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如在反复加热过程中,块炼铁同炭火接触,碳渗入而增碳变硬,则成为块炼渗碳钢。
李陵参观视察之后,非常满意,大赏众人,赐钱财,并表示铸成铁犁之后,还会赐爵。随后李陵便吩咐下去,可以推广炼铁之法了。
“不要骄傲自满,要刻苦钻研,让炼铁之法每天都能有进步!”李陵离开前最后叮嘱道。
当然,最重要的不在炼出块炼铁,而是锻造和铸造。
铸造就是先加热成铁水,浇注到事先铸造成的胚模中,冷凝成型,然后再经过锻造成各种用具。锻造就是所谓的打铁,另外再加上一些细加工,像磨光了什么的。
李陵不知到,他今日所作所为,将是一场科技革命的开始,在他的鼓舞下,炼铁研究所从地炉炼铁开始,又发明了平地筑炉炼铁,在是在地面上搭建炉子而不是深挖。
随后不久又开始学会用竖炉炼铁,这是一种在竖炉内用高还原性气体预热并还原高品位铁精矿,在固态下还原制取海绵铁的直接还原炼铁工艺。
一它包括由炉墙组成的炉膛,设于炉膛下端的锁风卸料装置,炉膛上部的球团料进口和设于炉膛内中部的破碎辊,炉墙下部设有供风喷口,炉膛内设有与炉膛内外相通的燃料管道,所述燃料管道炉膛内部分设有燃料喷嘴。
它结构简单,燃料直接在炉内燃烧,炉宽方向温度均匀,热效率高,焙烧带供热足,球团产量高,质量均匀。
这样块炼铁的三种炼铁方法,大商已经全部掌握,便是地炉、平地筑炉、竖炉3种。
很快,在大商掌握块炼铁技术的不久,就炼出了含碳2%以上的液态生铁,并用以铸成工具。甚至是战国初期,我国才掌握了的脱碳、热处理技术方法,也陆续被大商的能工巧匠们发明创造出来。
这样,大商的炼铁水平进一步提升,可以很好的生产韧性铸铁了!然后便走上了发展的快车道,开始运用可重复使用的“铁范”,这是一种用铁制成的铸造金属器物的空腹器,历史上它是战国后期的产物。
然后是西汉时期出现的坩埚炼铁法在大商提前出线了,同时,炼铁竖炉规模进一步扩大。
坩埚炼铁法实际上就是类似坩埚炼钢法,后者是指在石墨黏土坩埚中熔化金属料成为钢水的方法。将渗碳铁料切成小块置于封闭的黏土坩埚中,在坩埚外面加热,铁料继续吸收石墨中的碳而熔化成为高碳钢水,浇铸成小锭后锻打成所需的形状。
钢在坩埚中熔化时,石墨碳还能起还原剂作用,钢中氧可以去除,各种夹杂物也能从液态钢中上浮去除,所以钢(工具钢)的质量优于当时的各种金属材料,可用来制造加工金属材料的工具。
坩埚法是人类历史上第一种生产液态钢的方法。但是生产量极小,成本高。
在李陵的大力支持下,尤其是重赏之下,西汉时期才发明的“炒钢法”,即利用生铁“炒”成熟铁或钢的新工艺,产品称为炒钢,在大商朝歌应运而生。同时,还兴起“百炼钢”技术。
中国古代将炒钢经反复折叠锻打变形而制成的钢及其工艺。其特点是反复加热锻打,多次反复锻打可排除钢中夹杂物,减少残留夹杂物的尺寸,从而使其成分趋于均匀,组织趋于致密,细化晶粒,改善钢的性能。
古代工匠把“精铁”加热锻打一百多次,一锻一称一轻,直到斤两不减,即成百炼钢。魏晋时期是百炼钢的鼎盛时期。唐宋之后,因灌钢工艺的发展等原因,百炼钢有所减少。
随后便是水力鼓风炉接踵而至,历史上这是东汉(公元25~220年),光武帝时的发明,即“水排”。我国古代水排的发明,大约比欧洲早1100多年。
鼓风设备叫“橐”(音tuó),是一只皮制的鼓风机。这种橐,在历史上汉代时作了进一步的改进,由皮革制作的风囊和木架构成,有入风口和排风口,把几个橐连在一起的称为排橐或排,它可以增大进风量,增强燃烧的火力,把炉温迅速提高到炼铁所需要的1200多度。
最早,橐用人力畜力带动。据史书记载,当时的炼铁,需要上百匹马拉动大型排橐鼓风,加上装运矿石的成百上千的工人,真是人强马壮。
但是,无论人力还是畜力鼓风机都不能满足日益发展的炼铁的需要,炼铁业呼唤更有力的鼓风机的出现,于是功率更强大的水力鼓风机——水排应运而生了。
宋代的王祯在《农书》中详细记载了水排的结构和工作原理,并绘图说明。水排是在湍急的水流之滨竖立起的巨大的木轮,靠水流的冲击力带动木轮转动,再由传动机构带动橐排的转动,从而将强大的风吹入高炉。
古代水力鼓风机所包括的动力机构、传动机构和工作机构三部分已经达到相当完备的程度,制作技术和尺寸大小和中国高炉的规模相适应,举世无匹。
还有铸铁柔化术,成为大商成为中国古代钢铁业的另一重大发明。铸铁炼制出来之后,因为性脆、缺乏韧性而不适合锻造优良的铁器。
而适合锻造铁器的铸铁,因热处理的温度和方法的不同,分作白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种。白心可锻铸铁具有比较高的硬度和强度,黑心可锻铸铁具有较好的耐冲击性。
这种技术的关键是将普通铸铁长时间高温加热,使其中的化合碳发生变化,当碳的含量介于铸铁和钢之间,其性质也随之变化,具有较强的延展性并保持了一定的硬度,这种技术叫铸铁柔化术。
“奇思妙想,无穷无尽,人民的力量真是汪洋大海啊!”李陵手中拿着炼铁工艺的报告单感叹道,目光停在最后一页:
炒铁和灌钢。
炒铁是古代中国钢铁冶炼的重大发明,是一种简便有效的炼铁术,没想到已经被积极性爆表的大商科技人才给提前上千年弄来大商了。
这种方法是把含碳量过高的可锻铸铁加热到半流体状态,再和铁矿石粉混和起来不断“翻炒”,让铸铁中所含碳元素不断渗出、氧化,从而得到中碳钢或低碳钢。
如果继续炒下去,就得到含碳更低的熟铁。这种方法始于西汉,东汉的《太平经》中就明确记载了炒铁技术。
最值得惊讶的是汉代以后发明的灌钢方法,也被李陵的幸运光环照耀吸引下,穿越时空来到了李陵面前。这种方法,在《北齐书·綦母怀文传》称为“宿钢”,后世称为灌钢,又称为团钢,这是中国古代炼钢技术的又一重大成就。
灌钢工艺是我国古代刃钢生产的主要方法,它以生铁和“熟铁”为原料,将它们加热到生铁熔点以上,合炼而成钢。
其中生铁是指由矿石冶炼得到的液态铸铁,含碳量和杂质很高,性脆易碎;熟铁是指将生铁经过“炒”或“蒸”等工艺而脱碳后的铁,柔软可锻,虽然碳量降下来了,但氧化夹杂等并未减少,故需要经过反复加热锻打,以去除夹杂物,同时渗碳而增强刚硬性,成为钢。
其中过程是将高碳含量的生铁液浇灌到红热的低碳含量的熟铁(现代钢铁技术中所谓的低碳钢或纯铁)中,相互熔融混合,直接获得刚硬的钢(现代钢铁技术中所谓的高碳钢)。
总之,灌钢是中国古代冶金技术的一项杰出创造,它利用生铁含碳量较高、“熟铁”含氧化夹杂较多的特点,用“熟铁”中的氧来氧化生铁中的硅、锰、碳,造成激烈的“沸腾”,而达到去除夹杂的目的。虽操作简单,效果却十分明显,这是人类古代制钢工艺中所获得的最高成就。
相信在不久的将来,大商的炼铁工艺将继续光芒万丈,就拿灌钢来说,工艺类型将百花齐放,相互争辉,比如两晋南北朝时的新的灌钢技术,很有可能将在大商兴起。
这种方法是:先将生铁炒成熟铁,然后同生铁一起加热,由于生铁的熔点低,易于熔化,待生铁熔化后,它便“灌”入熟铁中,使熟铁增碳而得到钢。
这样,只要配好生熟铁用量的比例,就能比较准确地控制钢中含碳水平,再经过反复锻打,就可以得到质地均匀的钢材。这种方法比较容易掌握,工效提高较大,因此南北朝以后成为主要炼钢方法。灌钢技术在南北朝时已相当流行,这种方法是在炒钢的实践过程中逐步发展起来的。
又比如大宋以后的常见的灌钢工艺,也必将到来:
第一种,生铁陷入法。
沈括《梦溪笔谈》卷三云:“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,封泥炼之。锻令相入,谓之团钢,亦谓之灌钢。”此“柔铁”即古代“熟铁”。此“封泥”的作用有三:⑴使铁料各部分均匀受热,让生铁缓慢熔化。⑵防止生铁熔化后的流失,使之更好地与柔铁作用。⑶防止和减少碳在炉气中的烧损。
第二种,生铁覆盖法。
宋应星《天工开物》卷一四云:“凡钢铁炼法,用熟铁打成薄片,如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖(夹)紧,生铁安置其土(上)。又用破草履盖其上(原注:粘带泥土者,故不速化),泥涂其底下。洪炉鼓鞴,火力到时,生钢先化,渗淋熟铁之中,两情投合。取出加锤,再炼再锤,不一而足。俗名团钢,亦曰灌钢者是也。”
此操作比生铁陷入法又有了一些进步:⑴生铁置于“熟铁”上,熔化后向下渗淋,就增加了生、“熟”铁接触反应的机会,减少了生铁流失的机率。⑵不需封泥,而是上盖破草履,下涂泥,简化了操作。⑶“熟铁”为薄片状,增加了反应面,提高了生产率。
第三种,生铁浇淋法。
约始创于明代中期,清时在安徽芜湖,湖南湘潭等地都较兴盛,因传为江苏工匠始创,又名之为“苏钢”。
明代唐顺之《武编前编》卷五“铁”条说:“熟钢无出处,以生铁合熟铁炼成,或以熟铁片夹广铁,锅涂泥入火而团之,或以生铁与‘熟铁’并铸,待其极熟,生铁欲流,则以生铁于‘熟铁’上,擦而入之。”此“熟钢”即灌钢,这里谈到两种操作,前者与沈括所云相类似,后者即是苏钢工艺。
陈春华《嘉庆芜湖县志》卷一也有苏钢的记载:“居于廛治钢业者数十家,每日须工作不啻数百人。初锻‘熟铁’于炉,徐以生镤下之,名曰餧铁,餧饱则镤不入也。于时渣滓尽去,锤而条之,乃成钢。”《光绪湘潭县志》卷十一、1935年出版的《中国实业志(湖南)》第七篇都说到湘潭苏钢是乾隆年间从芜湖传去的。可知芜湖苏钢应在清代早中期便较发达。
与前二法相比,苏钢操作的优点是:⑴其“熟铁”仅仅是初锻过的,组织较为疏松,便增大了生、“熟”铁接触反应面,所含氧化夹杂亦较多,可提高碳氧反应的强度,增强去渣能力。并且,部分氧化亚铁可被还原,就提高了金属收得率。
⑵生铁不是直接覆盖于“熟铁”之上,亦非夹于“熟铁”间,从“以生铁于‘熟铁’上,擦而入之”、“徐以生镤下之”两句来看,生铁、“熟”铁是保持一定距离的,便可有控制地进行灌淋。
据周志宏先生1938年调查,周志宏:《中国早期钢铁冶炼技术上创造性的成就》,《科学通报》1956年2月。重庆北碚苏钢亦采用类似的操作,无需封泥、涂泥,以及覆盖破草履,亦简化了工序。
总的来看,由于铸铁和生铁炼钢法的发明与发展,大商的冶金技术在将遥遥居世界先进水平。其中碳以石墨形式存在的铸铁,根据石墨状态的不同,大体上分为三种,即:石墨是片状的为灰口铸铁;石墨呈团絮状的为可锻铸铁;石墨呈球状的为球墨铸铁。