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煉鋼與精煉 (Steelmaking and Refining)

煉鋼與精煉 (Steelmaking and Refining). 鐵與鋼之分類：含 C 量在 1.7% 以下者稱為鋼 含 C 量在 1.7% ~5% 之間者稱為鐵 除 Fe 以外 大多含有 C 、 Si 、 Mn 、 P 、 S. 鋼又可分類為： 合金含量在 5% 以上者稱為高合金鋼 合金含量在 5% 以下者稱為碳鋼 ( 包括 HSLA steel) HSLA(High Strength Low Alloy). 碳鋼又可依其含 C 量分為： 1. 工業用純鐵  [C]  0.01%

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煉鋼與精煉 (Steelmaking and Refining)

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Presentation Transcript

  1. 煉鋼與精煉(Steelmaking and Refining)

  2. 鐵與鋼之分類：含C量在1.7%以下者稱為鋼 含C量在1.7% ~5%之間者稱為鐵 除Fe以外 大多含有C、Si、Mn、P、S

  3. 鋼又可分類為： 合金含量在5%以上者稱為高合金鋼 合金含量在5%以下者稱為碳鋼(包括HSLA steel) HSLA(High Strength Low Alloy)

  4. 碳鋼又可依其含C量分為： 1.工業用純鐵  [C]  0.01% 2.低碳鋼  [C]  0.1% 3.中碳鋼  [C]  0.4% 4.高碳鋼  [C]  0.8%

  5. 高速鋼（High Speed Steel）實非鋼，而是一種硬質合金 ---成份為： [C]：0.6~0.8%， [Cr]：4~6%，[W]：14~20%， [V]：0.5~20%，[Mo]：0~1%， [Co]：0~15% ---退火軟化後易鍛成適當形狀之工具 淬火回火後硬度高、高溫強度高、磨耗抵抗力佳 此二者均極適於高速度切削之工具鋼

  6. 不銹鋼 • 不銹鋼工業具有資本密集、技術密集、建廠時間長及產業關聯大等特性，雖為特殊鋼產業之一環，然而卻是特殊鋼產業中唯一可大量生產的鋼種。 • 台灣在短短的10餘年間由全球不銹鋼第二大進口國，轉變為世界不銹鋼平板類第七大生產國，並有超過30%的不銹鋼產品外銷至全球各地，成為世界不銹鋼的主要輸出國之一。

  7. 在台灣地區的人民是全世界最喜愛使用不銹鋼的族群，自1995起至今台灣已連續幾年每人每年的平均不銹鋼表面消費量高居全球首位。在台灣地區的人民是全世界最喜愛使用不銹鋼的族群，自1995起至今台灣已連續幾年每人每年的平均不銹鋼表面消費量高居全球首位。 • 不銹鋼工業的快速發展亦著實改變人民的生活習慣，近年來由於大量生產的因素，不銹鋼在台灣成為物美價廉的工程材料，不銹鋼的使用更深入每一個家庭，舉凡家中食用器具、水塔、裝潢均大幅採用不銹鋼製品，形成台灣特有的不銹鋼文化。

  8. 不銹鋼的種類與特性 鉻是不銹鋼最重要的合金元素（一般而言合金鋼中的鉻（Cr）含量介於10.5%-30%被定義為不銹鋼）。由於鉻（Cr）元素的添加而鋼鐵表面形成透明的氧化鉻（Cr2O3）保護層抑制氧化鐵的生成，因此不銹鋼比一般鋼材具有更佳的抗腐蝕性及耐熱性，在大氣中可常保金屬光澤，台灣民間一般俗稱不銹鋼為「白鐵」。

  9. 不銹鋼分類表

  10. 沃斯田鐵系（Austenitic series） 此系列之不銹鋼具低、中強度，高抗腐蝕性，高價格之特性。美國鋼鐵協會AISI 300系及200系不銹鋼屬之，而以302為沃斯田鐵系之基本型，其標準化學合金成分為18%鉻及8%鎳。沃斯田鐵系不銹鋼中以304之用途最為廣泛且為目前在應用上佔最大量之鋼種。

  11. 304不銹鋼耐蝕性佳、加工成型性優良、而且量產的技術成熟，是目前全世界使用最大量也是最廣泛的不銹鋼材料。以台灣民眾使用習慣而言，73%的不銹鋼為SUS304，國內的不銹鋼板廠亦是以生產SUS304不鋼板為主。

  12. 沃斯田鐵系不銹鋼之族系關係

  13. 沃斯田鐵系不銹鋼的鋼種及化學組成

  14. 麻田散鐵系（Martensitic series） 此系列之不銹鋼具有高強度，低抗腐蝕性及低價格之特性。美國鋼鐵協會AISI 400系中的部份不銹鋼及500系不銹鋼屬之。當中以410為麻田散鐵系之基本型，其標準化學合金成分為含鉻13%。此系列之不銹鋼具有磁性及高強度，但耐蝕性較差，故適用於需要硬度、耐磨、高強度但輕度腐蝕性環境之用途，例如：醫用儀具、家庭用刀剪等。

  15. 麻田散鐵系不銹鋼之族系關係

  16. 麻田散鐵系不銹鋼的鋼種及化學組成

  17. 肥粒鐵系（Ferritic series） 肥粒鐵系不銹鋼具有強度低，抗腐蝕性適中及價格低之特性。美國鐵協會AISI 400系中之部份不銹鋼即屬此類，當中以430為基本型，其標準化學合金成為含鉻16~18%。此系列不銹鋼之抗應力腐蝕的性能十分良好，尤其在氯化物的水溶液中相當抗蝕，故適用於耐蝕用結構及耐高溫氧化之設備用途，例如：餐、廚具等。

  18. 肥粒鐵系不銹鋼之族系關係

  19. 肥粒鐵系不銹鋼的鋼種及化學組成

  20. 析出硬化系（Precipitation-hardenable series） 此系列不銹鋼具中、高強度，中、高抗腐蝕性及高價格之特性。使用時，需經特別熱處理。美國鋼鐵協會AISI 600系不銹鋼屬之，當中以630為析出硬化系不銹鋼中應用最多的一種。此類不銹鋼是在鎳鉻系不銹鋼中添加少量的Cu、Al、Mo、Co、Ti、Nb等合金元素後，經固溶處理，加工成型後再行析出硬化處理，具有優良的強度、耐蝕性和切削性，適合製作如在航太工業等用的高精度元件。

  21. 析出硬化型不銹鋼之鋼種及化學組成

  22. 不銹鋼對環境抵抗之分類

  23. 依添加之化學合金成分的不同可將不銹鋼分類為下列兩種：依添加之化學合金成分的不同可將不銹鋼分類為下列兩種： 1.鎳鉻系 以添加鎳、鉻兩種合金為主，300系之沃斯田鐵系及600系之析出硬化型不銹鋼皆屬之。就目前所使用之不銹鋼而言，600系列應用並不廣泛，故一般所稱之鎳鉻系不銹鋼即指300系不銹鋼而言。300系不銹鋼含一定量的鎳、鉻合金，不具磁性且能抗高溫腐蝕，故其用途最為廣泛，使用量亦超過不銹鋼總用量之半，是最常見且大量生產的不銹鋼，尤以304、316為最。

  24. 2.鉻系 即所謂之400系不銹鋼，化學成分中不含鎳或鎳量小於2.5%，包括麻田散鐵系和肥粒鐵系不銹鋼均屬之。通常在400系不銹鋼中因不含鎳，故具有磁性，但其耐蝕性則較300系不銹鋼差，較不適用於腐蝕性環境中。但400系對氯化物（例：鹽水…）的抗蝕性則較300系為佳。

  25. 不銹鋼雖然種類繁多，不過最常用的僅SUS 304、304L、316L（沃斯田鐵系，不具磁性）及SUS-430（肥粒鐵系、有磁性）等幾種。

  26. 300系與430不銹鋼抗腐蝕性之比較

  27. 銹鋼依其產品形狀之不同可區分為條類及板類鋼材銹鋼依其產品形狀之不同可區分為條類及板類鋼材 1.條類鋼材 條類鋼材可再細分為線材、棒鋼及盤元等。一般線徑在14mm以下者稱為線，14mm以上者則稱為棒，盤元則因其經軋製後予以盤轉成圓形而得名。條類鋼材對延展性及密度之要求較高，多使用於各式輥輪、機械設備、銲條、高壓管線等工業用途上。

  28. 2.板類鋼材 此類鋼材可再依鋼材外形之不同而細分為鋼捲及鋼片，一般上游煉鋼廠大多生產熱軋鋼捲，經中游廠商加工而成冷軋鋼捲或直接裁剪為熱軋鋼片，視最終產品之用途不同而定。板類鋼材通常要求表面光澤性，因此在製造程序中需實施表面加工及熱處理等製程以獲得不同之表面光度。

  29. 不銹鋼不具磁性的特質異於一般的鋼鐵材料，而且又比SUS 304具更佳的耐蝕性更不易生銹，因此在一般台灣民間均以磁鐵來辨識不銹鋼，認為不具磁性的SUS 304才是真正的不銹鋼，雖然此一觀念並不正確，然而它卻已深植台灣民間。

  30. 不銹鋼板廠的初級產品可區分為熱軋的No. 1產品及冷軋板。以目前國內不銹鋼板冷軋廠之初級產品而言，由於退火製程的差異，可區分為(1)退火酸洗線所製成之一般級冷軋品（2B或2D）與(2)光輝退火線（BAL）所製成之亮面冷軋品（BA）二大類。

  31. 不銹鋼依其表面加工等級之不同可區分為No.1、2D、2B、No.3、No.4、#400、HL、BA等。此外，尚有需經特殊處理而應用在特殊用途的硬板及彩色不銹鋼板，但在用量上仍屬少數。國內對不銹鋼之生產以No.1、2D、2B最為普遍；BA級在近年來亦有逐漸成長之勢。不銹鋼依其表面加工等級之不同可區分為No.1、2D、2B、No.3、No.4、#400、HL、BA等。此外，尚有需經特殊處理而應用在特殊用途的硬板及彩色不銹鋼板，但在用量上仍屬少數。國內對不銹鋼之生產以No.1、2D、2B最為普遍；BA級在近年來亦有逐漸成長之勢。

  32. 不銹鋼表面加工等級區分

  33. 2B產品因經過酸洗，表面呈霧面（無發散光澤），主要應用於沖壓加工，製管及其他工業用途上。2B產品因經過酸洗，表面呈霧面（無發散光澤），主要應用於沖壓加工，製管及其他工業用途上。 • 而BA產品具表面光澤可供下游客戶直接剪裁製成最終產品，可應用於建築裝潢、廚具、電器、水塔。

  34. 煉鋼與精煉的目的： 治煉(1)適當之化學組成包括合金的添加及雜 質如S的去除； (2)清淨的鋼水包括除氣（O、H、N）及 介在物（大部份為氧化物）

  35. 鋼鐵廠的演進 礦產區日本西山，一貫作業鋼廠（深水港） 迷你鋼廠（靠近市場）

  36. 煉鋼分 (1)轉爐（Basic Oxygen Furnace, BOF）煉鋼一貫作業鋼廠用原料為鐵水（含C量約4.2%） 吹氧以除碳，其反應並可供應所需熱能具有熔解與氧化之功能。 (2)電爐（Electric Arc Furnace, EAF） 迷你型鋼廠用原料為（低含C量） 以電為熱能來源大部份只作熔解的功能又可分交流電弧爐及直流電弧爐。

  37. 轉爐煉鋼：副原料、合金料投入概念圖

  38. 轉爐之主要原料： (1)從高爐來的鐵水：[C]：~4.5%， [Si]：~0.5%， [Mn]：~0.6%， [P]：~0.1%， [S]：~0.03% (2)廢鋼：加入量為0~30%（熱平衡用） (3)石灰（Limestone）：為脫[S]所需之鹽基性 渣之主要成份 (4)白雲石（Dolomite）：原為鹽基性耐火材料 之原料，現則來代替生石灰 (5)冷卻材 (6)合金鐵 副原料

  39. 吹煉過程中轉爐爐渣與鋼液間的運動： Action Profile of Liquid Steel & Slag in BOSF during Blowing Process

  40. 轉爐操作由吹氧管噴嘴（lance nozzle）噴射氧氣氣流激烈的攪拌及急速的反應 氣體/鋼液反應脫C反應 石灰渣化渣/鋼液反應脫P反應

  41. 煉鋼轉爐理論基礎 a.氧化與衍生之反應 b.造渣與衍生之反應 [C]+1/2O2(g)=CO(g)[S]+(CaO)=[O]+(CaS) CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g)[O]+[C]=CO(g) 1/2O2(g)=[O] [O]+[C]=CO (SiO2)+2(CaO)=(CaSiO4) 2[N]=N2(g)(P2O5)+4(CaO)=(Ca4P2O9) (FeO3)+2(CaO)=(Ca2Fe2O5) [Si]+O2(g)=(SiO2) [Mn]+1/2O2(g)=(MnO) 4[P]+5O2(g)=2(P2O5) [Fe]+1/2O2(g)=(FeO) 2(FeO)+1/2O2(g)=(Fe2O3)

  42. 燁聯煉鋼廠設備---電爐

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