109 專技高考高等考試 冶金工程技師 鋼鐵冶金學 考古題詳解

核心觀念

本題評量鋼鐵精煉與連鑄製程中**非金屬介在物（Non-metallic Inclusions）**的清淨鋼冶金技術（Clean Steel Technology），其核心考點包括：

1. 介在物引發缺陷的力學機制：

• 耐疲勞壽命：介在物與鋼基地（Matrix）之熱膨脹係數及彈性模數不匹配，在外加交變應力下產生局部應力集中。大顆粒常成為超高週疲勞的裂紋萌生源（如「魚眼狀破面（Fish-eye）」）；小顆粒若硬度高且呈尖角狀聚集，亦會加速微裂紋連結。
• 塑性加工性：硬質未變形之介在物在軋延或抽線過程中無法與鋼基地同步變形，導致周圍微孔隙成核（Void Nucleation）並誘發分層（Delamination）、表面條紋（Sliver）或抽線斷線；易變形之延伸狀介在物（如 Type II $MnS$）則造成橫向（Transverse）韌性與塑性嚴重劣化的各向異性。

2. 介在物浮升動力學——斯托克斯定律（Stokes' Law）： 鋼液中球形介在物於靜止或層流鋼液中的浮升終端速度 $v_t$ 遵循下式： $v_t = \frac{2 r^2 (\rho_{\mathrm{steel}} - \rho_{\mathrm{inc}}) g}{9 \eta}$ 式中，$r$ 為介在物等效半徑；$\rho_{\mathrm{steel}}$ 與 $\rho_{\mathrm{inc}}$ 分別為鋼液與介在物之密度；$g$ 為重力加速度；$\eta$ 為鋼液之動力黏度。 由此可知：浮升速度與介在物半徑平方（$r^2$）成正比。顆粒半徑由 $100\,\mu\mathrm{m}$ 降至 $10\,\mu\mathrm{m}$ 時，浮升速度驟降至百分之一，直接決定了宏觀浮除與微觀改質的技術分流。

解題方法

本題為典型的比較申論題，切入點應鎖定於**「物理浮除分離（針對大顆粒）」與「型態改質無害化（針對小顆粒）」**之冶金對策分工，說明兩者在成因、物理動力學限制及工業實務手段上的顯著差異。

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│ 鋼中非金屬介在物尺寸與對策分流 │
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│ 大型介在物（＞100 μm） │ 較小介在物（10～50 μm） │
│ ・來源：外來型（捲渣/侵蝕/二次氧化）│ ・來源：內生型（脫氧/凝固二次析出）│
│ ・特性：浮升速度快（Stokes 控制） │ ・特性：浮升極慢，熱力學無法完全去除│
│ ・核心：【物理浮除與預防生成】 │ ・核心：【型態控制與無害化改質】 │
└──────────────────────────────┴──────────────────────────────┘

一、尺寸較大之介在物（$100\,\mu\mathrm{m}$ 以上）對策方法

此類多屬於**外來型介在物（Exogenous Inclusions）**或嚴重碰撞凝集之大型脫氧團簇（Clusters），主要來自耐火材料侵蝕剝落、盛鋼桶／中間包捲渣（Slag Entrainment）以及鋼液暴露空氣所致之二次氧化（Reoxidation）。

1. 防止生成與防護對策（Prevention）：

• 完全密封保護澆鑄：盛鋼桶至中間包採用長水口（Shroud Nozzle），中間包至結晶器採用浸入式水口（Submerged Entry Nozzle, SEN），連接縫處實施高純度氬氣正壓密封，徹底防止空氣吸入造成二次氧化生成大型巨觀夾雜。
• 耐火材料優化與操作控制：選用高耐沖刷、耐侵蝕之耐火材（如高純度鎂碳磚、鋯質水口）；精煉爐出鋼採用擋渣出鋼法（如擋渣塞、氣刀擋渣）；連鑄換包時加裝液面渦流感測器（Vortex Detector）即時關閉注流，杜絕液渣捲入。

2. 流場最佳化與物理浮除對策（Removal via Hydrodynamics）：

• 中間包（Tundish）冶金：依據 Stokes 定陸，大於 $100\,\mu\mathrm{m}$ 的介在物浮升速度快。透過在中間包內設置擋板（Weir）、堰（Dam）與湍流抑制器（Turbulence Inhibitor），延長鋼液平均滯留時間（Residence Time），並改變鋼液流動軌跡向上導流，促使巨型夾雜物浮升至鋼液表面被中間包覆蓋劑（Tundish Flux）吸收同化。
• 結晶器電磁制動（Electromagnetic Braking, EMBR）：在連續注造結晶器區施加靜磁場，抑制自水口射出之高速鋼液流速，消除渦流並縮短介在物穿透深度，促使其快速上浮被結晶器保護渣吸收，防止被初生凝固殼捕捉。

二、尺寸較小之介在物（$10\sim50\,\mu\mathrm{m}$）對策方法

此類主要為鋼液脫氧反應（如鋁脫氧生成之 $Al_2O_3$）及凝固降溫過程溶質偏析析出之內生型介在物（Endogenous Inclusions），如細小固態硫化物與矽酸鹽。

1. 型態控制與球化處理（Inclusion Morphology & Shape Control）：

• 鈣處理（Calcium Treatment）改質固態氧化物：向二次精煉鋼液中餵入鈣線（Ca-wire, 如 Fe-Ca 線）。鈣會將高熔點（約 $2050\,^\circ\mathrm{C}$）、具尖角且易結塊堵塞水口的固態 $Al_2O_3$ 介在物改質為低熔點（約 $1400\,^\circ\mathrm{C}$）之液態鋁酸鈣化合物：

核心觀念

高爐煉鐵為氣－固－液多相逆向流動的巨型反應器。焦炭（Coke）是由煤炭隔絕空氣經高溫乾餾（約 $1150\,^\circ\mathrm{C}$）製成的高強度、多孔隙固體碳素材料。焦炭在鋼鐵冶金學中的四大核心功能為：

1. 熱源（燃料／發熱劑）：燃燒釋放高爐運轉所需之熔煉熱能。
2. 還原劑：提供一氧化碳（$\mathrm{CO}$）及固態碳，將鐵礦石中的鐵氧化物還原為金屬鐵。
3. 料柱骨架（透氣與透液介質）：在高溫、荷重條件下維持固態支撐，提供高爐內部瓦斯上升與渣鐵滴落的通道（在高溫軟熔帶具備不可替代性）。
4. 滲碳劑：使金屬鐵滲碳，降低熔點以維持鐵水流動性。

相關重要反應式：

• 風口燃燒發熱反應： $\mathrm{C} + \frac{1}{2}\mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO} \quad (\Delta H < 0)$ $\mathrm{C} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{CO}_2 \quad (\Delta H < 0)$
• 碳溶損反應（Boudouard 反應）： $\mathrm{CO}_2 + \mathrm{C} \rightarrow 2\mathrm{CO} \quad (\Delta H > 0)$
• 直接還原反應（高溫區）： $\mathrm{FeO} + \mathrm{C} \rightarrow \mathrm{Fe} + \mathrm{CO} \quad (\Delta H > 0)$
• 間接還原反應（由焦炭燃燒產生的 $\mathrm{CO}$ 進行）： $3\mathrm{Fe}_2\mathrm{O}_3 + \mathrm{CO} \rightarrow 2\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4 + \mathrm{CO}_2$ $\mathrm{Fe}_3\mathrm{O}_4 + \mathrm{CO} \rightarrow 3\mathrm{FeO} + \mathrm{CO}_2$ $\mathrm{FeO} + \mathrm{CO} \rightarrow \mathrm{Fe} + \mathrm{CO}_2$
• 鐵水滲碳反應： $[\mathrm{Fe}] + \mathrm{C(s)} \rightarrow [\mathrm{Fe\text{-}C}]$

解題方法

本題為典型的冶金工程技師申論問答題。解題架構宜按高爐冶金之「物理熱源」、「化學反應」、「高溫力學與流體傳輸」、「相圖合金化」四個維度，系統性分項論述：

1. 熱源作用（燃料功能）：

• 焦炭在下部風口區與熱風（富氧鼓風）劇烈燃燒，瞬間燃燒溫度可達 $2000\,^\circ\mathrm{C} \sim 2200\,^\circ\mathrm{C}$。
• 提供全爐鐵礦石預熱、熔融吸熱、吸熱反應（如直接還原反應、碳溶損反應）、爐渣熔融及熱損失所需的熱能，並維持鐵水與爐渣出鐵時之過熱溫度（$1450\,^\circ\mathrm{C} \sim 1500\,^\circ\mathrm{C}$）。

2. 還原劑作用（化學功能）：

• 生成氣相還原劑：風口燃燒生成的 $\mathrm{CO}$ 及高溫區碳溶損反應產生的 $\mathrm{CO}$，沿爐身向上流動，對塊狀帶的鐵礦石進行逐級間接還原。
• 直接還原劑：在爐身中下部高溫區（超過 $950\,^\circ\mathrm{C} \sim 1000\,^\circ\mathrm{C}$），焦炭直接與 $\mathrm{FeO}$ 作用還原出金屬鐵。
• 還原微量元素：高溫下將渣中或礦石中的 $\mathrm{SiO}_2$、$\mathrm{MnO}$、$\mathrm{P}_2\mathrm{O}_5$ 還原並進入生鐵，決定鐵水化學成分。

3. 料柱骨架支撐作用（透氣性與透液性功能，最關鍵且不可替代之特性）：

• 高爐原料（燒結礦、球團礦、天然礦）隨溫度上升至 $1100\,^\circ\mathrm{C} \sim 1400\,^\circ\mathrm{C}$ 時會軟化熔融，形成透氣阻力極大的「軟熔帶（Cohesive Zone）」。
• 焦炭經高溫乾餾後，耐火度高達 $1500\,^\circ\mathrm{C} \sim 1600\,^\circ\mathrm{C}$ 以上，在高爐中下部仍維持固態塊狀。
• 焦炭層在軟熔帶形成「焦炭窗（Coke Slits）」，提供煤氣上升的低阻力通道；在滴落帶與爐缸形成「焦炭床／死料堆（Deadman）」，支撐上方數千噸料柱重量，同時允許熔融鐵水與液態爐渣順暢向下滴落聚集。

4. 生鐵滲碳作用（熱力學與鑄造加工功能）：

• 純鐵之熔點為 $1538\,^\circ\mathrm{C}$。固態海綿鐵在滴落帶穿過焦炭床時，吸收固態碳與氣相碳進行滲碳。

核心觀念

本題考查轉爐煉鋼的三個階段各自負責什麼：鐵水預備處理、轉爐一次精煉、鋼包二次精煉。作答時要掌握流程分工：上游先降低鐵水中適合預先去除的雜質；轉爐負責大量脫碳並完成主要氧化精煉；鋼包精煉則精確調整鋼液成分、溫度與潔淨度。

題目所說的「魚雷車熔湯預備處理」，是指高爐鐵水進入轉爐前，在魚雷車等容器內進行處理。各廠設備與處理組合不同，常見項目包括脫硫，部分流程也會進行脫矽、脫磷。

解題方法

依照「鐵水入轉爐前 → 轉爐內吹氧 → 出鋼後鋼包處理」的順序，分別回答每階段的主要目標、去除物質與對後續製程的效益。要特別區分：轉爐一次精煉是大量去除碳與氧化性雜質；二次精煉是在鋼包中完成更精確的成分與品質控制。

各工程的功效

一、魚雷車鐵水預備處理

1. 脫硫：降低鐵水中的硫，減少鋼材熱脆等品質問題，也降低轉爐與後續製程的脫硫負擔。常用噴吹鎂、石灰等脫硫劑，生成硫化物進入渣相，再扒除含硫渣。以鎂處理為例，可用下式表示：

$\mathrm{Mg+[S]\rightarrow MgS}$

鐵水含碳量高、氧勢低，通常有利於鐵水脫硫。

2. 脫矽：降低鐵水中的矽，減少矽氧化造成的爐渣量與石灰消耗，並減輕轉爐供氧及造渣負荷。

3. 脫磷：在適當氧化條件與高鹼度渣下，使磷氧化並進入渣中；處理後須排除含磷渣，避免磷回到鐵水。

4. 均質與緩衝：魚雷車可混合、保溫及運送鐵水，使成分與溫度較穩定，並銜接高爐與煉鋼廠的生產節奏。

二、轉爐一次精煉

轉爐裝入鐵水與廢鋼後吹入氧氣，加入石灰等熔劑形成爐渣，主要功效如下：

1. 大量脫碳：將鐵水中過高的碳氧化成一氧化碳或二氧化碳，使鐵水轉變為符合鋼種要求的鋼液。主要反應可簡寫為：

$\mathrm{[C]+[O]\rightarrow CO(g)}$

一氧化碳氣泡上升也會攪拌熔池，促進反應與成分均勻。

核心觀念

本題考連鑄設備如何提升鋼液潔淨度，並減少非金屬介在物被捲入鑄模、捕捉於凝固殼或殘留在鋼胚表面的機會。連鑄設備改善的重點，是讓介在物有機會在中間包或鑄模內上浮、被渣層吸收，同時避免鋼液流動造成再氧化、渣捲入與凝固殼捕獲介在物。

題目要列舉三項設備對策，作答時應說明「改善哪個設備」及「如何減少介在物」，才能完整呈現原理。

解題方法

依鋼液從中間包流向鑄模，再凝固成鋼胚的路徑，分別從中間包流場、鋼液入口與鑄模流場提出措施。以下三項均為連鑄設備面的具體對策。

一、改善中間包流場控制裝置

在中間包內設置擋壩、堰、導流牆或衝擊墊，並配合適當的中間包形狀與流道設計，降低鋼液短流與局部強烈湍流，增加鋼液停留時間。介在物因此有較多時間碰撞、聚集並上浮至中間包渣層，降低隨鋼液流入鑄模的數量。

二、採用浸入式水口與保護澆注系統

在鋼包至中間包，以及中間包至鑄模的鋼液通道使用長水口、浸入式水口（SEN）等保護澆注設備，使鋼液與空氣隔離，並維持水口出口浸入鋼液。

核心觀念

本題考的是鋼鐵製程如何逐步留下或改變材料的潔淨度、凝固組織、偏析、晶粒與相組成。作答時要把四個製程和其主要材料學結果連起來：

熔湯前處理控制鐵水中的雜質；二次精煉調整鋼液成分與非金屬夾雜物；連續鑄造形成凝固組織及偏析；軋延與熱處理再透過塑性變形、再結晶及相變改變組織。

題目未指定鋼種、操作條件或熱處理制度，因此不能唯一指定最終相組成或晶粒形態。以下就各製程中具有代表性的組織特徵作答；其中部分特徵會隨鋼種及操作條件改變。

解題方法

依製程順序追蹤材料狀態，分別回答「雜質與夾雜物如何變化」、「液態鋼如何凝固」、「固態鋼如何受變形及熱處理影響」。須區分製程目的與最終組織結果：例如精煉可降低夾雜物，但不代表鋼中夾雜物必然完全消失；熱處理後的相組成則取決於成分、加熱溫度與冷卻速度。

各製程對應的微觀組織特徵

（1）熔湯前處理：降低鐵水中的雜質負荷

熔湯前處理通常指鐵水進入轉爐前的處理，常見目標包括脫硫、脫矽或脫磷。脫硫時，硫由鐵水轉移至適當爐渣中，降低後續鋼液的硫含量。這會減少凝固及後續加工時形成硫化物夾雜的原料來源。

前處理的微觀組織意義主要在於控制雜質元素及其後續生成的夾雜物，而不是直接形成固態金相組織。若硫含量偏高，鋼中可能形成 MnS 等硫化物；經軋延後，塑性硫化物可能沿軋延方向拉長，造成方向性差異。前處理有助降低此類問題，但不能單憑「做過前處理」便推論成品鋼中沒有硫化物。

（2）轉爐煉鋼二次精煉：控制鋼液潔淨度與夾雜物

鋼液在出鋼後進行鋼包精煉、真空脫氣、合金添加、脫氧及夾雜物控制，可均勻化溫度與成分，並依鋼種要求調整碳、硫、氧、氫及氮等含量。

微觀組織上，二次精煉的重要結果是控制非金屬夾雜物的種類、尺寸、形狀與分布。脫氧會生成氧化物；若夾雜物上浮並進入爐渣，鋼的潔淨度提高。鈣處理等方法則可改變部分氧化物或硫化物的形貌及組成，降低長條狀夾雜或水口堵塞的風險。真空處理可降低溶解氫，減少後續形成氫缺陷的可能性。

因此，精煉後應描述為「夾雜物受到控制、鋼液成分與氣體含量改善」，而不能寫成「夾雜物完全消失」。精煉後殘留的夾雜物仍會影響鑄造與成品性能。

（3）鋼胚連續鑄造：形成枝晶凝固組織與偏析