結構鋼材冶煉技術之介紹

一、 前言

隨著科技的進步,各種高性能之鋼材陸續開發出來,工程師若能充分了解特定鋼材之性質,配合結構物使用特性,選用具良好工程性能之鋼板,不但可以提升耐久性,節省材料費用,更可發揮最大之結構效益。除了鋼材本身性質考量外,優質鋼板在設計與生產過程中,尚須考慮到回收的問題,由於所使用的鋼材,是未來回收煉鋼的原料,因此所添加的合金,都將可能成為將來煉鋼的殘留元素,所以現階段優質鋼材的製造過程,會趨向於以精確的冶金設計與製程控制來達到要求,儘量避免靠合金元素添加來達到性質要求。因此良好性質的結構用鋼板,還要考慮到將來回收問題。本文即對鋼鐵材料如何冶煉產製做一介紹,供工程先進參考。

二、煉鐵與煉鋼技術的演進

冶煉鐵的原料為自然界的鐵礦,鋼鐵材料可區分為鐵與鋼,由鐵礦粗煉而得,當碳含量大於2%的鋼鐵材料,稱為"鐵"。鐵再經過進一步精煉,去除雜質並降低碳含量,才形成所謂的"百煉成鋼"。

(一)煉"鐵"技術之演進

人類使用鋼鐵的歷史,可以追溯到西元前2500年前,那時所使用的鋼鐵材料,是直接取自於自然界中少數鐵含量較高的礦。鐵很容易跟氧反應,形成氧化鐵,即所謂"鐵銹",大自然中的鐵礦,大部分是以氧化鐵狀態存在。鐵礦中鐵含量約介於30%~70%之間,鐵礦除氧化鐵外,還包括其他化合物,諸如,SiO2、Al2O3、MnO2等,因此鐵礦必須經過提煉,去除雜質後才可以使用。人類開始提煉鋼鐵,約起源於西元前1300年,因大部分鐵礦係以氧化鐵存在,所以提煉鐵的主要步驟,就是必須使氧化鐵還原,當時是採用木炭來當做燃料,同時木炭中的碳,也是良好的還原劑,剛好可以將鐵礦中的氧化鐵還原成鐵。當時並不了解:為何用木炭燃燒來直接加熱鐵礦,可以得到純化的鐵,可說是人類文明發展過程中的巧合。

13世紀由德國開始採用與現在高爐原理相當的煉鐵方法,那時爐子高度大約3~5m,此時期煉鐵,仍是採用木炭當還原劑,直到18世紀初期,效率更好的焦碳,才取代木炭成為煉鐵的還原劑。經高爐煉製後的產品稱為生鐵(鐵水降溫後凝固)或稱熔銑(熔融的鐵水),其碳含量約4%,而且硫S(0.025%)、磷P(0.01%)也相當高,因此生鐵一般不會直接應用於工程上,必須再經過處理改善性質才能使用。在1960年代,直接還原製程(Direct Reduction Process-DRP)被發展成功之前,高爐煉鐵一直被視為是世界上唯一可由鐵礦煉鐵的方法。鐵礦轉變成鐵,都必須經過還原反應,此一過程,也是整個鋼鐵工業最耗能的一個製程,因此幾百年來,冶金專家致力於發展新的節能煉鐵製程。

新的煉鐵方法,過去幾十年陸續被發展出來,包括直接還原鐵製程等,這些新方法目前均有鋼廠使用。直接還原鐵也稱為海綿鐵,是從天然氣或煤碳所產生的還原性氣體,直接還原各類鐵礦所產生的。還原性氣體主要是氫氣和一氧化碳的混合物,這種用氣體直接將固體鐵礦還原成鐵的過程,被稱為"直接還原法",目前這種煉鐵方法,主要是在盛產天然氣的地區使用,例如中東、南美、墨西哥。亞洲因天然氣價格高,直接還原鐵製程的產量很低。直接還原鐵與高爐的銑鐵的鐵含量相似,直接還原鐵一般為90-94%總鐵含量,而銑鐵的鐵含量約93%。對電爐廠來說,直接還原鐵是一個品質相對穩定的原料,可取代低等級的廢鋼料,亦有電爐廠藉由直接還原鐵的添加,來稀釋廢鋼中殘留元素的量,以生產等級更高的鋼材,因而做為電爐的原料,已經成為直接還原鐵的主要用途之一。

高爐的生鐵或直接還原鐵,因雜質高,其機械性質是無法滿足一般工程上的需求,因此無法直接使用,必須再經處理純化才能使用,由鐵礦還原而得到的初級產品,大部分都只能做為煉鋼的原料。整體而言,高爐煉鐵仍是目前全球使用率最高也是最穩定的煉鐵方法。全球直接還原鐵製程之產量,大約是高爐總產量的5%。

(二)煉"鋼"技術之演進

「吳越春秋」和「越絕書」中,都記載了春秋吳國匠師干將和歐冶子製鋼劍的傳說,此說明了在春秋時期中國人已掌握了製鋼技術。在漢朝時期,更發展出「炒鋼」的煉鋼技術,炒鋼是把生鐵加熱到熔化以後,在熔池中加以攪拌,經由不停地攪拌,促使空氣中的氧氣和鐵更容易接觸,借助氧把生鐵中所含的碳氧化,降低生鐵的碳含量,再經反覆鍛打,得到組織較為均勻的鋼材,「炒鋼」可說是已經具備現代煉鋼技術的雛型。18世紀中以後,由於工業革命所引起由動力機器生產取代人力之巨大轉變,許多冶金科學家投入研究發展可大量煉鋼之方法,因而各種現代煉鋼方法,也在18世紀後如雨後春筍般的發展出來。從18世紀到現在所發展出煉鋼方法,可被歸納成兩大系統,一是吹氧煉鋼,此方法是以生鐵為主原料,因此常和高爐連結,成為所謂一貫作業煉鋼廠;另一系統是電爐煉鋼,電爐煉鋼的主原料是廢鋼,可以脫離高爐獨立作業。

1.吹氧煉鋼方法之演進與應用

(1)吹氧煉鋼方法之演進

吹氧煉鋼之原理,是利用生鐵中碳及雜質元素與氧的親和性比鐵與氧的親合性好,所以吹氧進入鐵水中,氧會先和碳及雜質產生氧化反應並浮出鐵水外,而且碳及雜質的氧化反應會放熱,這些熱不但可以使鐵水保持高溫,而且還可使煉鋼過程之添加物,如廢鐵與合金添加物熔融,因此煉鋼過程不用再外加能源。現代的吹氧煉鋼方法應該是起始於西元1856年柏塞麥(Henry Bessemer)所提出之柏塞麥轉爐煉鋼法。柏塞麥轉爐煉鋼法,利用吹空氣入熔爐內方式來煉鋼,此方法直接將空氣中氧(與氮)送入鐵水中,大幅提高煉鋼效率,取代過去效率較差攪拌(炒鋼)的方法,此方法開啟全球大規模煉鋼的世代。

在柏塞麥轉爐煉鋼法發展的同時,威廉西門(William Siemens)也發展出平爐煉鋼法(Open Hearth Process)。此方法利用煉鋼廢熱再生原理,將冷空氣加熱後再送入煉鋼爐中,使爐內產生極高溫。平爐容積大,可加較多的廢鋼,熔鐵成分的限制也較少,而且效率較佳。在1864年法國人馬丁(Pierre Martin)和埃墨爾(Emile)兩人在賽稜尼(Sirenil)建造了原始型的平爐開始,直到1970年代,平爐煉鋼在鋼鐵工業仍然扮演相當重要的角色,尤其在二次大戰之前,先進國家的鋼鐵裝備,泰半係產自平爐。1950年代平爐煉鋼更佔世界煉鋼量的79%,是平爐煉鋼最輝煌的年代。不過於1950年代,效率更佳的頂吹氧氣轉爐法發展出來後,平爐才逐漸被取代,進入21世紀之後,除了前蘇聯外,世界其他地區的平爐幾乎已完全淘汰。

頂吹氧氣轉爐法是以純氧氣代替空氣吹入爐內,因氮氫已被排除無法進入爐內,所以不但煉鋼的效率提升,而且品質也更為優良。吹氧轉爐製程生產鋼鐵的方法,不但鋼鐵產量大,成本低,而且鋼材品質較穩定,因此被大量採用。1977年台灣中鋼,從日本川崎重工業株式會社(KHI),引進150噸的煉鋼爐,就是頂吹氧氣轉爐,此舉也開啟了台灣大量煉鋼的時代。在頂吹氧轉爐法之後,又陸續發展出底吹轉爐法與頂、底吹轉爐法等等,現在的這些煉鋼方法均是在煉鋼爐中採用鹼性耐火磚,因此這些煉鋼方法均可被稱為轉爐(Basic Oxygen Furnace)煉鋼法,簡稱為BOF。

(2)轉爐(BOF)煉鋼之應用

目前轉爐煉鋼幾乎已經成為全球各一貫作業煉鋼廠的標準製程,轉爐煉鋼的原料,主要是由煉鐵所得的熔銑(高溫鐵水),直接運送至轉爐進行煉鋼作業。由於轉爐煉鋼是以氧化還原反應去除鐵水中之雜質。由於各種氧化還原反應跟溫度有絕對的關係,因此轉爐煉鋼過程中,溫度的控制相當重要。在轉爐煉鋼過程中,鐵水中雜質,因吹氧所產生的氧化反應是屬於放熱反應,在放熱過程中,除了可使鐵水一直保持熔融狀態,甚至還可以使鐵水溫度往上提升。為了避免因雜質氧化放熱,使鐵水溫度過度升高,所以轉爐煉鋼通常也會添加少量的廢鋼,來控制鐵水溫度,同時廢鋼的添加,也可以提高煉鋼量。

在一貫作業煉鋼廠中,轉爐煉鋼通常被稱為是一次精煉,為了得到性質較佳的鋼材,通常在轉爐煉鋼後還會進行二次精煉,二次精煉指的是利用其他精煉設備,對轉爐處理後之鋼液,進行真空脫氫處理、盛鋼桶吹設處理、攪拌處理、盛鋼桶精煉處理等等。在一個有技術和經驗的一貫作業煉鋼廠,利用轉爐加上二次精煉製程煉鋼,鋼液中的雜質元素總和可以壓低至100ppm以下,利用這些純淨鋼的冶煉技術,而且又沒有廢鐵眾多殘留元素的干擾下,鋼材設計人員可以依需求之性質添加適當的合金,以生產優質鋼材,包括台北101大樓、雙子星大樓用的建築用高強度超厚板等,這些鋼板其中磷含量可低於60ppm、硫含量低於10ppm、氫含量更可低達1ppm。除此之外,創造台灣第一個經濟奇蹟的幾種世界第一產業,例如手工具業、螺絲螺帽產業等,其所需要的優質棒線鋼材,也都是在這樣的製程條件生產出來。

整體而言,轉爐煉鋼主要應用於碳鋼或低合金鋼的冶煉,因其添加的合金較少,對於煉鋼過程中鐵水溫度之控制會較容易。轉爐煉鋼,除了雜質元素可以煉到較低的水準,而且其又無廢鋼所帶來殘留元素的影響,所以生產鋼材的等級,從雜質元素要求較不嚴格的一般品,到性質要求較嚴的高級品均可適用,而且因鋼材中合金元素,控制可以較精確,因此各類鋼品的品質是較穩定的。

2.電爐煉鋼法之發展與應用

(1)電爐煉鋼法之發展

電爐煉鋼之技術與設備相對簡單許多。電爐煉鋼顧名思義是將電能轉換成熱能的煉鋼方式,因此其發展和電能的應用息息相關。1866年德國人偉納西門與葛蘭敏發明了發電機後,使得運用大量電力能源成為可能,因而促成了以電力發熱煉鋼的發展。1879年英人西門子(W.Siemens),在坩堝內通以電弧使鋼熔解,建立利用電能轉變為熱能之煉鋼法。不過當時電力供應不足,電價高昂,故無經濟價值,電爐煉鋼法正式進入工業化的時期在1899年,法國人艾樂(Paul Louis Toussaint Heroult),用碳極直接與鐵發生電弧以便熔製鉻鐵,當電流通過爐內材料,因電阻而轉變成熱能,此方法藉電弧熱及電阻熱而使爐內材料加熱,現在電爐煉鋼法幾全為類似此種電弧爐。1917年J.R.Wyatt研究感應式電爐,並發現可實際應用的方法。1930年Tysland-Hole型電氣還原爐被發展出來,使煉製生鐵的電爐革新。1980年之前,幾乎所有之電弧爐均屬交流電式,此後直流式電爐亦發展而出,由於直流式電爐有噪音較少、閃爍電震低、能源效率較高等優點,針對碳鋼而言,直流電式電爐已成為目前電爐煉鋼的主流。

電爐煉鋼的生產成本中,廢鋼原料約佔75%與電力消耗約佔10%,因此電爐煉鋼的發展,主要還是與其主要原料廢鋼的取得容易與否,以及電價高低息息相關,過去幾年歐美的電爐煉鋼的應用逐漸增加,主要是因其鋼鐵工業發展較早,擁有較多的廢鋼資源,加上其部分地區水力發電資源豐富。不過近年來歐洲的電爐煉鋼,因廢鋼的取得問題,電爐煉鋼成長將受到局限,未來高爐/轉爐煉鋼,仍是鋼鐵工業的主流製程,尤其高級鋼仍必須以高爐/轉爐煉鋼為主。不只是歐盟有廢鋼的問題,世界大部分的區域也都面臨廢鋼不足的現象。

事實上,北美幾乎可以說是全世界唯一廢鋼淨出口地區,其中美國每年出口廢鋼量,已經超過2千萬噸,更是全球廢鋼的最大來源,美國之所以會有如此多的廢鋼,主要是因過去其以高爐/轉爐大量煉鋼所留下之資產,而且美國目前的鋼鐵產量,大約只有1970年代1億6千萬噸的一半,因此其有大量多餘之廢鋼可以出口,廢鋼數量龐大,也是造成美國電爐煉鋼蓬勃發展的重要原因。不過近來美國鋼鐵業者,也已經警覺到美國廢鋼大量出口,而從國外進口大量鋼鐵產品,已經對美國電爐煉鋼業造成負面影響,因此希望美國政府,針對廢鐵出口制定新政策,將這些有限的重要資源留在美國國內,美國如果管制廢鋼出口,勢必對全球其他地區的電爐煉鋼產生重大衝擊。

台灣鋼鐵工業與歐美、日本比較,可說是起步較晚,而且過去建築結構使用鋼結構的比率不高,因此廢鋼儲備資源還不充裕,若無法從國外進口廢鋼,台灣電爐煉鋼將受影響。台灣在經過50年來高度工業化發展的結果,島內天然資源幾已耗盡,因此綠色鋼結構的推廣應用,應也算是為後代子孫儲備資源的重要方法之一。

(2)電爐煉鋼法之應用

電爐煉鋼是以外加熱源方式來煉鋼,因此其原料來源與煉鋼作業的彈性較大,其原料可以是100%廢鋼,或者除了廢鋼外,其也可以添加35%以下之鐵水、生鐵或直接還原鐵等原料。另外在作業上,其也可以依電價高低,而改變煉鋼作業時機,例如台灣電爐廠為了節省電費,常利用夜晚離峰用電優惠時段,進行煉鋼作業。電爐煉鋼的主要原料的廢鋼來源相當複雜,可能來自報廢汽車、家電用品、拆除之結構鋼材等,這些物品在報廢之前的使用過程,可能有鍍鋅、鍍錫、及含銅等,或者在其第一次生命週期的高爐轉爐煉鋼中加入的合金元素,所以廢鋼中經熔融後常會殘存大量殘留元素,例如銅、鎳、錫、鋅、鉬、鉻等等,這些殘留元素如果比鐵更加安定,就很難於煉鋼過程中將其與鐵分離,而會一直存在於鋼液中,並且影響最後鋼材的性質。

由於一般電爐廠的規模遠小於轉爐廠,其建廠經費較少,建廠期間短,產量低、操作簡單且製程彈性大,早期電爐煉鋼主要應用於特殊鋼(Special steel),主要是因特殊鋼的市場規模較小。另外,特殊鋼必須添加大量合金,例如不銹鋼,電爐可以快速熔融廢鐵與添加的合金鐵(如鉻鐵等),而且所使用廢鋼中的殘留元素之含量,也可被稀釋而降低對性質的影響,所以到目前為止,特殊鋼廠仍以電爐煉鋼為主。目前電爐也被廣泛應用於條線類(建築用鋼筋與棒線)的生產,例如目前台灣的19家以生產碳鋼為主的電爐廠,除了中鋼集團的中龍以外,大部分都以生產棒線與鋼筋為主要產品,其原因也是因為電爐煉鋼生產彈性較大,產量較低,而且一般鋼筋和結構用鋼板比較起來,其機械性質要求較不嚴格。

在一般電爐鋼廠,如無足夠的後段精煉設備,例如:真空精煉爐(Vacuum Degassing-VD)等設備,其鋼液中的雜質元素總和不易壓低,尤其是對極低硫和氮含量的控制,有其先天上的限制。目前亞洲一般電爐廠生產碳鋼的技術水準,初估其雜質含量總和能力約在400ppm左右,與轉爐製程水準相差極大,因此大多數生產碳鋼的電爐製程,用於性質要求較不嚴格的鋼筋與棒線類產品。1990年代以後,因為直接還原製程煉鐵的應用增加,以及電爐煉鋼加上其他精煉技術的發展成功,可將殘留元素的含量與影響降低,因此電爐廠也可以生產一些過去無法生產的板、捲類高級碳鋼。

三、結語

隨著科技的進步,各種高性能之鋼材陸續開發出來,工程師若能充分了解特定鋼材之性質,配合結構物使用特性,選用適當材質之鋼材,不但可降低結構體的重量,進而節省用鋼量,並且可以降低結構物製造時的能源損耗。

參考文獻

1.黃慶淵、劉佳玫、吳致呈、劉永章〔2011〕。"優質的綠色結構用鋼",鋼結構工程。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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