西洋钢铁生产发展简史

早期的钢铁生产技术

欧洲大约在纪元前1000年即开始铁的制造，也就是在这个时候，钢铁开始取代了青铜而成为制造矛头、标枪、斧头、刀剑、镰刀、剪刀等等之材料。

西洋最早使用的炼铁炉是穴式炉（pit typefurnace）或用土石块堆砌而成的低轴式（low-shafttype）锻铁炉（flomery）。先将矿石中的土质尽可能洗净后，与木炭一起放入炉中点火熔炼。利用自然气流供给燃烧所需空气，或者用手拉风箱鼓入空气，空就中的氧和木炭中的炭作用生成一氧化碳，将氧化铁还原或铁。由锻铁炉所得的产品是一块夹杂着炉渣（Slag），厚4到5吋的展性铁；把这块铁反复地加热捶打，将大部份的炉渣挤出，最后得到所需要的成品。（武器或家居用品）

后来因为利用水轮（Water-wheel）带动风箱，所能供给的风量较前增加，于是炉身得以增高，以便容纳更多的矿石和木炭。此时所得的铁块也较以前为大，因此无法再用手锤锻造，于是水力使取代人力，以带动锻锤进行锻造工作。

锻铁炉的截面积与高度逐渐地增加，后来因为炉中热效率的改进，炉温因而提高。此时还原所得的铁熔为液体汇集在炉底，矿中之其他的成份则成为炉渣而浮于铁液表面。这时铁不再含有炉渣，但因为炉温较前提高，含碳量增加；因含碳量高，所以失去展性。若想使铁再具有展性，必须经过精炼手续以除去过剩的碳、硅等。慢慢的锻铁炉便发展成为高炉（flast furnace）。

高炉

早期的高炉是用宽厚的石板堆砌而成。此时的高炉中的制炼过程与锻铁炉一样，是在木炭火中进行；他们之间不同之处，是高炉使用较少的木炭较多的空气。虽然当时的熔铁匠并不了解炉中之化学反应，但他们知道利用精炼过程，可将粗铁中不想要的成份除掉，而得到钢。

当高炉问世后，接着 就发展出铁的铸造技术。将高炉炼得的铁，放入熔铁炉（Lowshaft furnace）重熔后，倒进砂模中即得铸铁。此种铸造方式与过去用于铸造青铜的方式相同。

起初，铁匠将他的产品，马上经过铸造或锻造成为成品。但到中世纪中叶后，铁的制造与加工便由两个行业分别进行。

由上面的叙述得知，起初钢是直接由矿石炼成的。但这种炼钢方式，只有在数量很少的时候可以应用，当高炉出现后，此法便无法应付了。此时便得使用间接途径以炼钢。把高炉所得的铣铁重新熔化，利用氧化将不纯物除去便得钢。到目前为止这种间接炼钢方式，在大规模炼钢下，仍较直接炼钢法为经济。

高炉需要大量的木炭当燃料，随着铁的产量之增加，不久木炭便发生匮乏的现象。人们为了解决燃料问题，便试着用煤代替木炭。到18世纪中叶英国便成功地将煤炼成焦炭，代替木炭供高炉使用。此后因为使用焦炭使得炉温增高，高炉的产量愈来愈高。尤其当蒸气机出现后，蒸气机带动的鼓风机，其鼓风量愈来愈大，炉温与炉高更是增加，于是产量更往前高涨。在过去160年间，无数的高炉操作上的改进（如提高鼓风之温度，增加鼓风中的含氧量，等等），其目的无非都是在如何使机械化的程度达到最大的可能，同时使铣铁的品质符合要求（规格），并且使产量增加。160年前高炉日产量只有1吨，而近代的高炉日产量已达2000,5000吨。目前最大的高炉，日产量在万吨左右。新式的高炉，高达100公尺左右。

18世纪时人们也企图利用硬煤代替木炭用于精炼炉中；但主要的难题是，煤与铁密切接触后，煤中之硫将混入铁中，而毁了铁。1784年亨利柯特（Henry Cort）成功地解决了这个问题。他发明了一种炉子，在这种炉子中，与铁接触的是火焰而不是燃料本身。将一根铁棒由炉门插入炉中，不停地搅拌铁液与炉渣，以促进气体与铁中杂质（Impurities）的氧化作用。这种炉称为搅拌炼铁炉（Puddling furnace）。

随着氧化作用（主要是去炭作用）的进行，搅拌炼铁炉中的熔铁愈凝愈大，且慢慢地趋近钢的本性。随后铁匠将糊状的一团铁切成数块，一块一块的取出炉外，用锤捶打将大部份的炉渣挤出。然后用刻有漕形凹痕的轧辊将铁块辊轧成一定形状与大小的铁棒，再将这些棒切成20吋长，四根梆在一起，经过精炼轧延而得商品。

柏塞麦转炉

搅拌炼铁法与古老的木炭火比较，产量增加很多。随着工业的成长，钢铁的需要量愈来愈大。即使有无数的搅拌炼铁炉加入生产行列，但这种生产方式终究证明不合适。因此必须发展一种更快，更新的炼钢法。1850年代，有位叫亨利柏塞麦（HernyBessemer）的英国人，发明了一种革命性的炼钢法。他将一根管子由坩锅口插入熔铁中，由管子吹入空气以炼钢。这种方法应用到实际生产前时，遇到无数的困难。但此法在所有的产钢国家轰动一时（引起广泛的注意），因为由坩埚发展而来的底吹式柏塞麦转炉（Converter）证实能在20分钟内生产与搅拌炼钢炉24小时所产相等的钢。然而此种炼钢法仍有其缺点，此法无法除去硫、磷，所炼得之钢有热脆冷裂的危险。柏塞麦当时所用的炉衬（lining）是含含SiO₂极高的酸性耐火材料（Refractory）。这种耐火材料，是将石英或砂石磨碎后加上粘土而得。二氧化硅，使氧化磷（P₂O₅）无法进入炉渣中。要想将燃烧所生的P₂O₅，由钢液中除去，炉渣必须具有强碱性。即使在酸性转炉中加入石灰也无济于事，此因二氧化硅将石灰与五氧化二磷的化合键打断，无法成为炉渣浮于钢液。同时酸性炉衬受到石灰的侵蚀而毁坏。为了这个原因，酸性转炉只能使用不含磷，或含磷低的矿炭钢。

虽然早期人们即已体认到，为了除磷必须找出一种碱性物质代替二氧化硅作为转炉之炉衬。但一直到1878年托玛士（Sidney H. Thomas）和它的堂兄弟基尔克利士特（Percy C. Gilchrist）才找到合适的材料。他们将白云石（delomite）磨碎后与煤 （tar）混合，然后将这碱性物质压成砖块，用这些砖作为转炉的炉衬。在碱性转炉中加入石灰，则形成强碱性之炉渣，于是除磷就不再有困难。

平炉炼钢法

在上一世纪的前半期，人们尝试利用反射炉（reverberatory）将废钢（Steel scrap）与铣铁熔化以制钢。但这些实验，直到1856年佛利得亚希（Freedrich）和威廉西门子（William Siemens），引进一种新式燃气炉后才有了令人满意的结果。他们利用废热再生器（Regenerator）回收废气之热量以预热空气，因而提高炉温，使得铣铁与废钢易于熔化成液体。1864年埃墨尔（Emill）和徐雷马丁（Pierre Martin），也成功地应用了这种燃烧加热方式。从那时起这种炼钢法在德国叫做西门子─马丁法，而在英语国家则称平炉法（Open-hearthprocess）。像转炉一样，平炉之炉衬也有酸碱之分，这完全决定于所用矿石所含硫磷之高低。平炉有一好处，即平炉中可大量加入废钢，废钢可占所有加料的80％，目前平炉与转炉炼钢法已逐渐迫使搅拌炼钢法从世上消失。

吹氧炼钢法──LD法

若将平炉法与转炉法做一比较，转炉炼钢所需时间短，但平炉钢品质较优。为了这个缘故，最近转炉的发展，主要是着意于如何改进钢之品质，和如何维持各炉成份之均一。1952-1953年间经由奥地利联合钢厂（Vöest steelwork），在Linz（林茨）和多那维茨（Donarwitz）两地工厂联合研究的结果，推出一种革命性的LD炼钢法（取Linz和Donarwitz字首而名之）。此法是将纯氧经由水冷式的吹氧管（Oxygen lance），从炉口以高速吹进炉中之熔铁中。用纯氧吹炼的钢，品质极为优越，且含氮甚低，其品质与平炉钢相当。接着，为了精炼含磷高的铁又发展出口种氧气炼钢法，如Rotor法，Kaldo法等。

此后，吹氧炼钢法慢慢地在世界上流行起来。因为LD法的生产率高，并且所得的钢能符合每一项要求，所以此法已取代了碱性转炉和平炉而成为大规模炼钢之主要方法。由于平炉的生产速率也有了改进，无疑的，平炉在使用废钢炼钢方面仍保有其重要性。

现在来谈一下目前已不使用的一种炼钢法──坩埚炼钢法（Crucible steelmaking process）。为了得到物理结构均匀的钢，班哲明杭次曼（Benjamin Huntsman）于1740年发明一种炼钢法，他将品质不均匀的铁放入坩埚中熔炼。此法后来经过进一步的发展，成为制造高级钢的完美方法。

电炉炼钢法

约70年前，坩埚炼钢法为电炉炼钢法所取代，电炉法炼钢，速度快，费用低，且品质容易控制精确。此法使用电流作为热源以熔化加料（Charge）。此法的化学反应与平炉中之化学反应相同，用废钢当原料，有时加入铣铁以调整其成份。

电炉所炼后的钢纯度极高，目前大部份的特殊合金钢即用电炉炼制。因电炉的广泛应用而发展出无数高级钢，近年电炉已日渐应用于生产商用钢。尤其在电力低廉的地方，此法更为风行。

轧钢技术

由锻铁炉或搅拌炼铁炉所得的可锻铁，一直是用人力或水力操作的锻锤锻造成形。中世纪即已有了轧延金属用的轧延机，但当时只用于轧压供铅等较软的金属。后来因为绞盘的出现，可以产生较大的动力、轧延机才用于轧压较硬的铁。世界上第一架轧钢机大约机15世纪在德国出现，随后也在法国，及比利时的列日地区应用。

第一台蒸气带动的轧钢机于1786年在英国推出，英国是当时欧洲产铁国家的首领。起先使用轧压机，分割机（Slitting mill）和轧板机后来分割机为型钢机（Section mill）所取代。1820年用轧钢机轧制铁轨的方法在英国取得专利。随着时代的进步，所需钢品种类与尺寸日渐繁多，于是便发展出各种的轧钢机，如万用轧机（Universal rolling mill），车轮轧机，轧管机等等。