第 3 章鋼鐵概說

第3章鋼鐵概說 3-1鋼鐵的製造 3-2鋼鐵的分類 3-3鋼錠的種類與加工

3-1鋼鐵的製造 3-1 鋼鐵的製造要說明鋼鐵的生產製造過程就必須先知道生鐵（或稱為銑鐵）的製造過程。在一貫作業煉鋼廠（如圖3-1 所示為中國鋼鐵公司一貫作業煉鋼流程）的冶煉過程中，生鐵與鋼鐵的煉製有其先後順序。從圖中可知，部分生鐵煉製品再經適當處理後，即成所需之鋼材。所以，我們先從生鐵的製造開始說起。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 1.原料一般煉製生鐵必須包含四種主要原料即鐵礦、燃料、熔劑及熱空氣等，茲將各種原料的特性分述如下：

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造鐵礦地球藏量最豐富的金屬為鋁，其次為鐵；鐵礦存在地底下的方式是以氧化鐵、碳酸鐵及硫化鐵等三種化合狀態與砂共同並存。其中氧化鐵又包含赤鐵礦、褐鐵礦及磁鐵礦三種；碳酸鐵礦包含菱鐵礦；硫化鐵礦包含黃鐵礦、白鐵礦及磁黃鐵礦等。鐵礦中鐵的含量在25～30%以上者，才具有開採的價值。茲將各種鐵礦的特性分述如下：

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 (1)赤鐵礦（Fe2O3）：為地球藏量最多的鐵礦，色紅而故名，含鐵量約在70%，也是煉製生鐵的主要礦源。 (2)褐鐵礦（2Fe2O3 ‧ 3H2O）：色黑褐，含鐵量約在40～60%間。 (3)磁鐵礦（Fe3O4）：色黑，地球含量不多，含鐵量最高達70%以上，因具磁性特性，頗為珍貴，探取時可以磁石吸引使雜質分離，易得精礦。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 (4)菱鐵礦（FeCO3）：色灰褐，一般含鐵量約30～40%，使用前需先行加以燃燒，使成為氧化物。 (5)黃鐵礦（FeS2）：色金黃，因含鐵量不高，一般很少用作煉鐵；但因其含有硫成分，經常被利用來製造硫黃及硫酸。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造燃料冶鍊生鐵時，加入燃料的目的除了提供燃燒所需的熱量外，尚具有將鐵原料還原的作用。當燃料加入鼓風爐內時，必須承受倒入進料入口的衝擊力及其它原料的壓力，所以，燃料應具有適當的強度。其次，為了燃燒便利，燃料最好為多孔性的材質。所以，一般所使用的燃料計有焦炭（最常用）、無煙煤及木炭等多孔性且強度適中的材料。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造熔劑使用熔劑的主要目的是將熔劑與鐵礦中雜質起化學反應結成爐渣浮於鐵礦水之表面並與鐵礦水分離。一般的鐵礦雜質多為酸性的矽砂，所以，可選用最常用的鹼性石灰石原料（CaCO3）與矽砂起化學反應，中和成CaSiCO3 的熔液，並浮於鐵水表面。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造一方面可阻隔鐵水與空氣接觸產生氧化現象；另一方面尚可繼續聚集雜質以淨化鐵水的純度。工業上除了以上法除去雜質外，還可於石灰石熔劑中加入螢石（CaF2）以除去鐵中硫的成分，並使熔渣的厚度變薄，增加熔渣的流動性。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造熱空氣熱空氣可提供燃料燃燒所需的氧氣。燃燒的過程中，鼓風爐內的溫度相當高可達2000℃左右，若直接引入室外空氣，無異是將爐溫給冷卻，使得燃燒效率降低。所以，將外來空氣先利用鼓風爐排出之廢氣直接加熱至1100～1150℃之高溫，再利用送風設備將熱空氣由爐床上方的風口鼓入爐內。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 2.製造過程煉製步驟生鐵的冶煉一般以鼓風爐來製造，鼓風爐又稱為高爐，在鼓風爐的煉鐵步驟約可分為： (1)進料：自爐頂將鐵礦、焦炭及熔劑倒入。 (2)送風：自爐底將熱空氣鼓入爐內。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 (3)燃燒：熱空氣將燃料燃燒，亦生成熱量熔化鐵礦，同時生成的一氧化碳可還原純鐵礦；熔劑則與雜質結合成爐渣。 (4)排氣：將廢氣由爐頂排出，並引部分廢氣加熱新鮮空氣。 (5)製品出爐：將鐵液及爐渣自爐底取出。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造鼓風爐依照上述鍊製的步驟可知鼓風爐的設備是冶鍊生鐵最基本的設備，其構造如圖3-2 所示。爐體為鋼板銲接而成的圓錐體，爐內璧由耐火磚砌堆而成，外壁以一般磚塊包以鐵皮保護。其構造分為最下層是爐床或坩堝（包含上風口、中間排渣口、下方出鐵口等）、爐腹、爐胸及喉部等。其中爐腹溫度最高，喉部上方為進料設備。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造每一具鼓風爐外均配有3～5 套的熱風爐，且與鼓風爐等高，由柱形鋼骨構成，直徑約7 公尺，其內砌耐火磚並分成若干垂直間隔且由燃燒室與蓄熱室組成。先將鼓風爐內的廢熱空氣引入熱風爐中加熱耐火磚，一定時間後，再將新鮮空氣引入由熱風爐中高溫的耐火磚予以預熱。再將預熱的空氣送入鼓風爐內，使得燃料燃燒所需之熱空氣能夠充份的循環供應，而不致冷卻鼓風爐內溫度。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造煉製過程 1.將原料按照一定比例（一般常用的比例為鐵礦砂：焦炭：石灰石＝ 3:2:1）由輸送帶送至爐頂，混合均勻後，再送入爐內；另由爐床上風口送入熱空氣把送入之焦炭進行燃燒，產生大量且濃度極高的一氧化碳CO 還原氣體，而一氧化碳CO 將與礦砂中的氧化鐵起作用，生成還原鐵及二氧化碳（CO2），其反應式如下：

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 2.CO2 若與焦炭相遇，將再生成CO 並與還原鐵（Fe3O4）作用生成還原鐵FeO 及CO2，其反應式3-1 為 3.依照前述方式進行反應，CO將持續生成，並再與還原鐵（FeO）作用，其反應式3-2 為

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 4.依上述步驟，可持續的製造還原鐵或生鐵（Fe）。在鐵的煉製過程中，焦炭（C）的功能為不斷地與氧結合生成CO，其各階段的反應3-3 為

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造另外，石灰石助熔劑（CaCO3）主要功能為將鐵礦中之雜質予以結合成渣並順利排出，其反應式3-4 為：

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造把生鐵再經過一定的程序處理，並去除鐵中含量過多的雜質諸如碳、矽、錳、硫、磷等元素，以避免脆性過高不易加工之缺點，控制各種雜質的含量，使成分合於所要求之等級。事實上，從一貫作業煉鋼的過程，如圖3-1 所示可知，生鐵熔液直接進入煉鋼爐中進行煉製，不須冷卻或等待時間。一般煉製的過程大致可分為兩個階段：

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造第一階段為氧化階段，其目的在去除雜質。利用空氣中的氧與鐵中的碳、矽、錳、硫、磷等元素之化學反應，將這些元素氧化或燃燒，以減少或控制這些元素的含量。雜質生成物中，一部分由空氣中排出，一部分結成爐渣而與鋼液分離。第二階段為還原階段，目的在還原鐵元素及控制含碳量。在氧化階段會使含碳量大幅的減少，並使鐵元素形成氧化鐵。所以，一般可以加入錳鐵作為增碳劑，除去鋼液中的氧並使含碳量增加，使得FeO 氧化物還原為Fe。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造一般煉鋼爐的種類依生鐵成分及鋼的使用目的之不同主要有四種： 1.平爐煉鋼法平爐法係法人馬丁兄弟於1865 年採用英人西門子兄弟所發明的方法改良而成的。平爐的構造中主要部分，如圖3-3 所示。其原理係把液態或固態的生鐵、廢鋼料、赤鐵礦或磁鐵礦、石灰石等送入爐內後，將已預熱的燃料利用熱空氣高溫燃燒。燃燒產生的火焰通過爐床的上方，利用爐頂與爐壁的反射與回熱系統來燃燒原料並保持高溫。另外高溫廢氣則導回蓄熱室以預熱新燃料及新鮮空氣。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造矽、錳、硫、磷的平爐的氧化反應速度極慢，因此煉製時間較長，每一爐的完成時間約需12 小時。然而其優點為容量可達50 至250 噸，而且原料的比例可自由選擇與任意調配，所得鋼料成品極其優良。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 2.轉爐煉鋼法（柏斯麥煉鋼法）轉爐法係英人柏斯麥於1856 年發明的，因爐身可作旋轉與傾斜而聞名。轉爐依照將雜質氧化的方式可分為下列四種： (1)底吹轉爐法（Q-BOP 法、OMB 法）如圖3-4(a)所示，係由爐底吹送壓縮空氣將矽、錳、硫、磷等元素氧化，且所產生的熱量足以維持鋼液於熔融狀態，不需使用燃料。但是因其效率頗低，且空氣中的氮氣會與鋼液結合而脆化，難以提煉優質鋼種。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 (2)頂吹轉爐法（L-D 轉爐法、BOF 轉爐法）係由爐頂吹入純氧氣以去除雜質，不生脆化現象，且煉鋼時間僅約需40 分鐘效率相當高，每爐容量可達300 噸。若與平爐相較，因其具有操作容易、冶煉時間極短、不需燃料及價格低廉等優點，此法已成大部分新建鋼鐵廠最常採用的煉鋼方法。如中鋼的LTD 轉爐係以氧氣當作燃料冶煉，如圖3-4(b)所示。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 (3)頂底吹轉爐法（複合吹煉法）兼具上二法之優點，但較不易控制與操作。 (4)橫吹轉爐法適用於鑄鋼工場的小型爐。 3.電爐煉鋼法電爐煉鋼法與平爐法的原理相同，只是加熱的方式不同，電爐是以電的加熱方式使原料熔解。依照電加熱的方式可分為電弧爐、電阻爐及感應爐三種，其中電阻爐效率較慢，已被電弧爐取代，其它二法如圖3-5 所示。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造電爐法大多用於合金鋼的製造，其溫度控制容易，爐中可控制氧化、還原及中性之狀態，且污染性低，所造之鋼種亦較平爐與轉爐的性質廣且質為優。然因其分批操作、產量不大及成本過高等因素，致不適合大量生產。

3-1 鋼鐵的製造 3-1鋼鐵的製造 4.坩堝爐煉鋼法使用由石墨與黏土製成的坩堝置於反射爐內煉鋼，因坩堝的尺寸限制，產量亦受限制，唯所產鋼種質純性優，極適合小型工廠冶煉高級鋼種或特殊合金鋼之用。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類鋼鐵若依含碳量的多寡大致可分為純鐵、碳鋼及鑄鐵三大類，茲說明如下： 1.純鐵：純鐵的含碳量在0.02%以下，係煉製時把碳及其它雜質去除至最低程度者，純度在99.9%以上。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類 2.碳鋼：含碳量在0.02～2.0%之間。此種鋼高溫時碳元素會完全熔入鐵中，所以，又稱為碳鋼。常用的碳鋼依含碳量又可細分為 (1)低碳鋼：含碳量為0.02～0.3%。 (2)中碳鋼：含碳量為0.3～0.6%。 (3)高碳鋼：含碳量為0.6～2.0%。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類若依鋼的冷卻析出的組織來說，碳鋼又分為 (1)亞共析鋼：含碳量為0.02～0.8%，組織為肥粒鐵+波來鐵。 (2)共析鋼：含碳量為0.8%，組織為波來鐵。 (3)過共析鋼：含碳量為0.8～2.0%，組織為雪明碳鐵+波來鐵。雖然碳鋼的含碳量由0.02～2.0%，然而一般工業用的碳鋼含碳量約在0.05～1.5%之間。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類 3.鑄鐵：含碳量介於2.0～6.67%之間，質地硬脆，耐磨吸震，不耐撞擊與拉伸。實際上，工業用的鑄鐵含碳量約在2.0～4.5 %之間。若依共晶變態關係，鑄鐵又可細分為下列三種： (1)亞共晶鑄鐵：含碳量為2.0～4.3%。 (2)共晶鑄鐵：含碳量為4.3%。 (3)過共晶鑄鐵：含碳量為4.3～6.67%。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類鑄鐵的質地堅硬且脆性大，由其斷面的顏色及組織可分類如下： (1)白鑄鐵：斷面晶粒組織微細，呈白色，質地最為堅硬，組織為雪明碳鐵＋波來鐵。 (2)灰鑄鐵：斷面晶粒組織微細，呈白灰色，質地較白鑄鐵為軟，組織為波來鐵＋肥粒鐵＋石墨。 (3)斑鑄鐵：其性質介於白鑄鐵與灰鑄鐵之間。 4.熟鐵：含碳量低於0.12%以下，但其包含1～3%纖維狀的特殊鐵碳合金，又稱為鍛鐵。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類碳鋼雖然使用的範圍很廣，也一直是最能滿足工業上需求的材料之一，特別是它的特性、成本、熱處理效果及用途等，都是無可替代的。然而，隨著工業的發展，未來的材料需求程度，更需要有高強度、韌性佳、耐磨性高、硬化能高、耐蝕性高及其他特殊的性能等要求，而碳鋼就無法完全滿足。因此，合金鋼的開發與應用就有其必要性，而合金鋼亦是以碳鋼為主要基礎，再加入其它的金屬或非金屬元素，增加其所需的特性，以滿足工業之需求，擴增材料使用的領域及範圍。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類合金鋼（Alloy steel）係在碳鋼中加入一種或一種以上的金屬或非金屬元素，已改變碳鋼的機械性質與物理性質，添加的元素諸如Ni、Cr、Mo、Zr、V、Co、Al、Mn、W、Ti、Si 等。合金鋼主要特性各種合金鋼主要特性分述如下： 1.強化鋼的機械性質，例如強度、硬度、衝擊值、韌性、彈性、硬化能等性能。 2.改善鋼的內部結晶構造，得到較堅韌的性質。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類 3.提高淬火硬化及回火的效果，以改良鋼的性質。 4.降低鋼的熱膨脹係數及收縮率。 5.高溫作業時，減少巨大的變形、彎曲、裂縫及磨耗等不良的影響。 6.延長鋼的使用壽命。 7.增加鋼的磁性。 8.增加鋼的耐蝕及防鏽能力，使鋼的表面保持光亮與美觀。 9.彈性增減鋼的導電電阻大小，達到使用效果。 10.減少電能及磁滯的損失。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類若依照合金鋼的用途，可將合金鋼分為構造用合金鋼（Constructional alloy steel）及特種合金鋼（Special alloy steel）兩大類。合金鋼的詳細分類如表3-1所示。由表3-1 可知，構造用合金鋼依照所加入之合金元素種類之不同，可細分為下列幾種： 1.高強度低合金鋼。 2.熱處理用的中合金鋼。 3.彈簧鋼。 4.滲碳鋼。 5.氮化鋼。

3-2 鋼鐵的分類 3-2鋼鐵的分類

3-3 鋼錠的種類與加工 3-3鋼錠的種類與加工將經過平爐、轉爐或電爐煉鋼法提煉所得之熔鋼加入合金元素、還原劑或者脫氧劑，去除氧元素並調節鋼液成分後，再依需要加以鑄造成形，即得所謂的鋼錠。鋼錠有圓形、扁平、多角形等，視後續的成形加工而定。若依鋼錠澆鑄前的脫氧程度可以將鋼錠的種類分為三種類型，如圖3-6所示，並說明如下：

3-3 鋼錠的種類與加工 3-3鋼錠的種類與加工

3-3 鋼錠的種類與加工 3-3鋼錠的種類與加工 1.未靜鋼錠（Effervescing steel）係指熔鋼於澆鑄前加入錳鐵作輕度還原脫氧後直接澆入於鑄模中。由於脫氧不充分，鋼中過剩的氧氣將與碳結合成CO 並自鋼液中向外排出，而於錠頂處燃燒並發出火花。熔鋼漸漸冷卻凝固後，內部將會存在許多的氣泡，呈現多孔性鬆組織結構。然因其表面潔淨，又稱為淨面鋼，其製品主要為表面美觀的薄鋼板、鋼管、輕型鋼等。

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