一、原材料

　　鋼的源頭是鐵礦砂，即鐵元素(Fe)在自然界中的存在形式，純粹的鐵在自然界中是不存在的，鐵礦砂主要分為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦三種，這些都是鐵的氧化物，不同之處在于它們的氧化方式。鐵礦砂中的含鐵量越高越好，理論上鐵礦砂中的最高含鐵量在72%左右，含鐵量在60%以上稱為富鐵礦。鐵礦砂先在熔爐內(nèi)還原成鐵(銑鐵)，再送入煉鋼爐內(nèi)脫碳精煉成鋼，廢鋼也可在煉鋼爐熔煉再生。一般鋼鐵依使用用途制成性質(zhì)、形狀各異的商品，既所謂的鋼鐵制品。通常鋼鐵制品是將鐵礦石還原，熔解成銑鐵(煉銑)，銑鐵精煉成鋼(煉鋼)，鋼再軋延、加工后制成各種鋼鐵制品，廣義的鋼鐵制品包含鑄鐵、鑄鋼、鍛造鋼品及鋼材加工的制品。

　　在討論鋼鐵的原料之前，我們先要弄清楚，究竟鋼和鐵有什么不同？是否有不同的成份呢？在日常生活上大家總是把鋼和鐵聯(lián)在一起稱為“鋼鐵”，可見鋼和鐵應(yīng)該是一種物質(zhì)才對；事實(shí)上，由科學(xué)的眼光來看，鋼和鐵是有少許不同的，它們的主要成份都是鐵元素，只是所含的碳元素量不同。我們通常以碳的含量在2%以上的叫“生鐵”，低于這個數(shù)值的叫“鋼”。因此，在冶煉鋼鐵的過程中，含鐵的礦石先在鼓風(fēng)爐(blast?furnace)(高爐)中被冶煉成熔融生鐵，而后熔融生鐵再放到煉鋼爐(steel?making?furnace)中精煉成鋼。

　　生產(chǎn)鋼鐵所需要的原料分成四大類來分別討論：第一類討論的是各種含有鐵質(zhì)的礦石原料；第二類是煤和焦炭；第三類則討論在冶煉的過程中用來制造熔碴(slag)的熔劑(或稱助熔劑flux)，如石灰石等；最后一類是各種輔助原料，如廢鋼料(scrap)、氧氣等。

　　二、鐵礦石種類及分布

　　在理論上來說，凡是含有鐵元素或鐵化合物的礦石都可以叫做鐵礦石。但是，在工業(yè)上或者商業(yè)上來說，鐵礦石不但是要含有鐵的成份，而且必須有利用的價值才行?？墒牵捎诤茈y絕對性的判定一個礦石是否有利用價值，所以在工業(yè)上很難訂立一個鐵礦石的標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，歐洲所產(chǎn)的鐵礦品質(zhì)很差，而且含鐵量很低，只是因?yàn)樗麄冋也坏胶玫牡V石，所以他們就把這種礦石稱為鐵礦石；而澳洲目前因?yàn)槠焚|(zhì)好含鐵量高的礦石存量很多，所以像歐洲所用的那種礦石在澳洲已經(jīng)認(rèn)為毫無價值。那么，在歐洲所使用的鐵礦石，在美國就不被鋼鐵業(yè)界認(rèn)為是鐵礦石了。再譬如說，在過去被認(rèn)為含鐵量太低沒有利用價值的礦石，由于現(xiàn)在工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展出許多廉價的方法來富化礦石中鐵的成份，于是這些含鐵量低的礦石也就成為有價值的鐵礦石了。于是，我們歸納出一個結(jié)論，就是在工業(yè)上對于鐵礦石判定的標(biāo)準(zhǔn)是隨著地區(qū)性的供求關(guān)系、工業(yè)技術(shù)水準(zhǔn)的改變及交通運(yùn)輸?shù)臓顩r而改變的。以目前的標(biāo)準(zhǔn)來看，礦石中的平均含鐵量大約在25%以上，才被稱為有利用價值的鐵礦石。

　　鐵都是以化合物的狀態(tài)存在于自然界中，尤其是以氧化鐵的狀態(tài)存在的量特別多。現(xiàn)在將幾種比較重要的鐵礦石提出來說明：(前三種是主要種類)

　　(1)磁鐵礦(Magnetite)是一種氧化鐵的礦石，主要成份為Fe3O4，是Fe2O3和FeO的復(fù)合物，呈黑灰色，比重大約5.15左右，含F(xiàn)e?72.4%，O?27.6%，具有磁性。在選礦(Beneficiation)時可利用磁選法，處理非常方便；但是由于其結(jié)構(gòu)細(xì)密，故被還原性較差。經(jīng)過長期風(fēng)化作用后即變成赤鐵礦。

　　(2)赤鐵礦(Hematite)也是一種氧化鐵的礦石，主要成份為Fe2O3，呈暗紅色，比重大約為5.26，含F(xiàn)e?70%，O?30%，是最主要的鐵礦石。由其本身結(jié)構(gòu)狀況的不同又可分成很多類別，如赤色赤鐵礦(Red?Hematite)、鏡鐵礦(Specularhematite)、云母鐵礦(Micaceous?hematite)、粘土質(zhì)赤鐵(Red?Ocher)等。

　　(3)褐鐵礦(Limonite)這是含有氫氧化鐵的礦石。它是針鐵礦(Goethite)HFeO2和鱗鐵礦(Lepidocrocite)FeO(OH)兩種不同結(jié)構(gòu)礦石的統(tǒng)稱，也有人把它主要成份的化學(xué)式寫成m?Fe2O3nH2O，呈現(xiàn)土黃或棕色，含有Fe約62%，O?27%，H2O?11%，比重約為3.6～4.0，多半是附存在其它鐵礦石之中。

　　(4)菱鐵礦(Siderite)是含有碳酸鐵的礦石，主要成份為FeCO3，呈現(xiàn)青灰色，比重在3.8左右。這種礦石多半含有相當(dāng)多數(shù)量的鈣鹽和鎂鹽。由于碳酸根在高溫約800～900℃時會吸收大量的熱而放出二氧化碳，所以我們多半先把這一類礦石加以焙燒之后再加入鼓風(fēng)爐。(5)鐵的硅酸鹽礦(Silicate?Iron)此類礦石是一種復(fù)合鹽，沒有一定的化學(xué)式，成份的變化很大，一般呈現(xiàn)深綠色，比重為3.8左右，含鐵成份很低，是一種較差的鐵礦石。

　　(6)硫化鐵礦(Sulphide?iron)這種礦石含有FeS2，含F(xiàn)e只有46.6%而S的含量達(dá)到53.4%。呈現(xiàn)灰黃色，比重大約為4.95～5.10。由于這種礦石常常含有許多其它較貴重的金屬如銅(Copper)、鎳(Nickel)、鋅(Zinc)、金(Gold)、銀(Silver)等，所以常被用做他種金屬冶煉工業(yè)的原料；又由于它含有大量的硫，所以常被用來提制硫磺，鐵反而變成了副產(chǎn)品，所以事實(shí)上已不能稱為鐵礦石。

　　鐵在地球表面，分布非常廣泛，而且存量也極為豐富，幾乎所有的巖石和動植物的殘骸之中都含有少許鐵的成份；根據(jù)地質(zhì)學(xué)家的估計(jì)，地殼中大約有4～5%是鐵的元素。

　　雖然這許多含鐵的物質(zhì)中只有極少部份是具有價值的鐵礦石，但是它的存量已經(jīng)是極為豐富。對于地球上鐵礦石貯存量的估計(jì)，目前沒有一個可以確信的數(shù)字。目前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的主要產(chǎn)鐵礦國有美國、加拿大、巴西、澳洲、南非、印度、法國、英國、瑞典、西班牙、蘇俄、中國、委內(nèi)瑞拉等。

　　中國鐵礦資源有兩個特點(diǎn)：一是貧礦多，貧礦出儲量占總儲量的80%；二是多元素共生的復(fù)合礦石較多。此外礦體復(fù)雜，有些貧鐵礦床上部為赤鐵礦，下部為磁鐵礦。

　　(1)東北地區(qū)鐵礦?東北的確鐵礦主要是鞍山礦區(qū)，它是目前我國儲量開采量最大的礦區(qū)，大型礦體主要分布在遼寧省的鞍山(包括大弧山、櫻桃園、東西鞍山、弓長嶺等)、本溪(男芬、歪頭山、通遠(yuǎn)堡等)，部分礦床分布在吉林省通化附近。鞍山礦區(qū)是鞍鋼、本鋼的主要原料基地。

　　鞍山礦區(qū)礦石的主要特點(diǎn)：

　　1)除極少富礦外，約占儲量的98%為貧礦，含鐵量20～40%，平均30%左右。必須經(jīng)過選礦處理，精選后含鐵量可達(dá)60%以上。

　　2)礦石礦物以磁鐵礦和赤鐵礦為主，部分為假象赤鐵礦和半假象赤鐵礦。其結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，脈石分布均勻而致密，選礦比較困難，礦石的還原性較差。

　　3)脈石礦物絕大部分是由石英石組成的，SiO2在40～50%。但本溪通遠(yuǎn)堡鐵礦為自溶性礦石，其堿度(Ca+Mg/SiO2)在1以上。且含錳1.29～7.5%可代替錳礦使用。

　　4)礦石含S、P雜質(zhì)很少，本溪男芬鐵礦含P很低，是冶煉優(yōu)質(zhì)生鐵的好原料。

　　(2)華北地區(qū)鐵礦?主要分布在河北省宣化、遷安和邯鄲、邢臺地區(qū)的武安、礦山村等的地區(qū)以及內(nèi)蒙和山西各地。是首鋼、包鋼、太鋼和邯鄲、宣化及陽泉等鋼鐵廠的原料基地。

　　遷灤礦區(qū)礦石為鞍山式貧磁鐵礦，含酸性脈石，S、P雜質(zhì)少，礦石的可選性好。

　　邯邢礦區(qū)主要是赤鐵礦和磁鐵礦，礦石含鐵量在40%-55%之間，脈石中含有一定的堿性氧化物，部分礦石S高。

　　(3)中南地區(qū)鐵礦?中南地區(qū)鐵礦以湖北大冶鐵礦為主，其他如湖南的湘潭，河南省的安陽、舞陽，江西和廣東省的海南島等地都有相當(dāng)規(guī)模的儲量，這些礦區(qū)分別成為武鋼、湘鋼及本地區(qū)各大中型高爐的原料供應(yīng)基地。

　　大冶礦區(qū)是我國開采最早的礦區(qū)之一，主要包括鐵山、金山店、成潮、靈鄉(xiāng)等礦山，儲量比較豐富。礦石主要是鐵銅共生礦，鐵礦物主要為磁鐵礦，其次是赤鐵礦，其他還有黃銅礦和黃鐵礦等。礦石含鐵量40-50%，最高的達(dá)54-60%。脈石礦物有方解石、石英等，脈石中含SiO28%左右，有一定的溶劑性(CaO/SiO2為0.3左右)，礦石含P低，(一般0.027%)，含S高且波動很大(0.01-1.2%)，并含有Cu(0.2-1.0%)和Co(0.013%-0.025%)等含有色金屬。礦石的還原性較差，礦石經(jīng)燒結(jié)、球團(tuán)造塊后入高爐冶煉。

　　(4)華東地區(qū)鐵礦?華東地區(qū)鐵礦產(chǎn)區(qū)主要是自安徽省蕪湖至江蘇南京一帶的凹山，南山、姑山、桃沖、梅山、鳳凰山等礦山。此外還有山東的金嶺鎮(zhèn)等地也有相當(dāng)豐富的鐵礦資源儲藏，是馬鞍山鋼鐵公司及其他一些鋼鐵企業(yè)原料供應(yīng)基地。

　　蕪寧礦區(qū)鐵礦石主要是赤鐵礦，其次是磁鐵礦，也有部分硫化礦如黃銅礦和黃鐵礦。鐵礦石品位較高，一部分富礦(含F(xiàn)e50%-60%)可直接入爐冶煉，一部分貧礦要經(jīng)選礦精選、燒結(jié)造塊后供高爐使用。礦石的還原性較好。脈石礦物為石英、方解石、磷灰石和金紅石等，礦石中含S、P雜質(zhì)較高(含P一般為0.5%，最高可達(dá)1.6%，梅山鐵礦含S平均可達(dá)2%-3%)，礦石有一定的溶劑性(如凹山及梅山的富礦中平均堿度可達(dá)0.7-0.9)，部分礦石含V，Ti及Cu等有色金屬。

　　(5)其他地區(qū)鐵礦?除上述各地區(qū)鐵礦外，我國西南地區(qū)、西北地區(qū)各省，如四川、云南、貴州、甘肅、新疆、寧夏等地都有豐富的不同類型的鐵礦資源，分別為攀鋼、重鋼和昆鋼等大中型鋼鐵廠高爐生產(chǎn)的原料基地。

　　三、鋼材的生產(chǎn)工藝

　　碳素鋼的定義及鋼中五元素

　　含碳2%以下的鐵碳合金稱為鋼。碳素鋼中的五元素是指化學(xué)成份中的主要組成物，即?C、Si、Mn、S、P(碳、硅、錳、硫、磷)。其次是在煉鋼過程中不可避免地會混入氣體，含O、H、N(氧、氫、氮)。此外，用鋁-硅脫氧鎮(zhèn)靜工藝中，必然在鋼水中含有?Al，當(dāng)Als(酸溶鋁)≥0.020%時，還有細(xì)化晶粒的作用。

　　化學(xué)元素對鋼性能的影響

　　1、碳(C)：鋼中含碳量增加，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性降低，當(dāng)碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。

　　2、硅(Si)：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.15-0.30%的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入1.0-1.2%的硅，強(qiáng)度可提高15-20%。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅1-4%的低碳鋼，具有極高的導(dǎo)磁率，用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加，會降低鋼的焊接性能。

　　3、錳(Mn)：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.30-0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16Mn鋼比A3屈服點(diǎn)高40%。含錳11-14%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機(jī)鏟斗，球磨機(jī)襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。

　　4、磷(P)：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。

　　5、硫(S)：硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?，降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040%。在鋼中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。

　　6、鉻(Cr)：在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。

　　7、鎳(Ni)：鎳能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。

　　8、鉬(Mo)：鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，提高淬透性和熱強(qiáng)性能，在高溫時保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變)。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬，能提高機(jī)械性能。?還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。

　　9、鈦(Ti)：鈦是鋼中強(qiáng)脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細(xì)化晶粒力；降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當(dāng)?shù)拟?，可避免晶間腐蝕。

　　10、釩(V)：釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。

　　11、鎢(W)：鎢熔點(diǎn)高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強(qiáng)性，作切削工具及鍛模具用。

　　12、鈮(Nb)：鈮能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強(qiáng)度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。

　　13、鈷(Co)：鈷是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強(qiáng)鋼和磁性材料。

　　14、銅(Cu)：武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。銅能提高強(qiáng)度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點(diǎn)是在熱加工時容易產(chǎn)生熱脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當(dāng)銅含量小于0.50%對焊接性無影響。

　　15、鋁(Al)：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點(diǎn)是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。

　　16、硼(B)：鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密性和熱軋性能，提高強(qiáng)度。

　　17、氮(N)：氮能提高鋼的強(qiáng)度，低溫韌性和焊接性，增加時效敏感性。

　　18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很像“土”，所以習(xí)慣上稱稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì)，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐磨性。