煉鐵煉鋼的真功夫－－百鍊成鋼
作者：謝之駿 中興大學材料科學與工程研究所
張貼日期：2007/9/5
圖說：澆注鐵水
不經一番寒徹骨，焉得梅花撲鼻香。鋼鐵的冶煉過程也是一樣，必須歷經高溫熔煉、鑄造、軋延等過程，通過千錘百鍊的考驗，才能蛻變成強硬的鋼鐵。讓我們一起來探究鋼鐵的冶煉過程吧！
鋼鐵的冶煉歷史
人類的文明可以依照使用工具來區分，從石器時代、青銅器時代、鐵器時代，進展到現代。在數千年前，人類已經會使用鋼鐵，當時的鋼鐵主要做為裝飾品、武器，以及農漁、狩獵、日常生活用品等。
根據《尚書》〈禹貢篇〉的記載，中國人在夏禹時代已經開始使用鐵製的農具了。經過一段時間，也開始使用鋼製的工具。中國最早提到煉鋼術的書是春秋的《左傳》，在〈闔閭傳〉中記載：「干將作劍，干將夫妻乃斷髮剪爪投於爐中，使童女童男三百人鼓橐裝碳，金鐵乃濡遂以成劍。」這一段文字所描述的武器，也就是武俠小說中為人熟知的干將劍。
經過考古學家的發掘與考證，發現早在秦漢時代，就有海綿鐵爐、圓形煉鐵爐、長方形煉鐵爐、以及低溫煉鋼爐了。根據漢代《夏侯陽算經》的記載，中國當時的煉鋼技術已經包含銑鐵重熔和去碳兩個步驟。這種煉鋼法是把鐵放在坩鍋中精煉，如果要使鋼硬化，就必須加入碳元素。此外，《山海經》也曾經提到漢朝全國有 3 千個以上的鐵礦場，而且派遣 49 名官員到各地去監督鐵礦的開採。由此可知，煉鐵及煉鋼的技術並不是在近代才開始發展的，而是在老祖先的時代早就有的技術。
鋼鐵的種類及性質
鋼鐵一般在工業界通稱為「鋼」或「鐵」，其實它們是鐵和碳的合金。這種合金的主要成分是鐵元素，另外還可能有鉻、錳、釩、鉬、鎳、銅等金屬元素，以及碳、矽、磷、硫等非金屬元素。在這些元素中，以碳所扮演的角色最為重要。依照實用的觀點，可以概略性地以鋼鐵材料中的含碳量多寡來區分它們，含碳量高於 2％ 的，就稱作鑄鐵，鋼的含碳量則少於 2％。
鋼鐵的分類以碳含量多寡及合金的成分，可以分為碳鋼與合金鋼兩大類。含碳量的多寡也決定鋼鐵的硬度。含碳量少的，比較軟而強韌。含碳量比較高的，雖然堅硬，但比較脆。碳鋼依含碳量的多寡，可以劃分成含碳量 0.30％ 以下的低碳鋼、含碳量 0.30％ 至 0.60％ 的中碳鋼、以及含碳量 0.60％ 以上的高碳鋼。合金鋼如果依合金元素的總量，也可以分類成合金元素總量在 1.5％ 以下的低合金鋼、合金元素總量在 1.5％ 至 5.5％ 的中合金鋼、以及合金元素總量在 5.5％ 以上的高合金鋼。
合金鋼是在碳鋼中添加一種或者一種以上的合金元素，以改善碳鋼原來的性質，使適合各種不同的使用目的。這些常見的合金元素，包括鉻、鎳、矽、錳、鉬、鎢、鈦、鈷、釩等。一般來說，碳鋼的碳含量比合金鋼高，因此碳鋼比合金鋼更適合當作結構用鋼，可以有比較好的制震性。但是，過多的碳卻會使鋼鐵的銲接性及加工成型性變差。
不銹鋼是日常生活中最常見的合金鋼，它是在碳鋼中加入約 12 ~ 22％ 的鉻及 8 ~ 16％ 的鎳。不銹鋼中的鉻很容易與空氣中的氧反應，在表面上形成一層雖薄但是具有良好保護作用的氧化鉻薄膜，可以有效避免母材受到環境的侵蝕，而且薄膜受到外力損傷後，仍然可以很快地再形成新的保護膜。因此，不銹鋼通常用在耐腐性需求較高的場合。
一般大型鋼鐵廠有四大系統，即原料準備、煉鐵、煉鋼和軋鋼。原料包括鐵礦石、煤、助熔劑、焦炭等。鐵礦石在高爐中經過還原後形成鐵水，這些鐵水利用魚雷車載送到煉鋼廠進行煉鋼。鋼液經過澆鑄冷卻後，形成鋼胚。鋼胚再經過熱軋及冷軋，形成不同厚度的鋼板、鋼片或鋼條。在鋼鐵廠中，每一個系統都很重要，任何一個環節出了差錯，煉出的鋼鐵品質就不符合要求。因此，在鋼鐵製造過程中，每一項步驟都需要嚴格把關，才能製造出品質優良的鋼材。
煉鐵
煉製生鐵的基本原則，就是設法除去鐵礦石－氧化鐵中的氧原子，使氧化鐵還原成金屬態的鐵。近代利用高爐來煉鐵，可以大量生產。經由高爐煉成的生鐵，通常含有 3.5％ 以上的碳，同時含有相當多的矽、錳、磷、硫等元素。因此它的性質硬而脆，無法軋製或鍛造。生鐵適合鑄造，把高爐煉得的生鐵放入熔鐵爐重熔，待鐵水凝固後就可以得到鑄鐵。
如果把生鐵中所含的碳及雜質減量或消除，便成為熟鐵。熟鐵是純度較高的鐵，雜質含量也比較少。一般來說，熟鐵的碳含量都在 0.02％ 以下，富有延展性，適合高溫鍛接，又稱為鍛鐵。
由於生鐵質脆，熟鐵質韌，所製成鋼鐵的性質可以硬且韌。古人不知道這是因為含碳量的高低所致，卻知道「凡鐵分生熟，既炒而熟，生熟相和，煉成則鋼」。雖然古代沒有現在完整的冶金學概念，但是老祖先土法煉鋼的經驗，讓我們不得不佩服他們的智慧。
煉鋼
煉鋼主要的目的在於降低生鐵中的碳含量，以增進鋼鐵的韌性、可鍛性等。同時，也可以添加不同的合金元素，用來提升鋼鐵的強度、硬度、耐磨耗性、耐腐蝕性、加工性等。下列是幾種常見的煉鋼方法。
坩鍋煉鋼法：這是一種最古老的煉鋼法，由英國人杭茲曼在 1740 年所發明。一般常用的坩鍋以石墨或黏土製成，生產量少，成本過高，不符合經濟原則。但是所得到的鋼品質較佳，適合小型工廠生產，或是專門用來冶煉合金鋼。
轉爐煉鋼法：利用轉爐煉鋼的方法很多，較坩鍋法複雜。在各種轉爐煉鋼法中，以貝塞麥轉爐法最具代表性，這一種方法是英國人貝塞麥在 1856 年所發明的。冶煉方法是把鐵水、廢鐵和石灰石放入轉爐內，用一根管子從坩鍋口插入熔鐵中，吹入高壓氧氣來煉鋼，並使鐵水溫度急速上升。在這時候，鐵水中的碳會和氧化合成一氧化碳氣泡溢出，其他的雜質則會和石灰石化合成瀘渣浮在表面上，而原來的鐵水便成了鋼的熔液。
大量生產的煉鋼法也由此開始。貝塞麥法只要 20 分鐘就能達到過去採用攪拌煉鋼爐 24 小時的鋼鐵產量，這也是煉鋼爐中最有效率的一種。但是，貝塞麥法的缺點是無法去除鋼鐵中的硫、磷等雜質。
平爐煉鋼法：平爐法是法國人馬丁在 1864 年採用德國人西門子的方法所進一步開發出來的，因此又稱為西門子－馬丁法。在進行平爐煉鋼時，經過下層蓄熱室預熱的空氣和煤氣被送入上層熔池，在鐵水表面吹拂、燃燒，可以比較完全地把鐵水中的碳和其他雜質氧化，得到優質的鋼。雖然平爐冶煉的時間比較長，一般是 24 小時，但因為熔池很大，一爐便可以煉製百噸鋼水，所以產量比較高。而且原料不限制只能使用生鐵，廢鋼、鐵屑、熟鐵、鐵礦石都可以，煉出的鋼質量穩定均勻，因此一直沿用至今。
電爐煉鋼法：所謂的電爐法是使用電力熔解金屬，也就是說，由電能來冶煉鋼料，是現代最進步的一種煉鋼方式。電爐煉鋼速度快，品質容易控制。這個方法使用電力熔化原料，化學反應與平爐相同。電爐煉鋼生產的鋼鐵純度極高，目前大部分的特殊合金鋼都是使用這種方法煉製的。近年來，電爐已經日漸應用在各種商用鋼品的生產上。尤其在電價低廉的地區，電爐法更是盛行。
鋼鐵特性控制
鋼鐵剛冶煉出來時是比較大塊的鋼胚鑄件，再依據不同的用途，使這些鋼胚在紅通通的高熱狀態下，經過軋延機軋延加工成較長且較薄，厚度約在 6 ~ 12.7 mm之間的鋼板，或者更薄的鋼片或鋼捲。這種加工製程就好比桿麵皮一樣，稱為熱軋程序。大鋼胚製成小鋼胚後，也可以再軋製成棒鋼或盤捲成一捲一捲的線材。
鋼鐵與其他工程材料相比，具有許多特性，例如適當的強度、韌性、硬度、耐衝擊性等。從材料科學的觀點來看，鋼鐵的性質與它的製程及組織息息相關。
鋼鐵在歷經不同的製造及加工處理程序以後，會改變它的結構組織，從而造成性質的變化。例如當鋼鐵經過冷軋處理後，硬度會提升，這主要是因為差排密度大幅提升，並改變微觀組織而引起的效果。結構組織變化也可能造成性質的退化，例如不銹鋼中有一種西格瑪（σ）相組織，它類似人體中的癌細胞，當不銹鋼中有過多的西格瑪相組織時，不銹鋼的耐腐蝕性會降低，並且脆化。
由此可知，如果要使鋼鐵擁有適當的強度、硬度、耐腐蝕性、銲接性、切削性等，可以利用製程、組織、性質的因果關係來加以控制。例如如果想得到韌性較高的鋼鐵，就必須選用適當的製程去獲得想要的組織，像是使晶粒粗化。相反地，如果需要得到強度較高的鋼鐵，就必須獲得強硬的組織，例如使晶粒細化或產生析出物等。除此以外，為了因應不同的使用需求，冶金工程師常常利用合金設計的方法，並配合製程的變化，開發不同的微觀組織，具有特殊性質的新鋼種。
物盡其用的鋼鐵
鋼鐵在人們的食衣住行育樂中扮演著舉足輕重的角色，鋼鐵工業更是衡量一個國家工業生產力的重要指標，常常視為國力強弱的表徵。有些國家甚至把冶煉製造出來的鋼鐵外銷，賺取可觀的外匯。
煉製出 1 公噸的鐵，需要約 1,600 公斤的鐵礦砂、480 公斤的焦炭、170 公斤的石灰石和 150 公噸的水。水用來冷卻爐壁，焦炭用來燃燒，至於石灰石則可以結合鐵礦還原後殘存的雜質形成爐渣。因為爐渣的比重比鐵水輕，所以會浮在鐵水上面，容易和鐵水分離。煉鐵所得到的爐渣可以做為製造水泥、絕緣材料等的原料。由此可知，在整個製鐵過程中，物質並沒有浪費掉。
鋼鐵材料也是綠色材料，可以 100％ 回收再利用。也就是說，廢棄的鋼鐵可以回收熔化、重複使用，不會造成浪費，可達到物盡其用的效果。
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