从铁矿石到钢铁产品的全过程 铁矿石炼钢的流程

时间:2021-05-12 00:52:51 作者:admin 10322

矿石是如何变成钢铁的?

能够变成钢铁的矿石叫做铁矿石,即含有铁单质或铁化合物能够经济利用的矿物集合体,铁矿石通过高温冶炼就能得到单质铁,在单质铁中添加其它元素以后就得到了铁合金,即钢。

铁矿石的种类很多,用于铁冶炼的铁矿石主要有磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)和菱铁矿(FeCO3),铁含量达到70%以上的铁矿石被称为“富矿”,它们可以直接投入到炉子里进行冶炼,俗称“高炉富矿”。

而铁含量较低的铁矿石则需要进行选矿,这些铁矿石的铁含量低于70%,在选矿过程中将多余的杂志剔除,使其变成铁含量达到70%以上的精选矿,然后才能投入到冶炼炉内进行冶炼。

铁冶炼的方法主要有三种,即高炉炼铁法、直接还原炼铁法、电炉炼铁法,其中高炉炼铁法历史最悠久,它的冶炼原理是这样的:

将精选后的富矿粉末捏成团堆砌在高炉内→点燃装填在炉底的煤→炉温升至900℃,氧化物开始被碳还原→炉温升至1000℃,杂质开始被熔化,氧化物开始气化→炉温升至1300℃,铁元素开始熔化成液态铁→铁水向下流淌进入铁水包→铸锭得到生铁锭。

其他两种冶炼方法虽有一定的技术区别,但是万变不离其宗,都是利用高温来熔化矿石中的铁元素,进而得到液态铁。

这就是铁从矿石到金属的蜕变过程,从原理上来讲,铁冶炼就是一个简单粗暴的升温过程,然而这样得到的金属铁杂质含量是非常高的,这样的铁质地非常硬,同时也非常脆,用锤子敲击都能被击裂,只有进一步淬炼才能成为强度较高的钢。

▼下图为打造日本武士刀使用的原材料——玉钢,网络上曾有大批日精鼓吹玉钢的各种高大上,然而事实上玉钢只是土法炼钢时产生的海绵状生铁,它的性能还不如过去我国农村用来犁地的铁犁,吹捧玉钢的行为实质上为不懂冶炼基本原理的无知行为。

而淬炼的基本条件依旧是温度,只有将炉温进一步提升到1500℃以上时才能剔除杂质,得到真正的单质铁,历史上传说干将莫邪用自己的身体炼就名剑的原理就是通过动物油脂向冶炼炉内燃料助燃,以提高炉温。

客观地讲,传统燃料是很难将炉温提高到1500℃的,解决这个问题最简单有效的做法就是向熔池注入纯氧。

氧气是一种助燃剂,高纯度氧气的注入将会使高温铁水发生剧烈燃烧,温度也就得到大幅提升了;同时氧气也是一种强氧化剂,它的注入将会促进铁水里的杂质快速分离,在铁水表面以氧化物的形式析出,这样一来就能得到纯度很高的熟铁了。

需要特别指出的是,熟铁虽然具有一定的柔韧性,但是它仍然不是真正意义上的钢,因为钢除了柔韧性以外还要具备一定强度,所以必须在铁水中根据不同需求添加一定比例的其他元素,使其成为不同性能的钢。

比如说需要制造具有一定硬度和一定抗张强度的坦克装甲钢,那么我们就需要向铁水里添加0.37%的硅、0.8%的锰、0.9%的铬、1.65%的镍、0.25%的钼,这样一来就能得到符合要求的均质装甲钢了,也就是行业上所说的“40CrNiMoA”镍铬钼合金钢,或者40#常规武器钢。

不同的元素添加比列能获得性能不同的钢材,就拿常规武器用钢来说吧,当我们把镍含量从1.65%提高到3.5%,把钼含量提高到0.75%,并添加015%的钒、锰含量不变的情况下,得到的就是一种硬度适中,而抗张强度和屈服强度极高的炮管钢。

这样的钢材是制造坦克滑膛炮和大口径榴弹炮的唯一材料,它可以承受500Mpa~700Mpa的火炮膛压以及10℃/s的加热、冷却速度,同时可承受硬质炮弹500~800次的高温、高压摩擦,这也是现代火炮身管寿命极高的原因。

▼下图为一根口径为460mm的炮管,它是常规武器用钢的典型代表,使用钢材时是“40CrNiMoA”镍铬钼合金钢,寿命为400发。

熟铁水甚至能够与放射性物质熔合成特殊钢铁——贫铀合金钢,这种放射性物质就是贫铀,它是一种核废料金属,即铀-238,密度为19.1克/立方厘米,是高碳钢密度的2.4倍,与钨相近,当它与纯铁熔合以后就得到了密度、硬度极高的贫铀合金钢。

对于钨矿资源相对贫瘠的国家而言,贫铀合金钢是代替钨钢的不二之选,它既可以用来制造攻击装甲的弹丸,又能制造防止弹丸攻击的装甲。

当做为弹丸时,高密度、高硬度特性可以使其轻松击穿传统均质装甲钢,比如美制M829A3型120mm尾翼稳定脱壳穿甲弹,它的贫铀合金钢弹芯在发射时能达到1550米/秒的初速,2000米距离上能击穿800mm厚的均质装甲钢,与我国的125mm钨合金钢尾翼稳定脱壳穿甲弹的性能基本持平(三期弹),杀伤力甚至远远超过钨合金钢弹芯!

当做为装甲时,高密度、高硬度特性可以使其防护水平大幅提升,比如美制M1A2sep主战坦克就使用了3吨左右的贫铀合金钢装甲,使其原本防御水平相当于700mm均质装甲钢的炮塔正面装甲提高到了1300mm水平,当我们用99A型主战坦克的125mm火炮使用最强的三期弹对其炮塔正面打一炮时,难说究竟能不能打得穿。

▼下图为正在为M1A2sep主战坦克装载M829A3型120mm尾翼稳定脱壳穿甲弹的美国士兵,这类弹药是使用贫铀合金钢制造的,发射前不会对使用者造成伤害,但是发射后在高温作用下放射性物质就会发生反应,从而伤害到人体健康,是一种很不人道的特种钢材,这个星球上只有美国在使用这种钢材。

综上所述我们可以得出这样的结论

第一、矿石变成钢铁是通过高温冶炼实现的,当冶炼温度接近或者达到铁的熔点时,铁元素就会被熔化成金属铁,在通过进一步的高温淬炼就能得到单质铁。

第二、在单质铁中添加一定比例的其他元素后就能得到钢,不同的添加方式能够得到性能不同的钢材,只有炼成合金铁才能称得上真正意义上的钢铁。

结语

钢铁冶炼原理虽说是简单粗暴的升温过程,但是要得到高性能钢铁却并非易事,比如说上述中例举到的40#炮钢,它必须在得到符合要求的合金钢以后还要通过“电渣重熔”这项技术的处理才能成为真正的炮钢。

我国到1991年时才掌握这项技术,也是从这个时期开始才具备研发大口径坦克滑膛炮的条件,在此之前我国根本不能生产包括滑膛炮在内的高性能火炮,以至于在研发第一代主战坦克时愣是只能拿老旧的100mm线膛炮来凑数,回想起来令人唏嘘。

如今的我国不仅成为世界第一大钢铁冶炼国家,更是成为钢铁冶炼强国,除了不屑于冶炼贫铀合金钢以外,上到航天轻质合金钢,下到无磁航母甲板钢等等各种高性能钢铁我们都能自己炼出来,不得不承认祖国真的是越来越强大了,老一辈们“超英赶美”的夙愿终在今日得以实现。

▼下图为鞍钢的特种厚板钢锻造生产车间正在加工航母甲板钢,这种高性能钢铁是建造现代航母不可或缺的特殊材料,在过去我们是不具备生产能力的,即便放眼于当下,能生产航母甲板钢的国家也不超过3个。

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