第148章 高炉炼铁

【古代的炼铁炉多为小型的竖炉，炉体结构简单，形状不太规则，容积较小。

这种炉型不利于气体的流通和热量的均匀分布，导致炉内温度不均匀，影响炼铁的效率和质量。

而且，古代炼铁炉的建造材料主要是砖石、黏土等，耐火性能较差，炉体的密封性也不好，容易在高温下损坏，需要经常进行维修和重建。

在燃料方面，古代主要使用木炭，木炭的制备需要消耗大量的木材，并且其燃烧温度相对较低，燃烧性能也不稳定，这就要求工匠们在炼铁过程中需要不断地调整木炭的添加量和燃烧状态，技术难度较大。

由于燃料性能差、鼓风技术落后、矿石没有经过足够筛选，以及炉体结构不合理等因素，古代竖炉的炉内温度一般只有1000c左右，难以达到铁矿石完全熔化的温度，铁矿无法变成铁水。

所以炼出的铁是海绵状的固体块，称为“块炼铁”，质地较软，含杂质多。

这种铁块需要经过反复锻打，锤炼出其中的杂质，才能得到较纯的铁，但仍含有较多杂质，如硫、磷等，导致铁器硬度、韧性等性能不佳。

锻造出来的刀具硬碰硬下很容易崩断或造成刀刃豁口。

浇铸出来的炮管、枪管也无法承受过高的膛压。

所以早期的大炮炮管非常厚，口径还不大。

要制造一门大炮耗费极多。

到了近现代，在古法炼铁到现代化高炉炼钢演变过程中，期间还诞生出了一种优于古法，劣于现代化的过渡技术，即土法高炉炼铁。

在20世纪五十年代末到六十年代，中国掀起了全国范围的大炼钢铁运动。

由于现代大型炼铁设备缺乏，为了追求钢铁产量，人们利用简易材料和相对原始的技术搭建小型高炉进行炼铁。

吸取以往炼铁的经验，人们从三个方面入手。

选用热值更高的燃料。

提高熔炉的保温能力。

减少铁矿之中的杂质。

热值是指燃料完全燃烧所释放出来的热量。

柴火的热值相对较低，其燃烧温度通常在700 - 1000摄氏度。

而铁的熔点是1538度，仅使用柴火燃烧产生的热量远远无法达到铁水的熔点，不能将铁熔化。

木炭相较柴火的热值有了较大的提升。

但是木炭是木材在缺氧条件下干馏得到的，内部有较多孔隙，在燃烧时与氧气的接触面积大。

而且木炭中的挥发成分含量相对较高，在燃烧初期这些挥发成分迅速燃烧，使得木炭整体燃烧过程前期比较剧烈，消耗速度过快。

过快的燃烧，使得炼铁过程中需要不断添加新木炭，温度在这一反复传递过程中就会有所降低，无法稳定维持铁融化所需的高温。

虽然配合使用良好的鼓风和高炉保温设施，可以勉强将铁融化成铁水，但效率并不高。

而且木炭含有的杂质很多，炼出来的铁品质也不算好。

直到后来人们将燃料的选择放在了煤上。

煤是古代植物遗体，在缺氧过程中经过漫长的微生物转化和物理化学变化逐渐形成的。

未经处理的原煤，直接燃烧效率较低。

但是就像木柴经过干馏变成木炭一样，煤经过干馏后变成焦煤，密度、热值大幅度提升，且持续燃烧的时间远长于木炭，可以稳定维持高温，使铁充分融化成铁水。

要干馏出可以用于炼铁炼钢的焦煤，首先要经过洗煤，降低煤的杂质。

用筛子装着煤，用水不断浸洗冲洗，当煤呈现出颗粒状且发亮时，就表明煤的混合杂质已经基本去除。

与焖制木炭的过程相近。

用耐火材料建造一个隔绝空气的炼焦炉，并在炉内建造内墙，分隔出燃烧室和炭化室，使炼焦煤不直接参与燃烧。

装炉后开始加热干馏。

在干馏过程中，煤在不同温度阶段发生变化。在约100 - 350c时，煤中的水分和吸附气体被脱除。

350 - 600c时，煤中的焦油、轻油等挥发分逐渐析出。

（后世可以通过技术手段，将这些气态轻油收集起来，通过后续分馏、催化重整等手段，从这些轻油中提取出汽油。）

当温度升高到600 - 1000c，煤中的碳发生聚合、缩合等反应，逐渐形成焦炭，同时产生大量的煤气。

整个过程中，通过炉壁传导热量或其他加热方式维持温度，并且持续一定时间（通常10 - 20小时左右，不同炉型和工艺有所不同），保证焦炭质量。

炼焦完成后，将炽热的焦炭从炼焦炉中推出，通过喷水的方式使其快速冷却，这种方法简单，但可能会使焦炭产生一些裂纹，对强度有一定影响。

后世是利用惰性气体（如氮气）与炽热焦炭进行热交换，回收焦炭的热量，同时使焦炭冷却。

此法可提高焦炭质量，减少环境污染，并且回收的热量可以用于发电等用途。

有了焦煤后，炼铁就容易多了。

首先制作一个用耐高温材料砌成的高炉。

耐高温材料对于古人来说制作其实没有多么困难。

因为部分陶瓷的耐火能力就非常高。

古人可利用当地已有的黏土、高岭土、石英砂等矿物资源，对这些原料进行筛选，去除明显的杂质提高原料质量。

通过试验不同比例的黏土、石英砂，找到能提高耐火性能的配方。

最后制作成需要的耐火砖形状即可。

有了耐火砖就可砌筑炼铁所需的高炉。

高炉的底座要有足够的厚度，保证热量不会从地面流失。

随后就是以圆形往上一圈一圈砌筑。

最下部位要预留出铁水流出的口。

再往上要预留出浮渣流出的口，以及鼓风口。

最后就是高炉顶端的注料口。

高炉要有足够的高度，让炉料在下降过程中有更充足的时间与上升的高温煤气充分接触。

从炉顶装入的铁矿石、焦炭和熔剂等炉料，在自上而下的运动中，被煤气逐渐加热。

在高炉上部低温区，炉料可以吸收煤气的热量进行预热，随着炉料继续下降，在中部和下部高温区，能更好地完成铁矿石的还原反应。

炉体越高，燃料热量就能更充分地被利用，同时炉体下部的热量也能被更好地保留。

因为铁的熔点非常高，同时铁矿还掺杂着很多二氧化硅杂质。

熔炼过程中，便要在原料中加入石灰石降低铁的熔点，同时石灰石与二氧化硅发生反应形成炉渣。

因为铁水的密度远大于炉渣，铁水会沉降在最底部，炉渣会漂浮在铁水之上。

当炉渣足够多时就会从出渣口流出。

这时再打开底部的出铁口，炙热发亮的铁水就能流出。

不过这时的铁水仍然含有很多的杂质，含碳量也很高。

需要再经过氧化脱碳与除杂，便能制造出比生铁硬度、强度都要高的钢了。】