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钢铁是这样炼成的

发布日期:2022-06-10

2022-06-10 阅读次数:

  千百年来,木炭作为炼铁所用的主要燃料之一,在工业革命前,基本满足了需求。工业革命后,随着钢铁需求量大增,迫切需要提高钢铁产量,木炭作燃料已“力不从心”。这时,人们开始尝试用挖掘生产出的煤炭来代替木炭。

  “第一个吃螃蟹的人”是英国人杜德利。他20岁便掌管家族三家铁厂、一座炼铁炉和两座锻造炉。他试着用煤代替木炭炼铁,然而多年未果。究其原因,煤块含硫量高且杂质多,直接燃烧炼铁会导致生铁的热脆性增加,使之无法成形。

  几十年后,英国企业家亚伯拉罕达比在试验中找出了焦炭炼铁的关键技术问题。他发现,焦炭不如木炭那么容易燃烧,如果不改进鼓风设施以获得更充足的空气,炼铁质量就无法过关。于是,他对高炉内径作了改造,使之适应焦炭炼铁的要求,并为高炉安装一套新的鼓风设施。经历无数次试错,达比终于在1709年用焦炭成功炼出第一批生铁。

  到1717年达比临终前,他发明的焦炭炼铁工艺已趋于成熟。1735年,焦炭炼铁技术逐渐在英国大面积推广,开启了炼铁业革命新纪元,彻底摆脱了对木炭的依赖,年产铁量大幅提升。

  随着铁制品的普及,人们逐渐发现,以当时技术炼出来的铁存在很多缺点:可塑性差,脆而软,不能很好地满足工业所需。这种情况下,人们又开始了新的探索。

  英国人贝斯麦在一次试验中,想增强炼铁炉的鼓风,以加大火力使炉料熔化,发现一些固态铸铁块暴露在过剩空气中反而能立马脱碳。这一现象启发了贝斯麦,他决定尝试在没有炉火的情况下向铁水内鼓风,想看看会有什么结果。不经意间,世上第一座“贝斯麦转炉”诞生了。

  这是一个固定的没有热源的耐火容器,铁水从侧面一个槽内注入容器下部,风嘴在铁水底部。当空气鼓入后,铁水沸腾起来,其强烈程度令贝斯麦大为吃惊。沸腾平息后,把铁水注入锭模进行冷却,测试发现,生铁已变成低碳钢。这让贝斯麦大喜过望。于是,他把所有炼铁炉都做成可炼5吨钢的可倾式转炉,还能方便将炼好的钢水倒出来。这成为比一般平炉炼钢技高一筹的革命性发明。

  当然,“贝斯麦转炉”问世之初,并非完美,不少钢铁企业用此法炼出的钢太脆,一击就碎。原因是当时的矿石大部分含磷较高,而贝斯麦试验用的矿石恰巧含磷较低。贝斯麦花了很大精力试图解决这一问题,但未能取得成效。

  直到1877年,英国人托马斯发现,当使用碱性耐火砖砌衬时,在转炉冶炼过程中使炉渣成为高碱性,可为铁矿石脱磷,最终炼出了脱磷钢。人们将这一冶炼方法称作“贝斯麦—托马斯法”。

  可以说,钢铁在漫漫的炼成之路上历尽艰辛,转炉炼钢也是在历史的滔滔长河中“铁杵磨成针”。各国发明家对其不断改进完善,最终使钢铁实现大规模量产,人类跨入前所未有的钢铁时代。