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钢铁是怎样炼成的

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2021-01-07 9:35:51 * 浏览: 238

  钢铁是怎样炼成的?

  钢铁如此司空见惯地出现在我们的日常生活中,以至于我们忘了它有多么的重要——在几千年的历史中,人类想尽办法要从坚固的地壳中提炼这种性能优良的金属材料,然而我们将会看到这是一项何等艰辛的探索之路。

  终于经过近代以来的科学革命,钢铁工业蓬勃地发展起来,支撑起了整个人类文明,我们用“现代工业的骨骼”形容它——所以最终毫不夸张的说,现代文明的较量,就是钢铁与钢铁的较量。

  钢铁是现代工业的骨骼,这不仅形容了它的地位有多么重要,也形容了炼成它是何等艰难。

  铁元素虽然在地壳中储量很高,单质铁的化学性质却非常活泼,在地球表面成为高熔点的氧化物,所以在历史上的大多数时间,我们甚至没有见过“铁”——除非有大型陨铁从天而降,才有可能给帝国的君主打造一两把锋利的匕首。

  一般认为,有效的冶铁术最早出现于公元前18世纪的赫梯——如前17世纪国王Anitta的泥板书上记录,那是用来制造王冠和权杖的贵重材料,要被当作国家机密保守起来。

  但是赫梯帝国在青铜时代晚期的大崩溃中覆灭了,冶铁技术也就随之传播开来——到公元前500年,欧亚大陆诸文明已经普遍进入了铁器时代。

  最早的冶铁术可不像今天这样有一炉炉烧熔的铁水——纯铁的熔点高达1538°C,燃烧木柴和木炭的窑炉不能融化它,而只能把铁矿还原成饱含杂质的海绵铁。铁匠在它的缝隙中塞入草木灰等固溶剂,反复烧炼锻打,才能让硅等杂质变成玻璃状的炉渣敲出来。

  当这样的千锤百炼清理了铁中的杂质,铁中的碳含量也普遍降到了0.2%以下,成为过于柔软的熟铁,做不得工具——我们又需增加铁中的碳含量,扰乱过分整齐的晶格,让较纯的熟铁变成坚硬的合金钢——其中历史上沿用最久的是“渗碳法”:将铸铁打成薄片,放在炭火里煅烧,碳元素就会在高温下渗进去,形成含碳较高的坚硬表面。

  然而要想得到令人满意的钢材,也就是含碳2%到0.2%之间的铁碳合金,锻炼的历程才刚刚开始——锻焊技术在公元前8世纪的印度就已经成熟:将铁片叠在一起烧软,再反复锻打,就能让两者融合起来。那么取含碳较少的熟铁和充分碳化过的生铁依照比例反复折叠锻打,让两种合金相当均匀地混合起来,形成相当坚韧的钢材——这样的钢材表面总能看到两种铁合金黑白相间的层叠花纹,因此常被称为“花纹钢”,附会上了无数传奇的大马士革钢就是这样,日本武士刀也是这样。

  但也并非所有的花纹钢都是折叠锻打的产物——生铁含有较多碳杂质,熔点可以降到1100多度而被古人的窑炉融化——印度人将熟铁浸泡在熔化的生铁里,就能吸收生铁中的碳,形成花纹细腻的坩埚钢——比如17世纪以前的印度乌兹钢。

  另一方面,古代中国在公元前就发明了液态冶炼:就是利用鼓风机使燃料充分燃烧,用高温火焰熔化铁矿,并不断加入木炭粉,使其保持液态,令炉渣充分析出,最后用液态的铁碳合金铸造农具和日用品——就是铸铁——如果用刚刚熔化的生铁灌注搅拌,也能得到较好的钢——这种做法一直延续到了大跃进时代。

  总之就像这样,古人在几乎无法获得铁水的情况下出尽百宝,试炼出了品质参差的各种“钢铁”——终于在1709年英格兰的什罗普郡(Shropshire),人们研制了煤炭脱硫的技术,解决了硫元素使铁变脆的难题,用充分燃烧的煤炭营造了融化熟铁的高温;瓦特在1784年改良的蒸汽机也很快应用高炉的鼓风动力,让炼铁厂不必沿河而建;1828年,苏格兰的格拉斯哥(Glasgow)又发明了热风炉,用预热的空气节省一半燃料,获得了更高的炉温,无烟煤也可以直接用作燃料——年产数百吨的高炉终于将工业革命推上了高潮。

  在今天,钢铁冶炼已经成为一整套衔接紧密的完整产业:世界各地开采的铁矿和煤炭被运送到大型钢铁厂,磨碎的铁矿被烧结成颗粒,而煤炭要干馏成焦炭——它们被分层堆入高达百米的高炉,而后1200℃以上的高温空气从底部吹入,使焦炭烧出1500°以上的高温,铁矿化成铁水从下方流出,并撇除炉渣。

  但这样的铁水仍有很多杂质,不能制成性能稳定的钢,于是铁水还要继续灌入转炉(converter furnace),在其中吹入纯氧,使碳、磷、硫氧化后逸出,并根据需要加入镍、铬等元素,产生成分精确的钢水,然后注入模子冷却,制成各种性能的钢材。

  这些钢材最后在1100℃的温度下压制出钢板、钢条、钢锭、钢丝等等形状,分送到现代工业的每一个领域,最终支撑起整个现代文明——而如何研发最精确的配方,制造性能最优异的钢铁,就是现代文明最硬核的较量了。