如在反複加熱過程中,塊煉鐵同炭火接觸,碳滲入而增碳變硬,則成爲塊煉滲碳鋼。
李陵參觀視察之後,非常滿意,大賞衆人,賜錢财,并表示鑄成鐵犁之後,還會賜爵。随後李陵便吩咐下去,可以推廣煉鐵之法了。
“不要驕傲自滿,要刻苦鑽研,讓煉鐵之法每天都能有進步!”李陵離開前最後叮囑道。
當然,最重要的不在煉出塊煉鐵,而是鍛造和鑄造。
鑄造就是先加熱成鐵水,澆注到事先鑄造成的胚模中,冷凝成型,然後再經過鍛造成各種用具。鍛造就是所謂的打鐵,另外再加上一些細加工,像磨光了什麽的。
李陵不知到,他今日所作所爲,将是一場科技革命的開始,在他的鼓舞下,煉鐵研究所從地爐煉鐵開始,又發明了平地築爐煉鐵,在是在地面上搭建爐子而不是深挖。
随後不久又開始學會用豎爐煉鐵,這是一種在豎爐内用高還原性氣體預熱并還原高品位鐵精礦,在固态下還原制取海綿鐵的直接還原煉鐵工藝。
一它包括由爐牆組成的爐膛,設于爐膛下端的鎖風卸料裝置,爐膛上部的球團料進口和設于爐膛内中部的破碎輥,爐牆下部設有供風噴口,爐膛内設有與爐膛内外相通的燃料管道,所述燃料管道爐膛内部分設有燃料噴嘴。
它結構簡單,燃料直接在爐内燃燒,爐寬方向溫度均勻,熱效率高,焙燒帶供熱足,球團産量高,質量均勻。
這樣塊煉鐵的三種煉鐵方法,大商已經全部掌握,便是地爐、平地築爐、豎爐3種。
很快,在大商掌握塊煉鐵技術的不久,就煉出了含碳2%以上的液态生鐵,并用以鑄成工具。甚至是戰國初期,我國才掌握了的脫碳、熱處理技術方法,也陸續被大商的能工巧匠們發明創造出來。
這樣,大商的煉鐵水平進一步提升,可以很好的生産韌性鑄鐵了!然後便走上了發展的快車道,開始運用可重複使用的“鐵範”,這是一種用鐵制成的鑄造金屬器物的空腹器,曆史上它是戰國後期的産物。
然後是西漢時期出現的坩埚煉鐵法在大商提前出線了,同時,煉鐵豎爐規模進一步擴大。
坩埚煉鐵法實際上就是類似坩埚煉鋼法,後者是指在石墨黏土坩埚中熔化金屬料成爲鋼水的方法。将滲碳鐵料切成小塊置于封閉的黏土坩埚中,在坩埚外面加熱,鐵料繼續吸收石墨中的碳而熔化成爲高碳鋼水,澆鑄成小錠後鍛打成所需的形狀。
鋼在坩埚中熔化時,石墨碳還能起還原劑作用,鋼中氧可以去除,各種夾雜物也能從液态鋼中上浮去除,所以鋼(工具鋼)的質量優于當時的各種金屬材料,可用來制造加工金屬材料的工具。
坩埚法是人類曆史上第一種生産液态鋼的方法。但是生産量極小,成本高。
在李陵的大力支持下,尤其是重賞之下,西漢時期才發明的“炒鋼法”,即利用生鐵“炒”成熟鐵或鋼的新工藝,産品稱爲炒鋼,在大商朝歌應運而生。同時,還興起“百煉鋼”技術。
中國古代将炒鋼經反複折疊鍛打變形而制成的鋼及其工藝。其特點是反複加熱鍛打,多次反複鍛打可排除鋼中夾雜物,減少殘留夾雜物的尺寸,從而使其成分趨于均勻,組織趨于緻密,細化晶粒,改善鋼的性能。
古代工匠把“精鐵”加熱鍛打一百多次,一鍛一稱一輕,直到斤兩不減,即成百煉鋼。魏晉時期是百煉鋼的鼎盛時期。唐宋之後,因灌鋼工藝的發展等原因,百煉鋼有所減少。
随後便是水力鼓風爐接踵而至,曆史上這是東漢,光武帝時的發明,即“水排”。我國古代水排的發明,大約比歐洲早1100多年。
鼓風設備叫“橐”(音tuo),是一隻皮制的鼓風機。這種橐,在曆史上漢代時作了進一步的改進,由皮革制作的風囊和木架構成,有入風口和排風口,把幾個橐連在一起的稱爲排橐或排,它可以增大進風量,增強燃燒的火力,把爐溫迅速提高到煉鐵所需要的1200多度。
最早,橐用人力畜力帶動。據史書記載,當時的煉鐵,需要上百匹馬拉動大型排橐鼓風,加上裝運礦石的成百上千的工人,真是人強馬壯。
但是,無論人力還是畜力鼓風機都不能滿足日益發展的煉鐵的需要,煉鐵業呼喚更有力的鼓風機的出現,于是功率更強大的水力鼓風機——水排應運而生了。
宋代的王祯在《農書》中詳細記載了水排的結構和工作原理,并繪圖說明。水排是在湍急的水流之濱豎立起的巨大的木輪,靠水流的沖擊力帶動木輪轉動,再由傳動機構帶動橐排的轉動,從而将強大的風吹入高爐。
古代水力鼓風機所包括的動力機構、傳動機構和工作機構三部分已經達到相當完備的程度,制作技術和尺寸大小和中國高爐的規模相适應,舉世無匹。
還有鑄鐵柔化術,成爲大商成爲中國古代鋼鐵業的另一重大發明。鑄鐵煉制出來之後,因爲性脆、缺乏韌性而不适合鍛造優良的鐵器。
而适合鍛造鐵器的鑄鐵,因熱處理的溫度和方法的不同,分作白心可鍛鑄鐵和黑心可鍛鑄鐵兩種。白心可鍛鑄鐵具有比較高的硬度和強度,黑心可鍛鑄鐵具有較好的耐沖擊性。
這種技術的關鍵是将普通鑄鐵長時間高溫加熱,使其中的化合碳發生變化,當碳的含量介于鑄鐵和鋼之間,其性質也随之變化,具有較強的延展性并保持了一定的硬度,這種技術叫鑄鐵柔化術。
“奇思妙想,無窮無盡,人民的力量真是汪洋大海啊!”李陵手中拿着煉鐵工藝的報告單感歎道,目光停在最後一頁:
炒鐵和灌鋼。
炒鐵是古代中國鋼鐵冶煉的重大發明,是一種簡便有效的煉鐵術,沒想到已經被積極性爆表的大商科技人才給提前上千年弄來大商了。
這種方法是把含碳量過高的可鍛鑄鐵加熱到半流體狀态,再和鐵礦石粉混和起來不斷“翻炒”,讓鑄鐵中所含碳元素不斷滲出、氧化,從而得到中碳鋼或低碳鋼。
如果繼續炒下去,就得到含碳更低的熟鐵。這種方法始于西漢,東漢的《太平經》中就明确記載了炒鐵技術。
最值得驚訝的是漢代以後發明的灌鋼方法,也被李陵的幸運光環照耀吸引下,穿越時空來到了李陵面前。這種方法,在《北齊書·綦母懷文傳》稱爲“宿鋼”,後世稱爲灌鋼,又稱爲團鋼,這是中國古代煉鋼技術的又一重大成就。
灌鋼工藝是我國古代刃鋼生産的主要方法,它以生鐵和“熟鐵”爲原料,将它們加熱到生鐵熔點以上,合煉而成鋼。
其中生鐵是指由礦石冶煉得到的液态鑄鐵,含碳量和雜質很高,性脆易碎;熟鐵是指将生鐵經過“炒”或“蒸”等工藝而脫碳後的鐵,柔軟可鍛,雖然碳量降下來了,但氧化夾雜等并未減少,故需要經過反複加熱鍛打,以去除夾雜物,同時滲碳而增強剛硬性,成爲鋼。
其中過程是将高碳含量的生鐵液澆灌到紅熱的低碳含量的熟鐵(現代鋼鐵技術中所謂的低碳鋼或純鐵)中,相互熔融混合,直接獲得剛硬的鋼(現代鋼鐵技術中所謂的高碳鋼)。
總之,灌鋼是中國古代冶金技術的一項傑出創造,它利用生鐵含碳量較高、“熟鐵”含氧化夾雜較多的特點,用“熟鐵”中的氧來氧化生鐵中的矽、錳、碳,造成激烈的“沸騰”,而達到去除夾雜的目的。雖操作簡單,效果卻十分明顯,這是人類古代制鋼工藝中所獲得的最高成就。
相信在不久的将來,大商的煉鐵工藝将繼續光芒萬丈,就拿灌鋼來說,工藝類型将百花齊放,相互争輝,比如兩晉南北朝時的新的灌鋼技術,很有可能将在大商興起。
這種方法是:先将生鐵炒成熟鐵,然後同生鐵一起加熱,由于生鐵的熔點低,易于熔化,待生鐵熔化後,它便“灌”入熟鐵中,使熟鐵增碳而得到鋼。
這樣,隻要配好生熟鐵用量的比例,就能比較準确地控制鋼中含碳水平,再經過反複鍛打,就可以得到質地均勻的鋼材。這種方法比較容易掌握,工效提高較大,因此南北朝以後成爲主要煉鋼方法。灌鋼技術在南北朝時已相當流行,這種方法是在炒鋼的實踐過程中逐步發展起來的。
又比如大宋以後的常見的灌鋼工藝,也必将到來:
第一種,生鐵陷入法。
沈括《夢溪筆談》卷三雲:“世間鍛鐵所謂鋼鐵者,用柔鐵屈盤之,乃以生鐵陷其間,封泥煉之。鍛令相入,謂之團鋼,亦謂之灌鋼。”此“柔鐵”即古代“熟鐵”。此“封泥”的作用有三:1使鐵料各部分均勻受熱,讓生鐵緩慢熔化。2防止生鐵熔化後的流失,使之更好地與柔鐵作用。3防止和減少碳在爐氣中的燒損。
第二種,生鐵覆蓋法。
宋應星《天工開物》卷一四雲:“凡鋼鐵煉法,用熟鐵打成薄片,如指頭闊,長寸半許,以鐵片束包尖(夾)緊,生鐵安置其土(上)。又用破草履蓋其上(原注:粘帶泥土者,故不速化),泥塗其底下。洪爐鼓鞴,火力到時,生鋼先化,滲淋熟鐵之中,兩情投合。取出加錘,再煉再錘,不一而足。俗名團鋼,亦曰灌鋼者是也。”
此操作比生鐵陷入法又有了一些進步:1生鐵置于“熟鐵”上,熔化後向下滲淋,就增加了生、“熟”鐵接觸反應的機會,減少了生鐵流失的機率。2不需封泥,而是上蓋破草履,下塗泥,簡化了操作。3“熟鐵”爲薄片狀,增加了反應面,提高了生産率。
第三種,生鐵澆淋法。
約始創于明代中期,清時在安徽蕪湖,湖南湘潭等地都較興盛,因傳爲江蘇工匠始創,又名之爲“蘇鋼”。
明代唐順之《武編前編》卷五“鐵”條說:“熟鋼無出處,以生鐵合熟鐵煉成,或以熟鐵片夾廣鐵,鍋塗泥入火而團之,或以生鐵與‘熟鐵’并鑄,待其極熟,生鐵欲流,則以生鐵于‘熟鐵’上,擦而入之。”此“熟鋼”即灌鋼,這裏談到兩種操作,前者與沈括所雲相類似,後者即是蘇鋼工藝。
陳春華《嘉慶蕪湖縣志》卷一也有蘇鋼的記載:“居于廛治鋼業者數十家,每日須工作不啻數百人。初鍛‘熟鐵’于爐,徐以生镤下之,名曰餧鐵,餧飽則镤不入也。于時渣滓盡去,錘而條之,乃成鋼。”《光緒湘潭縣志》卷十一、1935年出版的《中國實業志(湖南)》第七篇都說到湘潭蘇鋼是乾隆年間從蕪湖傳去的。可知蕪湖蘇鋼應在清代早中期便較發達。
與前二法相比,蘇鋼操作的優點是:1其“熟鐵”僅僅是初鍛過的,組織較爲疏松,便增大了生、“熟”鐵接觸反應面,所含氧化夾雜亦較多,可提高碳氧反應的強度,增強去渣能力。并且,部分氧化亞鐵可被還原,就提高了金屬收得率。
2生鐵不是直接覆蓋于“熟鐵”之上,亦非夾于“熟鐵”間,從“以生鐵于‘熟鐵’上,擦而入之”、“徐以生镤下之”兩句來看,生鐵、“熟”鐵是保持一定距離的,便可有控制地進行灌淋。
據周志宏先生1938年調查,周志宏:《中國早期鋼鐵冶煉技術上創造性的成就》,《科學通報》1956年2月。重慶北碚蘇鋼亦采用類似的操作,無需封泥、塗泥,以及覆蓋破草履,亦簡化了工序。
總的來看,由于鑄鐵和生鐵煉鋼法的發明與發展,大商的冶金技術在将遙遙居世界先進水平。其中碳以石墨形式存在的鑄鐵,根據石墨狀态的不同,大體上分爲三種,即:石墨是片狀的爲灰口鑄鐵;石墨呈團絮狀的爲可鍛鑄鐵;石墨呈球狀的爲球墨鑄鐵。