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      科技樹之爭——工業窯爐發展史II

      文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019-3-6     瀏覽次數:    

      上一期中我們結合無機材料的發展說了說工業窯的發展史,這一期我們再來說說工業爐的發展歷程,如果說工業窯的發展與無機材料分不開的話,工業爐的發展就不得不再次提一下鋼鐵行業了。

      關于金屬冶煉,最早的考古發現認為是在公元前7000年,這一時期屬于新石器時代晚期,但是已經有部分銅器開始冶煉,在西方考古界稱之為銅石時期。這一時期一般采用坩堝進行煉銅采用木炭作為還原氣氛,但是由于坩堝內溫度和還原氣氛的原因,只能煉出少量銅渣,需要對這些銅渣進行分揀才能使用。這些銅渣需要進行鍛打才能形成銅器這一時期使用的銅器為純銅。到了公元前4000年,出現了用于煉銅的碗式爐,同時質地更硬的銅合金開始登上歷史舞臺。煉銅工藝最先出現在中東地區,隨后傳入中國,中國的煉銅遺跡發現與公元前2000-3000年前,由于這時期銅合金的技術已經非常發達,所以中國從石器時代直接進入青銅時代,沒有一個使用純銅的過渡期。

      早期的碗式爐,一般依托小山坡建造,爐壁用石頭堆砌而成。冶煉過程中在爐內直接放入燃料和礦石點火后進行冶煉,爐口可以進行通風。比較著名的早期碗式爐遺址在以色列提姆納國家公園,這一時期的銅制品砷含量較高,因此有一個專門的歷史時期被稱為砷銅時期。

      公元前3000年隨著人類進入青銅時代,銅器的鑄造成為了可能,純銅的熔點在1100℃左右,但是青銅熔點只有950℃,以當時的冶煉能力,完全可以將青銅熔化做成銅水。這時候已經出現了坩堝爐和鼓風系統,

         

         這是古埃及的一副壁畫,據考古學家認為左上角那兩個人,腳下踩著的實際上是鼓風器用于向爐內進行鼓風。在同一時期的考古發現中還出土了大量的風嘴,用于鼓風時候的氣體分布。但有意思的是在同一時期幾乎沒有發現鼓風用的風箱,這可能是因為風箱一般為皮革制造,難以保存。

      現在我們來說一說煉鐵,煉鐵這項技術可能在青銅時代就已經有了,因為煉銅的過程中有時候會用氧化鐵作為助劑,因此在爐渣中可能偶然發現被還原的鐵。但是由于當時的爐溫不足,只有在局部高溫區可能產生鐵,因此能不能煉出鐵完全看人品。在那個時代鐵器還是沒有大規模使用的。煉鐵的工藝大概在公元前1000年左右成熟,但是由于產量與生產成本的原因鐵器一直沒有取代青銅器,鐵器取代青銅器的歷史估計在幾百年左右。同樣的煉鐵這項技術仍然發源于中東,最后通過西域傳到中國的。

      在這里中西方的鐵器技術發生了分化,一般認為鐵礦石的還原溫度在1200℃,現在認為是在靠近風嘴的地方燃燒劇烈,可以達到這個溫度,但是如果鐵合金內含碳量較高的情況下,鐵的熔點只有1150℃,這時候就形成了鑄鐵,這個溫度對于當時的人類來說已經不是問題了。鐵器的成型分為鍛造與鑄造兩種,我國似乎走了鑄造與鍛造并行的路線,而歐洲這卻沒有走鑄造路線。鐵器時代延續1000多年,一直到中世紀前,工業爐的技術幾乎沒有任何實質性的進步,碗式爐一直在使用只不過尺寸越做越大,爐子結構做了些細微的調整而已。

      但與此不同的是,中國由于走了鑄鐵這條路線,反而在這一階段實現了領先,最早的高爐就出現在中國。這是非常有意思的,在這里我們對這點進行一下分析,為什么鑄鐵路線有利于發展出高爐。鑄鐵顧名思義就是可以鑄造的鐵,鑄鐵含碳量較高,熔點低,因此可以熔化后倒模鑄造成型。同時由于鑄鐵煉出來的時候是鐵水,因此可以連續地從爐中排除,歐洲雖然有豎式爐可以定期排渣,但是其便捷程度不是鐵水可比的。因此相對于碗式爐是一鍋一鍋的間歇操作,高爐就可以進行連續化操作了。而直到14世紀歐洲國家才掌握了高爐技術。

       

      圖中為古代高爐遺址與高爐基本原理,從反應工程角度上來說高爐還是一個比較有特色的反應器,高爐內填充著木炭(焦炭)與鐵礦石,整個高爐內,下端溫度高,上端溫度低,下端鐵礦石被還原,并且熔化變成鐵水流出。上端溫度低木炭與礦石呈固態,隨著反應消耗,木炭與礦石下移,這時候可以從爐頂進行補充,同時高爐煤氣從爐頂排除。

      高爐出現以后,實際上并沒有快速地代替傳統的碗式爐,這一點非常奇怪,比較可能的原因是歐洲習慣采用鍛造加工鐵制品,但是鑄鐵的鍛造性能非常差。因此長期以來歐洲人仍然熱衷于使用熟鐵,而高爐煉出鑄鐵后歐洲人還對他進行二次煉制,生成熟鐵。直到工業革命開始,鋼材被大規模地進行使用。

      工業革命對煉鐵最大的影響就是燃料的變化,早期煉鐵的時候采用的木炭,但是隨著工業的發展對于鐵制品的需求逐漸增加。同時木炭還有一部分用于民用,因此木炭的短缺在一定程度上限制了鋼鐵工業的發展。隨著后期煤炭的開始,能否采用煤進行煉鐵就成為了一個新課題。實際上煤炭熱值雖然低一些,但是通過改進爐型與吹風結構還是可以達到煉鐵要求的。比較頭疼的是煤炭一般含硫,硫對于鐵基材料來說是有害物質。因此需要將煤轉化為焦炭,從而誕生了最早的焦爐。這一時期高爐也發生了一個重大改進,我們之前提到的工業爐,進入爐內的空氣都是直接鼓風的冷空氣,冷空氣進入爐內會降低爐溫,因此后期在高爐前增加一個空氣預熱器,將熱空氣送入爐內。這樣就可以進一步增加爐內的溫度。

         

         土法煉焦非常簡單,只要把煤炭放進一個坑里然后外面堆上石頭沙子密封,然后點上火讓煤慢慢燃燒就可以了。當然這個工藝只是人類在早期沒有爐子的情況下使用的,有了焦爐以后基本上在工業上使用的就不多了。

      同時,這一時期歐洲人開始接受了鑄鐵的使用,之所以出現在這種情況與戰爭有關。大炮的炮管是無法鍛造的,只有采用鑄鐵澆筑,這使得歐洲開始進行鑄鐵加工。同時對于熟鐵,很快的就出現了其完美的替代品那就是鋼。而隨著煉鋼的過程,工業窯爐開始了進一步的發展,這個就留給我們下回分解吧。



      來源:YEBOSS的化工知識大雜燴

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