灌鋼

灌鋼

灌鋼又叫團鋼法,或生熟法,是中國早期煉鋼技術一項最突出的成就。17 世紀以前,世界各國一般都是採取熟鐵低溫冶煉的辦法,鋼鐵不能熔化,鐵和渣不易分離,碳不能迅速滲入。中國發明的灌鋼法,成功解決這一難題,為世界冶煉技術的發展做出劃時代貢獻。

基本介紹

  • 中文名:灌鋼
  • 外文名:Pouring steel
  • 歷史沿革:中國古代關於灌鋼的記載始
  • 工藝操作:宋代以前這方面的記載很少
  • 第一種:生鐵陷入法
  • 學科:冶金工程
簡介,歷史沿革,工藝操作,工藝原理,總結,

簡介

灌鋼又叫團鋼法,或生熟法,是中國早期煉鋼技術一項最突出的成就。17 世紀以前,世界各國一般都是採取熟鐵低溫冶煉的辦法,鋼鐵不能熔化,鐵和渣不易分離,碳不能迅速滲入。中國發明的灌鋼法,成功解決這一難題,為世界冶煉技術的發展做出劃時代貢獻。
灌鋼工藝是我國古代刃鋼生產的主要方法。它以生鐵(一種含碳量較高[2.11%以上]的炒煉產品)和“熟鐵”(一種含碳量較低[0.02%以上]的炒煉產品)為原料,將它們加熱到生鐵熔點以上,合煉而成鋼。
其中生鐵是指由礦石冶煉得到的液態鑄鐵,含碳量和雜質很高,性脆易碎;熟鐵是指將生鐵經過“炒”或“蒸”等工藝而脫碳後的鐵,柔軟可鍛,雖然碳量降下來了,但氧化夾雜等並未減少,故需要經過反覆加熱鍛打,以去除夾雜物,同時滲碳而增強剛硬性,成為鋼。灌鋼工藝是將高碳含量的生鐵液澆灌到紅熱的低碳含量的熟鐵(現代鋼鐵技術中所謂的低碳鋼或純鐵)中,相互熔融混合,直接獲得剛硬的鋼(現代鋼鐵技術中所謂的高碳鋼)。

歷史沿革

中國古代關於灌鋼的記載始見於東漢晚期。《全後漢文》卷九十一王粲(177—217年)《刀銘》云:“相時陰陽,制茲利兵,和諸色劑,考諸濁清;灌襞已數,質象已呈。附反載穎,舒中錯形。”此文所述為製作寶刀的全過程。其中的“灌”即灌煉,“襞”原指衣服上的褶襉,在此應指鋼鐵材料的多層積疊、反覆摺疊。“灌襞已數”即是多次灌煉。可見東漢末年,人們便用灌鋼製作刀劍,其發明年代至遲在東漢晚期。何堂坤:《關於灌鋼的幾個問題》,《科技史文集》第15輯,上海科技出版社1989年版。
稍後,晉張協《七命》也談到過與王粲《刀銘》所云相似的工藝:“銷逾羊頭,鏷(鍱)越鍛成,乃煉乃鑠,萬辟千灌;豐隆奮椎,飛廉扇炭。”此“銷”,唐李善引許慎說為“生鐵也”。鍱,《廣雅》釋為鋌。李善注云:“辟謂疊之,灌謂鑄之”。《六臣注文選》卷三五張協《七命》注。所以,此“萬辟千灌”便是指多層積疊,多次灌煉,即是灌鋼工藝。
南北朝時,灌鋼在中國南北各地推廣開來,且用於農具製作中。《重修政和經史證類備用本草》卷四“玉石部”引梁陶弘景云:“鋼鐵是雜煉生鍒作刀鐮者”。北齊綦毋懷文亦製作過灌鋼刀。及宋,各種記載更多。張君房《雲笈七籤》卷七十八載:“灌剛之時,必須林栗等炭,余皆不堪用。”又云:“取自然成剛鐵上,次取擣剛五灌已上者佳。”《重修政和經史證類備用本草》卷四又引北宋蘇頌《圖經本草》云:“以生柔相雜和,用以作刀劍鋒刃者為鋼鐵。”灌鋼在中國一直沿用到明清,本世紀三十年代還在四川等地流行。
李時珍《本草綱目》卷八“鋼鐵”條:“鋼鐵有三種,有生鐵夾熟鐵煉成者,有精鐵百鍊出鋼者,有西南海山中生成狀如紫石英者。”前者即是灌鋼,次者百鍊鋼,後者系金剛石之誤。可見在古人心目中,灌鋼是中國古代鋼的主要品種之一。因其含碳量較高,通常主要用來製作刀、劍、鐮等兵器、生產工具的鋒刃部,對中國古代社會生產的發展起到了重要的作用。

工藝操作

宋代以前這方面的記載很少,宋以後至少有三種不同的工藝類型。
第一種,生鐵陷入法
沈括《夢溪筆談》卷三云:“世間鍛鐵所謂鋼鐵者,用柔鐵屈盤之,乃以生鐵陷其間,封泥煉之。鍛令相入,謂之團鋼,亦謂之灌鋼。”此“柔鐵”即古代“熟鐵”。此“封泥”的作用有三:⑴使鐵料各部分均勻受熱,讓生鐵緩慢熔化。⑵防止生鐵熔化後的流失,使之更好地與柔鐵作用。⑶防止和減少碳在爐氣中的燒損。
第二種,生鐵覆蓋法
宋應星天工開物》卷一四云:“凡鋼鐵煉法,用熟鐵打成薄片,如指頭闊,長寸半許,以鐵片束包尖(夾)緊,生鐵安置其土(上)(原註:廣南生鐵名墮子生鋼者妙甚)。又用破草履蓋其上(原註:粘帶泥土者,故不速化),泥塗其底下。洪爐鼓鞴,火力到時,生鋼先化,滲淋熟鐵之中,兩情投合。取出加錘,再煉再錘,不一而足。俗名團鋼,亦曰灌鋼者是也。”此操作比生鐵陷入法又有了一些進步:⑴生鐵置於“熟鐵”上,熔化後向下滲淋,就增加了生、“熟”鐵接觸反應的機會,減少了生鐵流失的機率。⑵不需封泥,而是上蓋破草履,下塗泥,簡化了操作。⑶“熟鐵”為薄片狀,增加了反應面,提高了生產率。
第三種,生鐵澆淋法
約始創於明代中期,清時在安徽蕪湖,湖南湘潭等地都較興盛,因傳為江蘇工匠始創,又名之為“蘇鋼”。
明代唐順之《武編前編》卷五“鐵”條說:“熟鋼無出處,以生鐵合熟鐵煉成,或以熟鐵片夾廣鐵,鍋塗泥入火而團之,或以生鐵與‘熟鐵’並鑄,待其極熟,生鐵欲流,則以生鐵於‘熟鐵’上,擦而入之。”此“熟鋼”即灌鋼,這裡談到兩種操作,前者與沈括所云相類似,後者即是蘇鋼工藝。
陳春華《嘉慶蕪湖縣誌》卷一也有蘇鋼的記載:“居於廛治鋼業者數十家,每日須工作不啻數百人。初鍛‘熟鐵’於爐,徐以生鏷下之,名曰餧鐵,餧飽則鏷不入也。於時渣滓盡去,錘而條之,乃成鋼。”《光緒湘潭縣誌》卷十一、1935年出版的《中國實業志(湖南)》第七篇都說到湘潭蘇鋼是乾隆年間從蕪湖傳去的。可知蕪湖蘇鋼應在清代早中期便較發達。
與前二法相比,蘇鋼操作的優點是:⑴其“熟鐵”僅僅是初鍛過的,組織較為疏鬆,便增大了生、“熟”鐵接觸反應面,所含氧化夾雜亦較多,可提高碳氧反應的強度,增強去渣能力。並且,部分氧化亞鐵可被還原,就提高了金屬收得率。⑵生鐵不是直接覆蓋於“熟鐵”之上,亦非夾於“熟鐵”間,從“以生鐵於‘熟鐵’上,擦而入之”、“徐以生鏷下之”兩句來看,生鐵、“熟”鐵是保持一定距離的,便可有控制地進行灌淋。據周志宏先生1938年調查,周志宏:《中國早期鋼鐵冶煉技術上創造性的成就》,《科學通報》1956年2月。重慶北碚蘇鋼亦採用類似的操作。無需封泥、塗泥,以及覆蓋破草履,亦簡化了工序。
此三種操作反映了灌鋼技術不斷發展和人們認識逐漸深化的過程。

工藝原理

因灌鋼以生鐵和“熟鐵”為原料,有學者認為它是一種利用生鐵向熟鐵滲碳的工藝,這是一種誤解。灌鋼冶煉的主要目的並不是調劑含碳量,而是排除夾雜。實際上百鍊法和灌煉法都是在炒鋼的基礎上,為了進一步去除夾雜而發明出來的。依據是:
1.前面談到,古代“熟鐵”的含碳量是與可鍛鐵相當的。因灌鋼以“熟鐵”為原料,灌煉之後,其含碳量便有可能增加,也有可能減少,或者變化不大的。
2.含碳量與原料“熟鐵”含碳量是一樣的。它們之間的主要區別是:成品鋼中的矽、錳、磷、硫含量稍較原料“熟鐵”為低。這顯然是排除了夾雜之故。在其他地方的冶煉實例中,其蘇鋼產品含碳量也可能存在高於或低於原料“熟鐵”含碳量的現象,但這不是灌煉的主要目的。

總結

灌鋼是中國古代冶金技術的一項傑出創造,它利用生鐵含碳量較高、“熟鐵”含氧化夾雜較多的特點,用“熟鐵”中的氧來氧化生鐵中的矽、錳、碳,造成激烈的“沸騰”,而達到去除夾雜的目的。雖操作簡單,效果卻十分明顯,這是人類古代制鋼工藝中所獲得的最高成就。

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