书城科普刷新世界的100个技术发明(上)
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第54章 人类进入钢的时代——现代冶炼技术的发明与发展

19世纪中叶以后,欧洲钢的生产开始了大发展,1856年是大发展的起点,这一年贝塞麦发明了转炉吹炼法,大大缩短了炼钢时间,不久西门子又发明了平炉炼法(1867年),不仅能生产优质钢,而且可大利用大量废钢。这两种方法为现代化炼钢打下了基础,使人类进入钢的时代。

磷的问题是20多年后才由英国人托马斯解决。他从化学反应的角度来研究磷的行为,认为生铁中的磷被空气氧化后生成五氧化二磷,又被吹炼炉的硅质炉衬还原成磷,重新进入钢中,因此他认为,如果采用另一种炉,使它能够和五氧化二磷结合,就能解决这一问题。他和P·吉尔克里斯特合作,于1877年在一座小炉上进行了一系列试验,证明用碱性衬炉可以脱磷,以后又在1.5吨的炉子里进行扩大试验,采用白云石作为炉衬,并以焦油作粘结剂,于1879年获得成功,创造丁碱性转炉炼钢法,又称贝塞麦—托马斯法,从此该法在欧洲推广应用,取得显著成效。

平炉炼钢的发明者是德国人西门子,他和其弟一起研究蓄热式热交换器以及用煤气作燃料,成功地用于玻璃熔化炉,可节省燃料50%,以后应用于熔化坩埚钢,接着研究成功了用生铁和铁矿石一起炼钢的方法,即平炉炼钢法,于1867年取得专利。平炉炼钢的冶炼系在中间的反射炉内进行,炉子的下面有两个蓄热式热交换器,分列左右,轮换使用,用以预热空气。这种炉子的特点是热效率较高,并可达到很高的炉温。同一时候,法国马丁取得西门子关于蓄热室炉子的专利后,试验成功了用生铁和熟铁一起熔炼成钢的方法,接着又用废钢代替熟铁和生铁一起炼钢,这就是现在通用的平炉炼钢法,又称西门子—马丁法。平炉的炉衬也有酸性和碱性两种。

平炉的冶炼时间比转炉长得多,对于100吨的炉子,原料如为生铁:废钢=50:50,则冶炼周期约为8~12小时。

和转炉炼钢比较,平炉具有以下优点:

平炉去除钢中杂质是个缓慢过程,因此钢的成分容易控制。

可以加入任何比例的废钢(当时转炉限于5%)。

碱性平炉可以不受生铁中含磷量的限制(碱性转炉要求生铁中含有足够高的磷,一般须为1.7~2%,否则氧化发热量不够,难以维持炉温;而酸性转炉则要求生铁中含量足够低,才能保证钢的良好性能)。

钢中含氮量少(转炉系空气直接吹入熔体,钢中吸收了一部分氮,易使钢变脆)。

由于具有上述优点,因此平炉发展很快,到1894年时产量已超过了转炉,达到157.5万吨,转炉钢则为153.53万吨。

电炉炼钢系用电作为热源进行炼钢,有两种形式,一是电弧炉,一是感应炉。

电弧炉——西门子于1878年首先应用电弧炉熔化废钢,但由于当时电费太贵,且电力供应不足,限制了该法的发展。1900年法国埃洛特建立了第一座工业用的电弧炼钢炉,先将生铁在碱性转炉内吹炼,去掉硅、锰及大部分碳,然后将熔体装入碱性电弧炉内进一步除磷及碳,直到达到要求的含量,这样可使每炉钢的成分基本一样。

感应炉——意大利费兰蒂于1877年最先采用高频炉熔化金属,但工业应用则始于1899年客林在瑞典建立的炉子。英国的炼钢中心设菲尔德于1907年建立了一座实验炉,可生产2吨重的钢铸件,由于1925年发明了电动发电机组,能获得比较合适的频率(500~3000周/秒),从而加速了感应炉的发展,使它逐渐取代了坩埚炉,用来生产高质量的工具钢。感应炉仅系熔化而不发生冶炼作用,因此可按照需要成分预先配好炉原料。感应加热时产生涡流,对熔体有搅动作用,使钢的成分均匀一致。

用电炉可以冶炼各种性能的合金钢。

合金钢的创始人当推法拉第,他为了寻找适合于电磁方面用的材料,从1819年开始曾将各种不同的元素加入铁中,包括铬。可惜他的工作没有进一步做下去,不然“合金钢时代”将会提前50年到来。

1871年英国试制了铬钢,1877年法国制成含铬生铁及铬钢,并用于工业,高炉炼铁铬合金也随即开始。

R·马希特在1871年发现锰钨钢在空气中冷却后有很大的硬度,于是用作工具钢。这一合金的出现使机械工业发生了革命,使用寿命为以前高碳钢的5—6倍,并使机床的速度提高了1倍。

接着R·哈德菲尔德在合金钢领域里又迈出了重要的一步,他于1883年发明了锰钢。以前曾有人研究过锰的作用,发现加入锰后虽然能使钢变硬,但却变脆。而R·哈德菲尔德进一步发现:如果加入大量的锰(10%或更多),钢不仅具有足够的硬度,而且具有很好的抗拉强度和延展性。将锰钢加热至1050℃并在水中淬火,还可以提高它的韧性(而碳钢经过这样的处理却变脆)。锰钢还有另一个优良性能:当撞击时,表面层变硬而内部仍保持韧性,因此十分适用于制造铁路叉道、掘土机、挖泥船等。锰钢的发现又使机械工业增加了一种宝贵的材料。

哈德菲尔德还发明了硅钢,开始时用作工具钢,后来发现当含硅至5%时具有高导磁率、高电阻、低磁滞的特性,特别适用于制造电动机和发电机的转子、变压器芯及其它电器用具。从1907年以来硅钢已成了电力工业中不可缺少的一种基本材料。

1889年英国J·赖利发明的镍钢在工程界起了极为重要的作用。他发现当加镍至4.7%时,可使钢的强度增加2倍。这一优良性能很快确立了镍钢的地位。

本世纪初由美国F·W·泰勒和M·怀特发明了高速钢很快被欧洲所采用,典型成分是:钨18%,铬4%,钒1%,碳0.5%,有时还含钴。这种钢在高温时不软化。采用这种钢做刀具,切削速度可自高碳钢的30英尺/分提高至500英尺/分。

1913年英国H·布里尔利发明了不锈钢,成分是铬13%,碳0.3%。后来德国B·施特劳斯和E·毛雷尔加入镍进一步改善了抗腐蚀性能和机械性能,这就是今天广泛使用的含铬18%、含镍8%的18~8不锈钢。钢中加入铬不仅抗蚀,而且防止高温时氧化掉皮,因此是用于原子能工业、火箭、汽轮机等的理想材料。

自从工业革命以来,金属材料在工业化大生产中长期处于重要位置。在金属材料中,铁和钢又占居首位。19世纪中叶以前,铁是主要的金属材料,从世纪下半叶起,钢迅速取代铁成为工业发展的重要支柱,开创了材料工业的钢铁时代。进入20世纪,由于工业、交通、建筑、军事等部门的大量需要,钢在产量、质量、品种、冶炼技术上都有新发展。

20世纪上半叶,炼铁技术虽仍以19世纪发明的高炉冶炼为主,炼钢技术也仍以19世纪发明的平炉冶炼为主,转炉炼钢和电炉炼特种钢为铺,但在炼炉技术、原料处理和轧制技术上都不断有改进。

1930年前后,冶金学家开始研究直接使用氧气的炼钢法,论证了用高浓度的氧代替空气助燃,可以提高炼钢效率。

本世纪40年代,氧气斜吹转炉炼钢法、卧式转炉双管吹氧法、纯氧顶吹转炉炼钢法等相继出现,其中以纯氧顶吹转炉炼钢法的优点最为明显,它与当时通用的平炉相比,投资减少约一半,效率提高达数倍,成本低、质量高,因而迅速得到了推广。电弧炉炼钢法和感应炉炼钢法在电力比较充足的国家,如美、意等国陆续被用于炼制特种钢的生产中。40年代出现的连续铸钢法是炼钢技术的一个重大进步,它可以省掉钢锭模和初轧机,使生产率成倍提高,投资和成本明显下降。

炼钢技术的发展还表明在各种特种钢和合金钢的不断问世上。不同的特种钢和合金钢可以适应不同的特殊需要。20世纪初发明了渗碳法,不久又发展了利用渗碳技术渗氮。20年代末至30年代又把镍、铬等加到普通的碳钢中,制成了一系列坚韧的镍钢和铬钢。一种重要的合金钢——锰钢的炼制技术也有了新的进步。1882年,英国人S·R·哈德菲尔德第一个研制出的锰钢,含锰约为12~13%。20世纪初则研制成含锰达80%的高锰钢,坚韧性极高,可用于舰艇和武器的装甲。哈德菲尔德于1900年又研制出有很高磁导率的硅钢,是制造电机电器的好材料。1912年,英国人H·布里尔利制出了含一定比例的镍、铬,有良好抗腐蚀性能的不锈钢。1912年,美国生产了含镍达71~80%的透磁钢。1923年,德国研制成功高硬度的氮化钢。第二次世界大战中,把镍铬合金经氮化处理和热处理后得到了质硬、耐磨的新合金。40年代出现了能耐800℃高温的镍铬合金。此外,加入不同比例的硅、钼、铌、铝、钛等元素,各有特种性能的多种合金钢在这一时期也相继诞生。这些合金材料的出现,促进了机器、电气、化工、交通运输、军事工业的发展。

后来出现的金属材料如钛等虽然在强度上超过了钢,但由于其数量极为有限,故还远远达不到取代钢的地位。钢以其庞大的数量,品种的繁多一直称雄金属材料世界。据专家预测,至少在今后50年内还没有任何金属材料取代其霸主地位。