（材料化学的故事）钢铁是怎样炼成的

在所有的金属材料中，钢铁是人类最早使用的金属之一。早在三千年前，人类已经会开采铁矿，并且发明了炼铁的方法。我国也是早期发明炼铁的国家之一。

古代人民炼铁用的原料是铁矿石，因它的颜色是红棕色的，古代人民把它叫做红棕色的石头。古代人民虽然不懂得炼铁的化学原理，但他们知道炼铁需要很高的温度。当时炼铁用的燃料是木材和木炭，到了汉代开始用煤。当时炼铁用的炉子非常简单，炉身一般是用石头和粘土砌成的，呈圆筒形，在炉旁有一个风箱。最初是用人或马来拉动风箱的，到了汉代发明了水排，才利用水力来鼓风，以提高炉内的燃烧温度。

在炼铁时，把铁矿石和木炭一层间一层地从炉子上面加进去。生火后，用风箱把空气压送到炉子里去，木炭就旺盛地燃烧起来，产生很高的温度。这时铁矿石熔化，三氧化二铁被木炭燃烧时生成的一氧化碳还原，还原出来的铁在 1200℃～1300℃的高温下熔化成铁水，从炉腰间的一个小孔流出，这样就炼出了生铁。我们的祖先在当时已经掌握了完全合乎现代科学原理的炼铁技术。

钢铁是一个庞大的集团，其应用之广、产量之大，都无愧于金属世界的冠军。各种机器、农具、汽车、火车、坦克以及许多日常生活用品的制造，都离不开钢铁。

钢铁是铁与钢的总称，实际上，铁矿石在高炉中经过冶炼得到的生铁，在炼钢炉中经过进一步冶炼，才得到钢。

在炼铁厂里，有个高达 100 多米，容积达 4000 多立方米的庞然大物就是赫赫有名的炼铁高炉。它的外形像一个大圆筒，中间大，两头稍小。炉身的外面包着钢壳，里面砌有耐火砖。高炉每昼夜要吞进上千吨的铁矿石、焦炭和石灰石等原料。这么多的原料，要举到几十层楼高的高炉炉顶上放进炉内，可不是一件易事。不过，在现代化的炼铁厂里，装料操作完全是机械化和自动化的。从矿山来的一列列火车。装载着铁矿石和石灰石；从炼焦厂来的运焦车，装载着一罐罐的焦炭，它们由自动给料器送入料车，满载原料的料车，由输送轨道跑到炉顶。料车到达炉顶后自动地下料，将原料送入炉内。接着，空车再沿轨道跑下来，并且当高炉缺料时，料车就会自己跑上来送料。炼铁原料装入高炉以后，慢慢地不断由上向下移动。炉身内径逐渐向下扩大是为了便于炉料向下移动，使它们容易跟上升的气体接触。炉子下部的焦炭遇到了鼓入的热空气，就跟空气里的氧气化合，生成二氧化碳。二氧化碳气体上升，被炽热的焦炭还原成一氧化碳。

C + O2高温CO2↑

CO2 + C高温2CO↑

生成的一氧化碳再向上升，遇到铁矿石的时候就跟三氧化二铁起还原反应：

Fe2O3 + 3CO高温2Fe + 3CO2↑

在炼铁过程中除了铁被还原出以外，锰、硅、磷等元素也分别从它们的氧化物里还原出来。在高炉内径最大的部分，还原出来的铁开始跟碳、锰、硅、磷、硫等元素熔合在一起。因此，由高炉炼出来的不是纯铁，而是含有1.7％以上的碳和少量锰、硅、磷、硫等杂质的铁碳合金，这种合金就是生铁。

加入石灰石是为了除去铁矿石中所含的极难熔化的脉石（主要成分是SiO2）。石灰石加热到 800℃左右开始分解成氧化钙和二氧化碳：

CaCO3 高温CaO + CO2↑

生成的二氧化碳随气流上升，氧化钙跟脉石里的二氧化硅化合生成熔化状态的硅酸钙炉渣。

CaO + SiO2＝CaSiO3

这样就把难熔的脉石熔化成炉渣而便于除去了，所以我们把石灰石叫做熔剂。

熔化的生铁和炉渣生成后，炉料的体积逐渐缩小，高炉下部的内径也逐渐随着缩小。每隔一定时间，出铁口和出渣口交替打开出渣出铁。当出铁口一打开，其景象极为壮观，刹那间只见红热的铁水飞奔流出，闪着太阳般的光辉，溅起灿烂的铁花。铁就这样在烈火中诞生了。从高炉中炼出了生铁，不直接使用，大部分还要送去炼钢。这主要是因为生铁的性能欠佳，不能满足多方面的需要。生铁硬而脆，耐磨性虽好，但韧性很差，不易加工、铸造，不易焊接，生铁的用途往往只限于制造机床床身、外壳、底座及火炉、铁锅等，连小小的指甲刀也无法用生铁来制造。钢没有生铁那些缺点，它具有良好的韧性、塑性和焊接性，可以锻打、压延、抽丝，易于进行机械加工，钢的用途十分广泛。

生铁与钢的主要成分都是铁，但性能有显著不同。这主要是由于生铁中含碳量偏高，并含有一些不适量的硅、锰、硫、磷等杂质造成的。通常把含碳量高于 2％的叫生铁，含碳量在 0.03％～ 2％的叫钢，含碳量低于 0.03％的就是热铁。

由生铁炼成钢主要就是降低含碳量并把硅、锰、硫、磷的含量调到适当的范围。工人师傅常把这个过程简单地概括为：降碳、调硅锰、去硫磷。当然，降碳不会是无限制地降，去硫磷也达不到彻底清除的地步。

从炼钢的化学原理来看，跟炼铁的过程恰好相反。炼铁是将氧化铁还原为铁的过程；炼钢则是将生铁中的杂质氧化而除去的过程。那么炼钢时用什么作氧化剂呢？现代采用的氧气顶吹转炉炼钢法，用的是纯氧气。在炼钢过程中，生铁中各元素的氧化都是直接或间接跟氧作用，但是它们不是同时被氧化的。谁先和氧作用，谁后和氧作用，主要决定于它们跟氧结合的能力。铁元素跟氧结合的能力虽然较低，但是铁水里铁的含量远远大于其他元素，所以吹炼时部分铁先被氧化成氧化亚铁，同时放出大量的热。

2Fe + O2 = 2FeO + 热

硅和锰也不甘落后，接着他们从 FeO 中夺取氧而被氧化。

Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe + 热

Mn + FeO = MnO + Fe + 热

硅和锰在钢水中非常活跃，它们也会跑去直接跟氧化合。

Si + O2 = SiO2 + 热

2Mn + O2 = 2MnO + 热

生成的 SiO2 和 MnO 跟生石灰（CaO）结合而进入炉渣。

SiO2 + CaO = CaSiO3 ↓

当硅和锰的氧化接近结束时，反应放出大量的热使炉温迅速上升。当炉中钢水的平均温度超过 1500℃时，碳大大地活跃起来，这时它跟氧结合的能力超过了硅、锰与氧的结合能力，因而碳被迅速氧化。

C+FeO=CO+Fe

处于活跃状态的碳在钢水中跑来跑去，它也跑去直接跟氧化合。

2C + O2 = 2CO↑

生成的一氧化碳气体随炉气逸出。一氧化碳上升时对钢水起搅拌作用，使钢水剧烈地沸腾，这样就能使反应加速。所以除去生铁中的部分碳是炼钢中的一个非常重要的环节。

降了碳，调整了硅、锰的含量，下面就是去掉硫和磷了。为什么要除掉硫和磷呢？因为硫和磷是两种有害的杂质元素。硫的存在会使钢产生“热脆性”，即钢在热加工时发生断裂现象。磷的危害则相反，它使钢产生“冷脆性”。磷的“冷脆性”曾是世界上几起疑案的“主犯”。

1938 年 3 月 14 日，比利时的哈塞尔特城被包围在寒冷的气氛中，温度低达零下 15 度。刺骨的寒风吹到人的脸上如针扎一般疼痛，只有阿尔伯运河的水在欢快地、不知疲倦地流淌着，不时地弹奏出那轻柔悠扬的乐曲。横跨在运河上的阿尔伯钢桥，显得格外雄伟、壮丽，就像是哈塞尔特忠诚的卫士，突然，从桥下传来了惊天动地的金属断裂声，紧接着是桥身剧裂抖动，桥面出现了裂缝。人们惊恐万状，人和车辆争先向桥的两侧奔去……，在不到几分钟的时间内，钢桥折成了几段，坠入河中。无巧不成书。时隔十六年，也就是 1954 年寒冬腊月的一天，爱尔兰海面上寒风凛冽，一艘三万两千吨级的英国油轮——“世界协和号”乘风破浪地航行在广阔的海面上。忽然，有个水手气喘嘘嘘地向船长报告：“船长先生，快去看吧，油轮的中部出现了裂缝！”话音未落，一阵刺耳的巨响击破长空，油轮顿时一分为二，许多水手纷纷跳进大海。就这样，油轮上的人还没有来得及用无线电发出求援信号，就和油轮一起葬身波涛汹涌的大海中。谁是这两起重大事故的肇事者呢？科学家经过深入的研究后宣布：罪魁祸首是钢铁中的磷！钢铁中磷的含量如果过大，遇冷就会变脆。这两起恶性事故的发生，就是因为钢铁受冻而造成的。因此，在炼钢时要加入造渣剂氧化钙，目的是为了除去铁水中所含磷、硫两种元素。

在铁水中疏以 FeS 的形式存在，它跟生石灰作用，生成硫化钙而进入炉渣：

FeS + CaO = FeO + CaS

去磷的总化学方程式是：

2P +5FeO + 3CaO = 5Fe + Ca3（PO4）2

生成的磷酸钙也进入炉渣。

炼钢生成的炉渣比钢水轻，它浮在钢水表面上，可以跟钢水分开。

氧化和造渣过程完成后，还会有未反应的氧化亚铁存在，最后还要加入脱氧剂，以除去氧化亚铁，并同时调整硅、锰的含量。若生产某种合金钢，在最后阶段还要加入适量的某种金属，经化验钢样合格时，即可出钢。

炼钢的方法有多种。有平炉炼钢，电炉炼钢法。氧气顶吹转炉炼钢法，是 50 年代建立并发展起来的新方法。这种方法用纯氧吹炼而不用空气，炉温高、反应快，一炉钢的吹炼时间只需十几分钟，因而，这种方法发展很快。

有的国家氧气顶吹转炉炼钢的产量，达到了总产量的 90％以上。

一块不起眼的铁矿石经过了高炉的冶炼，除掉了杂质，成为坚硬无比的

钢铁，成为在工农业生产、日常生活中具有最广泛用途的金属材料，这是多

么伟大的功绩。