第148章 高爐煉鐵

【古代的煉鐵爐多為小型的豎爐，爐體結構簡單，形狀不太規則，容積較小。

這種爐型不利於氣體的流通和熱量的均勻分佈，導致爐內溫度不均勻，影響煉鐵的效率和質量。

而且，古代煉鐵爐的建造材料主要是磚石、黏土等，耐火性能較差，爐體的密封性也不好，容易在高溫下損壞，需要經常進行維修和重建。

在燃料方面，古代主要使用木炭，木炭的製備需要消耗大量的木材，並且其燃燒溫度相對較低，燃燒性能也不穩定，這就要求工匠們在煉鐵過程中需要不斷地調整木炭的添加量和燃燒狀態，技術難度較大。

由於燃料性能差、鼓風技術落後、礦石沒有經過足夠篩選，以及爐體結構不合理等因素，古代豎爐的爐內溫度一般只有1000℃左右，難以達到鐵礦石完全熔化的溫度，鐵礦無法變成鐵水。

所以煉出的鐵是海綿狀的固體塊，稱為“塊煉鐵”，質地較軟，含雜質多。

這種鐵塊需要經過反覆鍛打，錘鍊出其中的雜質，才能得到較純的鐵，但仍含有較多雜質，如硫、磷等，導致鐵器硬度、韌性等性能不佳。

鍛造出來的刀具硬碰硬下很容易崩斷或造成刀刃豁口。

澆鑄出來的炮管、槍管也無法承受過高的膛壓。

所以早期的大炮炮管非常厚，口徑還不大。

要製造一門大炮耗費極多。

到了近現代，在古法煉鐵到現代化高爐鍊鋼演變過程中，期間還誕生出了一種優於古法，劣於現代化的過渡技術，即土法高爐煉鐵。

在20世紀五十年代末到六十年代，中國掀起了全國範圍的大鍊鋼鐵運動。

由於現代大型煉鐵設備缺乏，為了追求鋼鐵產量，人們利用簡易材料和相對原始的技術搭建小型高爐進行煉鐵。

吸取以往煉鐵的經驗，人們從三個方面入手。

選用熱值更高的燃料。

提高熔爐的保溫能力。

減少鐵礦之中的雜質。

熱值是指燃料完全燃燒所釋放出來的熱量。

柴火的熱值相對較低，其燃燒溫度通常在700-1000攝氏度。

而鐵的熔點是1538度，僅使用柴火燃燒產生的熱量遠遠無法達到鐵水的熔點，不能將鐵熔化。

木炭相較柴火的熱值有了較大的提升。

但是木炭是木材在缺氧條件下乾餾得到的，內部有較多孔隙，在燃燒時與氧氣的接觸面積大。

而且木炭中的揮發成分含量相對較高，在燃燒初期這些揮發成分迅速燃燒，使得木炭整體燃燒過程前期比較劇烈，消耗速度過快。

過快的燃燒，使得煉鐵過程中需要不斷添加新木炭，溫度在這一反覆傳遞過程中就會有所降低，無法穩定維持鐵融化所需的高溫。

雖然配合使用良好的鼓風和高爐保溫設施，可以勉強將鐵融化成鐵水，但效率並不高。

而且木炭含有的雜質很多，煉出來的鐵品質也不算好。

直到後來人們將燃料的選擇放在了煤上。

煤是古代植物遺體，在缺氧過程中經過漫長的微生物轉化和物理化學變化逐漸形成的。

未經處理的原煤，直接燃燒效率較低。

但是就像木柴經過乾餾變成木炭一樣，煤經過乾餾后變成焦煤，密度、熱值大幅度提升，且持續燃燒的時間遠長於木炭，可以穩定維持高溫，使鐵充分融化成鐵水。

要乾餾出可以用於煉鐵鍊鋼的焦煤，首先要經過洗煤，降低煤的雜質。

用篩子裝着煤，用水不斷浸洗沖洗，當煤呈現出顆粒狀且發亮時，就表明煤的混合雜質已經基本去除。

與燜制木炭的過程相近。

用耐火材料建造一個隔絕空氣的煉焦爐，並在爐內建造內牆，分隔出燃燒室和炭化室，使煉焦煤不直接參与燃燒。

裝爐后開始加熱乾餾。

在乾餾過程中，煤在不同溫度階段發生變化。在約100-350℃時，煤中的水分和吸附氣體被脫除。

350-600℃時，煤中的焦油、輕油等揮發分逐漸析出。

（後世可以通過技術手段，將這些氣態輕油收集起來，通過後續分餾、催化重整等手段，從這些輕油中提取出汽油。）

當溫度升高到600-1000℃，煤中的碳發生聚合、縮合等反應，逐漸形成焦炭，同時產生大量的煤氣。

整個過程中，通過爐壁傳導熱量或其他加熱方式維持溫度，並且持續一定時間（通常10-20小時左右，不同爐型和工藝有所不同），保證焦炭質量。

煉焦完成後，將熾熱的焦炭從煉焦爐中推出，通過噴水的方式使其快速冷卻，這種方法簡單，但可能會使焦炭產生一些裂紋，對強度有一定影響。

後世是利用惰性氣體（如氮氣）與熾熱焦炭進行熱交換，回收焦炭的熱量，同時使焦炭冷卻。

此法可提高焦炭質量，減少環境污染，並且回收的熱量可以用於發電等用途。

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有了焦煤后，煉鐵就容易多了。

首先製作一個用耐高溫材料砌成的高爐。

耐高溫材料對於古人來說製作其實沒有多麼困難。

因為部分陶瓷的耐火能力就非常高。

古人可利用當地已有的黏土、高嶺土、石英砂等礦物資源，對這些原料進行篩選，去除明顯的雜質提高原料質量。

通過試驗不同比例的黏土、石英砂，找到能提高耐火性能的配方。

最後製作成需要的耐火磚形狀即可。

有了耐火磚就可砌築煉鐵所需的高爐。

高爐的底座要有足夠的厚度，保證熱量不會從地面流失。

隨後就是以圓形往上一圈一圈砌築。

最下部位要預留出鐵水流出的口。

再往上要預留出浮渣流出的口，以及鼓風口。

最後就是高爐頂端的注料口。

高爐要有足夠的高度，讓爐料在下降過程中有更充足的時間與上升的高溫煤氣充分接觸。

從爐頂裝入的鐵礦石、焦炭和熔劑等爐料，在自上而下的運動中，被煤氣逐漸加熱。

在高爐上部低溫區，爐料可以吸收煤氣的熱量進行預熱，隨着爐料繼續下降，在中部和下部高溫區，能更好地完成鐵礦石的還原反應。

爐體越高，燃料熱量就能更充分地被利用，同時爐體下部的熱量也能被更好地保留。

因為鐵的熔點非常高，同時鐵礦還摻雜着很多二氧化矽雜質。

熔煉過程中，便要在原料中加入石灰石降低鐵的熔點，同時石灰石與二氧化矽發生反應形成爐渣。

因為鐵水的密度遠大於爐渣，鐵水會沉降在最底部，爐渣會漂浮在鐵水之上。

當爐渣足夠多時就會從出渣口流出。

這時再打開底部的出鐵口，炙熱發亮的鐵水就能流出。

不過這時的鐵水仍然含有很多的雜質，含碳量也很高。

需要再經過氧化脫碳與除雜，便能製造出比生鐵硬度、強度都要高的鋼了。】