40.炼铁成钢
姜明带着孙皓转了一圈,回到高炉的时候,蒋七也过来了,道:“督军,所有的事情都准备好了,就等你过来点火了。”
蒋七还准备了祭台,准备先祭祀一下铁匠祖宗“老子李耳”,传说铁匠炉就是太上老君流传民间的炼丹炉,因此很多铁匠铺供奉太上老君为祖师爷。姜明不搞封建迷信那套,就让蒋七自己去祭拜了下太上老君。
姜明将火扔进高炉里面,已经预热过的木炭便缓慢燃烧起来。
蒋七手上的小旗一挥:“鼓风”。
铁匠见到队长发令,立刻扳下机括,高炉旁边的两个水闸也打开了,水流沿着引水渠快速流下来,冲击着水车的挡水片,推动水车快速旋转,接水流的动能传递给水车。水车的另一侧装有偏心轮,将旋转运动变为风箱活塞的往复运动,将新鲜空气从风道吹入高炉中。
古代很早就用木材做的风箱做鼓风机,这种风箱结构坚实耐用,利用4个活门,无论推拉活塞,都能向风道送风。
由于山谷里面的水流有限,姜明只能用两个水车做鼓风机的动力源,两个风箱分别从高炉的左右两侧送风。
风道是由耐火水泥浇铸的管道,一节一节以拼接好后,用水泥封住缝隙,架放在火道里面,火道燃烧煤炭,新鲜空气从风道向高炉吹去的时候,先经过火道的预热,到达高炉的时候,温度可以达到800度。
水车刚开始转速还很慢,鼓风机的风压小,炉内氧气不足,高炉炉顶冒着浓浓的黑烟。随着水车越转越快,炉内氧气供应充足,烟的颜色由黑转青、由青转白,最后浓浓的火烟冒出炉顶。
负责投料的工人推着翻斗车沿着斜坡走上炉顶,用脚一踩控制索,车内的石料便沿着斜坡滑入高炉内。
倒入高炉的石料主要是赤铁矿、木炭还有石灰石。石灰石是除渣剂,可以与铁矿石里面熔点很高的脉石(二氧化硅)反应,生成硅酸盐,也能与硫、磷等杂质反应,生成硫化钙和磷钙化合物,这些杂质最后都浮在铁水上,从而分离残渣。
铁矿石和木炭在高温的高炉内剧烈地反生氧化还原反应,像两个阔别经年的痴男怨女,欢呼地拥抱在一起,干柴烈火,好不快活。
一旁的孙皓抱怨道:“姐夫,好热啊,是不是快炼出铁了?”
“哪能这么快,没有一整天休想化出铁水。”旁边的蒋七回道:“过去,我们打铁,这炉子没烧一天一夜,根本化不出铁水。”
姜明笑了笑,道:“是没这么快,但也要不了多久,小皓,咱们吃饭去,下午的时候应该就出铁水了,到时候再来看。”
说着便拉着孙皓离开了高炉。
下午两点的时候,蒋七跑来督军府,道:“督军,你真是神机妙算啊,真的烧出铁水了,太快了,快去看看吧。”
等姜明带着孙皓来到高炉的时候,一股赤红的铁水已经从出铁口流了出来。这些生铁水都混合着矿渣,由于生铁水的密度大,矿渣的密度小,所以矿渣都浮在面上,工人们拿着生铁耙子将矿渣扒出来。
生铁水先被引到铸模区,地面上摆好了各种模具,主要是农具,像铁块、铁耙、铁犁等,这些只在生铁就够用了,生铁块则用来打造各种铁制品。
关闭铸模区的沟槽后,生铁水沿着沟槽流到炒铁炉,蒋七让他的儿子蒋炎开始拿着生铁棍不断搅拌铁水,生铁的含碳量大于百分之三,里面的碳原子遇到氧气后,迅速燃烧生成二氧化碳,碳的含量不断降低。铁水从从清汤变得浓稠。
“看,铁水越来越稠了,刚开始还跟水一样呢!”孙皓道:“刚开始跟清粥一样,现在变成浓粥了。”
生铁含碳量降低后,密度上升,熔点也升高,纯铁的熔点超过1500度,而生铁只有1100至1200度,如果不继续提高温度,则铁水会变成半液态。
“加大火量,继续搅拌,继续把那些残渣扒出来,让铁水再次融成水一样。”姜明吩咐道:“老蒋,你去把磨制的炭粉拿过来。”
重新加大热量和搅拌后,铁水已经变成纯铁状态,姜明估计锅内的铁水质量约100公斤,于是拿出让蒋七称出相当后世0.86公斤的木炭粉,考虑到木炭的含碳量在90%左右,这些木炭粉大致有0.77公斤的碳。
姜明将炭粉倒入炉中搅拌后,命令铁匠用坩锅将铁水舀出,倒入刀和剑的模具中。
蒋七用铁钳夹出模具中的剑,淬火后,说道:“督军,这剑好像是钢啊,今天真是走运,铸出的第一把剑就是钢。”
姜明笑了笑,道:“你再看看其它的刀和剑。”说着,便手指向其它的刀剑。
其它铁匠拿着刀剑淬火完,观察片刻,也纷纷说道“督军,我手上的刀(剑)好像也是钢,真是太神奇好,第一批炼出的铁居然全部是钢。”
看到姜明贼兮兮地笑,孙皓猜到其中一定有秘密,便问道:“姐夫,这肯定是你的万物之理的原因,肯定不是因为运气好,才炼出这么多钢。”
听到这都是姜明的功劳,所有铁匠都围过来,等着听他的高见。
姜明整了整思路,道:“其实从铁到钢,只是铁里面炭粉多少的区别而已。刚开始的时候,生铁水含有很多碳,不断搅拌后,炭就被烧成了烟,到熟铁的时候,就基本没有碳了。我再根据铁的多少加入炭粉,搅拌均匀就是钢了。”
蒋七问道:“请问督军,那生铁水搅拌到一定程度,不就钢了吗?为什么还要炒成熟铁再加炭粉呢?”
姜明道:“很好的问题,生铁水炒到一定程度就是钢了,你们以后操作了一段时间,就能掌握到诀窍,比方炒多久能炒出钢。但是,你们每个人会因为见识、水平的不同,炒出的钢有差异,质量也会不同。”
钢的含碳量在0.02%至2%之间,区间很宽泛,古人都是经验总结,当然每个人炼出的钢会有差别,同一个人每次炒出的钢也会有差别。
姜明继续道:“但是,我将生铁炒成熟铁,再根据铁的多少加入碳,那么炒出的钢就总是一样的。”
铁匠们纷纷道:“老朽打了一辈子铁,今日才知人外有人、天外有天。古往今天,能直接炼出钢的人,只督军一人矣!”
姜明笑道:“各位不要看轻自己,你们都是有丰富经验的师傅,我只不过多看了几本书,理论丰富些而矣。以后我会办个工程技术班,教授你们一些冶炼的理论知识,咱们互相切磋经验,以后造出更多的好钢。”
哗哗哗,热烈的掌声,不但允许匠人的子女读书,还亲自给匠人上课,世上还有比这好的老板么?这些人都是发自内心的感激与开心。
姜明捡起一把剑,对蒋七道:“老蒋,选出十五柄剑,放到炭炉里回火,自然冷却后,锻打出十把长剑,送去督军府,麻烦了。”
听到让自己用这些钢打造宝剑,蒋七一脸兴奋,回道:“老朽定当拼死效命,以报督军。”
姜明打算先底下四个营的正副营长、亲卫队正副队长等10人每人送一把宝剑,都要用最好的钢打造,现在最好的钢材就是含碳量0.77%的索氏体共析钢。
共析钢淬火后形成马氏体,硬度极高;如果直接降温,再到500度回火,形成索氏体,兼顾硬度和韧性,用来打造长剑,一定是削铁如泥的宝剑。
姜明摇摇头,道:“不用说的那么严肃,尽力就行。还有,现在炼出的铁,先打造农具为主,像铁锹、铁耙、铁犁,这些用生铁就行了。”
现在条件不够,无法要求工匠们24小时轮班工作,只是安排晚上值班的人,保证高炉不熄火就行。这个高炉的有效容积大概1立方米,利用系数也达不到后世的2至3那么高,扣除只相当后世一半的炼铁时间,利用系数只有0.5左右,每天能炼0.5吨铁。
日本明治维新的时候,学习西方建了很多高炉,高6至7米,腹内最大直径2米,也用水力鼓风,平均每天炼出1吨铁。所以,姜明觉得这个日产量还不错。
古代的长剑平均长1米、宽6厘米、厚2毫米,用铁的密度计算,重量在1公斤左右,每天相当于生产500把剑。而按照铁犁头4斤、铁锹头3斤、铁耙3斤,每户百姓用铁10斤,0.5吨铁可供100户百姓使用。
姜明想到后世常听到的谣言“北宋钢铁产量15万吨,英国工业革命初期都没超过”,就感到好笑。北宋能用铁的地方不多,军队的盔甲、刀剑,百姓的锅、刀、锹之类的,不像后世盖房子、修路都要用大量的钢铁。
15万吨是什么概念?北宋的步人甲全身装备20公斤,就算北宋有100万士兵,需要2万吨铁;北宋有8000万人口,不到2000万户,就算每户都有锅和刀,平均用铁20斤,需铁20万吨。但是盔甲、锅、刀都是耐用的,假设20年换一批,平均每年生产1.1万吨就够了。而且这些东西坏了,士兵百姓都是修补一下继续用,而不是更换。更不用说,北宋只有精税部队装备步人甲,很多百姓只有部分铁器,很多农具都是互相借着用。
其实有很多的学者从北宋钢铁的抽税,算出了北宋的钢铁产量1.5万吨左右。还有像“北宋的财政收入1.5亿贯石匹两束”,然后被谣传成“北宋财政收入1.5亿两”之类的。都是不经大脑的表现,单不说北宋一贯钱不等于一两,银子还没承担货币职能,就是从社会的总产出、总需求,都能算出这是不靠谱的。
如果不是后世的数据都能存档,或许千年以后,就有人会说:“看,我们在20世纪50年代就亩产万斤,领先西方至少一千年”。
孙皓拉了拉姜明的衣袖,将他从沉思中拉回现实,然后问道:“姐夫,你能送我一把宝剑吗?我都长大了,也想要把好的佩剑。”
姜明摇了摇头,道:“你年纪还小,不能持剑,等你长大了,我再送你,而且你姐也不会同意的。不过,我已经想到送你什么了,很好玩的哟!”
孙皓好奇道:“是什么啊?可以先告诉我么?”
姜明神秘地笑了笑,道:“秘密,等过几天你就知道了!”
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