跳到內容

跳到目錄

剛柔並濟

剛柔並濟

 剛柔並濟

有了它,鋼琴能奏出妙韻,噴射機能發出聲震,手錶能滴答滴答地報時,發動機能在隆隆聲中轉動,摩天大廈能參天聳立,吊橋能跨越空中。它是什麼?

它就是鋼。大型的建造工程不能沒有鋼。巨輪由鋼鐵造成,能夠縱橫七海;輸油管由鋼鐵製成,能越過千里長途,把石油和天然氣從遠方的油井輸送到目的地。鋼有多種用途,更是跟我們的日常生活息息相關。例如,你每天上班乘的公共汽車,輪胎包著一個鋼絲軸;還有你家大廈的升降機,也要靠鋼纜才能起落。你戴眼鏡的話,眼鏡架的鉸鏈不就是鋼製的嗎?你喝茶的時候,用來攪拌的茶匙不也是鋼製的嗎?這種又耐用又精巧的金屬,其實還有許多用途。鋼是怎樣煉成的?它怎會這麼有用?

碳和晶體

鋼是一種合金,也可說是兩種好像風馬牛不相及的元素——鐵和碳——混合而成的物質。純鐵是比較軟的金屬,不適合用來幹粗活。碳不是金屬,從鑽石到煙囪釋放出的煤煙,都不過是這種獨特元素的不同形式而已。但是,人把少量的碳混入熔化的鐵裡,結果就會產生一種跟碳截然不同,而且比鐵更堅硬的物質來。

煉鋼的關鍵在於一種叫晶體的東西。你知道鐵原來是由晶體 *構成的嗎?其實,所有固態的金屬都由晶體構成。這種結構令金屬有可塑性、有光澤和其他特性。但鐵的晶體結構還不止這麼簡單。

晶體和鋼

在煉鋼的過程中,其他元素跟熔化的鐵混合。在凝固的時候,鐵把其他物質溶解,也就是把其他物質吸進鐵的晶體結構中。其他金屬也能夠這樣做。那麼,鐵究竟有什麼特別之處呢?

鐵的不凡之處,在於它在固態的加熱情況下,也能改變晶體的結構。有了這種特性,鐵的晶體就能由合變開,然後重歸於合。你可以想像自己安坐在精工建造的房子的大廳裡,而牆壁卻左右移動,地板也上下起落。當鐵遇上高溫(不至於熔化),然後冷卻時,晶體結構就會發生類似的變化。

在晶體變化期間加入碳,就能令合金變軟變硬。煉鋼的人因應這個特性,用淬火法、回火法和退火法 *等熱處理法,去調節鋼的硬度。不過,煉鋼的方法還有很多。

 加入了錳、鉬、鎳、釩、硅、鉛、鉻、硼、鎢或硫磺等元素以後,鋼不但能變硬或變軟,也能更堅韌,增強伸延性、耐蝕性,可切削和屈曲的,帶磁性或不帶磁性的等等。就像麵包師傅運用不同配料和調節烤箱溫度,就能烤出各樣的麵包來。煉鋼的人改變合金的搭配,用不同的熱處理法,也能煉出很多不同用途的鋼鐵來。鋼的路軌能安全承托1萬2000噸的貨運列車,但像針頭一樣大小的鋼軸則用來承托手錶的平衡輪。

新舊煉鋼法

千百年來,冶金工人用鐵來打造器具和武器。他們發現,冶煉過的鐵(從礦石中提煉出來的鐵)如果含有某些雜質,就會更強更硬。他們也知道,鐵器放在水裡急速冷卻,也會變得更硬。時至今日,巨型的熔爐取代了鐵匠的壁爐;大型的滾軋機代替了鐵匠的錘子和砧台。但現代機器用的基本步驟,仍然跟古時肌肉結實的打鐵匠大致一樣,都是(1)熔鐵,(2)混入煉合金的材料,(3)讓鋼冷卻,和(4)塑造形狀及熱處理。

請看看右圖,數字是挺驚人的,但一間製鋼廠一天就能消耗這一切原料。廠房佔地廣大,礦物堆積如山,才能煉出鋼來。

萬能精鋼

鋼鐵還有許多「非凡本領」。當你打開大鋼琴蓋子的時候,你會看見一些強度很高的鋼絲,美妙樂韻就是發自這些鋼絲的。哈德菲爾德發明的錳鋼給人用來製造巨型碎石機,越用力粉碎大石,錳鋼的強度也越高。醫生的手術刀、盛酒的大桶、製冰淇淋的機器,都是不鏽鋼的產品。鋼鐵的功用的確多不勝數。

世界每年生產8億噸的鋼。可是,沒有鐵,就連一點點的鋼也弄不出來,幸好鐵是地球上蘊藏量最豐富的元素之一。煤和石灰石也有大量供應,因此鋼還能一直生產出來。

下一次,當你用針來做刺繡的時候,當你手持魚桿拋出魚鉤的時候,當你用鉗子的時候,當你拉開鋼閘的時候,當你乘坐汽車的時候,或者當你犁田的時候,請想一想,這一切東西都是來自鐵和碳的巧妙混合。

[腳注]

^ 6段 晶體是由單一元素或單一化合物構成的固體,原子有規律地重複排列而成。

^ 10段 淬火法是從高溫急速冷卻的方法。回火法和退火法卻是逐漸冷卻的方法。

[第23頁的附欄]

提煉1萬噸鋼所需的原料

6500噸煤

1萬3000噸礦石

2000噸石灰石

2500噸鋼屑

15億公升水

8萬噸空氣

 [第24,25頁的附欄或圖片]

鋼是怎樣煉成的

為求精簡畫面,細節未能盡錄

煉鋼必須借助熱力。我們就以溫度計作路標,沿著煉鋼的旅程走一趟。

1400°C 煤在密封的大爐中烤烘,把雜質蒸發,留下一塊塊烏黑的焦炭,為生產線中較後的工序提供熱力和碳。

1650°C 焦炭、鐵礦石和石灰石傾進鼓風爐,遇上一道由火焰和熱空氣合成的熱牆。焦炭點燃起來,產生高熱,礦石中無用的物質與石灰石結合,產生了礦渣。鐵液化後,沉至爐底。礦渣浮在鐵水上,然後被抽掉。熾熱的鐵水流入瓶狀容器,送到下一站。

1650°C 90噸經過精挑細選的金屬屑傾進高9米、呈梨形的鹼性吹氧爐。巨型的杓子把灼熱的鐵水倒在金屬屑之上,激起燦爛火花, 同時把水冷式吹管插進爐中,並以超音速吹入純氧,很快就使鐵像熱鍋裡的湯一樣沸騰起來。化學反應就在這時候發生。不夠一小時,吹氧爐完成任務,300噸鋼水給倒進一個一個的杓子裡面,繼續運送。加入合金後的火熱鋼水湧進鑄造機中,鋼開始成形。

1200°C 熱紅的鋼給滾軋機擠壓成理想的厚度。這個艱苦的工序,使鋼硬得不能再改變形狀。

室溫:鋼已經過成形、切割、熱滾軋、冷滾軋,也經過酸性液體清潔,再反覆加熱。溫度終於降到室溫,不用再加熱。鋼水已經成為一疊疊鋼片。金屬工場很快就用它來鋪設辦公室的管道系統。

煉鋼廠的大部分機件既然都是鋼鐵製的,為什麼不會在操作期間給熔掉呢?因為在熔爐、瓶狀運輸容器和杓子的內壁,都有一層由難熔、耐熱的物料製成的磚塊。鹼性吹氧爐內壁的磚塊厚達一米。不過,這些磚塊也會因為極熱而受損,所以必須定期更換。

[圖解]

(排版後的式樣,見出版物)

1.煉鐵

1400°C 煤 → 焦炭爐

1650°C 石灰石

鐵礦石 → 鼓風爐

鐵水

2.煉鋼

1650°C 金屬屑

石灰和助熔劑

鹼性吹氧爐

3.冷卻

連續鑄造

鋼錠

鋼坯

板坯

4.完成

1200°C 鋼鐵滾軋法(圓柱狀或方柱狀)

電鍍

冷滾軋法

熱滾軋法

室溫

[圖片]

請留意人的比例

[第23頁的圖片鳴謝]

All photos on pages 23-5 except watch: Courtesy of Bethlehem Steel