在工业革命以前人们偏向使用纯铁,而这时候的纯铁一般是煅铁。现在使用纯铁已经非常少了,之所以如此是因为人们找到了更好的材料,那就是碳钢。铸铁与碳钢的区别就在于含碳量,一般来说铸铁含碳量高,钢含碳量低。从铸铁变成钢的过程就涉及到后来的转炉与平炉,让我们来看看这个过程。

炼钢是怎样发展的?

实际上由铁变成钢实际上有两种路线,一种是从铸铁出发,既然铸铁含碳量高,那么我们想方法降低铸铁的含碳量即可。还有一种是从纯铁出发,通过增加纯铁中的含碳量得到钢。实际上由于西方最开始使用的是纯铁,因此在制钢的尝试中,首先走了后一条路线。这条路线是锻打与热处理路线,实际上在铁的锻造中由于采用铁块本身的含碳量不同,再加上制造与热处理工艺的变化,在漫长的铁器时代中人类是偶然可以做出钢的。当然那时候人类根本意识不到含碳量对铁基合金强度的影响,因此能不能炼出钢完全看人品与经验。

在历史上,第一种有意识规模化生产的钢材是所谓的大马士革钢。类似于阿拉伯数字不是阿拉伯人发明一样,大马士革钢实际上也来源于印度。而由于东方冶炼技术 的特点,这种钢的制备方法走的是铸铁出发路线。印度人首先炼出铸铁,然后反复加热冷却,减少含碳量,最后得到1.5%含碳量的钢,实际上这是一种铸钢。大马士革钢被作为优良武器被阿拉伯人采用,并逐渐传到了欧洲。这大概是在公元7世纪的时候。

而中世纪的欧洲由于还没有掌握铸铁技术,因此他们制作钢采用了另一种工艺,那就是渗碳法,在生铁的基础上在锻打时候加入碳形成钢,这种钢和今天的低碳钢成分接近。当然制作钢是非常昂贵的,当年的钢铁价格非常之高,因此很多武器上,只有刀刃那一部分是钢,其他部分还是铁。

炼钢是怎样发展的?

可见,在工业革命以前,制钢的效率都是非常低下的,无论是锻打还是渗碳都是间歇操作,根本无法以持续产量进行。这一切都在工业革命期间有了改变,在工业革命阶段,炼钢炉先后由搅炼炉演变为平炉,转炉彻底造就了现在的钢铁工业。

我们先来说说传统的搅炼法,采用焦炉炼铁,铁中一般含有1%的硅,为了进一步得到钢,需要进行精炼,一般来说,精炼分成两部分,一部分是是将硅氧化,第二步将铁中的碳氧化。在这个过程中,人类最初使用的炉形为反射搅炼炉。通过这种工艺可以将钢材的含碳量控制在0.5%-1.2%左右这项技术成熟已经到了1850年,搅炼炉的熔炼温度可以达到1400℃。

在搅炼炉的基础上,添加蓄热技术就形成了现在的平炉。蓄热技术最早由德国的西门子兄弟于1856年提出(这两西门子不是我们熟悉的那个西门子)。所谓蓄热就是用一部分蓄热体,一般是无硅酸盐材料,实现炉气与热风的换热,节约热风能量的消耗,由于蓄热材料耐温的限制,蓄热技术最早被应用于玻璃工业上,因为玻璃融化温度不高。但到了1867年前后,这项技术被法国人马丁用于炼钢,最后演化成现在的平炉,由于采用了蓄热体进行换热,平炉的温度可以达到1700℃左右,这个温度已经达到了钢材的熔点,因此平炉已经不需要进行搅拌了,同时冶炼含碳量更低的钢也称为了可能。

炼钢是怎样发展的?

几乎与此同时,另一种炼钢方法也开始普及开来,并最终沿用至今,那就是转炉炼钢。转炉炼钢是一个非常有意思的课题,在这里我们用反应工程的角度来分析一下这个过程。首先我们来做一个热量核算,在这个系统中输入的热量有两个来源:燃料燃烧放热,另外就是氧化反应,由于空气与碳反应是放出热量的过程。这些热量的用途有哪几种呢,首先是铁块熔化需要热量,另外就是空气加热与炉子散热的热量。那么思路来了,如果我们增加氧化反应的速率那么单位时间内放热量可以增加,是不是就可以少用燃料了呢。当时的英国人就抱着这样的想法,他们是这样考虑的,在早期我们都是直接在容器里吹气的,气流只能和铁水表面的碳反应,这样反应速率是很慢的。如果能把吹气管插到铁水里,在铁水里鼓泡,那么反应速率就会大大加快。

转炉炼钢实验在1856年由贝赛麦指导进行,结果这一实验不得了,由于氧化速度加快,根本不需要外部热源就可以维持铁水的温度,整锅钢水直接就烧起来了,险些出了危险。这次实验证明,在不加热的情况下,只要钢铁内含碳量够,就可以直接通气,利用空气与铁水内碳直接反应生成的热量维持炉内高温。转炉的温度可以轻易达到1600℃,超过了钢材的熔点,因此在熔炼过程中始终可以保证钢材在炉内成为液体。对比搅炼法,无需进行搅拌,整体更加方便,因此一经出现反响很大。当然在前期,转炉炼钢存在一些问题,并没有完全替代搅炼法。因此历史上搅炼法与转炉炼钢并存了十几年,但是在1880年以后,转炉炼钢基本上完成了对搅炼法的替代。

后来,随着电气技术的进步又出现了电炉,与感应炉等新炉型,而激光等新技术也加入了冶炼行业,由于这些技术的出现,我们可以冶炼更多的材料,人类也迎来了20世纪以来材料技术的井喷式发展。

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