古代炼铁的装备及技术

2023-12-07 百科知识版权反馈

【摘要】：这便是古代炼铁的装备。古代风箱生铁的冶炼生铁的冶炼在公元前600年左右，中国的土地上到处可见人们用“块炼法”炼铁的火热场面。铸铁戈中国古代铸铁的特性是经柔化处理后，含碳量在2%~4%。高炉内用煤炼铁早期炼铁，用木炭做燃料。

1.古代炼铁

古代炼铁演进历程

（1）熟铁的冶炼

在公元前1000年，在地中海东岸地区，那里的人们把铁矿和木炭放在一起，加热到800℃～900℃，还原出了人类自己炼制的第一块铁。这就是铁的“块炼法”。

（2）高炉的发明

炼铁必须有高炉来提供较高的温度。铁的熔点约为1500℃，如果没有高炉的发明，也就没有铁器的出现。

铁矿石

大约在公元前800年的周朝时期，中国的炼铜技术不断发展。周朝时期炼铜，总在炼铜材料里加入赤铁矿。在炼铜的初级阶段，炼铜炉里的温度不高，只还原出了大量的铜，能还原出的铁则很少。随着炼铜技术的提高，炼铜炉里的温度也不断升高，被还原出的铁也越来越多。铜的熔点是1083℃，当铁也一起熔进铜时，铜的熔点就不断升高，这让人们又不断提高温度。要得到比较纯的铜金属，就要把炉温保持到1200℃以上。这就是高炉会首先在中国出现的原因。这便是古代炼铁的装备。

（3）风箱的发明

要炼出铁来，需要很高的温度，铁的熔点为1500℃，那么当时人们是如何得到这么高的温度的呢？其实，在公元前1066年到公元前771年之间，中国西周的人们发明了风箱，用风箱鼓风能让炼铜炉里的温度升高，这样的炼炉叫做鼓风炉。开始，鼓风工具很简单，它能提高的温度很少。随着时间的推移、工艺的改进，发明了鼓风箱，鼓入空气，使燃料充分燃烧，从而释放大量的热，从那时起，人们才大量地生产出铜和铁出来。

古代风箱

生铁的冶炼

（4）生铁的冶炼

在公元前600年左右，中国的土地上到处可见人们用“块炼法”炼铁的火热场面。在这火热的场面中，依稀可见另一种炼铁的方式，那就是生铁的冶炼技术。拭去岁月的尘埃，我们可寻见我们的祖先有悠久的炼铜历史，这让他们有机会做到用更高的温度、更强的鼓风技术还原出铁来。迈出了这一步，就迈出了冶铁历史上的最重要的一步。

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合金钢

在普通碳素钢的基础上添加适量的合金元素（可以是一种也可以是多种）就可以得到合金钢。合金钢和普通碳素钢的区别在于，它具有强度高、韧性高、耐磨、耐高温等特性。当然，合金钢因其添加元素的不同特性也有所差别。

合金钢

（5）铸铁柔化术

公元前770年，长达五个半世纪的春秋战国时期拉开了序幕，铸铁的柔化技术也在这时诞生了。

精美铸铁术

发展背景：中国历史上长达五个半世纪的春秋战国时期(公元前770 年~公元前221年)，仿佛是一锅沸腾的开水，变革像开水一样激烈地进行着，生产力也就像锅里的水一样，温度不断升高，最后沸腾。这是一个百家争鸣、百工争妍的时代，这是中国历史上第一次科学技术高度发展的时代。如果这个时代的人要拿出最先进的东西来，那么，他们会拿出铁制造的东西——铁器，是这一时期生产力发展的重要标志。人们使用铁器，工作效率也提高了不少。炼铁的方式—高炉炼铁得到快速发展。惊涛拍岸，卷起的是中国科学技术发展的第一个高潮，奠定了中国传统科学技术发展的基础；涛声阵阵，它与同期的古希腊分别在世界的东西两头涌起，交相辉映。

铸铁匙

铸铁柔化术便是人们这时候发明的。人们利用这种方法，制造出刚性柔和的铸铁。而现代人们要想造出那样韧性较好的铸铁，则要用工业革命后发明的处理技术，才能造出来。

铸铁戈

中国古代铸铁的特性是经柔化处理后，含碳量在2%~4%。这就改变了铸铁的性质，使坚硬的铸铁，不仅能够铸造成型，还可以进一步加工。

战国时期，铸铁柔化术已广泛地用于制造各种用具。它的热处理工艺可分为两种，每一种工艺都包含着先民的勤劳和智慧。

（6）铁器叠铸工艺和铸铁材质的改进

从公元前221年起，中国进入了秦汉时期。铁器叠铸工艺和铸铁材质的改进就发生在这一时期。

（7）中国冶铁技术的成熟

从公元前206年到公元220年，中国进入了封建社会的第一个鼎盛时期。那就是汉朝。中国的冶铁技术成熟于这个时期。这时，国家掌管了冶铁的一切事务，冶铁成了一种国家行为。

（8）灰口铸铁的熔铸

从汉朝开始，人们熔铸出了灰口铸铁。

（9）椭圆形高炉的发明

在河南郑州郊区的古荣镇出土的汉代高炉炉缸，我们今天看到它，就仿佛看到了我们祖先是怎样炼铁的。炉缸就是高炉下盛铁水的部分，汉代高炉炉缸是椭圆形的，长轴4米，短轴2.8米，炉缸容积约44立方米，它独一无二的巨大体积，当之无愧成为古代第一大炉缸。在鼓风机械不发达的古代，炉缸能从圆形变化为椭圆形，这是一个创举。

（10）用石灰石做助熔剂

在汉朝，或许是因为炉渣中黏结的沙子使高炉操作变得困难，这让人们不得不想办法来解决这个问题，于是人们发明了一种方法：在炉料中加入石灰石作为助熔剂，使沙子里的二氧化硅和石灰石里的氧化钙结合，降低了炉渣的熔点，改善了高炉操作，同时降低了生铁中硫的含量，改善了铁的品质。这是冶金史上重大的发明。

石灰石

（11）水力鼓风

在公元25年至公元220年的东汉，人们使用水力鼓风来炼铁。在冶金史上，又是一次改革的创举。

从三国、魏晋南北朝开始直到宋代，水力鼓风一直是人们炼铁时使用的工具；至元朝，水力鼓风便开始淡出人们的视线，今天很难再见到那样的水力鼓风机了。

欧洲很晚才开始用水力鼓风，大约在12世纪，到了14世纪，水力鼓风机才遍布欧洲。

（12）高炉内用煤炼铁(www.chuimin.cn)

早期炼铁，用木炭做燃料。后来为什么会用煤来做燃料呢？那是因为森林资源有限，铁矿周围的森林被砍光之后，矿山就要面临报废的命运了。这就迫使人们想办法寻找新的燃料炼铁，于是在公元420年至公元581年的南北朝时期，人们找到了替代品——煤，为铁的冶炼提供了充裕的燃料，或许正是因为如此，炼铁业才得到更大规模的发展。

坩埚炉

（13）大型铸件

从公元618年至公元907年，是中国的唐朝。唐朝的“贞观之治”和“开元盛世”，以及那个时代人们留下的著名诗篇，为中国古代历史增加了更多绚丽的色彩。盛世时期的唐朝不仅手工业，农业和工程建筑也蓬勃发展，而且有关铁铸件的故事也传奇般生动。

沧州大铁狮

今天我们只能在唐朝留下的《集异记》里看到那个时代的大型铸件了。据《集异记》记载，隋代曾在晋阳铸成高达70尺的铸铁佛像。唐武则天时，用铜铁200万斤，在洛阳铸造“天枢”，高达105尺。而我们现在还能看到的中国最早的特大铸件，是五代时期铸造的沧州大铁狮，它是采用泥范铸造工艺来铸造的。

（14）鼓风机械—木风扇的发明

在公元960年至公元1279年的宋朝，人们发明了结构较为坚硬的木风扇，这种风扇由木箱和木扇组成，它不仅有风量大漏风少的优点，更重要的是它刚性比皮囊好，操作方便。木风扇在宋元时期较为流行，到了明清时期还依稀可看见它尚在应用的身影。这个结构牢固、体积又大的木风扇能够提供更大的风量、更高的风压，使冶炼过程加以强化，让铁的质量和产品得到提高，促进了冶铁工业的迅速发展。

古代炼铁风箱

（15）用煤炼铁的普及

宋元时期，作为钢铁冶炼燃料的是煤炭，煤炭大量开采，日益普及。而用煤炼铁，能让火力得到加强。

原煤

用煤炼铁，缺点是煤在炉内受热碎裂，使炉料透气性变差，高炉不易顺利生产，煤中含硫高，用煤炼铁引起生铁中硫含量升高，降低生铁品质。因此，当焦炭出现在炼铁行业的时候，煤就被焦炭取而代之。

木炭

宋代的炼铁炉其实和两汉时期差别不大。有的学者认为，宋代炼铁工艺的重要成就是用煤炼铁。北宋时期徐州用煤炼铁的规模已经很大，北宋大文学家苏轼在经过徐州时，看见了壮观的炼铁场景，感慨万分，写下了《石炭行》：“根曲一发浩无际，万人鼓舞千人看，投泥泼水愈光明，烁玉流金是精悍。南山栗木渐可息，北山顽矿何劳锻，为君铸作百炼刀，要斩长鲸为万段。”

（16）西方科技传入

公元1368年至公元1911年，中国处于明清时期。在这一时期，西方资本主义崛起，在明末清初，即16世纪末到18世纪初(明万历年间到清康熙年间)的一百多年里，一些人从西方带着科技知识来到中国。当时西方近代自然科学知识在中国很受欢迎。那时候中国科学技术的发展很缓慢，死气沉沉。西方近代自然科学知识的传入，为中国传统科学技术注入了新的活力，中西科技的融合，就像两个老朋友谈话，聊得十分投机。然而，自清朝中叶推行的闭关锁国的对外政策，使中国传统科学技术向近代科学技术的转化受到了阻碍。使中国与大步进入资本主义的西方国家相比，在科学技术迅速发展上大大落后了。

明清时代矿冶技术虽然取得一系列重要成就，但资本主义萌芽却一直没能成长起来。在欧洲工业革命后，中国矿冶技术的长期领先地位如逝去的春天，一去不复返了。

（17）焦炭炼铁

公元1650年前后，明朝有位叫方以智的人，他写了一本书叫《物理小识》，里面描述了这样一个有关炼焦及用焦炭炼铁的过程：“煤则各处产之，臭者，烧熔而闭之成石，再凿而入炉，曰礁，可五日不绝火，煎矿煮石，殊为省力。”它告诉我们，明朝已经开始使用炼焦煤了，这里所说有臭味的煤，是指含挥发物较多的炼焦煤。

那么，什么是炼焦呢？焦炭是如何炼出来的呢？炼焦就是将含挥发物较多的炼焦煤在密闭条件下，高温煅烧，炼成坚硬的焦炭。焦炭火力耐久而旺盛，用于炼铁，颇为得力，为冶炼金属的优质燃料。把煤煅烧成焦炭，使燃料中的硫大为降低，炼得铁中含硫量也大为降低，铁质得到提高。如果说煤和木炭容易碎并堵塞炼炉，造成炉内气流不畅而影响冶炼过程，甚至造成爆炸事故，那么焦炭就不会这样，它是完美的炼铁燃料。或许应该说，明代炼铁业的发展是站在焦炭炼铁工艺的肩膀上的。

运输焦炭

这是我们的荣耀，因为我们祖先发明焦炭，最少比西方早了100年，我国独领风骚100年。

（18）世界上第一部炼铁专著《铁冶志》

在明朝正德年间(公元1506年—公元1521年) 。

明朝工部郎中（相当于现在工业部企业司司长）傅浚，他写出世界第一本炼铁专著《铁冶志》并非偶然，因为他亲自主持遵化铁厂生产，他研究炼铁技术，并总结炼铁经验，将当时人们关于炼铁的经验记录了下来。

（19）发明萤石为助熔剂

萤石

明工部郎中傅浚主持生产时，并非一帆风顺，当时是遇到重重困难。众多困难之中，最让人头痛的是不出铁，也叫“料不下”，现代称之为“悬料”，这种情况就是炉料停在炉子里，不化不动，生产陷于停顿。于是傅浚经过苦苦摸索，发明出一种助熔剂“萤石”，每当高炉有“料不下”的征兆时，加入萤石，问题便可迎刃而解。

萤石作为高炉第二种助熔剂，对于冶金工业发展有重要意义。今天，萤石不仅用于高炉，而且在炼钢以及其他冶金工艺中也广泛使用。

（20）活塞式风箱的发明

《天工开物》

中国古代人民在明朝时，就发明了活塞风箱。

加大空气压力，连续供给的风压和风量，据《天工开物》记载：明清时代活塞式木风箱，利用活塞的推动，自动开闭活门，提高了冶炼强度。有了活塞式风箱，炼炉也可以扩大容积，增加产量。这样，炼铁技术又有了重大的进步。

活塞式风箱示意图

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高锰钢

高锰钢是指含锰量超过10%的合金钢。1883年，高锰钢的专利由英国人哈德菲尔德注册的。

（21）熟铁冶炼新发展

中国在清初的康熙年间（公元1661年至公元1727年）江苏冶金工匠改良了春秋时期“生铁炒熟”的古法，不加铁矿石，而且不再使用木棍，只是先将生铁打碎，然后把它加热氧化制成熟铁。这种改良方法采用方型炉，下方装通风炉条，与锻铁用的炉大致相同。

生铁及木炭放置在炉条上，把空气鼓入炉下方助燃，炉边放着下炉料预热，把它鼓风鼓到红热时，用石板盖上炉口；并把烧红了的铁敲捶成许多碎块，再用铁铲不断翻动搅拌，当黄红色的火焰从炉口所留孔隙冒出后，铁里的碳、硅、锰的含量就变得很低了，再将炉温升至白热，防铁冷却；停火保温，不让铁熔化。最后用钳子把铁夹出来，用铁锤把它敲打成方块，熟铁就炼成了。

古代炼铁的装备及技术

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