从铁矿石到钢材（1/2）

古代怎样制造出各种钢材？

现代机械制造是一门艰深繁杂的学科。一台发动机，从原材料到成品中的工艺流程，详尽阐述的话，一整本小说的篇幅都说不尽道不明。

这里我尽量简明地说明一下钢材制造主要步骤在古代需要克服的难点。不足之处甚多，这里不必深究……

一、高炉炼铁

高炉下部堆有焦炭或木炭由煤炭/木材隔绝空气加热至上千度而成，杂质生成焦油、可燃气等逸出。

焦炭燃烧生成一氧化碳，铁矿石（铁的氧化物）从炉顶缓慢下降，被一氧化碳或碳还原为铁。铁被熔化，经焦炭间隙渗到炉底（所以不能用普通的碎煤炭，会堵住）。

普通煤炭如何变成焦炭呢？首先中温干馏为半焦。然后磨粉，掺细煤泥，高压锤成型，再高温干馏为焦炭，即具有强度。

渗到炉底的铁水中含有很多炉渣和杂质硅、硫、磷会使铁变脆，需设法脱除；锰、碳则要控制含量，使铁成为钢。

二、转炉炼钢

高炉铁熔化倒入转炉，吹入空气，将杂质硅、锰、碳氧化释放大量热，使铁水升温，二氧化硅、氧化锰成固体渣脱出，碳成二氧化碳、一氧化碳脱除。

转炉的搅拌包括自然对流、气体喷射、机械搅拌等。机械搅拌最简单有效的办法就是直接插入搅拌器，比回转炉、摇炉更好。

向炉内分批投入石灰，碱性环境下石灰与硫、磷结合成固体渣脱出。

但是空气同时会使氮气、氧气渗入铁水。它们也会使铁变脆。

避免渗氮就要使用纯氧。古代没有制冷剂，无法深冷分离空气，可使用化学法熔融的亚硝酸钠/钾在高压仓吸收氧气变成硝酸钠/钾，再流入减压仓加热释放氧气变成亚硝酸钠/钾，循环制氧。

那么氧如何脱除？在钢水倒出前加入少量锰，锰与氧结合成一氧化锰脱出。加入多量，可以获得锰钢。

肉眼观察钢水上跳动的“碳花”，可以估算碳含量如果低了，可以补撒碳粉。

于是我们从转炉中获得低锰/高锰+低碳/高碳钢（无锰无碳的熟铁比较软）。不同含量有不同的好处，可以提升硬度、韧性、耐磨性等。

常用的有40cr(碳0.4%铬1%)、45#(碳0.45%)、mn16（碳1%锰16%，高锰钢）、65mn(碳0.65%锰1%，弹簧钢)等。前2者可造钢管、齿轮、轴承等。

高锰钢可作为采矿挖掘设备、铁轨等，弹簧钢可制造弹簧等，16~22mn（碳0.16~0.22%、锰1%）钢可用于制造高压锅炉(高压蒸汽机的核心)。

三、钢铁浇铸

我国唐朝就有了砂模铸造工艺。地上放个模型，用木框围住，砂混粘土倒入、捣实、刮平，然后上下翻转，模型底面即在表面露出。

在模型底面上立一根木棒，砂泥表面撒上干砂，木框上面再放同样的木框，砂混粘土倒入、捣实、刮平，木棒周围用铁丝捣出气孔，拔出木棒形成浇铸孔，取走上框。