工具钢的发展史-古代炼铁技术

    最古老的原始的炼铁炉称为球形炉（“bowl”炉），这种炉不过是在土坡或岩石上掘一洞穴，它可能具有黏土的圆顶，还有做成风口由风箱向内吹入空气（图3）。

    图3  古代欧洲的炼铁炉之复原图
a-竖形炉；b-英国的搅炼炉（公元前3~公元前1世纪）
破碎的铁矿石和木炭以层状置于燃烧的木炭之上，温度一定在1150℃以上，这种形式的炉没有炉渣排出口，炉渣沉积于炉底形成碗形渣块，还原铁在渣块上面炼成。作业完成后，将上部黏土壁破坏，取出还原铁铁块，清扫干净后再进行下次的作业。球形炉在罗马得到进一步的改良和发展，设计了炉渣排出口。除球形炉以外，还有像近代非洲的炼铁炉似的自然通风型的炉体，公元前8世纪阿西利亚王时代20kg的铁块可能是用这样的炉子生产的。
    初期铁器时代的状况可从欧洲的遗迹窥知一斑，其代表地方是奥地利的Hallstatt及瑞士的La.Tene。Hallstatt是通过多瑙河将小亚细亚的铁器文化传到欧洲的基地，奥地利有许多古代的炼铁炉为例，其主要有球形炉；竖形炉和圆拱顶炉（图4）3种。

图4  德国Engsbachtal的圆拱顶炉(a：平面图．b：A-B断面：c：C-D断面)
    其中竖形炉具有强制通风孔的，在德国也曾发现。圆拱顶炉在德国及英国北部也有发现，都是古老形式的，没有排渣口，新型的具有排渣口，因此有无排渣口是区分初期铁器时代炉子与罗马时代炉子两种炉子的标志。
    此类欧洲初期的炼铁炉，均是采用直接法炼铁，铁由木炭还原，不熔化只生成糊状，熔渣是( 2FeO?SiO2)系渣，含有较高的FeO，防止生成的金属铁渗碳，炼制成的铁含碳量较低，是熟铁或低碳钢，是直接冶炼而成的。
    凯尔特(Celtic)时代的德国有圆拱顶炉和竖形炉，在公元1世纪罗马占领之后，出现了设有排渣口的竖式炉，流行于欧洲各地，高度在2m以下。圆拱顶炉在凯尔特地区广泛分布，这样的炉子是在斜面上掘一洞穴，留开排渣沟，做成圆拱式，高度1m，采用自然通风。
    淬火技术起源于公元前1000年，炼铁操作者只是为了铁件不致伤人而使用水冷，却得到了硬化的效果，从此开始采用淬火技术，一般认为是从小亚细亚开始的。了解更多的有关世界著名钢厂（瑞典乌德霍姆UDDEHOLM工具钢、日本大同模具钢、德国葛利兹模具钢、美国熔炉斯伯粉末工具钢、日本不二越高速钢、日立模具钢等）的最新产品动态资讯，敬请关注东莞市弘超模具科技有限公司模具钢材专业网站。
    印度的炼铁炉大部分是竖形炉，长度在3m以下，全部是强制通风并设有排渣口。这个地区唯一的自然通风炉在Myanmar，高3.2m，有20个通风口。www.hongchao-dg.cn印度特别的炼铁技术是在坩埚中熔炼钢，把炼铁炉炼出的铁和成分不均匀的钢与木炭一起放入坩埚密封，约用4h加热熔炼，炼成的钢是均质的碳钢，碳含量在1%~1.6%，这就是众所周知的印度伍茨钢。
    中国在公元前8世纪已能炼制铸铁，公元前3世纪出现了高炉，战国时代（公元前403年~公元前221年）时铁器已相当普及。在河北省村落遗迹出土的农具中，铁制物品占65%．燕下都出土的青铜及武器中65.8%是铁器，这个时期已完全进入了铁器时代。但在统一了中国的秦国地区出土的物品中没有铁制武器，据古书记载评述，楚国的铁器很锐利，只是由于士兵斗志不振才败于秦国。
    战国时代各国的首都均有官营的炼铁作坊生产农具、工具及武器，从而促进了水利灌溉事业，耕地面积也得以扩大，农业生产力急速增长。
    进入汉代以后，实施了盐铁专卖的制度，公元前110年专设官吏管理全国46所官营炼铁业。在河南发掘出的巩县生铁沟的官营炼铁厂里，有海绵铁炉、圆形高炉和地下高炉3类炼铁炉，还有炒钢炉和互融炉两类炼钢炉。海绵铁炉在炉底设置3条砖块，是竖穴式的自然通风炉，这里出土了煤块和海绵铁块。所谓海绵铁，是在低于1000℃的低温下还原铁矿石生成的铁，因生成的小铁粒星海绵状块状，故而得此名称。由于低温炼制，碳含量低，近似纯铁。
    圆形高炉内径1.4m、高1.8m，由耐火砖瓦砌成圆形，炉底附近有风口，确定是小型高炉。地下高炉是长方形的、竖穴的，单侧内壁用砖砌，外侧用黏土固定，炉的后面四角有孔通烟囱。
    炒钢炉是内径50cm左右的圆穴，内面用耐火黏土涂抹，在此炉内将生铁块加热熔化，从上方吹入空气，将生铁脱碳冶炼成钢。其原理与18世纪的搅炼法及19世纪中叶的贝塞麦法相同。互融炉是设有烟囱的长方形反射炉，在加热室里混合装入生铁与海绵铁，由燃烧室的热熔化生铁，使碳元素向海绵铁扩散，从而炼制成钢。了解更多的有关世界著名钢厂（瑞典乌德霍姆钢厂Uddeholm Tooling、日本大同特殊钢株式会社Daido Steel、日立金属Hitachi Metals等）的最新产品动态资讯，敬请关注东莞市弘超模具科技有限公司模具钢材专业网站。
    1975年，在河南省郑州市古荣镇的汉代炼铁遗迹处发掘出两座炼铁用的高炉，由炉底可以推断其横断面是椭圆形，高度5m，内容积50m3。短径方向两侧炉壁的炉底附近有4个风口，长径方向的炉底附近有出铁口，可能曾发生爆炸事故，残留着20t的大铁块。
    在此遗迹可以见到在耐火砖及风口管的烧成处使用了煤粉，还有有16个齿的齿轮及长19cm、宽7~lOcm、厚度4mm的梯形铁板同时出土。
    汉代的高炉用的是皮囊式风箱，而根据记载，公元31年南阳太守杜诗发明了炼铁用的水力风箱，并对其使用方法进行了指导。
    公元180年使用百炼钢制作利器，所谓百炼钢可能是用海绵铁及炒钢作为原料，渗碳后加热、反复锻打、挤出脉石，得到的致密组织的钢。
中国的炼铁炼钢技术在汉代得到如上所述的显著进步，这对于大汉帝国的建立、版图扩展都起到了很大作用。中国的高炉曾建至6m高，失败之例也不少，此后便向小型化发展。到了公元10世纪；由于森林不足，铁的质量下降，由日本输入的日本刀的数量有所增加。中国用煤炼制铁的技术起始于宋代（10~13世纪）以后。

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