拔成丝缠成电炉,最高的可加热到1200。中碳钢中加1%锰炼成的钢制弹簧,弹性特别好。高碳钢中加2%锰和少量钼可炼成硬度特别高可做刀枪、模具和破碎机颚板寿命特别长。钢中加9—18%钨和少量钒就成为高速钢。低碳钢中加少量钼和铬成为高温下耐热并不起皮的钢。低碳钢中加2.5—4%的硅可炼成导磁性能非常好,可轧制制造电机,变压器的硅钢片。而低碳钢中加12%铝和25%镍炼出的就是永磁合金,可制永久性强磁铁。在高碳钢中加入适量硅可生产出石墨钢,既耐磨又有润滑作用,可制造在使用过程中不宜使用润滑油,而又需要耐磨的机械零件和轴承等部件。钢中加入稀土金属能提高钢的韧性;而生铁中加入稀土金属和镁则可变成和钢一样强度高,又有韧性的球墨铸铁。硼则是非晶合金和高科技钕铁硼合金中不可缺少的非金属元素。铁和钢中加入各种金属和非金属元素后可使其性能变幻无穷,用途多样。在钢铁中加入各种金属和非金属元素,能创造出多种多样的高科技新金属材料供工农业、国防、科学技术、生活上等各个领域中应用。

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  在铁钢中加入各种金属和非金属元素,能创造出各种不同性能,多种用途的各种高科技材料。但这些金属和非金属在炼钢时大部都不能或不宜以纯金属和非金属元素单体状态直接加入钢液中。如钨、钼、铌等金属熔点太高,比炼钢温度高一倍以上,炼钢温度为1600左右,而钨熔点高达3380,钼熔点为2600,铌熔点为2500,所以在钢液中难熔化,另外这些金属比重又太高,液态钢比重约7克/毫升,而钨比重高达19.3克/毫升,钒、钛比重低,钛比重4.5克/毫升,钒6.1克/毫升;熔点又高,钒为1860、钛为1690,又易氧化,在钢液面上被氧化烧掉很多,损失太大,又不易控制含量,并且单体金属制取工艺复杂,生产成本高,价格昂贵等等。因此都不适合以纯金属和非金属单体状态在炼钢时直接加入钢液中。为此冶金工作者们研究制出了这些元素和铁的合金,就叫做“铁合金”。这些元素和铁的合金熔点和钢接近,比重和钢差不多,又不易氧化,其生产工艺又比生产该纯金属和非金属简单,生产成本比纯的单体金属和非金属低的多,价格低,特别适合于炼钢和生产各种高科技材料中使用。因此铁合金成为炼钢和新材料工业中的重要材料。

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  铁合金的品种是根据钢铁和新金属材料工业的发展需要而发展和开发的,目前的铁合金品种有二元的和多元的铁合金数十种,其中用量最大的二元铁合金有:硅铁、锰铁、铬铁、钨铁、钼铁、铌铁、钒铁、钛铁、硼铁、磷铁、铝铁等,三元以上的有:锰硅(铁)、硅钙(铁)、硅铬(铁)、硅铝(铁)、硅钡(铁)、稀土硅铁、稀土硅镁铁等。

  铁合金有两大用途:用途之一是做脱氧剂;炼钢和生产各种新金属材料时要用氧气氧化除去钢和金属液中的杂质的同时钢和金属液中也吸收了氧,这就大大降低了钢和金属材料的性能,因此需要添加一些与氧结合力比较强,且其氧化物又能顺利的从钢和金属材料液中排除,从而使钢和金属材料液中的氧含量降低的元素,这个过程叫钢和金属材料的脱氧,而用于脱氧的铁合金叫脱氧剂。常用的脱氧剂有硅铁、锰铁、铝铁、硅钙(铁)、硅锰(铁)、硅钡(铁)、硅铝(铁)等。用途之二是做合金剂,在碳素钢中加入各种铁合金调整其化学成份,可生产出各种合金钢和新金属材料。

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  铁合金除少量特殊铁合金如金属铬,钛铁等用铅热还原法生产,另有一部分锰铁用高炉外,其绝大部分是用电炉生产,耗电量非常大,因此俗称“电老虎”。比如生产1t硅铁,耗电量约8500千瓦时(度),把这些电如用于炼钢可炼电炉钢20吨,即为炼电炉钢的20倍,如用于生活中能供1台200升电冰箱用23年,可见用电量之大。因此,虽然铁合金用途很大,在国民经济和科学技术及国防上非常重要,但从1995年以来,由于我国铁合金发展较快,产量已居世界第1位。2001年全世界铁合金产量为1620万t,而我国产量为450万t,占全世界产量的四分之一,全世界铁合金产量最多的前5名为:第2名独联体(主要是俄罗斯)280万t,第3名南非250万t,第4位日本120万t,第5位印度75万t。我国铁合金产量除能满足我国钢铁和新金属材料工业的需要外,并每年有总产量的10—12%出口。当然也创汇不少,但由于其能耗太高,尤其耗电量很大,因此不宜再大量建厂和大量增加产量。据统计,目前铁合金耗电量已占全国总发电量的1%,占钢铁工业总耗电量的4%,其节能潜力极大。今天我国的科研工作者已在目前产量的基础上,开展节能降耗的科学研究,进一步开发节能的生产新工艺及进一步开创适用于高科技新材料和国防科学及国防工业上用的特种高效铁合金新品种,并已取得很大进步,已达到和接近国际先进水平。

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