歷史問題

【專家解說】：鐵與煉鐵 一、鐵的故事 在遠(yuǎn)古時(shí)代，第一塊落到人類手中的鐵可能不是來自于地球，而是來自宇宙空間，因在一些古語中，稱稱為“天降之火”。埃及人把鐵叫做“天石”。可見人們最早認(rèn)識(shí)的鐵是從隕石開始的。 1891年，在美國(guó)亞利桑納州的沙漠中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的隕石坑，坑的直徑有1200米，深度有175米。估計(jì)這塊亞利桑納州隕石有幾萬噸重。有人試圖想讓這個(gè)“天外來客”為他們贏利，甚至成立股票公司，然后事實(shí)上以公司的閉閉而告終。 1896年，美國(guó)探險(xiǎn)家在丹表格陵蘭的冰層中發(fā)現(xiàn)了一塊重33噸重的鐵隕石。這塊隕石歷盡千辛萬苦送到紐約，至今仍然保存在那里。 “天外來客”畢竟有限。因此在冶金業(yè)發(fā)展之前，用隕鐵制作的器具相當(dāng)?shù)恼滟F。因此，鐵在地球上的出現(xiàn)與使用，在最初是帶有神秘與高貴的色彩。只有最富有的貴族才能買得起耐磨的鐵制裝飾品。在約根泰佩(公元前1600-1200前)就發(fā)現(xiàn)了一件用來配青銅劍身的鐵劍柄，顯然，這是作為一種貴重的裝飾金屬物。在古羅馬，甚至結(jié)婚戒指一度是鐵制而不是金制。在18世紀(jì)探險(xiǎn)家航行中甚至有過這樣的經(jīng)歷，他們用一枚生銹的鐵，可以換一頭豬，用幾把破刀，就可換足夠全體船員食用好幾天的魚。因?yàn)樗麄冇鲆姷牟ɡ醽單魍林藢?duì)鐵的渴望超過了其它。有史以來，鍛造業(yè)也一直被認(rèn)為是最體面的行業(yè)之一。 1889年，由杰出的法國(guó)工程師艾菲爾(Eiffel.G)設(shè)計(jì)的一座宏偉的鐵塔建筑物在巴黎落成。許多人認(rèn)為，這座高300米的鐵塔不會(huì)持久，艾菲爾卻堅(jiān)持說它至少可以矗立四分之一個(gè)世紀(jì)。到現(xiàn)在整整八十年過去了，艾菲爾鐵塔仍然高高屹立在巴黎，吸引著成千上萬的游客，成為法國(guó)的驕傲。 1958年，在比利時(shí)首都布魯塞爾世界工業(yè)博覽會(huì)上，一座讓人過目難忘的大樓矗立起來，這座建筑物由9個(gè)巨大的金屬球組成，每個(gè)球的直徑為18米，8個(gè)球處于立方體的每個(gè)角頂，第9個(gè)球處于立方體中心，這正是一個(gè)放大上千億倍的鐵晶體點(diǎn)陣模型，它叫阿托米姆(Atomin)，也是鐵的象征--人類不可缺少的朋友。 二、煉鐵發(fā)展的一般情況 由于人類對(duì)鐵的需要量不斷增加，人們把視線投向了地球本身，希望能在地球中找到所需要的鐵，而不再是坐等“天外來客”的饋贈(zèng)。為此人們作了不懈的努力。當(dāng)人們學(xué)會(huì)了從礦石中提煉出鐵以后，青銅時(shí)代就讓位于鐵器時(shí)代。在人類歷史上，起過革命作用的原材料中鐵應(yīng)該居首位，無論在世界的哪個(gè)地區(qū)，冶鐵技術(shù)的發(fā)明都是劃時(shí)代的重大事件。 據(jù)研究，鐵的大量出現(xiàn)是在公元前八世紀(jì)。在霍薩巴德的王宮貢物中(公元前720-705年)就發(fā)現(xiàn)了160噸鐵，其中多是鐵棒。公元前800年，歐洲轉(zhuǎn)入早期鐵器時(shí)期。煉鐵知識(shí)傳到不列顛，大約是在公元前500年。與此同時(shí)，約公元前400年，已由伊朗自東傳到印度，也可能傳到中國(guó)。歐洲早期鐵器時(shí)代帶觸角木劍柄的劍與中國(guó)商周青銅劍之間就有很大的相似性。 制鐵技術(shù)分為兩部分:即冶煉和熱鍛。可能首先掌握并用于隕鐵。 純鐵的熔點(diǎn)為1540℃。這個(gè)溫度在公元19世紀(jì)前是不可能達(dá)到的。因此早期生產(chǎn)的鍛鐵都是固態(tài)鐵。用木炭火在約1200℃的溫度下，把鐵礦石還原成基本上是純的固態(tài)鐵。還原出來的鐵呈團(tuán)塊狀，稱為“坯鐵”。這是一種固態(tài)鐵、 渣和未燒完木炭屑的混合物。有時(shí)要把這種壞鐵破碎，靠敲擊使小鐵塊相互分開。 這種小鐵塊可以與其它部分區(qū)別開來。因?yàn)樗鼈兪强慑懙?，在敲擊下變平。然后把它們放在鍛爐加熱，經(jīng)過熱鍛，小鐵塊就能被鍛接成大塊。 早期的冶鐵技術(shù)，大多采用“固體還原法”，即冶鐵時(shí)，將鐵礦石和木炭一層夾一層地放在煉爐中，點(diǎn)火焙燒，在650￣1000℃溫度下，利用炭的不完全燃燒，產(chǎn)生一氧化碳，遂使鐵礦石中的氧化鐵被還原成鐵。但是由于炭火溫度不夠高，致使被還原出的鐵只能沉到爐底而不能保持熔化狀態(tài)流出。人們只好待把鐵煉成，煉爐冷卻后，再設(shè)法將鐵取出。這種鐵塊表面因夾雜渣滓而顯粗糙，有的還不如青銅堅(jiān)韌。后人們發(fā)現(xiàn)，煉出的鐵反復(fù)加熱，壓延錘打，才能柔韌不脆。人們還發(fā)現(xiàn)再將紅熱的鍛鐵猛淬入冷水會(huì)變成堅(jiān)韌的好鐵，這種鐵比青銅好。 最原始的煉鐵爐是碗式爐。它只不過是在地上或巖石上挖出一個(gè)坑，風(fēng)可以從鼓風(fēng)器通過風(fēng)嘴直接鼓入，碎礦石和木炭混裝或分層裝在燒紅的炭火上，最高溫度至少應(yīng)達(dá)1150℃。這種煉爐沒有出渣口，爐渣向下流到底部結(jié)成渣餅或渣底，有時(shí)則結(jié)成圓球，即渣球或渣粒。坯鐵留在渣上面，在冶煉過程結(jié)束后，打開粘土上部結(jié)構(gòu)，取出壞鐵，清理煉爐。這種無出渣口的碗式爐即豎爐是歐洲早期鐵器時(shí)代的代表。后在羅馬時(shí)代由帶出渣口的改進(jìn)型碗式爐代替，有臥式和立式兩種。 在羅馬時(shí)代，劍是重要的武器。在廣泛采用鐵器時(shí)代的疊鍛和表面滲碳技術(shù)的同時(shí)，還采用了更復(fù)雜的技術(shù)，如花紋焊接技術(shù)，制作者們借此在制品上加上他們個(gè)人的標(biāo)記。在來自墓葬的實(shí)物中，不管男女的隨葬品都有武器，如男人用劍和矛頭，女人則用一種“紡織用的劍”，那是一種花紋焊接的鐵劍身。 在中世紀(jì)的歐洲，只有修道院或者主教人士才有充足的資金投入到煉鐵工業(yè)中去。煉鐵工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展仰仗于宗教機(jī)構(gòu)的勢(shì)力。如1408年，不列顛的達(dá)勒姆主教建立了第一座有文件為證的，利用水力于鼓風(fēng)器的熟鐵吹煉爐。它的出渣口在煉爐之側(cè)。此外，由于采用水力鼓風(fēng)器，就有可能進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，從而可用高爐煉鐵，高爐的特點(diǎn)是鐵水和爐渣從爐口底部排出的。 16世紀(jì)的高爐在兩側(cè)各開一個(gè)口，一個(gè)是風(fēng)口，另一個(gè)為出鐵口。高爐第六天(一個(gè)冶煉期)大約只能出4￣5噸鑄鐵。一座高爐貯存在不了這么多的鑄鐵。由于受到容積的限制，遂發(fā)展成早期的雙爐。1549年，雙爐能生產(chǎn)出重2200公斤的鐵爐鑄件。 在歐洲高爐的發(fā)展過程中，有兩種基本爐型相互競(jìng)爭(zhēng)，一種是矮爐腹型高爐，和一種是高陡面爐腹型高爐。 1750年，英國(guó)的工業(yè)革命開始了。在燃燒上用焦炭代替木炭，這種轉(zhuǎn)變使煉鐵業(yè)突破了束縛，不再為木炭的短缺而陷入困境。因?yàn)椴粌H民用燃燒需要大量木料，而且為了提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量也在大量砍伐森林。因此，對(duì)于人口密度高的國(guó)家，要靠木炭來增加鐵的產(chǎn)量是不易的。 到18世紀(jì)末，煤和蒸汽機(jī)已使英國(guó)的煉鐵業(yè)徹底改革，鐵的年產(chǎn)量從公元1720年的2.05×10000噸/年(大多是木炭鐵)增加到1806年2.5×100000噸/年(幾乎全是焦炭鐵)。估計(jì)，每生產(chǎn)一噸焦炭需煤3.3噸左右。但是，高爐燒焦炭勢(shì)必增加碳含量，以致早期的焦炭生鐵含碳在1.0%以上，全部成為灰口鐵即石墨鐵。 高爐的尺寸在18世紀(jì)內(nèi)一直在增大。從公元1650年約7米，到1794年俄國(guó)的涅夫揚(yáng)斯克高爐已增高到13.5米。因?yàn)榻固康膹?qiáng)度大，足以承擔(dān)加入的爐料的重量。大多數(shù)的煉爐采用爐缸、爐腹和爐身三部分按比例構(gòu)成。19世紀(jì)末，平滑的爐襯公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的爐襯，這基本上已經(jīng)是現(xiàn)在的爐型。爐底直徑約10米，爐高約30米。全部高爐都設(shè)有兩只以上的風(fēng)嘴。另一個(gè)巨大的進(jìn)步就是采用熱風(fēng)。20世紀(jì)后，現(xiàn)代鋼鐵業(yè)就蓬勃發(fā)展起來。