【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。  

第五章铁 

§5-5钢的冶炼

【01】从高炉炼出来的生铁，由于其中含有较多的碳和相当多的硅、锰、硫、磷等杂质，因此性质松脆而不坚固，不容易进行机械加工。所以，绝大部分的生铁，都用来炼钢。要把生铁炼成钢，就要设法降低生铁中的含碳量，同时要把硫、磷等有害杂质尽量除去。

炼钢的原理

【02】把生铁炼成钢也是一个氧化-还原过程。主要是把熔融的生铁进行氧化，使其中所含的大部分杂质变成气体和炉渣而除去。

【03】炼钢一般分成两个阶段，即：氧化生铁中的杂质和使炼成的钢脱氧。现简单介绍如下。

1、氧化生铁中的杂质

【04】液态生铁中铁的含量大大超过其他杂质，当加入氧化剂（氧气或铁的氧化物）后，铁就被氧化，使部分的铁转变为氧化亚铁并放出热量：

【05】生成的氧化亚铁会使生铁中的杂质硅、锰、碳依次氧化：

【06】其中有放热反应，也有吸热反应。但总的来讲，放热大于吸热，因此炼钢炉内的温度仍能提高。

【07】如果生铁里含硫和磷的量较多，还必须在熔炼过程里加入大量的生石灰。生铁里含的磷，当被氧化亚铁氧化时，生成五氧化二磷，五氧化二磷又跟氧化亚铁反应生成磷酸亚铁，磷酸亚铁遇生石灰反应生成磷酸钙，成为炉渣而除去：

【08】硫在液态合金里，以硫化亚铁形式存在，遇到生石灰就起反应生成硫化钙，成为炉渣而排出：

2、使炼成的钢脱氧

【09】所有氧化反应都进行完毕后，先把生成的炉渣排出。但氧化后的液态合金里还含有少量剩余的氧化亚铁，虽然含量不多，但会大大影响钢的质量。因为它一方面能使钢发生热脆性，另一方面能跟钢里的碳结合生成一氧化碳，使钢里发生气泡，降低钢的坚固性。因此，必须把这少量的氧化亚铁除去。一般在钢将要熔炼完毕的时候，加一些还原剂（叫做脱氧剂），如锰铁、硅铁或金属铝等，它们跟氧化亚铁反应，使钢脱氧：

【10】硅、锰等在各种钢里的含量必需符合各种不同的标准。所以，加入锰铁、硅铁等脱氧剂，还可以调整钢里硅、锰等的含量。

【11】这里第一和第二两个反应，看来好象与氧化生铁里的杂质时的反应相同，但其目的显然是不同的。这里的反应是使炼成的钢脱氧，提高钢的质量，而氧化生铁里的杂质时的反应，则是除去生铁里的杂质而使生铁变成钢。

炼钢的方法

【12】炼钢的方法，一般可分成转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢三种。现简单介绍如下。

1、转炉炼钢法

【13】这种炼钢法使用的氧化剂是空气里的氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化过程里所放出的大量热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200℃），可使炉内达到足够高的温度。所以用转炉炼钢不需另外使用燃料。

【14】转炉炼钢是在转炉里进行的。转炉的外形象个梨（图5·5），内壁衬有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹入炉内，所以又叫做侧吹转炉。开始冶炼时，先把转炉倾斜至水平位置，从入口处注入温度约1300℃的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时，液态生铁表面剧烈地反应，使铁、硅、锰氧化，并生成炉渣，钢液呈沸腾状，炉口出现小火花，但火焰短而不明亮。由于熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内.几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳便开始氧化，生成一氧化碳，使钢液剧烈沸腾。炉口由于逸出的一氧化碳的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成了磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙成为炉渣。

【15】当碳与磷逐渐减少，火焰退落，炉口出现了四氧化三铁的褐色蒸气时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个冶炼过程只需15分钟左右。

【16】如果空气是从炉底吹入，那就是底吹转炉。

【17】随着制氧技术的发展，现在已经普遍采用氧气顶吹转炉（也有侧吹转炉）。这种转炉吹入的是高压工业纯氧，反应更为剧烈，能进一步提高生产率和钢的质量。

2、平炉炼钢法

【18】平炉炼钢法也叫马丁法。

【19】平炉炼钢使用的氧化剂是通入的空气和炉料里的氧化物（废钢，废铁，铁矿石）。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所供给，平炉（图5·6）的炉膛是一个耐火砖砌成的槽，上面有耐火砖制成的炉顶盖住。平炉的前墙上有装料口，装料机就从这里把炉料装到平炉里去。熔炼时装料口用耐火砖造成的门关起来。平炉的后墙上有二个开口，下面的是出钢口，上面的是出渣口。炉膛的二端都筑有炉头，炉头各有二个孔道，供导入燃料与热空气，或从炉里导出炉气之用。

【20】平炉炼钢所用的原料有废钢、废铁、铁矿石、生铁和熔剂(石灰石或生石灰)。开始冶炼时，燃料遇到导入的热空气就在炉料面上燃烧，温度高达1800℃。热量直接由火焰传给炉料，使炉料迅速熔化（因为纯铁的熔点是1535℃而钢的熔点略低）。同时有一部分熔化了的生铁在热空气和废钢或铁矿石里的氧的作用下，被氧化成氧化亚铁，生铁里的杂质硅、锰被氧化亚铁氧化，生成了炉渣。由于炉里放有过量的生石灰，磷与硫等杂质就生成磷酸钙和硫化钙成为炉渣。其次碳也进行氧化，生成一氧化碳从熔化的金属里冒出，好象金属在沸腾一样。

【21】反应快要进行完毕的时候，加入脱氧剂并定时把炉渣扒出。在冶炼将完成时，要根据炉前分析（用快速分析法，只需几分钟可完成）来检验钢的成分是否合乎要求。炼得的钢从出钢口流入钢水包里，再从钢水包注入模子里铸成制品或钢锭。

【22】为了提高炉温，气体燃料或空气要在蓄热室里进行预热。

【23】蓄热室是用耐火砖砌成空格的室（图5·6a），每座平炉有二对蓄热室。在每一对蓄热室里，一个室加热气体燃料，另一室加热空气。操作时气体撚料沿着管子经过蓄热室Ⅲ，空气沿着另一管子经过蓄热室Ⅳ，在炉膛口上方会合，发生燃烧。燃烧后的废气掠过炉膛，从另一方排出，把蓄热室Ⅰ和Ⅱ加热。经过30~40分钟后转动导管里的变向装置，改变气体方向，这时气体燃料和空气便通过蓄热室Ⅰ和Ⅱ受热，在炉膛上方燃烧，再经过蓄热室Ⅲ，Ⅳ，使这二室加热。如此交替地改变气流方向，就可充分利用热量，使炉膛达到1000~1300℃的高温。

【24】在平炉里不但可以加入液态的生铁，而且可以加入固态的生铁以及钢铁加工工业上的废钢、铁矿石等。同时炉料的成分没有严格的限制，可以全部用生铁，也可以全部用废钢。平炉容积大，钢的损耗少，可以冶炼出各种不同成分的碳钢与合金钢，钢的质量也高。缺点是建筑费用较高，热能的利用率较低。在平炉里如果用含氧30%的富氧空气鼓风，同时在熔化的金属里吹入氧气，可使生产率提高70%，冶炼的时间缩短24小时，并可节约燃料，富氧空气也不需经过预热。

3、电炉炼钢法

【25】钢还可以在以电能为热源的电炉里冶炼。使用电炉炼钢能炼出优质的合金钢。

【26】电炉的种类很多，应用最广泛的是电弧炉（图5·7）。电弧炉的外形呈圆柱形。小型电炉的直径约2.5公尺，容量3.5吨；大型电炉的直径可达6公尺，容量达80吨。电炉的炉壁和炉底都用耐火砖衬里，炉上有一球面拱形的炉顶。靠近炉底二旁有装料口和出钢口，装料门下有一个出渣槽。电炉的电极用石墨制成，装在炉顶上用青铜箍夹住。炉里的热量完全来自电极和炉料之间生成的电弧，以及电流通过炉料所产生的热。电极可以不断地上下移动，用来调节温度和补充电极下端的消耗。电炉炼钢一般用冷的废钢，也可以用热的钢液作原料。冶炼时把炉关闭，炉里温度高达2000℃，钢液能发生沸腾。整个炼钢过程约需3小时。

【27】电炉便于管理，冶炼时间较短，可以冶炼出各种不同成分的合金钢，包括含有各种难熔金属如钨和钼的合金钢。合金元素在电炉里的损失量比在平炉和转炉里都少。但用电比用其他燃料的成本却要高些。

【28】现将三种炼钢法列表比较（见表5·1）。

习题5-5

1、炼钢的化学原理怎样？和炼铁的原理有什么相同和不同的地方？

2、炼钢一般有哪几种方法？试就每种方法的原料，使用的氧化剂，反应时热量的来源，产品以及优缺点作一比较。

3、炼钢时用哪些物质作脱氧剂？加脱氧剂的目的是什么？

4、炼钢开始和熔炼完毕时，都常有下列反应：

在作用上有什么不同？

5、画出侧吹转炉的简图，说明转炉炼钢的操作过程。

6、平炉的构造和平炉炼钢的操作过程怎样？

7、把5克钢的试样放在氧气里灼烧，得到0.1克的二氧化碳。求这种钢里含碳的百分率。【0.55%】