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科技树之争——工业窑炉发展史II

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-3-6     浏览次数:    

上一期中我们结合无机材料的发展说了说工业窑的发展史,这一期我们再来说说工业炉的发展历程,如果说工业窑的发展与无机材料分不开的话,工业炉的发展就不得不再次提一下钢铁行业了。

关于金属冶炼,最早的考古发现认为是在公元前7000年,这一时期属于新石器时代晚期,但是已经有部分铜器开始冶炼,在西方考古界称之为铜石时期。这一时期一般采用坩埚进行炼铜采用木炭作为还原气氛,但是由于坩埚内温度和还原气氛的原因,只能炼出少量铜渣,需要对这些铜渣进行分拣才能使用。这些铜渣需要进行锻打才能形成铜器这一时期使用的铜器为纯铜。到了公元前4000年,出现了用于炼铜的碗式炉,同时质地更硬的铜合金开始登上历史舞台。炼铜工艺最先出现在中东地区,随后传入中国,中国的炼铜遗迹发现与公元前2000-3000年前,由于这时期铜合金的技术已经非常发达,所以中国从石器时代直接进入青铜时代,没有一个使用纯铜的过渡期。

早期的碗式炉,一般依托小山坡建造,炉壁用石头堆砌而成。冶炼过程中在炉内直接放入燃料和矿石点火后进行冶炼,炉口可以进行通风。比较著名的早期碗式炉遗址在以色列提姆纳国家公园,这一时期的铜制品砷含量较高,因此有一个专门的历史时期被称为砷铜时期。

公元前3000年随着人类进入青铜时代,铜器的铸造成为了可能,纯铜的熔点在1100℃左右,但是青铜熔点只有950℃,以当时的冶炼能力,完全可以将青铜熔化做成铜水。这时候已经出现了坩埚炉和鼓风系统,

   

   这是古埃及的一副壁画,据考古学家认为左上角那两个人,脚下踩着的实际上是鼓风器用于向炉内进行鼓风。在同一时期的考古发现中还出土了大量的风嘴,用于鼓风时候的气体分布。但有意思的是在同一时期几乎没有发现鼓风用的风箱,这可能是因为风箱一般为皮革制造,难以保存。

现在我们来说一说炼铁,炼铁这项技术可能在青铜时代就已经有了,因为炼铜的过程中有时候会用氧化铁作为助剂,因此在炉渣中可能偶然发现被还原的铁。但是由于当时的炉温不足,只有在局部高温区可能产生铁,因此能不能炼出铁完全看人品。在那个时代铁器还是没有大规模使用的。炼铁的工艺大概在公元前1000年左右成熟,但是由于产量与生产成本的原因铁器一直没有取代青铜器,铁器取代青铜器的历史估计在几百年左右。同样的炼铁这项技术仍然发源于中东,最后通过西域传到中国的。

在这里中西方的铁器技术发生了分化,一般认为铁矿石的还原温度在1200℃,现在认为是在靠近风嘴的地方燃烧剧烈,可以达到这个温度,但是如果铁合金内含碳量较高的情况下,铁的熔点只有1150℃,这时候就形成了铸铁,这个温度对于当时的人类来说已经不是问题了。铁器的成型分为锻造与铸造两种,我国似乎走了铸造与锻造并行的路线,而欧洲这却没有走铸造路线。铁器时代延续1000多年,一直到中世纪前,工业炉的技术几乎没有任何实质性的进步,碗式炉一直在使用只不过尺寸越做越大,炉子结构做了些细微的调整而已。

但与此不同的是,中国由于走了铸铁这条路线,反而在这一阶段实现了领先,最早的高炉就出现在中国。这是非常有意思的,在这里我们对这点进行一下分析,为什么铸铁路线有利于发展出高炉。铸铁顾名思义就是可以铸造的铁,铸铁含碳量较高,熔点低,因此可以熔化后倒模铸造成型。同时由于铸铁炼出来的时候是铁水,因此可以连续地从炉中排除,欧洲虽然有竖式炉可以定期排渣,但是其便捷程度不是铁水可比的。因此相对于碗式炉是一锅一锅的间歇操作,高炉就可以进行连续化操作了。而直到14世纪欧洲国家才掌握了高炉技术。

 

图中为古代高炉遗址与高炉基本原理,从反应工程角度上来说高炉还是一个比较有特色的反应器,高炉内填充着木炭(焦炭)与铁矿石,整个高炉内,下端温度高,上端温度低,下端铁矿石被还原,并且熔化变成铁水流出。上端温度低木炭与矿石呈固态,随着反应消耗,木炭与矿石下移,这时候可以从炉顶进行补充,同时高炉煤气从炉顶排除。

高炉出现以后,实际上并没有快速地代替传统的碗式炉,这一点非常奇怪,比较可能的原因是欧洲习惯采用锻造加工铁制品,但是铸铁的锻造性能非常差。因此长期以来欧洲人仍然热衷于使用熟铁,而高炉炼出铸铁后欧洲人还对他进行二次炼制,生成熟铁。直到工业革命开始,钢材被大规模地进行使用。

工业革命对炼铁最大的影响就是燃料的变化,早期炼铁的时候采用的木炭,但是随着工业的发展对于铁制品的需求逐渐增加。同时木炭还有一部分用于民用,因此木炭的短缺在一定程度上限制了钢铁工业的发展。随着后期煤炭的开始,能否采用煤进行炼铁就成为了一个新课题。实际上煤炭热值虽然低一些,但是通过改进炉型与吹风结构还是可以达到炼铁要求的。比较头疼的是煤炭一般含硫,硫对于铁基材料来说是有害物质。因此需要将煤转化为焦炭,从而诞生了最早的焦炉。这一时期高炉也发生了一个重大改进,我们之前提到的工业炉,进入炉内的空气都是直接鼓风的冷空气,冷空气进入炉内会降低炉温,因此后期在高炉前增加一个空气预热器,将热空气送入炉内。这样就可以进一步增加炉内的温度。

   

   土法炼焦非常简单,只要把煤炭放进一个坑里然后外面堆上石头沙子密封,然后点上火让煤慢慢燃烧就可以了。当然这个工艺只是人类在早期没有炉子的情况下使用的,有了焦炉以后基本上在工业上使用的就不多了。

同时,这一时期欧洲人开始接受了铸铁的使用,之所以出现在这种情况与战争有关。大炮的炮管是无法锻造的,只有采用铸铁浇筑,这使得欧洲开始进行铸铁加工。同时对于熟铁,很快的就出现了其完美的替代品那就是钢。而随着炼钢的过程,工业窑炉开始了进一步的发展,这个就留给我们下回分解吧。



来源:YEBOSS的化工知识大杂烩

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