鋼鐵生產技術史

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作者：蔡瑞昌
【摘要】簡介鋼鐵生產的歷史與方法。

三、鋼鐵生產技術史

1.　史前與上古

由亞述、巴比倫、埃及、波斯、中國及印度及後來的希臘、羅馬等文化所留下來的斷簡殘篇，及石碑、皇宮、古墳中的碑銘，可以證實古人已經使用鐵器。除了這些文字記載外，考古學家在世界各地史前人類所居住的地方，已經發掘出真正的工具，武器和裝飾品。（圖三-1）

考古學家發掘的證據顯示人們在能製造鐵器使用以前，鍊銅的知識即已存在，並且已經知道將銅、錫混合而得青銅（Bronz），將銅與鋅混合而得黃銅供人使用。

人們發現銅是因為有自然銅的存在，且氧化銅易被炭於較低溫度還原，鐵則不然。地殼上自然鐵為數極少，加以普通柴炭的火焰無法將氧化鐵還原，所以鐵的發現較銅為難。

參考印度及中國的古文獻，可推斷在這些地區早在西元前2000年即已使用鐵器，雖然無法斷定是否已有了人造鐵。紀元前1350年至1100年間，還原鐵礦以製鐵的技術已廣佈於世界各地。

2.　中國鋼鐵發展簡史

2-1　舊式煉鋼發展史

尚書禹貢言「華陽黑水惟梁州，……，厥貢璆鐵銀鏤砮磬」由此可知夏禹時不但已用鐵，而且已使用鐵製農具。殷墟無鐵並不能表示殷商時未曾用鐵，因為鐵器易朽，長期埋在地下，應早已物化於土而無法找尋。

中國最早提到煉鋼術的古書是春秋左氏傳，春秋闔閭傳言「干將作劍，干將夫妻乃斷髮剪爪投於爐中，使童女童男三百人鼓橐（風箱）裝炭，金鐵乃濡遂以成劍。」

青銅使用較鐵為早，管子小匡篇言「美金（青銅）以鑄戈戟試諸狗馬，惡金（鐵）以鑄斤斧鉏夷鋸欘試諸土木」由此可見當時中國人的心目中，鐵是惡金，而青銅是美金。春秋以前已經採用耜鐵，並且鍼刀，鋸、銚、斤、斧、錐、鑿不僅已用鐵製，而且錘鍛加工技術已相當高明。當煉鐵技術發展到大量製造的階段時，中國的內戰（春秋戰國時代）也隨著在紀元前221年結束。

經考古學家不斷的發掘與考證，並分析秦漢時代所留下來的各種鐵器，吾人得知秦漢時期已有了海綿鐵爐、圓形煉鐵爐、長方形煉爐、排爐及低溫炒鋼爐等。從漢代夏候陽算經（公元的120年）上的記載，知道中國當時的煉鋼技術，已包含了將銑鐵重熔以及去碳（Decarbonization）兩個步驟。這種煉鋼法是將鐵放在坩鍋中精煉。若想使鋼硬化，就加入炭使它增碳。並且由這本書的敘述，知道鐵的鑄造技術在這個時期已極為進步，且有了組織良好的大量生產系統。另外山海經提到漢代全國有3,000個以上的鐵礦場，且有49個官員分派到各地去監督鐵礦的開採。當時的煉鋼廠廠主，可說是「富可敵王」。

另有一種煉鋼法稱「漕鋼法」，此法主要是將含碳量高的銑鐵與含碳量低的熟鐵（Wrought iron）混在一起熔融，加入助熔劑，以除去爐渣並使成品之含碳量均勻。我國山東省發掘出的漢代石刻中，將當時的煉鋼活動描繪得栩栩如生。管子提到漢代用木炭做煉鋼的燃料，但另外一些文獻則提到使用煤當燃料。由理論上推斷，因將銑鐵熔融必需高溫，而只有燃煤能供給此種高溫，並且因發掘出的鐵器中含硫，而硫是所含有的成份，故可知中國漢代已使用煤作為煉鋼之燃料。

生鐵炒熟鐵主要作用是除去鐵中的炭和雜質。要除去這些鐵質就要加入助熔劑（Flux），將不能化成氣體逸出的氧化物成為爐渣浮出。經過炒後的鐵，能錘鍛，性柔軟，難熔化而不易裂。天工開物五金篇言「若造熟鐵，則生鐵流出時，相連數尺內低不數寸，築一方塘，短墻抵之，其鐵流入塘內，數人執持柳木棍排立墻上，先以污潮泥晒乾舂篩細羅如麵，一人疾手撤焰，眾人柳棍疾攪，即炒成熟鐵」（圖三-2）後來污潮泥改用鐵礦粉。到清初康熙年間，江蘇冶工將前法改良，不加鐵礦粉亦不用木棍，只將生鐵打碎予以加熱氧化即成熟鐵。此法所用爐為方型，下裝爐條備通風，生鐵木炭即置於爐條上，爐下以爐風助燃，備用的燃料即置爐邊預熱，迨鼓風使熱至紅熱後，爐口以石板蓋上；並將紅鐵捶成碎塊，再以鐵鏟不時翻動攪拌，俟爐口所留孔隙冒出火焰變成黃紅色後，即表示鐵中之矽錳含量已低，停火保溫，以鉗夾出捶成方塊即可。

古時煉鋼，炒成熟鐵是第一步，熟鐵性軟易錘；不過由於鐵的鍛作溫度較高，所以加熱時，常須將鐵埋到紅炭裏頭，其結果是鐵中慢慢滲入了炭份而逐漸變硬，這就是古代「百鍊成鋼」的由來。至於鍊，正如七命賦所說的「乃鍊乃鑠萬辟千灌」。宋人沈括夢溪筆談言「予使至磁州鍛觀煉鐵，凡鐵有鋼者，如麵中筋，濯盡柔麵筋乃見，煉鋼亦然，但取精鐵鍛之百餘火，每鍛稱之，一鍛一輕至累鍛而斤兩不變，則純鋼也。」

生鐵性脆，熟鐵性韌，鋼的性質硬而且韌，古人雖不知道是含炭的關係，卻知道「凡鐵分生熟；出爐未炒則生，即炒則熟。生熟相和，煉成則鋼」。因為古時設備不夠好，爐溫太低，熟鐵又不容易熔，於是想出生鐵淋刃的辦法。天工開物鋤鎛節言「凡治地生物用鋤鎛之屬，熟炔鍛成，鎔化生鐵淋口，入水淬健即成剛勁」。

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古代煉鐵多用鼓風爐最初因為鼓風工具不良，所以煉鐵的發展並不是一帆風順，直到周初風箱發明後，煉鐵工業才興盛澎湃並刺激煉鋼的大量生產。鐵爐的構造如天工開物言「凡鐵爐用鹽做造，和泥砌成。其爐多傍山穴為之，或用巨木匡圍塑造鹽泥，窮月之功不容造次，鹽泥有罅盡前功。凡鐵爐一載土二千餘斤，或用硬木柴或用煤炭或用木炭，南北各從其便。扇爐風箱用四、六人帶拽。土化成鐵後，從爐腰孔流出。爐孔先用泥塞，每旦晝六時一時出鐵一陀。既出即叉泥塞，鼓風再熔。」這種鐵爐爐身只五六尺高，鼓風少，爐過低，只能出產白口鐵，效率低產量少，極不經濟。遜清一代幾全用此型爐，俗名對吹爐，即風口與出鐵口對稱的設置。至光緒十六年，有識之士改用耐火材料砌製爐身，並逐漸加高爐身至20餘尺。

2-2　新式鋼鐵工業發展簡史

遜清光緒二年，督撫張之洞堅決提倡設立鐵政局。光緒十六年（公元一八九○年）成立漢冶萍煤鐵公司，創辦漢陽鋼鐵廠，光緒二十一年漢陽廠百噸煉鐵爐開始出鐵，為我國新法大規模煉鐵開始。光緒廿八年增建250噸煉鐵爐兩座，並建30噸平爐7座及軋鋼設備，完成冶煉軋製一貫作業程序。所需原料，鐵礦砂取自湖北大冶，煤則取自江西萍鄉；民國八年又在大冶添建煉鐵爐兩座增產，到民國十三年歐戰停止，鋼鐵銷路不好，漢陽廠先停，民國十四年底大冶廠亦相繼停工，惟鐵礦仍繼續開採，所得礦砂售予日本。遜清宣統三年，本溪湖煤礦改組為本溪湖煤鐵公司，以廟兒溝鐵礦為煤鐵原料，民國三年第一座150噸煉鐵爐建成，同年底開始出鐵，民國六年又建第二座，後又建小型煉鐵爐8座，也因歐戰停止而停工。

抗戰前（民國二十六年以前）龍煙公司之北平石景山鐵廠曾建造煉鐵爐，但迄未開工。我政府擬設於湖南湘潭之中央鋼鐵廠，因抗戰發生，建廠工作遂告停頓。此外山西之西北實業公司所屬之鋼鐵廠正準備開工時，亦因抗戰而告終止。我國新式煉鐵廠開工生產者，僅漢口諶家磯之六河溝煉鐵廠，及山西陽泉之保晉鐵廠兩處，前者有一百噸煉鐵爐一座，後者設有二十五噸爐一座，年產生鐵量約兩萬餘噸。煉鋼方面計有上海浦東之和興鋼鐵廠，高昌廟之上海煉鋼廠，太原之育才鋼鐵廠，以及其他兵工廠與機器廠附設供鑄造用之煉鋼工廠總計年產鋼量僅四萬餘噸。

抗戰的東北方面之鋼鐵事業如本溪湖鋼鐵公司（民國四年建設），及鞍山之昭和製鐵所（民國五年建設），悉由日人壟斷國人無法運用；惟所佔之比重甚高，以民國三十二年之情形為例，東北地區鋼鐵產量與全國總產量之比例計生鐵為百分之八十八，粗鋼為百分之九十五，鋼才為百分之九十五。由於日人經營東北鋼鐵工業以配合其國內工業為主，故此時東北之鋼鐵單位，其煉鐵能量高於煉鋼，而煉鋼之能量又高於軋鋼，形成各部份生產能力不相配合之情況。

抗戰期間（民國二十六年至三十六年），我國為鞏固後方工業，將沿海及長江下游之鋼鐵工廠，儘量遷移後方繼續生產，同時扶植新型鋼鐵廠之設立。設於四川巴縣之大渡口鋼鐵廠，即係拆遷漢陽鋼鐵廠，大冶鐵廠，六河溝煉鐵廠及上海煉鋼廠等之冶煉及軋鋼設備合組而成，為我後方各省規模最大之鋼鐵單位。此外由經濟部資源委員會除在四川境內另設資渝鋼鐵廠，威遠鐵廠，電化冶煉廠及資蜀鋼鐵廠外，並與雲南省政府及兵工署合組雲南鋼鐵廠（設於雲南省安寧縣）。由民資詢辦者有中國興業公司，渝鑫鋼鐵廠，中國製鋼公司等。

抗戰勝利至民國三十七年止，為大陸鋼鐵工業最暗淡時期。大後方之鋼鐵廠如公營之雲南鋼鐵廠，資渝鋼鐵廠，威遠鐵廠及私營之中國興業公司均暫行停辦，繼續開工的亦縮小範圍。而派員至光復地區接收鋼鐵單位時，則橫遭阻礙，如鞍山鋼鐵公司及本溪湖煤鐵公司的主要設備均遭蘇俄拆遷，殘存設備亦遭共黨破壞。華北地區的鋼鐵單位如華北鋼鐵公司所屬之石景山、天津、唐山等廠雖經修復局部開工，因時局動盪，業務範圍亦受限制。在此期間我國曾聘請美國麥基工程顧問公司派員來華作實地勘測，規劃於湖北大冶、安徽馬鞍山及華北石景山等處分別籌建一貫作業鋼廠，但此項重工業計劃未能實施。

自民國三十八年迄今，大陸鋼鐵工業的實際生產情形則難窺全貌。

臺灣最早建立的高爐為民國32年台灣煉鐵之70噸高爐。目前臺灣正在興建兩座60噸之小高爐，並籌建一貫作業大鋼鐵廠。臺灣現在約有煉鋼電爐60座，軋鋼機200臺。

3.　西洋鋼鐵生產發展簡史

早期的鋼鐵生產技術

歐洲大約在紀元前1000年即開始鐵的製造，也就是在這個時候，鋼鐵開始取代了青銅而成為製造矛頭、標槍、斧頭、刀劍、鐮刀、剪刀等等之材料。

西洋最早使用的煉鐵爐是穴式爐（pit typefurnace）或用土石塊堆砌而成的低軸式（low-shafttype）鍛鐵爐（flomery），如（圖三-3，三-4，三-5）。先將礦石中的土質盡可能洗淨後，與木炭一起放入爐中點火熔煉。利用自然氣流供給燃燒所需空氣，或者用手拉風箱鼓入空氣，空就中的氧和木炭中的炭作用生成一氧化碳，將氧化鐵還原或鐵。由鍛鐵爐所得的產品是一塊夾雜著爐渣（Slag），厚4到5吋的展性鐵；把這塊鐵反覆地加熱捶打，將大部份的爐渣擠出，最後得到所需要的成品。（武器或家居用品）

後來因為利用水輪（Water-wheel）帶動風箱，所能供給的風量較前增加，於是爐身得以增高（圖三-6，三-7，三-8）以便容納更多的礦石和木炭。此時所得的鐵塊也較以前為大，因此無法再用手錘鍛造，於是水力使取代人力，以帶動鍛錘進行鍛造工作。

鍛鐵爐的截面積與高度逐漸地增加，後來因為爐中熱效率的改進，爐溫因而提高。此時還原所得的鐵熔為液體匯集在爐底，礦中之其他的成份則成為爐渣而浮於鐵液表面。這時鐵不再含有爐渣，但因為爐溫較前提高，含碳量增加；因含碳量高，所以失去展性。若想使鐵再具有展性，必須經過精煉手續以除去過剩的碳、矽等。慢慢的鍛鐵爐便發展成為高爐（flast furnace）。

高爐

早期的高爐（圖三-9，三-10，三-11，三-12）是用寬厚的石板堆砌而成。此時的高爐中的製煉過程與鍛鐵爐一樣，是在木炭火中進行；他們之間不同之處，是高爐使用較少的木炭較多的空氣。雖然當時的熔鐵匠並不瞭解爐中之化學反應，但他們知道利用精煉過程，可將粗鐵中不想要的成份除掉，而得到鋼。

當高爐問世後，接著 就發展出鐵的鑄造技術（圖三-13）。將高爐煉得的鐵，放入熔鐵爐（Lowshaft furnace）重熔後，倒進砂模中即得鑄鐵。此種鑄造方式與過去用於鑄造青銅的方式相同。

起初，鐵匠將他的產品，馬上經過鑄造或鍛造成為成品。但到中世紀中葉後，鐵的製造與加工便由兩個行業分別進行。

由上面的敘述得知，起初鋼是直接由礦石煉成的。但這種煉鋼方式，只有在數量很少的時候可以應用，當高爐出現後，此法便無法應付了。此時便得使用間接途徑以煉鋼。把高爐所得的銑鐵重新熔化，利用氧化將不純物除去便得鋼。到目前為止這種間接煉鋼方式，在大規模煉鋼下，仍較直接煉鋼法為經濟。

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高爐需要大量的木炭當燃料，隨著鐵的產量之增加，不久木炭便發生匱乏的現象。人們為了解決燃料問題，便試著用煤代替木炭。到18世紀中葉英國便成功地將煤煉成焦炭，代替木炭供高爐使用。此後因為使用焦炭使得爐溫增高，高爐的產量愈來愈高。尤其當蒸氣機出現後，蒸氣機帶動的鼓風機，其鼓風量愈來愈大，爐溫與爐高更是增加，於是產量更往前高漲。在過去160年間，無數的高爐操作上的改進（如提高鼓風之溫度，增加鼓風中的含氧量，等等），其目的無非都是在如何使機械化的程度達到最大的可能，同時使銑鐵的品質符合要求（規格），並且使產量增加。160年前高爐日產量只有1噸，而近代的高爐日產量已達2000,5000噸。目前最大的高爐，日產量在萬噸左右。新式的高爐，高達100公尺左右。（見封面圖）

18世紀時人們也企圖利用硬煤代替木炭用於精煉爐中；但主要的難題是，煤與鐵密切接觸後，煤中之硫將混入鐵中，而毀了鐵。1784年亨利柯特（Henry Cort）成功地解決了這個問題。他發明了一種爐子，在這種爐子中，與鐵接觸的是火焰而不是燃料本身。將一根鐵棒由爐門插入爐中，不停地攪拌鐵液與爐渣，以促進氣體與鐵中雜質（Impurities）的氧化作用。這種爐稱為攪拌鍊鐵爐（Puddling furnace）（圖三-14）。

隨著氧化作用（主要是去炭作用）的進行，攪拌煉鐵爐中的熔鐵愈凝愈大，且慢慢地趨近鋼的本性。隨後鐵匠將糊狀的一團鐵切成數塊，一塊一塊的取出爐外，用錘捶打將大部份的爐渣擠出。然後用刻有漕形凹痕的軋輥將鐵塊輥軋成一定形狀與大小的鐵棒，再將這些棒切成20吋長，四根梆在一起，經過精煉軋延而得商品。

柏塞麥轉爐

攪拌煉鐵法與古老的木炭火比較，產量增加很多。隨著工業的成長，鋼鐵的需要量愈來愈大。即使有無數的攪拌煉鐵爐加入生產行列，但這種生產方式終究證明不合適。因此必須發展一種更快，更新的煉鋼法。1850年代，有位叫亨利柏塞麥（HernyBessemer）的英國人，發明了一種革命性的煉鋼法。他將一根管子由坩鍋口插入熔鐵中，由管子吹入空氣以煉鋼。這種方法應用到實際生產前時，遇到無數的困難。但此法在所有的產鋼國家轟動一時（引起廣泛的注意），因為由坩堝發展而來的底吹式柏塞麥轉爐（Converter）（圖三-15，三-16）證實能在20分鐘內生產與攪拌煉鋼爐24小時所產相等的鋼。然而此種煉鋼法仍有其缺點，此法無法除去硫、磷，所鍊得之鋼有熱脆冷裂的危險。柏塞麥當時所用的爐襯（lining）是含含SiO2極高的酸性耐火材料（Refractory）。這種耐火材料，是將石英或砂石磨碎後加上黏土而得。二氧化矽，使氧化磷（P2O5）無法進入爐渣中。要想將燃燒所生的P2O5，由鋼液中除去，爐渣必須具有強鹼性。即使在酸性轉爐中加入石灰也無濟於事，此因二氧化矽將石灰與五氧化二磷的化合鍵打斷，無法成為爐渣浮於鋼液。同時酸性爐襯受到石灰的侵蝕而毀壞。為了這個原因，酸性轉爐只能使用不含磷，或含磷低的礦炭鋼。

雖然早期人們即已體認到，為了除磷必須找出一種鹼性物質代替二氧化矽作為轉爐之爐襯。但一直到1878年托瑪士（Sidney H. Thomas）和它的堂兄弟基爾克利士特（Percy C. Gilchrist）才找到合適的材料。他們將白雲石（delomite）磨碎後與煤（tar）混合，然後將這鹼性物質壓成磚塊，用這些磚作為轉爐的爐襯。在鹼性轉爐中加入石灰，則形成強鹼性之爐渣，於是除磷就不再有困難。

平爐煉鋼法

在上一世紀的前半期，人們嘗試利用反射爐（reverberatory）將廢鋼（Steel scrap）與銑鐵熔化以製鋼。但這些實驗，直到1856年佛利得亞希（Freedrich）和威廉西門子（William Siemens），引進一種新式燃氣爐後才有了令人滿意的結果。他們利用廢熱再生器（Regenerator）回收廢氣之熱量以預熱空氣，因而提高爐溫，使得銑鐵與廢鋼易於熔化成液體。1864年埃墨爾（Emill）和徐雷馬丁（Pierre Martin），也成功地應用了這種燃燒加熱方式。從那時起這種煉鋼法在德國叫做西門子─馬丁法，而在英語國家則稱平爐法（Open-hearthprocess）。像轉爐一樣，平爐之爐襯也有酸鹼之分，這完全決定於所用礦石所含硫磷之高低。平爐有一好處，即平爐中可大量加入廢鋼，廢鋼可佔所有加料的80％，目前平爐與轉爐煉鋼法已逐漸迫使攪拌煉鋼法從世上消失。

吹氧煉鋼法──LD法

若將平爐法與轉爐法做一比較，轉爐煉鋼所需時間短，但平爐鋼品質較優。為了這個緣故，最近轉爐的發展，主要是著意於如何改進鋼之品質，和如何維持各爐成份之均一。1952-1953年間經由奧地利聯合鋼廠（Vöest steelwork），在Linz（林茨）和多那維茨（Donarwitz）兩地工廠聯合研究的結果，推出一種革命性的LD煉鋼法（取Linz和Donarwitz字首而名之）。此法是將純氧經由水冷式的吹氧管（Oxygen lance），從爐口以高速吹進爐中之熔鐵中。用純氧吹煉的鋼，品質極為優越，且含氮甚低，其品質與平爐鋼相當。接著，為了精煉含磷高的鐵又發展出口種氧氣煉鋼法，如Rotor法，Kaldo法等。

此後，吹氧煉鋼法慢慢地在世界上流行起來。因為LD法的生產率高，並且所得的鋼能符合每一項要求，所以此法已取代了鹼性轉爐和平爐而成為大規模煉鋼之主要方法。由於平爐的生產速率也有了改進，無疑的，平爐在使用廢鋼煉鋼方面仍保有其重要性。

現在來談一下目前已不使用的一種煉鋼法──坩堝煉鋼法（Crucible steelmaking process）。為了得到物理結構均勻的鋼，班哲明杭次曼（Benjamin Huntsman）於1740年發明一種煉鋼法，他將品質不均勻的鐵放入坩堝中熔煉。此法後來經過進一步的發展，成為製造高級鋼的完美方法。

電爐煉鋼法

約70年前，坩堝煉鋼法為電爐煉鋼法所取代，電爐法煉鋼，速度快，費用低，且品質容易控制精確。此法使用電流作為熱源以熔化加料（Charge）。此法的化學反應與平爐中之化學反應相同，用廢鋼當原料，有時加入銑鐵以調整其成份。

電爐所煉後的鋼純度極高，目前大部份的特殊合金鋼即用電爐煉製。因電爐的廣泛應用而發展出無數高級鋼，近年電爐已日漸應用於生產商用鋼。尤其在電力低廉的地方，此法更為風行。

軋鋼技術

由鍛鐵爐或攪拌煉鐵爐所得的可鍛鐵，一直是用人力或水力操作的鍛錘鍛造成形。中世紀即已有了軋延金屬用的軋延機，但當時只用於軋壓供鉛等較軟的金屬。後來因為絞盤的出現，可以產生較大的動力、軋延機才用於軋壓較硬的鐵。世界上第一架軋鋼機大約機15世紀在德國出現，隨後也在法國，及比利時的列日地區應用。

第一臺蒸氣帶動的軋鋼機於1786年在英國推出，英國是當時歐洲產鐵國家的首領。起先使用軋壓機，分割機（Slitting mill）（圖三-17，三-18）和軋板機後來分割機為型鋼機（Section mill）所取代。1820年用軋鋼機軋製鐵軌的方法在英國取得專利。隨著時代的進步，所需鋼品種類與尺寸日漸繁多，於是便發展出各種的軋鋼機，如萬用軋機（Universal rolling mill），車輪軋機，軋管機等等。

本世紀開始不久因為電力帶動觀念的出現，給軋鋼工程帶來不少的衝激，起先是機械化，然後是自動化，目前軋鋼廠內幾乎已達到完全自動化的地步。

參考資料

1.　From Ore to Steel, Toussiant

2.　The Making, Shaping and treating of Steel, Mc Gannon

3.　Steel Making in Ancient Japan, Kurao Kubota

4.　金屬史話，岳慎禮（廣文）

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Originally posted by czbsd at 2005-3-8 07:04 PM:
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