钢铁

互联网2013-11-14

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铁排列第 4 ，说明地壳中铁的资源是比较丰富的。地壳中铁主要以氧化物、硫化物和碳酸盐形式存在。重要的矿石有赤铁矿 (Fe _{2} O _{3} ) 、磁铁矿 (FeO · Fe _{2} O _{3} ) 、褐铁矿 (Fe _{2} O _{3} · 2Fe(OH) _{3} ) 、菱铁矿 (FeCO _{3} ) 和黄铁矿 (FeS _{2} ) 等。

欲将铁矿石中的铁提炼出来，可置铁矿石于高炉中冶炼，冶炼过程实为还原反应，以焦炭为还原剂，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔剂。冶炼时先将处于高炉下层的焦炭点燃，使其生成 CO 2 ， CO 2 与灼热的焦炭起反应生成 CO ，反应可表示如下：

C O 2 → CO 2

CO 2 C → 2CO

一氧化碳气体能将铁矿石中的铁还原出来

Fe 2 O 3 3CO → 2Fe 3CO 2

由于炉中温度很高，还原出来的铁被熔化为铁水，铁水可从高炉中放出。因为在炉中铁水和碳接触，铁水中含碳量较高，约有 3 ％～ 4 ％，这种铁称为生铁。生铁性脆，一般只能浇铸成型，又称铸铁。生铁中还含硫、磷、硅、镁等其他杂质。处于熔融状态的铁水，其中碳以 Fe 3 C 的形式存在，待铁水慢慢冷却， Fe 3 C 则分解为铁和石墨，此时的铁其断口呈灰色，故称灰口铁。若将熔融的铁水快速冷却， Fe 3 C 来不及分解而保留下来，此时铁的断口呈白色，称白口铁。白口铁质硬且脆，不宜加工，一般用来炼钢。灰口铁柔软，有韧性，可以切削加工或浇铸零件。若在铁水中加入 0.05 ％镁，使生铁中的碳变成球状，得到的是球墨铸铁。球墨铸铁可使灰口铁的强度提高一倍，塑性提高 20 倍，它具有高的强度、塑性、韧性和热加工性能，又保留了灰口铁易切削加工等优点。由于球墨铸铁的综合性能好，在工业上得到广泛应用。

从高炉冶炼得到的生铁，含铁约 95 ％左右，要得到纯铁 ( 含铁 99.9 ％以上 ) 可采用电解还原铁盐的方法。纯铁是银白色且有金属光泽，性软，有延展性，熔点为 1535 ℃，沸点为 3000 ℃。纯铁除了作为分析试剂外，其他用途很少。纯铁在室温下是体心立方结构，称为α -Fe 。将纯铁加热，当温度到达 910 ℃时，由α -Fe 转变为γ -Fe ，γ -Fe 是面心立方结构。继续升高温度，到达 1390 ℃时，γ -Fe 转变为 δ -Fe ，它的结构与α -Fe 一样，是体心立方结构。纯铁随着温度增加，由一种结构转变为另一种结构，这种现象称为相变。发生结构转变时的温度称为相变温度。 钢铁是铁和碳的合金体系总称。其特点是强度高、价格便宜、应用广泛，钢铁约占金属材料产量的 90 ％，是世界上产量最大的金属材料。钢铁中含碳量大于 2.0 ％的叫生铁，小于 0.02 ％的叫纯铁，在这两者之间的称为钢。钢中含碳量小于 0.25 ％的称低碳钢，介于 0.25 ％～ 0.60 ％的称中碳钢，大于 0.60 ％的称高碳钢。

所谓炼钢，其实质是控制生铁中的含碳量达到钢的要求，同时除去危害钢的性能的一些杂质，如 S ， P 等。若想得到特殊性能的合金钢，当然还要加入一些其他金属。

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