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花上十分钟，了解一个工业常识。 想起来这个题目，是因为我没事喜欢看穿越小说，常常看到主角在古代修高炉大炼钢铁，心里就在想，这是要把现代高炉搬到古代去？这事情把一个冶金工程师扔过去都搞不定，一个人设为文科生的主角居然搞得定？作者还真敢想哈。 如果人家是去建土高炉呢？那或许就有可能了，但这个东西古代是不是早就有了，古人的钢铁冶炼技术到底是啥水平？ 于是我就好奇了，古人到底怎么炼钢铁的？上网搜了一下，从真假难辨的大量信息中整理出来一个大致可信的轮廓，满足了一下自己的好奇心，今天在这里就来给大家分享分享。 铁矿石有好几种，最常见储量最大的只有两种，一种是赤铁矿，呈铁锈的红褐色，有效成分是三氧化二铁，另一种是磁铁矿，有磁性，黑灰色，有效成分是四氧化三铁，两种矿石里都会夹杂一些石头类杂质。 四川人说话有点赤磁不分，好在这里用的是文字。不管是赤铁矿还是磁铁矿，主要成分都是氧化铁，那么炼铁需要做的事情，就是把其中的氧元素去掉。 怎么去呢？理论上任何比铁活性高的物质，都能够还原氧化铁，但最方便也最常用的还是利用碳元素，所以，炼铁的基本原理一句话就说清楚了：用碳去把铁矿石中的铁还原出来。 知道了基本原理，如果不知道工艺过程的话，其实就还是啥也不知道，所以我们还是了解一下古代的炼铁工艺吧。 记载中最早的炼铁工艺，出现在公元前一千四百多年，在两河流域的米坦尼王国，位置大约在今天的土耳其南部和叙利亚北部地区，这个王国只存在了200年。 采用的工艺很简单，就是把木炭和铁矿石按一定比例混合，放在炉子里，点燃后让铁矿石慢慢还原。 固体的木炭和铁矿石接触面很小，因此碳与氧化铁直接反应的机会很小，主要应该是一氧化碳和氧化铁反应生成铁和二氧化碳。 木炭在缺氧情况下燃烧生成一氧化碳，在高温下去还原氧化铁，铁矿石表面被还原以后，因为失去氧，就会留下微孔，看上去就像海绵一样，这些微孔把下面的氧化铁暴露出来，无孔不入的一氧化碳气体就能够钻进去继续反应。 这样的反应温度不能太高，否则会导致铁融化流动，堵住微孔，让反应不能充分进行，因此整个过程中铁矿石都保持固体状态，最后练成的是块状的海绵铁，所以这叫做块炼铁工艺。 因为一直是固体，里边的石头杂质出不来，同时因为没有充分和木炭接触，铁里的含碳量上不去，所以海绵铁是包裹着许多非金属杂质的熟铁，很软，还夹杂些石渣。 炼出来就是要用的了，软就软吧，做不了武器，也做不了锄头菜刀什么的，做点锅碗瓢盆总可以吧。 熟铁真是不适合做武器的，据说古罗马人用熟铁做刀剑，捅一个敌人，就得把剑放地上踩直了再上。有人当作历史来讲，我却觉得这只是一个冷笑话，有青铜剑用，干嘛受这个罪呢？拿青铜和熟铁比，那就是铜比铁更硬，还不止差一点点。 就算做别的，也要把里边的小石头等杂物剔除吧，怎么剔除？ 方法很费事，就是用打铁的方法把海绵铁烧红，锻打成薄片，借此把杂质挤出来，一次挤不干净，就把薄片叠成一团，再次打成薄片，一次次的反复进行，直到把杂质剔除干净。 剔除了杂质的熟铁，就可以做一些器皿了，总之肯定是利用起来了的，如果完全没用，那这工艺早就废掉了，也不会记载进历史了。 在这个过程中，因为反复加热烧红，铁和碳在高温下多次接触，会有碳元素渗透进铁里，会导致铁中的含碳量增加。 一开始应该没人注意这一点，因为只要铁中的含碳量没达到低碳钢标准，铁里边就全是铁素体，仍然是熟铁，性能并没有变化（参见上一篇'钢是一种铁’）。 最先发现窍门的人没准有强迫症，总觉得杂质没有剔除干净，不停地反复把铁烧红以后敲打，然后就得到了意外之喜：铁变硬了，因为含碳量超过了铁素体的容纳极限，出现珠光体了，铁就变成低碳钢了。 窗户纸一捅破，后面就顺理成章了，一定会有人继续尝试，直到敲打出中碳钢甚至高碳钢来，这样炼出来的钢，叫做固体渗碳钢。 这个方法太费人工，也太费燃料，产量上不去，价格下不来，无法让铁器的使用得到大范围推广，以全面取代青铜器。 中国到春秋时期才出现块炼铁技术，比西方晚了九百年，这并不奇怪，没有理论指导的古代，技术发展就是在盲目摸索，要碰运气的。 但仅仅一百年后，即公元前五世纪，中国就出现了铸铁技术，这个就有点了不起了。 为什么这么说？ 首先，直接冶炼出来的铸铁成本，肯定比固体渗碳钢低很多，但又远比熟铁硬，也比青铜硬，可以直接用来做武器，有了铸铁，铁器就能够逐渐淘汰掉青铜器，铁器时代就实实在在来临了。 其次，铸铁是高含碳量的生铁水进行铸造的，说明当时的中国已经能够冶炼液态生铁了，这就为低成本的炼钢技术提供了条件。 但是怎么做到的呢？铸铁冶炼的具体工艺是什么？比如说，融化温度是怎么解决的？ 可惜在网上搜索了很久，都不得要领，比较专业严肃的文章，对这个问题都语焉不详，估计是缺乏记载，人家不敢乱说，网上也有特别敢说的，但我又不敢信了。 倒是看到一个比较靠谱的线索，说中国古代的青铜冶炼是采用的竖炉，中国的铸铁技术就是在青铜冶炼技术的基础上摸索出来的。 之所以觉得这个线索比较靠谱，是因为古代的竖炉，其实就是现代高炉的前身，如果古代竖炉冶炼工艺和现代高炉工艺有近似之处，那就比较容易理解了，至于现代高炉工艺是什么样的，我准备在下一篇里聊一聊，这里就不啰嗦了。 但即使这样，仍然存在一个问题：在古代技术条件下，铁的融化温度怎么解决的？那可需要1500℃以上的高温，算是一个不小的难题。 要达到这样的高温，需要强力鼓风和很好的保温，一方面加大燃烧供热，一方面减少热量损失，温度才上得去。 中国古代已经有大容量竖炉了，从发现的汉代竖炉遗址估算，这座竖炉的容积有50立方米，放在古代，这算是庞然大物了，这样的容积就是很好的保温手段。 同样的形状，尺寸增加一倍，容积会增加到八倍，表面积只增加到四倍，相同容积对应的表面积就减少了一倍，相对散热面积少了，自然就更保温了，一小杯开水肯定比一大桶开水凉得快，就是这个道理。 有了大容量的竖炉，炼出液态生铁就真还不奇怪了，至于为什么炼出的是生铁而不是熟铁？因为铁化成铁水了呀，和碳有了亲密接触，自然就能够固溶进大量的碳元素了。 这么看来，因为之前的青铜冶炼已经发展了竖炉工艺，能够在块炼铁技术出现以后很快出现铸铁技术，就不完全是碰运气了。 那么问题来了，同样能够冶炼青铜的西方，为什么在块炼铁技术出现以后接近三千年，到公元十四世纪，才有了铸铁技术？难道西方炼铜不是用的竖炉？ 或许还真是这样，据说西方的竖炉技术就是从中国传过去的，然后他们据此发展出了现代高炉技术，又传回到了中国，从古代竖炉到现代高炉，差别就在于后者有大量现代工业技术的支持。 前面我说了，能够冶炼液态生铁，低成本高效率的炼钢技术就呼之欲出了，需要做的不过是从生铁里把碳元素弄出来一部分而已。 怎么弄出来？加氧化剂，但氧化剂不能残留别的杂质在铁水里，所以只有两类氧化剂可以用，一类是空气或氧气，另一类就是铁矿石，现代的氧气顶吹转炉用的是前一类，古代的炒钢法用的是后一类。 炒钢工艺是在西汉时期发明的，说起来工艺也简单，就是往液态的生铁水里加精矿粉搅拌，让生铁里多余的碳去还原精矿粉，产生二氧化碳逸出，从而降低生铁的含碳量来炼钢。 关于炒钢还有一种说法，就是并不加精矿粉，只是不停搅拌，借助空气接触氧化掉多余的碳，降低含碳量。 看来现在的人们并不一定知道炒钢的具体工艺，因为古人的记载往往之乎者也，语焉不详，现在的人理解起来有点想当然，瞎猜的，我采信前一种说法，也只是一种直觉，其实两种方法理论上都可行，但后一种方法需要的搅拌次数要多许多倍。 炒钢工艺比铸铁工艺晚出现四百年左右，那是因为古人并不明白含碳量对钢铁的影响，所以仍然是盲目摸索的结果，只用了几百年，也不算太慢了哈。 想一想就能够明白，炒钢法炼钢和固体渗碳钢相比，生产效率不知道高出多少，成本又不知道要低多少，因此从汉代开始，中国在低成本炼铁炼钢的技术上，已经摸到了现代工业技术出现之前的天花板。 大约在东汉时期出现的百炼钢工艺，手段上有点像固体渗碳钢，不同的是，一开始是把熟铁和可锻生铁叠在一起，多次锻打之后，生铁中的碳会向熟铁渗透，熟铁慢慢变成低碳钢，生铁则变成高碳钢，最后形成千层饼式的叠焊复合材料，低碳钢提供韧性，高碳钢提供硬度。 网上关于百炼钢的说法有好几种，一种说的就是固体渗碳钢，第二种说的是用生铁为原料，反复锻打脱碳变成钢，第三种就是我上面说的这种，我之所以采信这种说法，因为第一种说法没道理，有了炒钢技术怎么还会去发展这种笨办法？第二种说法更不靠谱，锻打可以脱碳？最后还暴露了无知，说锻打次数足够，就能够得到最好的精铁也即熟铁。 百炼钢技术和固体渗碳钢一样费事，但得到的是优质品，这种高成本的优质钢，估计只有高级将领用得起，据说曹操的青虹剑就是百炼钢造的，姑妄听之吧。 到东汉后期，还出现了灌钢法，关于灌钢也有多种说法，一种说是把熟铁生铁按比例混合融化，含碳量在两者之间，就练成钢了，另一种说法是把液态生铁往熟铁做的刀剑毛坯上浇灌，借助液体与固体的密切接触快速渗碳，因为浇灌时间长达一宿，所以别称'宿钢’。 前一种技术上也可行，但和名称不符，我倾向于采信后面一种，这样渗碳的结果会是表面变成高碳钢，芯部是中碳钢甚至低碳钢，做成武器，韧性和硬度俱佳，也是高端产品，但生产成本比百炼钢低。 直到十四世纪，也就是中国的明朝初期，西方有了铸铁技术，并且几乎是原样重复了中国走过的道路之前，中国古代的钢铁技术长时间里都是在世界上遥遥领先的。 明朝中期，中国的钢产量达到了每年一万多吨，很少对吧？但工业革命的先驱英国，是在两百年后才达到这个水平的。 然后呢？西方在文艺复兴以后，科学、商业、工业这三驾马车逐渐形成，在科学理论的指导，以及商业利益的驱动下，西方的工业技术像开了挂似的拼命往前冲。 反观中国，晚明不说了，处于改朝换代前的破败状态，顾不上，清朝也不说了，大家都知道是个什么状态，于是在人家突飞猛进时，中国的技术发展，整体上应该是不进反退的。 于是中国落后了，落后得很惨，直到晚清的洋务运动，才开始跟在西方后面，一点点地从零基础开始慢慢发展，这学生一做，就是一个半世纪，至今还不算完全出师。 你看，从汉代往后，铸铁、低成本的炒钢、高性能的百炼钢和灌钢技术都有了，对了，淬火技术古代也早就有了，甚至还有双液淬火的记载，基本没有了技术革命的余地，穿越者过去还能做什么？干脆洗洗睡吧。 现在网上资讯太多，一件事情往往有无数种说法，彼此互不相同甚至彼此矛盾，我已经是尽可能利用自己的工业常识做了筛选，但并不能保证都是对的，看这样的文字，你需要抱着存疑的态度，别轻易采信。 预告一下，下一次我打算聊聊高炉炼铁工艺…… |
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