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1.1.3 钢铁冶炼技术时期的化学知识

简 史

(1)铁的认知

铁是人类继金、银、铜、锡、铅之后认识的第六种金属。

伴随着冶铜工艺的逐渐完善,人们逐渐认识了铁。不过,最初发现的铁是来源于天空落下的陨铁。河北藁城县台西村商代遗址出土的一件镶有陨铁锻成铁刃的铜钺证明,那时人们已经认识并且利用了天然铁。

人工冶铁技术在我国始于何时尚无法确定,但在春秋时期已经开始,江苏六合县城桥镇春秋吴墓出土的铁条、铁丸是极好的佐证。

1978年,洛阳战国早期灰坑中出土的铁锛是至今为止发现的最早的生铁铸件。

(2)生铁冶铸技术

在冶铁初期,因为鼓风设备落后,炉温不高,铁无法熔化,只能得到海绵体状的熟铁。其性质柔软,可锻不可铸,称为块炼铁。

块炼铁虽然生产效率低,但工艺与设备简单,又具有优良的锻造性能,在炭火中进行渗碳即可成钢,所以在炒钢发明以前是唯一的炼钢原料。

最迟在春秋末期,块炼铁出现不久,我国只用较短的时间就完成了由块炼铁向生铁冶炼技术的转变过程。

(3)块炼渗碳钢技术

在春秋后期开始出现了低温炼钢法,其过程是将块炼铁放在炭炉中加热到900℃以上,使碳渗于铁的表面,取出锻打使部分碳渗到铁质中,杂质则成为火星飞溅出去。如此反复加热锻打,铁中含碳量就逐渐增加,杂质不断被排除,最后铸成钢。

《吴越春秋·阖闾内传》中有吴王阖闾请铸剑高手干将炼制钢剑的记载。

(4)铸铁柔化术

这种工艺是指通过一定的热处理,使生铁脱碳,克服其性脆、易断裂等弱点,增加其强度和韧性的工艺过程。这一过程又称为“退火”。

当时人们已经较熟练地掌握了比较完善的热处理脱碳技术。正是这一技术的出现,产生了具有高强度和韧性的韧性铸铁,使得生铁可以广泛地用于生产工具的制造,延长了生铁的使用寿命,进而加速了铁器时代的到来。

(5)百炼钢技术

百炼钢是在战国晚期块炼渗碳钢的基础上直接发展得来的。

块炼渗碳钢中有较多的大块氧化铁-碳酸铁共晶夹杂物,使获得的钢质量较差。百炼钢工艺就是通过对块炼渗碳钢增加热锻次数,使其夹杂物减少、细化及均匀化的过程。所谓“百炼”是反复热锻多次的意思。

百炼钢中晶粒的细化明显提高了钢的质量。

(6)炒钢技术

这项工艺是将生铁加热到半液半固态进行搅拌,利用铁矿粉或空气中的氧达到脱碳的目的,然后反复热锻成钢制品。

炒钢工艺既省略了烦琐的渗碳工序,又能使钢的结构更均匀,从而使钢的产量明显提高,质量也更进一步提升。

(7)灌钢技术

随着钢铁冶炼技术的不断发展,到了西晋、南北朝时期,形成了灌钢技术,又称“团钢”。这种工艺效率较高。

灌钢技术是将熟铁和生铁一起加热,由于生铁熔点低,先熔化,灌入熟铁中,进而使熟铁增碳而得到钢。

灌钢技术易于掌握,只要配好生、熟铁的比例就可以较准确地控制钢中含碳量,经过反复锻打就能得到质地均匀的钢材。

南北朝后灌钢技术成为主要炼钢方法。

大约在16世纪欧洲才出现灌钢技术。

导 图

人物小史与趣事

炼剑

☆欧冶子炼剑

我国考古工作者挖掘出一件稀世珍宝,它不是金、银、玉,而是春秋时期越王勾践的宝剑。宝剑擦拭之后,锋利无比,表面毫无锈蚀。在地下埋藏两千年的宝剑,至今如此完好,这表明中国古代炼铁技术十分高超。据东汉袁康的《越绝书·卷十一·外传记宝剑》记载,欧冶子用赤堇山露出地面的锡、若耶溪干涸后暴露出的铜,设炉装炭,在下雨、打雷等环境里送入自然界的精气(实际是空气),“因天之精神,悉其伎巧”,为越王勾践造出了五柄宝剑:一曰湛卢,二曰纯钧,三曰胜邪,四曰鱼肠,五曰巨阙。

从记载看,这是制作铜剑。

☆干将莫邪炼剑

又据东汉袁康的《越绝书·卷十一·外传记宝剑》记载,楚昭王令欧冶子、干将作铁剑。欧冶子、干将从茨山和山溪的河床上“取铁英”,制作了三把铁剑:“一曰龙渊,二曰泰阿,三曰工布”。

据东汉赵晔的《吴越春秋·阖闾内传》记载,吴王阖闾让干将铸作名剑。他们“采五山之铁精,六合之金英”,炼了三月不成。于是莫邪对干将说:“当年师兄炼剑,是师嫂用女人的毛发、指甲投入炉中,帮助师兄炼成,师嫂能做的我也能做到。”莫邪将毛发、指甲投入炉子以后,命令童女童男三百人鼓风、加炭,终于使“铁精”和“金英”软化,得以制剑。干将给制作的两把剑一把刻上龟文,取名干将,称为阳剑;另一把刻上无规则的纹理,取名莫邪,称为阴剑。干将留下了阳剑,把阴剑献给了吴王。

以上两个故事,说的都是制作铁(钢)剑。 yMopPF26V7P+8TqC1z+rNSYMnMrwJGWBH05rqRTI0bJOBwAgihefijOpqILyFkI1

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