坩埚炼钢法

更新时间:2022-08-26 10:08

坩埚炼钢法,在石墨黏土坩埚中熔化金属料成为钢水的方法。1742年英国人洪兹曼(B.Huntsman)将渗碳铁料切成小块置于封闭的黏土坩埚中,在坩埚外面加热,铁料继续吸收石墨中的碳而熔化成为高碳钢水,浇铸成小锭后锻打成所需的形状。

方法介绍

坩埚炼钢法是指在石墨黏土坩埚中熔化金属料成为钢水的方法。1742年由英国人亨茨曼(B.Huntsman)首先应用,他将渗碳铁料切成小块置于封闭的黏土坩埚中,在坩埚外面加热,铁料继续吸收石墨中的碳而熔化成为高碳钢水,浇铸成小锭后锻打成所需的形状。钢在坩埚中熔化时,石墨碳还能起还原剂作用,发生以下还原反应:

C+FeO=CO+Fe

2C+SiO2=2CO+Si

钢中氧可以去除,各种夹杂物也能从液态钢中上浮去除,所以钢(工具钢)的质量优于当时的各种金属材料,可用来制造加工金属材料的工具。坩埚法是人类历史上第一种生产液态钢的方法。但是生产量极小,成本高。19世纪末电弧炉炼钢(法)发明后,逐渐取代了它的位置。只在一些试验中,还有人应用坩埚熔炼钢水进行研究,但这已不属于钢的生产范畴了。

英国人亨茨曼发明坩埚炼钢法,在欧洲历史上第一次炼得了液态钢水;这一发明的关键是制造出一种可耐1600℃高温的耐火材料,以制作坩埚。从此,各种优质钢如工具钢均采用坩埚法冶炼。

铁矿变化

持续加热时间从24到48小时不等,当温度从1000摄氏度升到1200摄氏度,矿石会转变成多孔的铁质,并留在坩埚之底部坩埚在封闭状态下,来自燃烧的炭和叶一同熔化在铁质内。竹含氧化矽多可助溶化,在此过程中铁不会达到其熔点,通过固体扩散过程,碳被吸收,持续长时间的铸造,紧接着慢慢冷却到800摄氏度,约12至24个小时。这些大的晶体事实上是大马士革钢花纹或水纹的主要成份。渗碳体或碳化晶体非常坚硬,抗酸性强,当钢被抛光后会呈现出带白色或银色。与此形成对比的珠光体由粘结金属组成,经腐蚀成黑色,这说明为什么会产生不同的颜色。

脱碳热处理

冷却后把坩埚从火中移开,并将其打破,取出半球形的钢锭。将它放在铁砧上进行锤打,作硬度试验。经正常铸造的钢锭很硬,经锤打后也不会有凹痕。故需用特别含有铁锉屑或粉末状铁矿石之粘土混合物覆盖,从而强化钢锭的脱碳。把钢锭重新加热到火红色约700摄氏度至900摄氏度后,再通过锤打作硬度试验。重复此热处理过程,直到金属过到足够的软度以便锻造。钢锭锻炼:将钢锭之温度慢慢降低,并控制在700摄氏度至900摄氏度之间。这温度是一个非常重要的关键。铁匠只能靠经验,用眼看火之颜色,到达暗红时进行锻造。因为若温度升高到900摄氏度以上将会把过程倒过来。温度越高,碳熔解,造成晶体及波形花纹图案的损失。若温度低于700摄氏度,钢即不能得到充份的锻炼。因为欧洲的铁匠一般在1300摄氏度的高温下来锻炼金属,因此不能掌握到锻炼大马士革钢的技术。由于对钢锭的有控制式热处理和轻度的锻炼,覆盖的粘土,包括含有铁锉屑或粉末状铁矿石,使钢锭表面脱碳。另外氧化作用亦产生同样的作用。钢锭的碳分逐渐减少,从原来的2.2%或更高降低至1.8%,即从白铸铁状态到碳钢。此过程亦可称为退火和球状处理。钢条变得有可展性和有轫性。

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