钢铁是从哪儿来的呢?

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钢铁是从哪儿来的呢?

  自然界存在有陨铁,是小行星进入大气层燃烧冶炼后得到的。我们用的钢铁都是用铁矿石冶炼而来,其方法是:把铁矿石和还原剂(一般用焦炭)加入高炉,从炉腰鼓入大量空气(或者是富氧空气),点火使焦炭燃烧,产生高温的二氧化碳(CO)气体,再与焦炭发生反应,得到还原剂一氧化碳2(CO)。在高温下,一氧化碳与铁矿石发生反应,还原出铁来成为铁水,而其他杂质与造渣剂反应生成比铁水轻的渣浮在上面,除去渣就得到铁水。这就是高炉炼铁。生成的铁水经过炉外精炼,就可得到铸造生铁。其余铁水装入炼钢用的平炉、转炉或电炉中,在高温下通入氧气,使铁中的碳与氧气发生反应,生成气体跑出来,再加入其他物质以控制其中氮、硫、磷等元素的含量,就得到钢水。这就是炼钢。

  铁按其中碳的含量来分类:

  纯铁:纯度在99.9%以上,是和锡类似的白色固体。它性能差,几乎没有什么用途。

  熟铁:含碳量低于0.4%,韧性较好。

  生铁:含碳量高于1.7%,质地硬而脆,强度较高。

  钢:含碳量介于0.4%~1.7%之间。它性能良好,种类繁多,应用广。

  生铁分为普通生铁和铸造生铁两类。普通生铁又叫炼钢生铁,仅用作炼钢的原料。铸造生铁用于铸造各种零部件,以前多用灰口铁,其中的碳呈片状分布在铁原子中。灰口铁熔点低,熔液的流动性好,适用于生产机床底盘、农具、铁锅等强度高而不要求韧性好的用具。近年来人们又开发了一种新的球墨铸铁,其中的碳呈球形分布在铁中。球墨铸铁机械强度高,加工性能好,韧性有所提高,可以部分代替钢。

  生铁中由于碳的含量高,使铁的脆性增加,韧性降低,而钢则由于含碳量适宜,强度高又韧性好,因而应用广泛。钢主要分为两大类:碳素钢和合金钢。

  碳素钢又叫普通钢,其主要成分是铁和碳,其余元素含量虽然很少,但也能影响其性质。例如,硅能增加钢的强度和硬度,但降低其韧性。锰能增加钢的强度、硬度和韧性,提高耐磨性。磷和硫都是有害杂质,它们使钢在高温下或低温下脆性增加,易破坏断裂。

  碳素钢主要用作结构钢和工具钢。目前美国有90%的建筑采用钢结构而不用钢筋混凝土,高耸入云的摩天大楼几乎都是钢结构,日本也有81.4%的建筑采用钢结构。

  在普通钢中掺入镍、钨、钼、钒、铜、钛、铝、钴、硅等元素,就可以获得性质不同的合金钢。合金元素的加入使钢的性质发生了质的飞跃,获得了许多优异性能。

  第一个被认真研究的合金钢是锰钢,1882年由英国的哈德苏尔德首先研制成功。锰钢具有优良的耐磨性和抗震性,适用于制造碎石机和钢轨。后来研制成功的高锰钢,含锰量达80%,性极坚韧,是制造舰艇和坦克装甲的好材料。

  1912年,英国人布里尔利把一定比例的镍、铬加入钢中,研制成功了不锈钢。它具有极高的耐腐蚀性,在高温下也不会氧化。制造汽轮机叶片、耐酸器件、飞机零件等都要用到它。我们日常生活中所用的不锈钢刀、叉、盘等也是用这种合金钢生产的。

  以铁、钴、镍为主要成分的耐热钢,可以在800℃以上的高温环境中正常工作。美国宇航局研制的钴基合金,工作环境温度可达1150℃。而在钢中加入锯,其工作温度可达1300~1600℃。在美国“阿波罗”飞船上所用的一种涂有钼的化合物,能在2760℃的高温下工作。人们为什么对耐热钢如此感兴趣呢?这是因为:有了高性能的耐热钢,可以提高火力发电站的蒸汽温度,从而提高发电厂的热效率(目前发电厂的最高热效率仅为40%)。而火箭喷气发动机喷口的工作温度约1380℃,没有耐高温的喷口,就难以提高火箭的速度。人们在这方面的研究正逐步深入。

  在古典小说中常写到削铁如泥的宝刀,而真正称得上削铁如泥的是硬质合金钢,它是采用粉末冶金工艺制成的:把难熔的钨、钽、钛、钼等元素的碳化物的硬质颗粒,与铁合金的粉末混合后压制成型,经高温烧结而成。硬质合金钢的抗压强度极高,含钴10%的碳化钨基合金,其强度可达350~2370kg/mm(kg为千克,mm为毫米),是世界上强度最高的合金。有的硬质合金钢做成的刀具,在1400~1500℃下仍然可以高速切削金属。