钢铁的前世是上帝眷顾的礼物,今生则是人类智慧的结晶。 01 上帝的礼物 一颗流星划破长空,从天而降的恰是一块含铁量很高的铁陨石,这是上帝送给世间的礼物。6000多年前的古埃及人与苏…

钢铁的前世是上帝眷顾的礼物,今生则是人类智慧的结晶。


01

上帝的礼物

一颗流星划破长空,从天而降的恰是一块含铁量很高的铁陨石,这是上帝送给世间的礼物。6000多年前的古埃及人与苏美尔人是上帝的幸运儿,他们发现并利用了这份礼物,最早用铁陨石中的天然铁制作成铁器,并将这些铁器以天降神物尊称。因为落入地表的铁陨石十分难得,所以那时的天然铁就显得弥足珍贵,铁器自然也就成了当时的奢侈品。


但实际上地球上的铁元素并不稀缺,铁是排在铝之后第二多的金属元素,只不过地球上的铁是以化合物的形态躲藏在岩石或沉积物中,即铁矿石中。大约在4500多年前,精明的古代小亚细亚半岛(现今的土耳其)的赫梯人发现了铁矿石中隐藏着铁的秘密,他们用树木直接火烧的方法,从铁矿石中熔炼出铁,这也让他们最先走进了铁器时代。


小贴士

考古发现最早的陨铁器是在尼罗河流域的格泽(Gerzeh)和幼发拉底河流域乌尔(Ur)出土于公元前4000多年前的铁珠和匕首。

想一想

为什么落入地表的铁陨石含铁量都很高,甚至可以达到95%以上?

02

不可小觑的风箱

古代中国是人类历史上较早利用铁矿石熔炼铁的国家之一,早在春秋战国就开启了中国历史上引以为豪的铁器时代。高温下将铁矿石熔融的同时把铁元素还原成铁,这是利用铁矿石炼铁的基本原理,也就是说炼铁时首先要有一个必不可少的前提条件,那就是要有很高的温度。


木炭是中国很早的发明,既可以通过燃烧提供温度,也可以利用其不完全燃烧时产生的一氧化碳来还原铁。木炭虽然是炼铁一箭双雕的好选择,但仅靠木炭自然的温度(约700℃)想有效地炼出铁来还不够,因为这个温度离有效还原铁的温度(1000℃以上)还有一定的差距。如何解决这个问题?人们起先想到了利用牛皮制造成的风袋来鼓风,促进木炭燃烧以提高温度,这使得木炭在炼铁中有了真正的用武之地。这种最早的风袋式的风箱经过逐步改进创新,最终演变成效率更高的水力推拉的活塞式风箱,大大提高了古代中国的炼铁效率。


所以说风箱鼓风是人类历史上了不起的发明,试想炼铁时如果没有风箱的鼎力相助,那么铁器至今可能还是价格不菲的奢侈品,古代文人墨客留下的佳句可能就是“书中自有黑铁屋”了;如果没有铁器的大量使用,中国的农耕文明也不可能有那么快的大发展。


小贴士

木制双活塞式风箱是中国在鼓风技术方面的重要发明,比欧洲早了400年以上的历史。

想一想

为什么中国铁钱从西汉始铸,北宋鼎盛,南宋渐亡?

03

为啥百炼可以成钢

中国自古流传着很多关于宝剑的传说。相传在春秋末年,吴王阖闾找到巧匠干将炼造宝剑。干将“采五山之铁精,六合之金英”,动用了300名童男童女,为其向炉火中添加木炭鼓风,干将的妻子莫邪还把自己的指甲与头发投入炉火中助其炼剑,最终炼成了两把绝世宝剑,剑身有龟裂纹的叫“干将”,有水波纹的叫“莫邪”。


干将所选用的“铁精”实质上是含碳量较低的、质量较好、但含有较多杂质的铁块。干将把铁块反复放入炉火中加热锤炼,将炉火中的碳渗入铁的表面,并去其杂质,其实就是炼钢的简要过程,所以干将炼造的宝剑也可以称为钢剑,而干将这种炼钢的方法叫作渗碳炼钢法,也是中国较早的炼钢方法。后来,人们把炼出的优质钢称为“百炼精钢”,这正是成语“百炼成钢”的由来,“百炼”就是工匠们经过上百次的加热和反复折叠锻打成钢的过程。


干将炼钢时采用的是含碳量低的铁块,含碳量很高的铁块是否也可以炼成钢呢?答案是肯定的,但不用千锤百炼,而像炒菜一样地炒就行了,所以可以称为“炒钢”。西汉时期开始,人们已能够把铁块加热到熔融或半融状态,再不断地搅拌,增加空气与铁的接触面,使铁水中多余的碳氧化,逐渐降低含碳量以炼成钢。因此简单地说,炼钢就是调节铁中的含碳量。


小贴士

铁与钢的区别主要在于含碳量的多少,含碳量大于2%的为生铁,0.2%—2%的为钢,小于0.2%的为熟铁或纯铁。


想一想

古人怎么判断铁中含碳量的高低,选择是渗碳还是脱碳炼钢法呢?

04

当煤遇到了铁

长期以来,欧洲一直将木炭作为炼铁的唯一燃料。随着欧洲炼铁业的迅速发展,欧洲各地的森林资源很快就消耗殆尽。到了18世纪末期,英国森林资源几乎枯竭,这一度使得英国的炼铁业险些步入穷途末路,直到英国开始大量使用煤来炼铁。值得一提的是,中国在魏晋南北朝时期(公元3—6世纪)就开始用煤替代木炭炼铁,到了宋代(公元10—13世纪)已形成了北方用煤、南方用木炭的局面,而到了明代(公元14—17世纪)已大多用煤来炼铁了。据推算,宋代铁的年产量达到7万吨以上,明代则达到了15万吨以上,而使得英国森林资源接近枯竭时的工业革命初期,英国铁的年产量也仅仅相当于中国宋代时的水平。


所以不难想象,如果没有煤在炼铁中的替代使用,现今全球18亿吨以上的钢铁年产量会是一个不可想象的天文数字;又或许全球的森林资源早已不复存在,青山绿水只能在历史课本里才能找到。因此,当煤遇到了铁,不仅是解决了炼铁燃料的瓶颈,而且还从某种程度上拯救了地球的自然生态。


小贴士

直至今日,英国的森林覆盖率也仅恢复到11.8%,全球排名第134位。

05

现代钢铁工业三大件

尽管中国炼铁与炼钢技术都不是世界最早的,但是中国古代在冶炼技术上的不断发明创造,使得从公元前6世纪的春秋时代起,便遥遥领先世界数千年,直到后来居上的欧洲使钢铁的生产效率有了更大的提高,欧洲才成为现代钢铁工业生产工艺的开拓者。


高炉、转炉(电炉)、轧机是现代全流程钢铁生产工艺的“三大件”。现代钢铁的主要生产流程是:先将铁矿石在高炉中冶炼成铁水,接着把铁水注入转炉或电炉冶炼成钢,再将钢水铸成连铸坯或钢锭,经过轧机塑性变形加工成各种用途的钢材。


第一大件——高炉,以“高大能吃”著称。顾名思义,就是一个比较高大的竖立直圆桶形的炼铁熔炉,炼出来的铁水被称为生铁。不过,炼铁技术发展初期时的炼铁熔炉很小,构造也很简单,被称为竖炉。现代高炉自上而下由炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5个重要的部分组成,是一个技术复杂、系统性很强的炼铁设备。但不管怎样,古代早期竖炉炼铁的基本原理没变,是现代高炉的鼻祖。当前世界上最大的高炉是韩国浦项钢厂1号高炉,容积达到6000立方米,日产铁水量可达到1.2万吨以上。


第二大件——转炉,因“灵动高效”得名。炉体通常为梨形,可以大角度地倾转,故称转炉,炼出来的钢被称为粗钢。现代的转炉炼钢法由一位无心插柳的英国工程师贝斯麦(Henry Bessemer)于1856年发明,由此开创了钢铁生产的新时代。由于此前的炮筒是用铸铁做成的,容易发生裂纹,贝斯麦为了解决这一问题,尝试用反射炉把生铁熔化后再掺入合金,以制造炮筒。在试验时,当他开动鼓风机后,突然发现了一种奇异的现象:在炉子边缘上一些不熔化的生铁和吹入的空气起作用而发生燃烧。他把经过燃烧后的生铁用铁棍挑起来进行化验,结果发现铁被吹成含碳很低的钢。再进一步研究,贝斯麦发明了底吹空气式转炉。把铁水及少量废钢与铁合金放入炉内后吹入空气,铁水中的碳、硅、锰等元素被氧化并发出大量的热,变成了韧性很好的钢。这是一项震惊世界的发明,因为用这种方法炼钢,不再需要外加燃料,且十几分钟就能炼成数吨的优质钢,效率比过去的炼钢方法高出上百倍。1948年,德国人罗伯特·杜勒(Robert Durrer)在瑞士在贝斯麦的发明基础上,用纯氧气顶吹转炉炼钢的试验获得成功。1952年在奥地利的林茨城(Linz)、1953年在多纳维茨城(Donawitz)先后建成两座一次能装30吨铁水的氧气顶吹转炉,并投入生产。该炼钢法也被称为“LD”转炉法,使得炼钢的效率又提升了一大步,成为当今主要的转炉类型。后来电炉的发明也是基于这种转炉之上。目前世界最大的氧气顶吹转炉是德国奥古斯特·蒂森钢厂的超大转炉,一次能装400吨铁水,日产钢量能达到1万吨。


第三大件——轧机,有“万钧气盖”之力,使钢锭或钢坯在旋转的轧辊之间产生塑性变形,轧出各种断面形状与尺寸的钢材的机械设备。根据其断面形状,轧机可大体分为型材、线材、板材、管材类;按轧制时的温度不同,还可以分为热轧与冷轧类。


小贴士

现今铁是被利用最广、用量最多的金属,其消耗量约占金属总消耗量的95%。2018年全球钢铁产量超过18亿吨,如果以宽、高各1米截面为单位,可以绕地球5圈以上。

想一想

高炉与转炉技术的发展都经历了从小到大的过程,但在实际生产中它们是越大越好么?

责任编辑:李烨

作者: 博易大师

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