機械材料

第五章 鋼鐵製造方法及一般應用

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5-1 傳統煉鋼法§

5-2 一貫作業煉鋼方法

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5-3 鋼料製品之種類及用途概述§

5-4 鋼鐵工業最近之發展

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5-1 傳統煉鋼法

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煉鋼法是將生鐵加以氧化精鍊，除去雜質如碳、 矽、錳、磷、硫等，使其成分合於所需品級的操作。

※目前通用的煉鋼法只有三種：

1. 平爐法(open-hearth process)2. 轉爐法(converter process)3. 電爐法(electric furnace process)

坩堝法(crucible process)可說已遭淘汰，只有少數 地方如瑞士、英、美等仍有一些小工廠用以煉製特殊 合金鋼。

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5-1-1 平爐煉鋼法※

平爐煉鋼法又稱西門子－馬丁法，採用反射式蓄熱

爐，稱為平爐(open-hearth furnace)。※

平爐利用反射作用來保溫，燃料與空氣分別預熱

後，由平爐邊緣之噴口處燃燒，火焰通過鐵水上方， 利用爐頂及爐壁等複雜的反射及回熱系統，保持燃燒 效率及增高溫度。

※高溫廢氣則導入蓄熱室以預熱空氣及燃料。

※平爐煉鋼法因雜質之氧化甚緩，其冶煉時間較長。

※ 原料可為固態或液態生鐵、廢鋼、石灰石(熔劑)、赤 鐵礦及磁鐵礦(以提供氧化物、促進碳之移除)。

以爐床內襯酸性磚或鹼性磚之不同，可分為酸性平 爐法及鹼性平爐法兩種。

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酸性法因爐渣為酸性，無法除去鐵水內的磷、硫等 雜質，故所用之生鐵必須含P、S量低者。

※

鹼性平爐法可處理含P、S量較高之生鐵(亦即品級較 差之生鐵)，作業過程須隨時添加石灰石，以控制爐 渣使成鹼性。

※

新式平爐法採爐床吹煉(turbo-hearth process)，係於 爐床上方吹入空氣或純氧，促進氧化，以縮短冶煉時 間並精煉之。

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5-1-2 轉爐煉鋼法※

轉爐煉鋼法係英人柏思麥(Henry Bessemer)於1856年

發明。※

爐底有許多空氣噴管，空氣由耳部氣道進入，經噴

管壓入熔融之鐵水內，將矽、錳、磷、碳等順序氧 化，產生之熱足以維持鐵水之熔融狀態，故不需使用 燃料，為其特徵之一。

※

因爐內襯之不同，轉爐法也有酸性與鹼性之分，其 爐渣特性、對P、S移除能力一如平爐法者，。

※

鑄鋼工業多用酸性轉爐(可熔煉較多次)，鍛鋼工業多 用鹼性轉爐。

※

較諸平爐法，轉爐法的優點為操作簡單、提煉時間 短、不需燃料，每單位產量之設廠費用較低。

同心或偏心之分，以開口之中心與爐體中心線是否 重合而定。

※

較諸轉爐法，平爐法的優點為提煉損失較少，成品 可作更精確控制，鹼性平爐法還容許原料成分有更大 的變動。

一般言之，平爐鋼之品質較轉爐鋼優良。在適當的 操作條件下，鹼性平爐可生產最優良的鋼料。

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5-1-3 電爐煉鋼法※電爐法中，電力僅作熱源。

※ 就發熱方式而言，冶金用電爐有三種： 【電阻爐

較少用於煉鋼】1. 電弧爐(electric-arc furnace)2. 電阻爐(resistance furnace)3. 感應爐(induction furnace)

※電弧爐之爐床由鋼板製成，內襯耐火磚，有：

1. 酸性電弧爐：酸性磚爐床乃磨碎之矽質黏土，其邊牆砌以矽磚。

2. 鹼性電弧爐：鹼性磚爐床襯以鎂磚。

電極由爐頂洞口插入爐內，具有裝料口及出鋼口， 操作方面又分傾卸式與固定式，前者因出鋼及除渣都 較方便，故使用最為普遍。

※ 電弧爐以放電方式有：1. 間接式電弧爐：利用金屬上方的電極間放電，熱量藉輻射

傳給金屬者。2. 直接式電弧爐：利用電極與金屬間放電(金屬亦為一極)者。因較經濟，故應用較廣。使用三相電流，係以高壓供應，再變為低壓之大電流而

生電弧。加熱率之控制一般利用自動控制系統調整電極與金屬液

間距離而達成之。

※

感應爐乃利用金屬本身作為一變壓器之二次線圈，由感應所 生之渦電流及磁滯加熱金屬，幾乎無聲，效率很高。唯容量 較小，多為1~5 噸

※

電爐法之主要用途在於利用轉爐鋼或平爐鋼，配以合金元 素，熔煉成合金鋼；也有將海棉鐵置於電爐煉成一般鋼料 者。

本省一般民間工廠多用電爐製鋼，使用拆船之鋼板或各機械 工廠之廢鋼料為原料。

※電爐法之

優點：可在精確控制下迅速加熱至甚高之溫度，鋼品優良 (因無有害之氣體如氧、氮、氫等)，爐中可隨吾人所欲控制為 氧化、還原或中性之狀態，合金成分不致損失，此點對使用 易氧化之昂貴合金成分尤其重要。故此法適於產製高級鋼品 及適用於使用大量廢鋼作原料及需生產多種不同鋼品之地 區。

缺點：分批操作，產量不大，成本較高，大量生產普通級 之低碳鋼、中碳鋼時，不若轉爐法或平爐法之經濟實用。

※

本省民間各大鋼鐵廠，目前多採用電弧爐熔廢鋼，再將鋼液 由底注至鹼氧爐吹煉，可說是一複合式煉鋼法。

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5-2 一貫作業煉鋼方法※ 「一貫作業」指由原料、煉鐵、煉鋼至軋成各種鋼料製品，

係在同一鋼鐵廠內各工場完成者；其優點有節省中間產品轉 運的浪費、避免再加熱熔煉的能源耗損、易於控制鋼品品 質、可大量生產等。

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一貫作業可概括為四大部份：原料處理部份、煉鐵工廠、煉 鋼工廠、軋鋼廠。

※原料處理部份：

廠區深水碼頭：用以卸下進口礦砂及煤炭。堆料場

煉焦及副產品工廠：用以將煤炭煉成焦炭並處理其副產品。

粉鐵礦燒結工廠：可將粉狀鐵礦燒結成塊狀，以提高冶煉效

果。

氧氣製造設備：提供轉爐或鼓風爐之用。

石灰石煆燒工廠：豎窯煆燒。

水處理廠及發電廠：利用高爐廢氣或焦爐氣發電。

※煉鐵工廠：

鼓風爐(blast furnace)：為主要設備，又稱高爐，用以將鐵礦還原成生鐵。

熱風爐：用以將冷空氣加熱以送入鼓風爐煉鐵。

高爐氣處理設備：除塵。

※煉鋼工廠：主要設備為轉爐及連續鑄造機。

※

軋鋼廠：計有鋼板、鋼胚、條鋼和線材等四個生產 工廠。

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5-2-1 煉鐵作業※

煉鐵係用鼓風爐，又稱高爐，其使用之原料有四

種：鐵礦石、燃料、熔劑(flux)及熱空氣。※

鐵礦包括赤鐵礦(Fe2 O3 )、磁鐵礦(Fe3 O4 )、褐鐵礦

(2Fe2 O3 •3H2 O)、菱鐵礦(FeCO3 )及黃鐵礦(FeS2 )等。※赤鐵礦、磁鐵礦為高品位者。

※

品味較低者須先經過選礦(ore-dressing)的步驟。今 日為提高鼓風爐的作業效率，常先將粉礦燒結 (sintering)成塊狀者。

※

鼓風爐所用之燃料，尚須當作鐵礦之還原劑。最常 用者為焦炭(coke)，次為無煙煤及木炭等。

※

熔劑之作用在於與鐵礦中的雜質起化學反應，結合 成爐渣(slag)而與鐵分離。

※

一般鐵礦之雜質大多為酸性之矽砂(SiO2 )，故選用鹼 性之石灰石(limestone，CaCO3 )，使兩者反應，中和 生成矽酸鈣(CaSiO3 )之熔融液，浮於鐵液上方，一方 面有隔絕空氣使鐵液不受氧化之害，另一方面尚能自 鐵水中將雜質「拔出」，以純化鐵液。有時添加適量 螢石(fluorspar，CaF2 )於石灰石中，可助於除去鐵液 中的硫分，尚可使爐渣稀薄，提高流動性。

※

熱空氣提供燃燒所需之氧氣，但必須用熱風爐將冷 空氣預熱。

※在鼓風爐內煉鐵的步驟：

自爐頂進料(鐵礦、焦炭、熔劑)及自爐底鼓入熱空 氣。

熱空氣燃燒焦炭，生成熱以備化學反應及熔化成品 之需，同時生成一氧化碳，可還原鐵礦。

熔劑與雜質結合生成爐渣。廢氣自爐頂排出，鐵水及爐渣則自爐底出料。

※

鼓風爐之爐體由鋼板 焊接而成，內襯以耐 火磚。最底部稱為爐 床

(hearth) 或

坩 堝

(crucible) ，為柱形， 高約 8.3 公尺，直徑 10.3公尺，它的上方有 風口(tuyere)三十個， 中間有排渣口 (cinder

notch)一個，下方有出 鐵 口 (iron notch) 二 個，由於它能容納熔 融的成品，因此具有 坩堝的作用。

※

爐床的上端，爐壁漸敞，形成一個倒置的圓錐體 狀，稱為爐腹(bosh)，爐腹上方為爐胸(stack)，又逐 漸向上縮小，至喉部(throat)處直徑減為8公尺。

※「無鐘式」加料設備。

※

爐底、爐床、爐腹等處因須承受極高溫或熔融物， 其內襯採炭磚。

※

每一座鼓風爐都配備有 3~5 座熱風爐 (hot blast stove)，由燃燒室、液壓支撐、蓄熱磚室、爐頂裝置

構成。內部之耐火磚排成垂直間隔以便蓄熱。※

其操作可分為兩個階段，一為燃燒期，將燃燒之熱

量蓄存於蓄熱磚室，另一為預熱期，由鼓風機送來之 冷空氣流經蓄熱磚室而被預熱。由鼓風爐之交互輪流 使用，可保熱空氣的供應永不中斷。

※

配料送入爐內，由風口送入之熱空氣上升後與爐內 焦炭作用生強還原性氣體CO，可將氧化鐵還原成 鐵，並產生CO2；此CO2若再與焦炭相遇，又可變成 CO，如此反覆作用，如下列反應式所示：

2C (焦炭) + O2 → 2CO ↑3CO + Fe2 O3 (鐵礦)→ 2Fe ↓ + 3CO2 ↑CO2 + C (焦炭) → 2CO

※ 失去氧之鐵礦生成鐵，因與大量熱焦炭接觸，受大 量「滲透作用」故吸收極多碳，在甚低於純鐵熔點的 溫度便可熔化，流到最底層的爐床內。

※ 熔劑石灰石在下降過程中，遇熱分解生成石灰與 CO2，石灰與鐵礦中的雜質(SiO2 )結合，在高熱下形 成矽酸鈣的熔融爐渣，也落入爐床，浮於鐵上。

CaCO3 (熔劑) → CaO + CO2CaO + SiO2 (鐵礦中)→ CaSiO3

※

鑽穿出鐵口，即可使鐵水流下，這種鐵稱為生鐵或 銑鐵(pig iron)，可鑄成銑錠，供翻砂(鑄造)之用，或 以運銑車(torpedo car)送往煉鋼工廠煉鋼。

※爐渣、爐渣棉。

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5-2-2 煉鋼作業※一貫作業煉鋼廠之煉鋼作業都以轉爐法行之。※

壓縮空氣與鐵水接觸後，即開始氧化，首先將Si、

Mn燒成氧化物，二、三分鐘後Si、Mn只剩微量，碳 開始氧化，轉爐開口處會冒出黃紅色火焰，火焰很快 地增強，直至最後，……。

※增碳劑使鋼水的含碳量合於要求。※

二次大戰後，轉爐法迭經改進，採用純氧而不用空

氣，採用頂吹而不用底吹(底吹者底部局部過熱，極 易損壞)，遂有奧國之L－D鹼氧轉爐法(如圖5-8(b))、 法國之O.L.P. (oxygen-lime process之簡稱)法及瑞典 之Kaldo鹼氧轉爐法(如圖5-8(c))等問世。

這些方法皆使用爐底封閉之鹼性轉爐，並以純氧自 爐頂吹入，吹於鋼液上方，氧氣吹管則以水冷卻。

Kaldo法者氧氣斜吹。

O.L.P.法則更於氧氣中夾帶石灰粉末，以達精煉之

目的。

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5-2-3 軋鋼作業※

冶煉完成並增碳至預定組成後的鋼液開始出爐、鑄

錠。※

鋼錠(ingot)的製造法有傳統之鐵模鑄造及連續鑄造

(continuous casting)兩種。※

鐵模鑄造時，鋼液由煉鋼爐傾入澆注桶 (teeming

laddle)。鋼模以鑄鐵製造。

一種大頭鑄模，其頂由耐火材料製成，稱為補澆冒

頭(feeder head)，可貯存鋼水，以使冷卻收縮過程 中，鑄錠尺寸不變。

※

鋼錠以澆注之前脫氧程度之不同而有未靜鋼錠 (rimmed steel ingot)、全靜鋼錠(killed steel ingot)及 半靜鋼錠(semi-killed steel ingot)之分。

【killed為脫氧除氣之意】

其特徵在於採取垂直的鋼液流動方式。

熔融之鋼液由高處(盛鋼處)流經鋼液分配器進入水冷 的黃銅模。

用乙炔將之切成適當長度。

連續鑄造法可省下鑄錠、脫模、均熱及預軋成粗鋼 胚(bloom)等手續，故較經濟。

※

淨面鋼錠：係以錳鐵或他種脫氧劑作輕度脫氧，凝 固時有氣泡放出，一如沸騰(氧與碳結合所生之CO氣 體自鋼液逸出，在錠頂燃燒)，故內部有許多氣泡─ 靠近外側者為一次氣泡，內部者為二次氣泡，成多孔 性組織；但凝固後鋼錠的外表面潔淨，故稱為「淨 面」鋼，又稱未靜鋼。

淨面鋼錠限於含矽、錳量低且含碳量不超過0.15 % 之鋼採用。

淨面鋼錠只宜於作鍛造品之用，如鋼帶、鋼板(包 括船板)及鋼線等，這些製品具有優良表面。

※

全靜鋼錠：係添加強脫氧劑，如矽鐵或鋁以「完 全」脫氧者，因沒有CO氣體產生，錠內乃無氣泡， 且鋼液得以靜靜地凝固。

其特徵為只有少數氣孔及錠頂形成大的縮管 (shrinkage pipe)。

全靜鋼之含碳量通常超過0.25 %，材質均勻，可製 造鑄件或鍛件。

全靜鋼錠外皮有一薄層細晶粒，其內為與模壁垂直 的柱狀晶粒，心部則為多角形晶粒(參見圖2-6)。

全靜鋼錠的成本高，且須切除10~20 %之縮管，故 一般只有在製造高級鋼時採用之。

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半靜鋼錠：為中度脫氧者，其特徵介於未靜鋼錠與 全靜鋼錠之間，適於含碳量0.15~0.25 %之鋼。

※煉鋼廠澆注之鋼錠：

一部份直接外售，供一般鑄鋼工廠鑄造用。

大部份均經熱軋(hot rolling)或冷軋(cold rolling)成 鋼板或各種型鋼才售出。

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無論是否剛脫模之鋼錠在軋製之前，皆須送入均熱 爐(soaking furnace)加熱，使表裡溫度合一，宜於軋 鋼。

※

以中鋼之軋鋼廠為例，又細分為鋼板工廠、鋼胚工 廠、條鋼工廠及線材工廠等四個生產工廠。

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軋鋼機有二重軋機(two-high mill)、三重軋機(three- high mill)及萬能軋機(universal mill)之分，各有二

個、三個及四個軋輥(roll)。

※

鋼板須以扁鋼胚(slab，將鋼液鑄成此特殊形狀)軋 製，均熱溫度達1250~1350 °C。熱軋時產生厚的銹 皮，以高壓沖水法去除之。

※

鋼胚工廠將鑄成大鋼胚之鋼錠熱軋成小鋼胚 (billet)，供條鋼及線材工廠之用。

※

鋼錠之軋製，甚少只使用冷軋者，通常係先以熱軋 軋至稍大於定尺，再行冷軋；或在一般熱軋操作之末 期，鋼料尺寸略大於定尺時，不再將之放入均熱爐加 熱，在低於鋼材再結晶溫度軋製之，使具有適當強 度。

※

冷軋前須作去銹處理，以增進軋製精度及形狀完 整。去銹之法採酸洗法。

※

冷軋屬於冷加工，可將鋼材晶粒沿加工方向拉長， 促使鋼材強、硬度變大，即為加工硬化。

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5-3 鋼料製品之種類及用途概述

※常見的鋼料製品及其用途概述如下：

1. 板材：如鋼板，用於造船、建築及機械結構，也可繼續軋成鋼片或鋼帶。

2. 鋼軌：用於鐵路或特種構造。3. 構造用型鋼：包括角鋼、I形樑、槽形鋼等，大多

用於機械構造。

4. 桿材：多用以繼續軋製或抽製線材。5. 線材：用於機械構造或建築上。成捲之鋼線，俗

稱圓盤。

6. 鋼管：用於化工、石油或公共事業。

※鋼材之分類法：

依合金元素之有無劃分：

1. 碳鋼：主要成份為Fe及C，但總或多或少含有Mn、Si、P、S等雜質，不算是合金元素。

2. 合金鋼：在碳鋼內添加合金元素Mn、V、Cr、Ni、W、……等一種或多種，以改善其性質所得之鋼。

依煉鋼法劃分：

1. 轉爐鋼2. 平爐鋼3. 電爐鋼4. 坩堝鋼

依含碳量多寡劃分：1. 工業用純鐵2. 低碳鋼：含碳0.30 %以下(重量百分率，下同)3. 中碳鋼：含碳0.30 ~ 0.60 %4. 高碳鋼：含碳0.60 %以上

依軟硬程度劃分：1. 極軟鋼：含碳0.1 %以下，適於製造鍍錫或鍍鋅鐵皮。2. 軟鋼：含碳0.15 ~ 0.25 %之間，用以製造鋼絲、螺釘、鋼板

、鋼管等。

3. 半軟鋼：含碳0.25 ~ 0.35 %之間，用於造船、建築、製軸與齒輪等。

4. 半硬鋼：含碳0.35 %~ 0.60 %之間，適於中型及大型鍛造品如軸、曲柄、曲柄銷、傳動軸、齒輪等。

5. 硬鋼：含碳0.60 ~ 0.80 %之間，用於土木工具、機件等。6. 極硬鋼：含碳0.80 %~ 2.0 %之間，適於製造鑽、鑿、刀具

、模子、機件等。

依鋼之組織劃分：

1. 亞共析鋼(hypo-eutectoid steel)：含碳量在0.80 %以下之鋼稱之。其組織為波來鐵(pearlite)與初析肥粒鐵。

2. 共析鋼(eutectoid steel)：含碳量為0.80 %之鋼稱之。其組織全為波來鐵。

3. 過共析鋼(hyper-eutectoid steel)：含碳量超過0.80%之鋼稱之。其組織為波來鐵與網狀之初析雪明碳鐵(cementite)。

依鋼之用途劃分：

1. 構造用鋼：包括碳鋼及合金鋼中供機械及土木建築構造用者。

2. 特種用途鋼：(除碳工具鋼外，皆為合金鋼)工具鋼(tool steel)：包括碳工具鋼及合金工

具鋼。

不銹鋼(stainless steel)彈簧鋼(spring steel)耐熱鋼(heat-resisting steel)磁性鋼(magnetic steel)特殊物性鋼(steels with special physical

properties)：例如恆範鋼熱脹係數趨於零。

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5-4 鋼鐵工業最近之發展※鋼鐵工業的新發展走向高產能、高品質。

※

直接還原法(煉鐵技術)：以氫氣或天然氣在高溫下與 精礦起直接還原作用，將鐵礦中之氧驅走，變成海綿 狀固體之法，又稱海綿鐵(sponge iron)法。

優點：建廠投資少、操作費用低、耗用能源少、維護費用低，故被認為可與鼓風爐法並駕

齊驅。

缺點：(1) 需精礦或高級選礦設備。(2) 較適合中、小型規模之產能(年產量小於

100萬噸)，規模再大則經濟效益很成問題。

(3) 需用電弧爐煉鋼，無法使用轉爐。※薄鋼板之連鑄技術。

§§

作業：1. 目前通用的煉鋼法只有那三種？

2. 就發熱方式而言，冶金用電爐有那三種？

3. 試簡述電爐煉鋼法的優缺點？

4. 一貫作業煉鋼法可概括為那四大部份？

5. 鋼錠之種類可分那三種？

6. 鋼材之分類依含碳量多寡劃分為那四種？

7. 鋼材之分類依鋼之組織劃分為那三種？(請註明其組織及含碳 %)

第 五 章 鋼鐵製造方法及一般應用§ 5-1 傳統煉鋼法投影片編號 3投影片編號 4投影片編號 5投影片編號 6投影片編號 7投影片編號 8投影片編號 9投影片編號 10投影片編號 11§ 5-2 一貫作業煉鋼方法投影片編號 13投影片編號 14投影片編號 15投影片編號 16投影片編號 17投影片編號 18投影片編號 19投影片編號 20投影片編號 21投影片編號 22投影片編號 23投影片編號 24投影片編號 25投影片編號 26投影片編號 27投影片編號 28投影片編號 29投影片編號 30投影片編號 31投影片編號 32投影片編號 33§ 5-3 鋼料製品之種類及用途概述投影片編號 35投影片編號 36投影片編號 37投影片編號 38§ 5-4 鋼鐵工業最近之發展§§ 作業：