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【新書連載之《金屬期貨》】鋼鐵的前世今生

發(fā)布時間:2021-03-01
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金屬期貨.jpg

鋼鐵的前世是上帝眷顧的禮物,今生則是人類智慧的結(jié)晶。

01
上帝的禮物

一顆流星劃破長空,從天而降的恰是一塊含鐵量很高的鐵隕石,這是上帝送給世間的禮物。6000多年前的古埃及人與蘇美爾人是上帝的幸運兒,他們發(fā)現(xiàn)并利用了這份禮物,最早用鐵隕石中的天然鐵制作成鐵器,并將這些鐵器以天降神物尊稱。因為落入地表的鐵隕石十分難得,所以那時的天然鐵就顯得彌足珍貴,鐵器自然也就成了當(dāng)時的奢侈品。

但實際上地球上的鐵元素并不稀缺,鐵是排在鋁之后第二多的金屬元素,只不過地球上的鐵是以化合物的形態(tài)躲藏在巖石或沉積物中,即鐵礦石中。大約在4500多年前,精明的古代小亞細亞半島(現(xiàn)今的土耳其)的赫梯人發(fā)現(xiàn)了鐵礦石中隱藏著鐵的秘密,他們用樹木直接火燒的方法,從鐵礦石中熔煉出鐵,這也讓他們最先走進了鐵器時代。

小貼士

考古發(fā)現(xiàn)最早的隕鐵器是在尼羅河流域的格澤(Gerzeh)和幼發(fā)拉底河流域烏爾(Ur)出土于公元前4000多年前的鐵珠和匕首。




想一想

為什么落入地表的鐵隕石含鐵量都很高,甚至可以達到95%以上?


02
不可小覷的風(fēng)箱

古代中國是人類歷史上較早利用鐵礦石熔煉鐵的國家之一,早在春秋戰(zhàn)國就開啟了中國歷史上引以為豪的鐵器時代。高溫下將鐵礦石熔融的同時把鐵元素還原成鐵,這是利用鐵礦石煉鐵的基本原理,也就是說煉鐵時首先要有一個必不可少的前提條件,那就是要有很高的溫度。

木炭是中國很早的發(fā)明,既可以通過燃燒提供溫度,也可以利用其不完全燃燒時產(chǎn)生的一氧化碳來還原鐵。木炭雖然是煉鐵一箭雙雕的好選擇,但僅靠木炭自然的溫度(約700℃)想有效地?zé)挸鲨F來還不夠,因為這個溫度離有效還原鐵的溫度(1000℃以上)還有一定的差距。如何解決這個問題?人們起先想到了利用牛皮制造成的風(fēng)袋來鼓風(fēng),促進木炭燃燒以提高溫度,這使得木炭在煉鐵中有了真正的用武之地。這種最早的風(fēng)袋式的風(fēng)箱經(jīng)過逐步改進創(chuàng)新,最終演變成效率更高的水力推拉的活塞式風(fēng)箱,大大提高了古代中國的煉鐵效率。

所以說風(fēng)箱鼓風(fēng)是人類歷史上了不起的發(fā)明,試想煉鐵時如果沒有風(fēng)箱的鼎力相助,那么鐵器至今可能還是價格不菲的奢侈品,古代文人墨客留下的佳句可能就是“書中自有黑鐵屋”了;如果沒有鐵器的大量使用,中國的農(nóng)耕文明也不可能有那么快的大發(fā)展。

小貼士

木制雙活塞式風(fēng)箱是中國在鼓風(fēng)技術(shù)方面的重要發(fā)明,比歐洲早了400年以上的歷史。




想一想

為什么中國鐵錢從西漢始鑄,北宋鼎盛,南宋漸亡?



03
為啥百煉可以成鋼

中國自古流傳著很多關(guān)于寶劍的傳說。相傳在春秋末年,吳王闔閭找到巧匠干將煉造寶劍。干將“采五山之鐵精,六合之金英”,動用了300名童男童女,為其向爐火中添加木炭鼓風(fēng),干將的妻子莫邪還把自己的指甲與頭發(fā)投入爐火中助其煉劍,最終煉成了兩把絕世寶劍,劍身有龜裂紋的叫“干將”,有水波紋的叫“莫邪”。

干將所選用的“鐵精”實質(zhì)上是含碳量較低的、質(zhì)量較好、但含有較多雜質(zhì)的鐵塊。干將把鐵塊反復(fù)放入爐火中加熱錘煉,將爐火中的碳滲入鐵的表面,并去其雜質(zhì),其實就是煉鋼的簡要過程,所以干將煉造的寶劍也可以稱為鋼劍,而干將這種煉鋼的方法叫作滲碳煉鋼法,也是中國較早的煉鋼方法。后來,人們把煉出的優(yōu)質(zhì)鋼稱為“百煉精鋼”,這正是成語“百煉成鋼”的由來,“百煉”就是工匠們經(jīng)過上百次的加熱和反復(fù)折疊鍛打成鋼的過程。

干將煉鋼時采用的是含碳量低的鐵塊,含碳量很高的鐵塊是否也可以煉成鋼呢?答案是肯定的,但不用千錘百煉,而像炒菜一樣地炒就行了,所以可以稱為“炒鋼”。西漢時期開始,人們已能夠把鐵塊加熱到熔融或半融狀態(tài),再不斷地攪拌,增加空氣與鐵的接觸面,使鐵水中多余的碳氧化,逐漸降低含碳量以煉成鋼。因此簡單地說,煉鋼就是調(diào)節(jié)鐵中的含碳量。

小貼士

鐵與鋼的區(qū)別主要在于含碳量的多少,含碳量大于2%的為生鐵,0.2%—2%的為鋼,小于0.2%的為熟鐵或純鐵。




想一想

古人怎么判斷鐵中含碳量的高低,選擇是滲碳還是脫碳煉鋼法呢?


04
當(dāng)煤遇到了鐵

長期以來,歐洲一直將木炭作為煉鐵的唯一燃料。隨著歐洲煉鐵業(yè)的迅速發(fā)展,歐洲各地的森林資源很快就消耗殆盡。到了18世紀末期,英國森林資源幾乎枯竭,這一度使得英國的煉鐵業(yè)險些步入窮途末路,直到英國開始大量使用煤來煉鐵。值得一提的是,中國在魏晉南北朝時期(公元3—6世紀)就開始用煤替代木炭煉鐵,到了宋代(公元10—13世紀)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世紀)已大多用煤來煉鐵了。據(jù)推算,宋代鐵的年產(chǎn)量達到7萬噸以上,明代則達到了15萬噸以上,而使得英國森林資源接近枯竭時的工業(yè)革命初期,英國鐵的年產(chǎn)量也僅僅相當(dāng)于中國宋代時的水平。

所以不難想象,如果沒有煤在煉鐵中的替代使用,現(xiàn)今全球18億噸以上的鋼鐵年產(chǎn)量會是一個不可想象的天文數(shù)字;又或許全球的森林資源早已不復(fù)存在,青山綠水只能在歷史課本里才能找到。因此,當(dāng)煤遇到了鐵,不僅是解決了煉鐵燃料的瓶頸,而且還從某種程度上拯救了地球的自然生態(tài)。

小貼士

直至今日,英國的森林覆蓋率也僅恢復(fù)到11.8%,全球排名第134位。



05
現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)三大件

盡管中國煉鐵與煉鋼技術(shù)都不是世界最早的,但是中國古代在冶煉技術(shù)上的不斷發(fā)明創(chuàng)造,使得從公元前6世紀的春秋時代起,便遙遙領(lǐng)先世界數(shù)千年,直到后來居上的歐洲使鋼鐵的生產(chǎn)效率有了更大的提高,歐洲才成為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)工藝的開拓者。

高爐、轉(zhuǎn)爐(電爐)、軋機是現(xiàn)代全流程鋼鐵生產(chǎn)工藝的“三大件”?,F(xiàn)代鋼鐵的主要生產(chǎn)流程是:先將鐵礦石在高爐中冶煉成鐵水,接著把鐵水注入轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉成鋼,再將鋼水鑄成連鑄坯或鋼錠,經(jīng)過軋機塑性變形加工成各種用途的鋼材。

第一大件——高爐,以“高大能吃”著稱。顧名思義,就是一個比較高大的豎立直圓桶形的煉鐵熔爐,煉出來的鐵水被稱為生鐵。不過,煉鐵技術(shù)發(fā)展初期時的煉鐵熔爐很小,構(gòu)造也很簡單,被稱為豎爐?,F(xiàn)代高爐自上而下由爐喉、爐身、爐腰、爐腹 、爐缸5個重要的部分組成,是一個技術(shù)復(fù)雜、系統(tǒng)性很強的煉鐵設(shè)備。但不管怎樣,古代早期豎爐煉鐵的基本原理沒變,是現(xiàn)代高爐的鼻祖。當(dāng)前世界上最大的高爐是韓國浦項鋼廠1號高爐,容積達到6000立方米,日產(chǎn)鐵水量可達到1.2萬噸以上。

第二大件——轉(zhuǎn)爐,因“靈動高效”得名。爐體通常為梨形,可以大角度地傾轉(zhuǎn),故稱轉(zhuǎn)爐,煉出來的鋼被稱為粗鋼?,F(xiàn)代的轉(zhuǎn)爐煉鋼法由一位無心插柳的英國工程師貝斯麥(Henry Bessemer)于1856年發(fā)明,由此開創(chuàng)了鋼鐵生產(chǎn)的新時代。由于此前的炮筒是用鑄鐵做成的,容易發(fā)生裂紋,貝斯麥為了解決這一問題,嘗試用反射爐把生鐵熔化后再摻入合金,以制造炮筒。在試驗時,當(dāng)他開動鼓風(fēng)機后,突然發(fā)現(xiàn)了一種奇異的現(xiàn)象:在爐子邊緣上一些不熔化的生鐵和吹入的空氣起作用而發(fā)生燃燒。他把經(jīng)過燃燒后的生鐵用鐵棍挑起來進行化驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵被吹成含碳很低的鋼。再進一步研究,貝斯麥發(fā)明了底吹空氣式轉(zhuǎn)爐。把鐵水及少量廢鋼與鐵合金放入爐內(nèi)后吹入空氣,鐵水中的碳、硅、錳等元素被氧化并發(fā)出大量的熱,變成了韌性很好的鋼。這是一項震驚世界的發(fā)明,因為用這種方法煉鋼,不再需要外加燃料,且十幾分鐘就能煉成數(shù)噸的優(yōu)質(zhì)鋼,效率比過去的煉鋼方法高出上百倍。1948年,德國人羅伯特·杜勒(Robert Durrer)在瑞士在貝斯麥的發(fā)明基礎(chǔ)上,用純氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的試驗獲得成功。1952年在奧地利的林茨城(Linz)、1953年在多納維茨城(Donawitz)先后建成兩座一次能裝30噸鐵水的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐,并投入生產(chǎn)。該煉鋼法也被稱為“LD”轉(zhuǎn)爐法,使得煉鋼的效率又提升了一大步,成為當(dāng)今主要的轉(zhuǎn)爐類型。后來電爐的發(fā)明也是基于這種轉(zhuǎn)爐之上。目前世界最大的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐是德國奧古斯特·蒂森鋼廠的超大轉(zhuǎn)爐,一次能裝400噸鐵水,日產(chǎn)鋼量能達到1萬噸。

第三大件——軋機,有“萬鈞氣蓋”之力,使鋼錠或鋼坯在旋轉(zhuǎn)的軋輥之間產(chǎn)生塑性變形,軋出各種斷面形狀與尺寸的鋼材的機械設(shè)備。根據(jù)其斷面形狀,軋機可大體分為型材、線材、板材、管材類;按軋制時的溫度不同,還可以分為熱軋與冷軋類。

小貼士

現(xiàn)今鐵是被利用最廣、用量最多的金屬,其消耗量約占金屬總消耗量的95%。2018年全球鋼鐵產(chǎn)量超過18億噸,如果以寬、高各1米截面為單位,可以繞地球5圈以上。