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        钢铁

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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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