钢和铁是制造业中最常用的两种材料，它们用于制造各种产品和组件。尽管钢铁看起来很相似，但是它们是两种独特的材料，具有各自的特征和品质。联想到19世纪最伟大的建筑-艾菲尔铁塔、国会大厦、自由女神像，您会想到铁。铁是地壳中第四大最常见的元素，如今已经广泛使用了大约6000年；它用途广泛，是最坚固、最便宜的 金属之一，已成为工业革命的重要组成部分。但它也是动植物生活中必不可少的元素。铁与数量不等(但很少)的碳结合在一起，制成了一种强度更高的材料，称为钢，用于从餐具到军舰、摩天大楼和太空火箭等各种人造物体。今天，贤集网小编就带大家仔细看看这两种精湛的材料,找出是什么使它们如此受欢迎!
铁是原子序数为26的有光泽和延展性的金属.铁的外观是铬色,可反射大量的光.铁也是一种铁磁性金属,这意味着它具有磁性并吸引其他铁磁性金属.
您可能会认为铁是一种坚硬,坚固的金属,足以支撑桥梁 和建筑物,但这不是纯铁.我们拥有的是铁合金(铁与碳和其他元素结合在一起),我们将在稍后详细解释.纯铁完全是另一回事.考虑其物理性质(它如何表现)和化学性质(它如何与其他元素和化合物结合并反应).
纯铁是一种银白色金属,易于加工和成形,并且足够柔软,可以用小刀切开(相当困难).您可以将铁锤成薄片并将其拉成电线.像大多数金属一样,铁的导电性 和导热性也很好,而且很容易被磁化.
我们很少看到纯铁的原因是它容易与氧气(来自空气)结合.确实,铁作为建筑材料的主要缺点是,它与潮湿的空气发生反应(在一种称为腐蚀的过程中),形成了片状的红褐色氧化物,我们称其为锈.铁也会以许多其他方式发生反应,与碳,硫,硅和氯等卤素发生反应.
大致上讲,铁的化合物可分为两类,分别称为亚铁和三价铁(旧称)或铁(II)和铁(III).您可以在化合物名称中始终用“铁(II)”代替“亚铁”,用“铁(III)”代替“铁”.
在铁(II)化合物中,铁的化合价(化学结合能力)为+2.实例包括氧化铁(II)(FeO),颜料(着色化学品);氯化铁(II)(FeCl 2),在医学上用作“铁的cture剂”;还有一种重要的染色化学品,称为硫酸铁(II)(FeSO 4).
在铁(III)化合物中,铁的化合价为+3.例子包括氧化铁(III)(Fe 2 O 3),在盒式磁带和计算机硬盘驱动器中用作磁性材料,也用作油漆颜料;以及用于制造许多工业化学品的氯化铁(III)(FeCl 3).
有时铁(II)和铁(III)存在于同一化合物中.称为普鲁士蓝的油漆颜料实际上是铁(II),铁(III)和氰化物的化学式为Fe 4 [Fe(CN)6 ] 3的复合化合物.
铁是地壳中第四大最常见的元素(仅次于氧气,硅和铝),第二大最常见的金属(仅次于铝),但由于它与氧气的反应非常容易,因此从未以纯净形式开采过(尽管陨石是偶尔发现其中含有纯铁样品).像铝一样,地球上大多数“锁定” 的铁都以氧化物(铁和氧的化合物)形式存在.铁氧化物存在于七个主要矿石 (从地球开采的原始岩石矿物)中:
不同的矿石含有不同量的铁.赤铁矿和磁铁矿含铁约70%,褐铁矿含铁约60%,黄铁矿和菱铁矿含铁50%,而铁矿仅含30%.结合使用深层开采(地下)和露天开采(表层),世界每年生产约10亿吨铁矿石,其中中国占一半.
纯铁太软且易反应,无法实际使用,因此,我们通常用于日常用途的大多数“铁”实际上都是铁合金的形式:铁与其他元素(尤其是碳)混合以增强强度,金属(包括钢)更具弹性.广义上讲,钢是一种铁合金,其碳含量最高约为2%,而其他形式的铁则碳含量约为2-4%.实际上,有成千上万种不同类型的钢铁,它们所含的其他合金元素的含量略有不同.
基本生铁被称为生铁,因为它以块状模制块的形式生产,被称为生猪.生铁是通过在高炉中加热铁矿石(富含氧化铁)制成的:一个巨大的工业壁炉,形状像圆柱,定期的“鼓风”中引入了巨大的热风.高炉通常非常大:高30至60m(100至200英尺),可容纳数十辆卡车的原材料,并且经常一次连续运行数年而无需关闭或冷却.在炉子内部,铁矿石与焦炭(一种富含碳的煤形式)和石灰石发生化学反应.焦炭从氧化铁中“窃取”氧气(在称为还原的化学过程中),留下相对纯净的液态铁,而石灰石则有助于去除岩石矿石的其他部分(包括粘土,沙子和小石头),这些其他部分形成了称为矿渣的废浆 .高炉中生产的铁是一种合金,根据所使用的矿石,该合金含有约90-95%的铁,3-4%的碳以及痕量其他元素,如硅,锰和磷.生铁比100%纯铁硬得多,但对于大多数日常用途而言仍然太弱.
华盛顿特区的国会大厦是世界上最著名的铁建筑之一,其圆顶由4,041,146千克(890.92万磅)的铸铁制成.铸铁只是液态铁已被铸造:倒入模具中并使其冷却和固化以形成最终的结构形状,如管,齿轮,或用于铁大的梁桥.生铁实际上是铸铁的一种非常基本的形式,但由于通常会熔化以制造钢,因此它的成型工艺非常粗糙.铸铁的高碳含量(与生铁相同,约为3-4%)使其非常坚硬而脆:铸铁中嵌入的大碳晶体阻止了铁晶体的运动.铸铁有两个很大的缺点:首先,由于它坚硬易碎,即使加热也几乎无法成形;第二,它相对容易生锈.值得注意的是,实际上有几种不同类型的铸铁,包括白色和灰色铸铁(因成品中碳的行为而引起的成品着色而得名).
铸铁在液态铁合金在模具中冷却时即呈现其最终形状.锻铁是一种非常不同的材料,是通过将液态铁与一些炉渣(剩余的废料)混合制成的.结果是碳含量低得多的铁合金.锻铁比铸铁软,韧性要小得多,因此您可以将其加热以使其相对容易地成形,并且不易生锈.但是,现在商业上生产的锻铁数量相对较少,因为最初由其生产的大多数物品现在都是由钢制成的,钢既便宜又质量一般.锻铁是人们在19世纪中叶真正掌握大量制钢之前所使用的工具.
重要的是要注意铁是必需的矿物质.像维生素一样,必需的矿物质也需要适当的营养.铁被消耗后,会为人体提供制造血红蛋白所需的营养.基本上矿物质充当产生血红蛋白的催化剂,血红蛋白是红细胞的主要成分.如果您在饮食中摄入的铁不足,您的身体将无法产生足够数量的红细胞,从而导致一种称为铁缺乏性贫血的医学疾病.富含铁的食物来源包括牛肉,鸡肉,牡蛎,豆类,小扁豆,鱼,蔬菜,面包和强化谷物.
另一方面,钢是主要由铁和碳组成的铁合金.许多人认为钢是金属,但这不一定是正确的.尽管它表现出与金属相似的性能,但在技术上却被归类为合金.金属自然是一种元素,而合金则是由多种混合元素和天然元素组成的.您自然可以找到铁元素.实际上,它是地球上最丰富的元素.但是,在地球的外层或内层的任何地方都找不到钢,因为它是人造合金,需要混合铁和碳.
严格来说,钢只是铁合金的另一种类型,但是它的碳含量比铸铁和锻铁低得多,通常会添加其他金属以赋予其额外的性能.钢铁是一种非常有用的材料,以至于我们倾向于谈论它,就好像它本身就是金属一样-一种更时尚,更现代的“铁子”,接管了家族企业!但是,记住两件事很重要.首先,钢仍然基本上(并且绝大多数)是由铁制成.其次,实际上有成千上万种不同类型的钢材,其中许多是由材料科学家精确设计的,可以在非常严格的条件下执行特定的工作.当我们谈论“钢”时,通常指“钢”.从广义上讲,钢分为四类:碳素钢,合金钢,工具钢和不锈钢.这些名称可能会引起混淆,因为所有合金钢都包含碳(所有其他钢都一样),所有碳钢也是合金,工具钢和不锈钢也都是合金.
所有钢都含有铁,但也含有碳.碳的添加是铁与钢的区别所在.按重量计,钢包含约2.14%的碳.尽管碳的量相对较少,但会导致重大的物理变化.例如,钢比纯铁更坚硬.与铁不同,钢不是必需的矿物.您无需在饮食中消耗钢材.
钢铁之间的主要区别是前者是金属,而后者是合金.铁只是自然存在于地球上的一种金属元素.相比之下,钢是将铁和碳混合在一起制成的人造合金.
每天生产的绝大多数钢材(大约80%至90%)是我们所说的碳素钢,尽管它只包含极少量的碳,有时远远少于1%.换句话说,碳钢只是基本的普通钢.含碳约1-2%的钢被称为(高碳钢)(毫不奇怪) ,就像铸铁一样,它们往往坚硬易碎.碳含量低于1%的钢被称为 低碳钢(“低碳钢”),并且像锻铁一样,更软且更易于成型.碳钢制成的日常用品种类繁多,从车身和军舰船体到钢罐和发动机 零件.
除铁和碳外,合金钢还包含一种或多种其他元素,例如铬,铜,锰,镍,硅或钒.在合金钢中,与普通碳钢相比,正是这些额外的元素与众不同,并提供了一些重要的附加功能或改进的性能.合金钢通常比碳钢更坚固,更坚硬,更耐用.
工具钢尤其是用于制造工具,模具和机械零件的硬质合金钢.它们由铁和碳制成,并添加了镍,钼或钨等元素,从而具有更高的硬度和耐磨性.工具钢还通过称为回火的过程进行增韧,在该过程中,首先将钢加热至高温,然后迅速冷却,然后再次加热至较低温度.
您可能最经常看到的钢是不锈钢,用于家用餐具,剪刀和医疗器械.不锈钢含有很高比例的铬和镍,非常耐腐蚀和其他化学反应,并且易于清洗,抛光和消毒.它们具有耐腐蚀性能,因为铬原子与空气中的氧气发生反应,形成一种保护性的外皮,阻止氧气和水侵蚀内部易受伤害的铁原子.
钢铁产品涉及三个主要阶段.首先,您是用铁制造钢.其次,您需要对钢进行处理以改善其性能(可能是通过对钢进行回火或用另一种金属镀覆).最后,将钢轧制或以其他方式成型为最终产品.
照片:使用Bessemer转换器从铁制钢.借助空气中的氧气将铁变成钢.美国国会图书馆礼貌的Alfred T. Palmer摄.
大多数钢是由生铁制成的(请记住:这是一种碳含量高达4%的铁合金),是通过几种旨在去除某些碳并(可选)替代一种或多种其他元素的不同工艺之一制成的.炼钢的三个主要过程是:
基本氧气工艺(BOP):这种钢材是在一个巨大的蛋形容器中制成的,该容器的顶部是敞开的,称为碱性氧气炉,它与普通的高炉相似,只不过它可以向一侧旋转才能倒出.成品金属.通过称为喷枪的管道,用高纯氧气代替高炉中使用的空气.基本思想基于亨利·贝塞默爵士在1850年代开发的贝塞默工艺 .
平炉过程(也称为再生平炉):有点像一个巨大的壁炉,生铁,废钢和铁矿石与石灰石一起燃烧直至融合在一起.添加更多的生铁,多余的碳与氧气结合,杂质作为矿渣被去除,铁变成钢水.技术熟练的工人对钢进行采样,并继续进行此过程,直到铁的碳含量完全适合制作特定类型的钢为止.
电炉工艺:您不使用明火烹饪晚餐,那么为什么要用这种原始的方式来炼钢呢?这就是电炉背后的想法,电炉使用电弧(实际上是巨大的火花)熔化生铁或废钢.由于电炉更容易控制,因此通常用于制造规格更高的合金钢,碳钢和工具钢.
通过这些过程之一制造的液态钢被铸成称为锭的巨大棒,每根棒的重量从几吨(在典型的钢铁厂中)到数百吨(在制造大型钢物体的大型工厂中)不等.将铸锭被卷绕并压制以使三种基本钢的“积木”称为开花 (具有正方形的端部巨条),板坯(具有矩形端华),以及钢坯 (长于开花,但具有较小的正方形端部).
然后将这些块成型并加工以制造各种最终的钢铁产品.基本的成型过程通常涉及热轧 (例如,重新加热大方坯,然后将其反复轧制以使其更薄).大梁是通过轧制钢材制成的,然后迫使其通过模具或铣床制造诸如建筑梁和铁轨的梁.靠得很近的滚子可用于将钢挤压成极薄的薄板.管道是通过将板材缠绕成圆形然后将两个边缘压在一起而制成的,这样它们在连接处的压力下会融合.
异型钢可以通过各种方式进行进一步处理.例如,用于食品容器(主要是钢)的“锡”是通过 使用电解过程(与电池中发生的电化学过程相反)用熔融锡电镀钢板制成的.可以对需要特别耐候的钢进行镀锌(将其浸入熔融锌的热浴中,以便获得整个保护层).
在所有关于钢铁的讨论中,您会注意到不同类型的行为几乎就像在不同条件下完全不同的材料一样.是什么使一种形式的钢铁与另一种形式不同?为什么有些人又很硬又脆,而另一些人又比较软而有韧性(易于工作)?在电子显微镜下观察钢铁内部结构并且您会看到答案很大程度上归结为铁所含碳量及其分布方式.钢铁由不同种类的铁和碳组成的颗粒组成,其中一些较硬,而另一些则较软.当较硬的种类占主导地位时,您将获得硬而脆的材料.当两者之间有较软的种类时,该材料会弯曲和弯曲,因此您可以更轻松地对其进行加工和成形.
渗碳体(碳化铁):含很多碳(有时还有其他元素)的铁,非常坚硬且易碎.本质上表现得像陶瓷 材料.
珠光体:由铁素体和渗碳体的交替层组成的混合物,在显微镜下看起来像珍珠母(因此称为“珍珠岩”).
不同类型的钢铁包含不同数量的这些元素,它们以不同的晶体结构排列.用一种或另一种方法制造铁合金或钢会改变成分的相对含量,从而改变其性能.钢铁制成后以不同的方式处理,通过改变其内部晶体结构来改变其物理性质.例如,热处理钢会将其内部的奥氏体转变为马氏体,从而使其内部结构变得非常坚硬.锤击和轧制钢会打碎潜伏在其中的石墨和其他杂质的晶体,缩小可能导致缺陷的空隙,并通常产生更规则的晶体结构.
钢材是用途最广泛的材料之一,其用途广泛,从喷气发动机到手术器械,从餐刀到机床.大多数现代建筑都由钢骨架(一种秘密的内部结构)“安静地”支撑着,一旦完成,它们就变得不可见.钢铁的主要消费者包括建筑业,汽车和造船业,食品罐头生产商以及电器制造商.
图表:我们用钢做什么?仅三分之二(约70%)用于建筑和运输(主要是汽车制造).资料来源:美国地质调查局,《矿物商品摘要》,2019年2月.
公元前2500年:赫梯人首次大规模使用铁,该地区现已被土耳其和叙利亚占领.
公元前1000年:铁器时代开始:铁器在世界许多地方被广泛用于制造工具和武器.
公元500-1000年:铁匠制造许多重要的铁制品,包括武器,犁和马蹄铁.
1709年:亚伯拉罕·达比(Abraham Darby)首次使用焦炭(一种煤炭)在英格兰中部地区什罗普郡的科布鲁克布鲁克(Coalbrookdale)生产生铁.他的孙子亚伯拉罕·达比三世(Abraham Darby III)使用铸铁在如今被称为“铁桥”的地方建造了一座著名的铁桥,铁桥被广泛认为是英国工业革命的核心.
1856年:亨利·贝塞麦(Henry Bessemer)宣布了他的贝塞麦转炉发明,这是一种基本的氧气炉,可以将大量商业化的铁转化为钢.
早在6000年前,早期文明就使用陨石中发现的铁矿石来构造原始工具.第一批铁炉出现在大约公元前1400年.这些是非常简单的圆形炉膛,其中铁矿石和木炭被加热到很高的温度.通过重新加热,铁工可以锤击金属以去除杂质并增加硬度.人们认识到,通过使优质铁非常热并添加其他一些金属元素,可以生产出更坚固的材料.
早在公元前300年,少量的粗钢就首先在东部非洲和印度生产.数百年后,欧洲人和中国人开发了炼钢工艺.工业革命对机械,铁路和其他雄心勃勃的工业项目的钢材需求产生了重大影响.1855年,亨利·贝塞默尔(Henry Bessemer)申请了一项专利,该专利通过将空气引入液态金属以去除碳来使铸铁具有延展性. .
贝塞麦炼钢工艺的故事是军事推动技术发展的经典典范.在克里米亚战争中,贝塞麦(Bessemer)发明了一种新型的炮弹.将军们报告说,当时的铸铁大炮不够坚固,无法应付更强大的炮弹的力量,因此贝塞默尔改进了自己的改良铁冶炼工艺,从而生产了大量优质钢.现代钢仍然使用基于贝塞默(Bessemer)工艺的技术制造.
铁是在高炉中制造的.首先,将铁矿石与焦炭混合并加热以形成称为“烧结矿”的富铁熟料.烧结是整个过程的重要组成部分,因为它可以减少浪费并为炼铁提供有效的原材料.
焦炭是由精心挑选的等级的煤炭生产的.不同等级的煤炭要分别存放并混合,然后再转移到焦炉中.煤在烤箱中被加热或“碳化”直到变成焦炭.然后将其从烤箱中取出,冷却并分级,然后在高炉中使用.收集碳化过程中产生的煤气,并在制造过程中用作燃料,同时提取焦油,苯甲酸酯和硫等副产物用于进一步精制.
将焦炭,矿石和烧结矿与石灰石一起喂入或“装料”到高炉的顶部.通过炉子底部的喷嘴(称为“ tuyeres”)喷入热风,使炉子得名.鼓风中可能富含氧气,有时还注入煤或石油以提供额外的热量并降低焦炭需求.高炉将炉内的热量散发到白热的强度,矿石和烧结矿中的铁熔化,在炉底或炉膛中形成熔融金属池.石灰石与来自铁矿石和烧结矿的杂质和熔融岩石结合在一起,形成液态“ 矿渣 ”,其比金属轻,漂浮在其顶部.
炉子顶部的装料系统还充当阀门机构,以防止气体逸出,该气体通过大口径管道排出到气体净化设备.炼铁的重要特征是该过程是连续的.当高炉炉膛中积累了足够数量的铁水时,会将其放进钢包中进行炼钢.当炉渣在熔融金属表面上堆积时,它也会定期通过单独的“缺口”或出铁孔排出.同时,继续将原料装入炉的顶部,并在底部吹入热空气.在耐热砖衬里开始变质之前,该过程会持续到整个熔炉的“寿命”(可能长达10年或更长时间).然后对熔炉进行衬里.
钢铁生产的基本原料是高炉中的铁水,废钢或两者的混合物.所用材料的比例根据工艺和所需钢的类型而变化.钢铁一般被描述为铁,其中大部分碳被去除,从而使其更坚韧,更具延展性.钢有多种形式(等级),每种形式都有其自己的特定化学组成和性能,可以满足许多不同应用的需求.今天,英国使用了两种主要的炼钢工艺.
高炉铁水和废钢是基本氧气炼钢(BOS)的主要材料.现代熔炉或“转炉”将收取350吨的废料,并在15分钟左右内将其转化为钢.将水冷式氧气喷枪降低到转炉中,并在非常高的压力下将高纯度氧气吹到金属上.氧气与碳和其他不需要的元素结合,从而将它们从熔融炉料中消除.这些氧化反应产生热量,金属的温度由废料的添加量控制.
碳以气体一氧化碳的形式离开转炉,清洗后可以收集起来再用作燃料.在“吹”,石灰加入作为助熔剂的帮助带走其它氧化杂质的浮置层炉渣.计算废钢,铁水,石灰和其他助熔剂的量以确保正确的钢温和成分.在许多工厂中,精炼过程是通过炉底注入气体(包括氩气,氮气和二氧化碳)来辅助的.精炼钢并取样以检查温度和成分后,将转炉倾斜并将钢放到钢包中.通常,精炼结束时钢的碳含量约为0.04%.在出钢过程中,可以添加合金来调节钢的最终成分.
放完所有钢后,将转炉倒置,将残留的炉渣倒入等待的炉渣钢包中,以运往炉渣冷却池,在那里从那里进行进一步的处理以回收可返回到工艺中的任何材料. .
电弧炉(EAF)仅使用冷废金属.该工艺最初仅用于制造高品质钢,例如用于机床和弹簧钢的钢,因为它可以更精确地控制成分.然而,今天它也被用于制造更广泛使用的钢,包括合金和不锈钢等级以及某些特殊的碳素和低合金钢.现代电弧炉一次熔化最多可以制造150吨钢.
电弧炉由带有活动顶盖的圆形熔池组成,通过该熔池可以升高或降低三个石墨电极.在该过程开始时,将电极撤出,并清除屋顶.然后,将废钢从从高架起重机下放的大钢筐中装入炉中.装料完成后,将屋顶旋转回原位,并将电极放到炉中.强大的电流通过装料,产生电弧,并且所产生的热量使废料熔化.加入助熔剂时加入石灰和萤石,并将氧气吹入熔体中.结果,金属中的杂质结合形成液体炉渣.
取钢样并分析其检查成分,当达到正确的成分和温度时,将炉子快速倒入钢包中.可以通过在出钢过程中或随后在辅助炼钢装置中添加合金来对最终客户的规格进行最终调整.
(因为EAF钢是由100%的废料制成的,所以在降低环境影响的努力上,倾向于优先于BOS钢来指定此方法.金属行业不鼓励这样做,其原因在参考资料部分中进行了说明) .
从BOS炉或EAF将熔融金属倒入钢包后,通常会根据所需钢种进行一种或多种额外处理.这些进一步的精炼阶段统称为二次炼钢,可包括钢包搅拌和氩气,粉末或金属丝喷射,真空脱气和钢包电弧加热.一些高级钢结合了所有这些处理.这些工艺改善了温度和成分的均质性,允许仔细调整为精确的成分,去除有害和有害气体(例如氢气),并将元素(例如硫)降低到非常低的水平.
与所有大规模生产过程一样,生产或钢铁产生副产物.平均而言,每生产1吨钢,就会产生200千克(EAF)至400千克(BF / BOF)副产品.
钢铁生产过程中产生的主要副产品是炉渣(90%),粉尘和淤渣.全世界炉渣的平均回收率从炼钢炉渣的80%以上到炼铁炉渣的近100%不等.
市场上有三种主要类型的炼铁或高炉渣,分别根据其冷却方式进行分类:风冷,造粒和造粒(或膨胀).
风冷炉渣坚硬致密,特别适合用作建筑骨料.它也用于预拌混凝土,混凝土产品,沥青混凝土,路基和地面,填充料,熟料原料,铁路道,、屋顶,矿棉(用作绝缘材料)和土壤改良剂.
矿渣形成玻璃沙大小的颗粒,主要用于制造胶凝材料.与仅含波特兰水泥(最常见的水泥类型)的混凝土相比,掺入矿渣的混凝土的强度发展通常较慢,但长期强度更高,在水化过程中释放的热量更少,渗透性降低,并且通常表现出更好的耐化学性攻击.
粒状或膨胀的矿渣具有囊泡质地(如火山岩),最常用作轻质骨料.如果精细研磨,它也具有水泥性质.
炼钢炉渣(BOF和EAF)的冷却方式类似于风冷高炉炉渣,并且用于大多数相同的目的.由于生产过程在此阶段根据所生产的钢的类型而变化,因此,所产生的炉渣还具有多种化学性质,因此它们比炼铁炉渣更难使用.一些回收的炉渣在炼钢炉或烧结厂内部使用,而大约50%的回收炉渣在建筑(主要是道路)中用于外部.
钢铁生产的气体一旦清洗后,几乎可以在内部完全再利用.炼焦炉气体中含有约55%的氢气,将来可能会成为重要的氢气来源.它可以在炼钢厂内完全重复使用,并可以提供该厂多达40%的电力.
从气体中去除的粉尘和污泥主要由铁组成,大部分可再次用于炼钢.不能在内部循环使用的氧化铁可以出售给其他行业,用于各种应用,从波特兰水泥到电动机磁芯.
在将钢水轧制或制成成品之前,必须将其凝固并制成标准的半成品铸件,这些铸件具有基本形状,称为钢坯,大方坯或板坯.在连铸工艺发展之前,这些形状始终是通过将钢水“浇注”(浇铸)成铸锭模制成的.将钢锭放在均热坑(钢锭再加热炉)中,以使其达到均匀的温度,然后再传递给初级轧机,然后再将其轧成所需的形状.但是,现在大多数现代钢都是连续铸造的.
不同的设计原理用于铸造不同横截面的铸坯.方坯脚轮凝固80至175毫米的正方形或圆形,大方坯脚轮凝固300至400毫米的截面,而束坯脚轮产生大的狗骨状截面,直接送入I型钢或H型钢轧机.巨大的板坯连铸机在生产时可固化厚达250毫米和宽2600毫米的型材
在连续铸造过程中,将熔融金属直接倒入铸造机中以生产钢坯,大方坯或板坯.连续铸造消除了对初级和中间轧机,均热坑以及大量铸锭模具的存储和使用的需求.它也可以从给定重量的钢中增加可用产品的产量,并将钢加工成接近最终产品的半成品形式.
在此过程中,钢包通过桥式起重机被带到连铸厂,经过预处理(可能涉及通过注入惰性气体(氩气)进行搅拌),钢包的开口被绝缘材料覆盖盖子减少热量损失.整个单元由起重机吊到旋转的转塔上.这使得顺序铸造成为可能–在不停止机器的情况下铸造多个相同等级钢的钢包.这也是降低成本的重要因素.在浇铸操作之前,将气密耐火管安装到钢包喷嘴的外部.该装置防止液态钢从大气中吸收过量的氧气和氮气.然后打开钢包喷嘴,使钢从钢包流出到中间包,一个储罐,通过另一个气密管以受控的速度向铸造机的水冷铜模提供热量.在仅固化其外壳的情况下,将钢通过弯曲的支撑辊和喷水装置从模具底部向下拉出,直到从机器的出料端水平地呈固态钢坯的形式出现,然后自动从机器的出料端出来.切成所需的长度.
以前的IARC工作组曾在1983年和1987年(IARC,1984年,1987年)考虑过钢铁的创立.从那时起,已有新的数据可用,这些新的数据已合并到本 专着中,并在本评估中予以考虑.
铸造厂用重新熔化的金属锭和废料生产异型铸件.尽管铸造厂的工作始于铸锭和废料的重熔,并以铸件的结块结束,但该行业通常是如此整合,以至于区别并不明显.机加工车间通常不属于生产铸件的工作环境;但是,可以进行简单的附件加工,而这些活动可能是小型铸造厂的一部分.钢铁铸造的过程通常包括图案制作,模制和制芯,熔化,浇注和甩干以及修整.这些生产步骤的详细说明可以在IARC(1984)中找到.
钢铁行业的材料和工艺非常多样化,导致职业接触各种物质.许多铸造厂继续大量暴露于二氧化硅和一氧化碳.空气中的多环芳烃(PAHs)也存在职业暴露,主要是由于通常添加到铸造砂中的碳质成分发生热分解所致.此外,一些铸造厂的工人(例如熔炉)暴露于空气中的铬和镍化合物.1950年代后期,有机粘合剂材料的引入导致铸造工人接触到其他化学物质,包括苯酚,甲醛,异氰酸酯和各种胺.
较早的接触研究已被回顾过(IARC,1984).此处介绍了更近期的研究,并在表1.1中进行了总结.
钢铁铸造厂的几乎所有生产工人都暴露于硅尘和铸造砂的其他矿物成分中(IARC,1984).在瑞典的一项研究中,“炉子和钢包修理工”和工人是暴露量最高的人.对于炉工人(n = 33),可吸入粉尘和可吸入石英的几何平均水平分别为1.2 mg / m 3(范围为0.25–9.3)和0.052 mg / m 3(范围为0.0098–0.83).对于泥岩(n = 115),可吸入粉尘和可吸入石英的几何平均水平分别为0.69 mg / m 3(范围0.076–31)和0.041 mg / m 3 (范围为0.004–2.1).铸造厂在职业卫生方面的重大改进表明,可吸入粉尘的最大平均浓度几乎等于过去各种工作的最小平均浓度(Andersson 等,2009).来自中国台湾的一项连续铸钢厂的研究表明,可吸入粉尘水平相似(Chen 等,2006).
只要碳质材料燃烧不完全,就会形成一氧化碳(CO).在铸造环境中,CO主要通过冲天炉熔化和铸造操作产生露的其他来源包括用于装料和钢包预热的油燃烧器,用于退火和渗碳的熔炉,由内燃发动机提供动力的运输设备以及诸如焊接和火焰切割的修整操作.炉区的工人可能会暴露于冲天炉的装料和底部水平所泄漏的气体(IARC,1984).
用于型芯和模具的有机粘合剂材料包括呋喃,酚醛,脲醛和氨基甲酸酯树脂以及油性树脂油.这些成分在混合,吹塑,夯实,干燥或烘烤过程中可能挥发到工作场所的空气中.固化反应和热分解会导致形成其他化合物,这些化合物会在浇注和振摇过程中释放出来.当有机粘合剂经受高温时,热解可能会产生气体和烟雾.这些排放中只有很少的成分被确定:脂族成分包括甲烷,乙烷,乙烯,乙炔和少量的高分子量化合物;芳族物质包括苯,甲苯,二甲苯,萘和各种浓度较低的PAH.氮化合物,例如氨,氰化物和胺可以由用作粘合剂化学品的含氮尿素,铵盐和六亚甲基四胺形成.聚氨酯树脂在模塑和浇注条件下可能散发出游离的异氰酸酯.基于芳基磺酸的非烘烤催化剂可通过热过程产生二氧化硫和硫化氢.如果使用磷酸作为催化剂,则可在热排放的强烈还原气氛中形成膦.在空气中,磷化氢迅速氧化为氧化磷.呋喃粘合剂包含游离糠醇,在混合,成型或制芯过程中会挥发.类似地,呋喃和酚醛树脂可能通过挥发或热分解释放出甲醛,苯酚和其他衍生物.核心油和醇酸异氰酸酯树脂部分由天然干燥油组成,这些材料的加热会产生丙烯醛,各种醛,酮,酸和酯以及脂肪族烃.当在砂型粘结剂中使用有机溶剂时,蒸气可能会增加工人的暴露(Toeniskoetter&Schafer,1977;IARC,1984).
Westberg 等人从瑞典进行的一项研究.(2005年)表明,核心制造商的平均甲醛暴露水平高于那些更暴露于异氰酸甲酯和异氰酸的铸工.这项研究包括了所有使用Hot Box芯材粘结剂系统的四个瑞典铸造厂.
PAHs是由铸造砂中的碳质成分热分解产生的.在铸造过程中,在模具金属界面的极热和还原性条件下,会形成PAH并部分汽化.然后,它们被吸附到烟尘,烟尘或沙粒上,并在震动和其他粉尘作业期间散布到整个工作场所.尽管PAH形成的机理复杂多样,但反应是通过涉及自由基的途径进行的.在500–800°C的温度范围内,各种包含碳原子的自由基会快速结合.热解合成受许多变量影响,例如气态气氛的组成和碳质材料的化学结构.有机粘合剂 煤粉和其他碳质添加剂是钢铁铸造厂中PAHs的主要来源.在某些情况下,发动机,熔炉和烤箱的废气可能会增加工人接触这些化合物的风险(IARC,1984).
丹麦1980年代后期的研究表明,铸造厂工作场所大气中PAH的暴露水平较低(Hansen 等,1994)(表1.1).
金属烟雾是通过空气中金属的蒸发,冷凝和氧化而形成的.炉子招标,熔炉,脚轮,钢包工,浇筑工和起重机司机暴露于熔融金属产生的烟雾中;细磨工因研磨,焊接和火焰切割操作而暴露于金属烟雾和灰尘中(IARC,1984年).
在英国进行的一项研究中,对低合金钢和不锈钢工人以及暴露于含铅和镉粉尘的工人血液中的14种元素的浓度进行了测量,并将其与未经暴露的类似测量值进行了比较.控制组.还测量了粉尘样品中20种元素的浓度.唯一显示全血水平显着升高的元素是有色金属工人中的镉和所有工人中的铅.19名低合金钢工人的铅值为97.2±39.9 ppb,20名不锈钢工人的铅值为74.9±25.1 ppb,42名对照者为54.0±18.2 ppb.粉尘中高浓度的镉和铅证实了工人的暴露(Triger 等,1989).
在1996年至1997年的16个月中,丹麦进行了一项研究,测量了空气中以及三个小型铸造厂的24名炉工以及另一家工厂的21名废料回收工人的血液中锰的浓度.尽管在烟气中的锰含量较低(0.002±0.064 mg / m 3),但在通风不良的冶炼部门工作的熔炉工人的血液中锰水平较高(比参考值高约2.5±5μg/ L ). (Lander 等,1999).
Horng 等人在中国台湾的63位钢铁生产工人中进行了一项研究.(2003年)通过使用差分脉冲溶出伏安法测量了尿中镉,钴,镍和铅的浓度.平均金属浓度升高:镉:9.52μg/ L,范围:3.19–22.07;钴:8.18μg/ L,范围3.06-23.30; 镍:33.10μg/ L,范围13.90-78.90; 铅:53.50μg/ L,范围28.90–85.60.就业的年龄和时间与这些金属的尿液浓度相关.[提供的关于工人实际工作内容的有限信息并不能使他们了解这些工人是从事初级钢铁生产还是铸造厂.
在一项来自比利时的耐火陶瓷纤维(RCF)的研究中,在1992年至1997年期间收集的1800支支气管肺泡灌洗样品中,有九种检测到了模仿石棉的铁质体(Dumortier 等,2001).这些样品的原始来源有9个人,他们曾担任铸造工人,钢铁工人或焊工,大多数人从事熔炉保温工作.在安装或拆除RCF炉膛保温层过程中测得的平均空气传播纤维浓度接近1纤维/ mL空气(Maxim 等,1997),但已检测出高达23纤维/ mL的浓度(Strübel&Faul,1994).
对两家芬兰钢厂,三个铸造厂和一家维修厂进行了研究,以研究在正常生产和维护条件下(即在更换烤箱隔热层期间)是否存在气载陶瓷纤维.尽管在大多数生产阶段都发现了陶瓷纤维(范围0.01-0.29纤维/ cm 3),但在维护工作中却获得了更高的纤维数(范围0.01-14.2纤维/ cm 3).发现鼻采样的结果与组水平的空气传播纤维浓度相关.灌洗液的平均纤维浓度在34至930纤维/ cm 3之间变化(Linnainmaa 等,2007).
两项基于人群的病例对照研究(一项来自美国(Blot 等人,1983年)和一项来自波兰(Becher 等人,1989年))显示,经调整后,与铸造工作相关的肺癌在统计学上显着过量(参见表2.2,可从 获得).
考虑到现有队列研究的一致发现以及两项病例对照研究的积极证据,流行病学数据清楚地支持了在钢铁铸造厂工作会增加患肺癌风险的观点.机会,偏见和混淆不可能解释过度风险.
在一些研究中,在有或没有外源性代谢活化系统的情况下,在鼠伤寒沙门氏菌菌株TA98中从钢铁铸造厂收集的样品中提取的颗粒物是诱变的.在另一项研究中 ,在存在或不存在外源性代谢激活系统的情况下,鼠伤寒沙门氏菌菌株TA98和TA100中的滤膜提取物具有致突变性(IARC,1984年).
钢铁铸造行业的接触很复杂,包括多种已知的遗传毒性和致癌物质,包括多环芳烃,金属(例如镍,铬)和甲醛.这些药物已经由以前审查IARC(1983年,1990年,1995年,2010) .
使用32 P后标记法对芬兰钢铁铸造厂的工人进行PAH的职业暴露,而没有职业暴露的对照受试者的外周血白细胞中是否存在芳香族DNA加合物.估计的暴露量与DNA加合物水平之间存在显着相关性(Phillips 等,1988;Reddy 等,1991).竞争性酶联免疫吸附测定法用于研究另一批铸造工人的芳族DNA加合物的存在,其与暴露呈正趋势(Santella 等,1993).).在为期五年的研究中对铸造厂工人的白细胞中的芳香族DNA加合物进行了评估.在这段时间里,PAHs的暴露减少了,DNA加合物的水平也减少了.在整个组中,暴露与DNA加合物的水平有关(Perera 等,1994;Hemminki 等,1997;Perera 等,2000).
有中等证据表明,基于细菌突变研究,从铸造厂收集的颗粒的提取物通过遗传毒性机制起作用.根据DNA加合物研究,在钢铁铸造过程中,暴露的遗传毒性作用机理证据不足.
在人类中,有足够的证据表明钢铁制造过程中职业接触的致癌性.钢铁铸造过程中的职业暴露会导致肺癌.
在过去的二十年中,粗钢的直接CO2强度一直相对恒定(在20%的范围内),并且在最近几年中已大致恢复到2000-08的水平.为了与SDS保持一致,在2018年至2030年之间,粗钢的CO2强度需要平均每年下降2.5%.要实现这一降低并在2030年后保持这一水平并不容易.近年来,能源效率的提高刺激了减排的大部分,使CO2强度恢复到以前的水平,但进一步提高效率的机会可能很快就会耗尽.因此,未来十年的创新对于将新型低排放工艺路线(包括那些整合了CCUS和氢气的工艺路线)商业化以实现所需的长期转型至关重要,这一点至关重要.
自2009年以来,钢铁的能源强度逐渐下降,但从2009年到2014年扩大生产却增加了总能源需求和CO 2排放量.在2014年至2016年间小幅下降之后,2017年和2018年的能源需求和CO 2排放量增加,这主要是由于钢铁产量提高所致.
到2030年,将需要大幅削减总能源需求和CO 2排放量,以实现可持续发展方案(SDS).
短期内CO 2排放量的减少可能主要来自能源效率的提高和废料收集的增加,以实现更多的废料生产.
长期减排将需要采用新的直接还原铁(DRI)和冶炼还原技术,以促进低碳电力(直接或通过电解氢)和CCUS的整合,以及采用材料效率策略来优化钢的使用.这些技术商业化的基础需要在未来十年中奠定.
推动钢铁生产的钢铁需求是能源需求和钢铁行业CO 2排放的关键决定因素.全球粗钢产量在2017年增长6%之后,在2018年增长了5%,达到1817Mt.初步估计显示,2019年将增长3%.这是在2013年至2016年需求相对平稳的时期.
由于中国占全球钢铁产量的近一半,其活动是全球趋势的关键驱动力.在2013-16年停滞后,2017-19年产量每年增长6-8%.近年来,中国已努力关闭包括非法钢厂在内的钢铁产能过剩.这可能部分解释了官方统计数字中记录的增产,因为合法工厂已经采取了部分封闭,非法的生产方式.
在人口和GDP增长的驱动下,全球钢铁需求可能会继续增长,特别是由于印度,东盟国家和非洲的经济扩张,尽管中国的需求逐渐下降.
通过采用材料效率策略来减少损失并优化整个价值链中的钢铁使用量,可以抑制需求增长,从而帮助子行业实现SDS.材料效率策略包括提高钢铁和产品制造的产量,减轻车辆重量,延长建筑寿命并直接重复使用钢铁(不熔化).
2018年钢铁的能源强度1个下降了3.6%,相比之下,2010年至2017年的年平均下降幅度为1.3%.尽管最近的下降是积极的,但这主要是由于常规生产流程中的能效提高以及废料生产的小幅增长,而不是从向低碳钢生产方式的转型转变.钢铁行业仍然高度依赖煤炭,煤炭可满足其能源需求的75%.
为了达到SDS水平,在2018-30年度中,粗钢的能源强度每年需要下降1.2%.能源效率对于SDS的协调很重要,但单靠本身并不能使该行业脱碳.需要进行变革,变革性技术必须在2030年之前奠定基础.
钢铁生产的能源强度在2009年达到峰值,此后普遍下降,2018年下降了3.6%
为了使SDS步入正轨,基于废料的生产和基于气体的直接还原铁的生产需要在2030年之前增加
基于废料的生产(也称为二次生产或回收生产)在减少能源需求和减少CO 2排放方面具有重要价值,因为它的能源密集度远低于铁矿石的一次生产.废料在电弧炉(EAF)和感应炉中用作主要的含铁原料.电炉和感应炉中基于废料的生产占2018年约20%的产量,与前几年的份额相似.
废料还与高炉碱性氧气炉(BF-BOF)生产中的矿石输入物一起使用,通常以15%至20%的比率使用,从而提高了该路线的能源效率.此外,废料通常以DRI生产的约10%的比率混合.废钢投入总计约占粗钢总产量的35%.
基于废料的生产往往比初级生产的成本更低,因此关键的限制因素是废料的可用性.目前,全球废料收集率约为85%,最终用途的回收率从低至50%(用于结构增强钢)到高至97%(用于工业设备)不等.
为了在2030年之前实现SDS,即使钢铁总产量增加,基于废料的电弧炉和感应炉的全球市场份额也需要达到28%以上.废钢投入应占粗钢总产量的40%以上.
随着过去几十年来生产的钢铁达到其使用寿命,随着废钢供应量的增加,将达到达到这种废钢生产速度的目的.但是,将需要更好的废料收集,部分通过改进的分类方法(特别是对于最终用途,如钢筋和包装等最终用途,目前收集率最低)来促进,以确保使用所有可用的废料.回收措施在新兴经济体中尤为重要,因为越来越多的含钢产品开始达到使用寿命.
即使以更高的回收率,废料的可用性也将对可再生生产的潜力设置上限.因此,在SDS中,初级生产中的脱碳排放仍然很重要.
例如,可以通过增加基于气体的直接还原铁生产来在短期内减少排放,这比基于煤炭的高炉-转炉生产要少得多的排放,目前约占钢铁产量的5%.DRI的优势还在于可以更轻松地对CCUS进行改造或过渡到氢输入.
从长远来看(2030年后),将需要转向采用氢或CCUS的创新性初级生产路线,以实现更大的减排量.
创新对于减少初级钢铁生产的排放至关重要.正在进行一些RD&D努力,包括致力于接近零排放的生产,例如:
瑞典的HYBRIT项目正在开发氢基DRI生产.在2020年初,该项目宣布其目标是生产2026年首批无化石碳钢,比之前的2035年目标(现在的可再生能源,2020年)有很大的进步.在此之后可能需要额外的时间来进行大规模生产,然后进行全面商业化.目前正在建设中试工厂,预计于2020年夏季启动.作为一项单独计划的一部分,还在德国设计利用氢气还原的中试工厂,该工厂将于2030年建成.
HISarna项目正在测试一种可与CCS结合使用的增强型冶炼技术.荷兰的一家中试工厂已经生产了60 kt铁,并且正在计划在印度建立第二家大型中试工厂(0.5 Mt),该工厂将于2025-30年开始运营.
日本的COURSE 50项目以高炉为基础发展低排放的钢铁生产,但具有多种减排功能,可回收高炉中的气体以减少燃料输入需求,将炼焦炉煤气转化为氢气用作燃料,以及整合碳捕获.高炉实验的第一阶段测试已于2017年完成,该计划的目标是到2030年进行商业规模的演示.IGAR和3D项目的类似技术正在法国阿塞洛米塔尔工厂进行测试.
的Siderwin项目,其通过低温电解发展生产,被称为电解冶金.预计将于2020年进行工程规模的试点.
波士顿金属公司在高温电解方面的工作,于2014年投入使用,原型电池计划在2024年之前测试全尺寸电池.
在接下来的十年中,对这些以及其他创新项目的持续努力将是必不可少的,以使这些技术完全商业化.
在短期到中期(未来五到十年),通过提高能源效率可以最轻松地实现CO 2减排.在经济的情况下,应寻求最佳可用技术的部署,同时牢记过渡到突破性的接近零排放技术的长期需求.
正如世界钢铁协会的“ 提升计划”所提倡的那样,通过提高运营效率和工艺产量可以实现可观的能源效率改善,该计划鼓励所有钢铁生产商将其运营水平提高到目前表现最好的15%的水平.可以通过实施能源管理系统来加强这一点.
利益相关者应努力通过改善回收渠道和分类方法,以及通过更好地联系供应链上的参与者来增加废料的收集和回收.重点关注目前收率低的最终用途(例如,钢筋和包装),这一点很重要.钢铁行业,钢铁产品制造商和废物收集者可以共同努力,以确保将制造废料和报废废料运回钢铁生产商.工程师应考虑产品和建筑设计中的可重复使用性和可回收性,政府可以通过设置要求和协调报废材料再利用和回收的渠道来提供帮助.
整个价值链中的参与者(钢铁生产商,工程师,建筑公司和产品制造商)也可以采用降低钢铁总需求的材料效率策略.
钢铁行业还可以利用工业共生的机会-包括利用一个过程中的废料或副产品生产另一种有价值的产品-有助于封闭材料循环,减少能源消耗并在碳捕集的情况下减少排放和利用.实例包括在水泥生产中使用高炉钢渣,以及从钢铁废气中使用碳来生产化学品和燃料.
从长远来看,要大幅减少排放量,将需要为初级钢铁生产采用新的工艺路线以及其他创新技术,包括新的冶炼,直接减排和CCUS技术.
未来十年加速创新对于2030年后的技术部署至关重要.政府和金融投资者需要增加对RD&D的支持,尤其是要推进已经展示出希望的技术的大规模演示和部署.
公私伙伴关系可以提供帮助,绿色公共采购和差异合同可以产生早期需求,并可以使生产者获得经验并降低成本.政府协调利益相关者的努力还可以将重点直接放在优先领域上,避免重叠.
开始计划和开发基础设施,以最终部署创新流程也很重要,例如CCUS管道网络,以运输CO 2以供使用或存储,以及输电电网和近零排放的发电,以实现低碳排放.制氢.建设该基础设施(尤其是CO 2 运输和存储设施)并获得社会认可,并确保以可承受的价格获得基础设施和能源输入.
政策制定者可以通过采取强制性的减排政策来促进CO 2减排工作,例如逐步提高碳价或可交易的行业绩效标准,这些标准要求每种关键物质的平均CO 2强度在整个经济中下降,并允许受监管实体进行贸易.合规信用.
在短期内(即在未来的三到五年内)以较低的严格性采取这些政策将提供早期的市场信号,使行业能够随着严格性随着时间的推移而准备和适应.从长远来看,它还可以帮助降低低碳生产方法的成本,减轻对钢价的影响.在短期到中期,补充措施可能很有用,例如差异化的市场要求(即政府规定的目标产品中低排放钢的最低比例).
理想情况下,应该以类似的雄心壮志在全球范围内实施强制性政策.由于钢材的贸易量很高,因此如果一个地区之间的政策努力力度不同,则需要采取措施来确保全球公平的竞争环境.可能的情况包括采用边界碳调整或排放配额中低于目标基准的排放配额免费分配.
各国政府可以参加多边论坛,以促进低碳技术转让并鼓励其他国家也采取强制性的CO 2排放政策,从而扩大工作范围.
改善钢铁分部门的能源绩效和CO 2排放统计数据的收集,透明度和可访问性,将有助于研究,监管和监督工作(包括例如多国绩效基准评估).
尤其需要每个单独的钢铁生产路线的能源强度数据,以说明路线之间的差异,并能够进行更好的性能评估和比较.增加行业参与度和政府协调都是改善数据收集和报告的不可或缺的组成部分.
