第四零一章 大商煉鐵進行時

  如在反覆加熱過程中，塊煉鐵同炭火接觸，碳滲入而增碳變硬，則成為塊煉滲碳鋼。


  李陵參觀視察之後，非常滿意，大賞眾人，賜錢財，並表示鑄成鐵犁之後，還會賜爵。隨後李陵便吩咐下去，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，像磨光了什麼的。


  李陵不知到，他今日所作所為，將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。


  隨後不久又開始學會用豎爐煉鐵，這是一種在豎爐內用高還原性氣體預熱並還原高品位鐵精礦，在固態下還原製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，設於爐膛下端的鎖風卸料裝置，爐膛上部的球團料進口和設於爐膛內中部的破碎輥，爐牆下部設有供風噴口，爐膛內設有與爐膛內外相通的燃料管道，所述燃料管道爐膛內部分設有燃料噴嘴。


  它結構簡單，燃料直接在爐內燃燒，爐寬方向溫度均勻，熱效率高，焙燒帶供熱足，球團產量高，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%以上的液態生鐵，並用以鑄成工具。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，可以很好的生產韌性鑄鐵了！然後便走上了發展的快車道，開始運用可重複使用的「鐵范」，這是一種用鐵製成的鑄造金屬器物的空腹器，歷史上它是戰國後期的產物。


  然後是西漢時期出現的坩堝煉鐵法在大商提前出線了，同時，煉鐵豎爐規模進一步擴大。


  坩堝煉鐵法實際上就是類似坩堝鍊鋼法，後者是指在石墨黏土坩堝中熔化金屬料成為鋼水的方法。將滲碳鐵料切成小塊置於封閉的黏土坩堝中，在坩堝外面加熱，鐵料繼續吸收石墨中的碳而熔化成為高碳鋼水，澆鑄成小錠后鍛打成所需的形狀。


  鋼在坩堝中熔化時，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態鋼中上浮去除，所以鋼（工具鋼）的質量優於當時的各種金屬材料，可用來製造加工金屬材料的工具。


  坩堝法是人類歷史上第一種生產液態鋼的方法。但是生產量極小，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，產品稱為炒鋼，在大商朝歌應運而生。同時，還興起「百鍊鋼」技術。


  中國古代將炒鋼經反覆摺疊鍛打變形而製成的鋼及其工藝。其特點是反覆加熱鍛打，多次反覆鍛打可排除鋼中夾雜物，減少殘留夾雜物的尺寸，從而使其成分趨於均勻，組織趨於緻密，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，即成百鍊鋼。魏晉時期是百鍊鋼的鼎盛時期。唐宋之後，因灌鋼工藝的發展等原因，百鍊鋼有所減少。


  隨後便是水力鼓風爐接踵而至，歷史上這是東漢(公元25～220年)，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tuó），是一隻皮製的鼓風機。這種橐，在歷史上漢代時作了進一步的改進，由皮革製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為排橐或排，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，於是功率更強大的水力鼓風機——水排應運而生了。


  宋代的王禎在《農書》中詳細記載了水排的結構和工作原理，並繪圖說明。水排是在湍急的水流之濱豎立起的巨大的木輪，靠水流的衝擊力帶動木輪轉動，再由傳動機構帶動橐排的轉動，從而將強大的風吹入高爐。


  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，製作技術和尺寸大小和中國高爐的規模相適應，舉世無匹。


  還有鑄鐵柔化術，成為大商成為中國古代鋼鐵業的另一重大發明。鑄鐵煉製出來之後，因為性脆、缺乏韌性而不適合鍛造優良的鐵器。


  而適合鍛造鐵器的鑄鐵，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衝擊性。


  這種技術的關鍵是將普通鑄鐵長時間高溫加熱，使其中的化合碳發生變化，當碳的含量介於鑄鐵和鋼之間，其性質也隨之變化，具有較強的延展性並保持了一定的硬度，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！」李陵手中拿著煉鐵工藝的報告單感嘆道，目光停在最後一頁：

  炒鐵和灌鋼。


  炒鐵是古代中國鋼鐵冶鍊的重大發明，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態，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。這種方法始於西漢，東漢的《太平經》中就明確記載了炒鐵技術。


  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》稱為「宿鋼」，後世稱為灌鋼，又稱為團鋼，這是中國古代鍊鋼技術的又一重大成就。


  灌鋼工藝是我國古代刃鋼生產的主要方法，它以生鐵和「熟鐵」為原料，將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鍊得到的液態鑄鐵，含碳量和雜質很高，性脆易碎；熟鐵是指將生鐵經過「炒」或「蒸」等工藝而脫碳后的鐵，柔軟可鍛，雖然碳量降下來了，但氧化夾雜等並未減少，故需要經過反覆加熱鍛打，以去除夾雜物，同時滲碳而增強剛硬性，成為鋼。


  其中過程是將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硅、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。


  相信在不久的將來，大商的煉鐵工藝將繼續光芒萬丈，就拿灌鋼來說，工藝類型將百花齊放，相互爭輝，比如兩晉南北朝時的新的灌鋼技術，很有可能將在大商興起。


  這種方法是：先將生鐵炒成熟鐵，然後同生鐵一起加熱，由於生鐵的熔點低，易於熔化，待生鐵熔化后，它便「灌」入熟鐵中，使熟鐵增碳而得到鋼。


  這樣，只要配好生熟鐵用量的比例，就能比較準確地控制鋼中含碳水平，再經過反覆鍛打，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，因此南北朝以後成為主要鍊鋼方法。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，也必將到來：

  第一種，生鐵陷入法。


  沈括《夢溪筆談》卷三云：「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：⑴使鐵料各部分均勻受熱，讓生鐵緩慢熔化。⑵防止生鐵熔化后的流失，使之更好地與柔鐵作用。⑶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》卷一四云：「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（原註：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：⑴生鐵置於「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。⑵不需封泥，而是上蓋破草履，下塗泥，簡化了操作。⑶「熟鐵」為薄片狀，增加了反應面，提高了生產率。


  第三種，生鐵澆淋法。


  約始創於明代中期，清時在安徽蕪湖，湖南湘潭等地都較興盛，因傳為江蘇工匠始創，又名之為「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』並鑄，待其極熟，生鐵欲流，則以生鐵於『熟鐵』上，擦而入之。」此「熟鋼」即灌鋼，這裡談到兩種操作，前者與沈括所云相類似，後者即是蘇鋼工藝。


  陳春華《嘉慶蕪湖縣誌》卷一也有蘇鋼的記載：「居於廛治鋼業者數十家，每日須工作不啻數百人。初鍛『熟鐵』於爐，徐以生鏷下之，名曰餧鐵，餧飽則鏷不入也。於時渣滓盡去，錘而條之，乃成鋼。」《光緒湘潭縣誌》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：⑴其「熟鐵」僅僅是初鍛過的，組織較為疏鬆，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。並且，部分氧化亞鐵可被還原，就提高了金屬收得率。


  ⑵生鐵不是直接覆蓋於「熟鐵」之上，亦非夾於「熟鐵」間，從「以生鐵於『熟鐵』上，擦而入之」、「徐以生鏷下之」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：《中國早期鋼鐵冶鍊技術上創造性的成就》，《科學通報》1956年2月。重慶北碚蘇鋼亦採用類似的操作，無需封泥、塗泥，以及覆蓋破草履，亦簡化了工序。


  總的來看，由於鑄鐵和生鐵鍊鋼法的發明與發展，大商的冶金技術在將遙遙居世界先進水平。其中碳以石墨形式存在的鑄鐵，根據石墨狀態的不同，大體上分為三種，即：石墨是片狀的為灰口鑄鐵；石墨呈團絮狀的為可鍛鑄鐵；石墨呈球狀的為球墨鑄鐵。