灌鋼法

灌鋼法

灌鋼法,古代中國勞動人民發明的一種先進煉鋼工藝。是中國早期煉鋼技術一項最突出的成就。由北齊著名冶金家綦毋懷文發明。17世紀以前,西方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。經過“塊煉法”--“百鍊鋼”--“炒鋼法”的發展歷程,中國發明了灌鋼法,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:灌鋼法
  • 外文名:Irrigation method of steel
  • 別名:團鋼法,生熟法
  • 最早時間:春秋以前
  • 發展:塊煉法,“炒鋼法”,灌鋼法
  • 仍在使用地區蕪湖湘潭重慶威遠
  • 套用:製造刀具等
  • 相關人物綦毋懷文謝平
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歷史

南北朝時期,已經出現了技術更為先進的灌鋼法,用此法製作的兵器堅韌鋒利。早在漢代,人們就開始用煤做燃料,並用來冶鐵。北宋時期,用煤冶鐵已相當普遍。冶鐵爐的溫度因此得到提高,於是加速了冶煉進程,提高了冶鐵業的生產效率。
謝平謝平
後來,灌鋼法又不斷發展。宋代又把生鐵片嵌在盤繞的熟鐵條中間,用泥巴把煉鋼爐密封起來,進行燒煉,效果更好。明代又有改進,把生鐵片蓋在捆緊的若干熟鐵薄片上,使生鐵液可以更好均勻地滲入熟鐵之中。不用泥封而用塗泥的草鞋遮蓋爐口,使生鐵可從空氣中得到氧氣而更易熔化,從而提高冶煉的效率。明中期以後,灌鋼法更進一步發展為蘇鋼法以熟鐵為料鐵,置於爐中,而將生鐵板放在爐口,當爐溫升高到1300℃左右,生鐵板開始熔化時,既用火鉗夾住生鐵板左右移動,並不斷翻動料鐵,使料鐵均勻地淋到生鐵液;這樣,既可產生很好的滲碳作用,又可產生劇烈的氧化作用,使鐵和渣分離,生產出含渣少而成份均勻的鋼材。直到現今,在蕪湖湘潭、重慶、威遠等地人們還在使用;可見其影響的深遠。
塊煉法
中國古代冶煉技術在春秋以前,處於比較原始的階段,當時使用的冶煉方法稱為“塊煉法”。當時煉鐵使用木炭作燃料,熱量少,加上爐體小,鼓風設備差,因此爐溫比較低,不能達到鐵的熔煉溫度,所以煉出的鐵是海綿狀的固體塊,稱為“塊煉鐵”。塊煉鐵冶煉比較費時,質地比較軟,含雜質多,經過鍛打成為可以使用的熟鐵。鋼鐵冶煉技術的進一步發展到“塊煉滲碳鋼”。出土文物表明,中國最遲在戰國晚期已經掌握這種最初期的煉鋼技術。
人們在鍛打塊煉鐵和熟鐵的過程中,需要不斷地反覆加熱,鐵吸收木炭中的碳份,提高了含碳量,減少夾雜物後成為鋼。這種鋼組織緊密、碳分均勻,適用於製作兵器和刀具。後進一步發展到“百鍊鋼”技術。人們在打制器物的時候,有意識地增加摺疊、鍛打次數,一塊鋼往往需要燒燒打打、打打燒燒,重複很多次,甚至上百次,所以稱之為百鍊鋼。百鍊鋼碳分比較多,組織更加細密,成份更加均勻,所以鋼的品質提高,主要用於製作寶刀、寶劍。
“炒鋼法”
在西漢中晚期,中國出現新的煉鋼技術“炒鋼”,這是在生鐵冶鑄技術的基礎上發展起來的一種煉鋼技術。其基本方法是將生鐵加熱成半液體和液體狀,然後加入鐵礦粉,同時不斷攪拌,利用鐵礦粉和空氣中的氧去掉生鐵中的一部分碳,使生鐵中的碳含量降低,去渣,直接獲得鋼,這就是炒鋼技術。
這項技術的發明是煉鋼技術的重大突破,使冶煉業能向社會提供大量廉價、優質的熟鐵或鋼,滿足生產和戰爭的需要。炒鋼的出現促進百鍊鋼技術的發展,人們以炒鋼為原料,經過反覆加熱、摺疊、鍛打成質量很好的鋼件。但是炒鋼和百鍊鋼技術還存在一定缺陷,如炒鋼工藝複雜,不容易掌握;百鍊鋼費工費時。
灌鋼法
綦毋懷文發展的灌鋼法大約在東漢末可能出現煉鋼新工藝“灌鋼”法的初始形式。南北朝時,綦毋懷文對這一煉鋼工藝進行了重大改進和完善。南朝齊、梁時的陶弘景首先記載了灌鋼法,北朝魏、齊間的綦毋懷文曾用這種方法製成十分鋒利的“宿鐵刀”。

綦毋懷文

綦毋懷文,姓綦毋,名懷文,是中國南北朝時期著名冶金家。他生活在公元6世紀北朝的東魏、北齊間,具體生卒年代歷史上缺乏記載,只知道他好“道術”,曾經作過北齊的信州(今四川省奉節縣一帶)刺史。據史書記載,綦毋懷文的煉鋼方法是:“燒生鐵精,以重柔鋌,數宿則成鋼”,就是說,選用品位比較高的鐵礦石,冶煉出優質生鐵,然後,把液態生鐵澆注在熟鐵上,經過幾度熔煉,使鐵滲碳成為鋼。由於是讓生鐵和熟鐵“宿”在一起,所以煉出的鋼被成為“宿鐵”。

灌鋼法優點

灌鋼法是中國古代煉鋼技術上一個了不起的成就。同百鍊法或炒煉法比較,其優點
(1)生鐵作為1種滲碳劑,因熔化後溫度高,加速向熟鐵中滲碳的速度,縮短冶煉時間,提高生產率。
(2)熟鐵因為碳的滲入而成為鋼,生鐵由於脫碳也可以變成鋼,增加了鋼的產量。
(3)在高溫下,液態生鐵中的碳、矽、錳等與熟鐵中的氧化物夾雜發生反應,去除雜質,純化金屬組織,提高金屬品質。
(4)灌鋼法操作簡便,容易掌握。要想得到不同含碳量的鋼,只要把生鐵和熟鐵按一定比例配合好,加以熔煉,就可獲得。

套用

製備刀具
推動中國古代刀劍技術的發展綦毋懷文是一位出色的制刀專家,對前人造刀經驗進行研究、比較,經過不斷實踐,創造一套新的制刀工藝和熱處理技術。
綦毋懷文造刀的方法是:先把生鐵和熟鐵以灌鋼法燒煉成鋼,做成刃口,然後“以柔鐵為刀脊,浴以5牲之溺,淬以5牲之脂”這樣做出來的刀稱為“宿鐵刀”,極其鋒利,能夠一下子斬斷鐵甲30札。對於含碳量比較高的鋼,理想的淬火介質應該是:當工件在比較高的溫度650~400℃,具有較大的冷卻速度,在低溫300~200℃,具有較慢的冷卻速度。這就需要採用雙液淬火法。綦毋懷文先用動物尿、後用動物油進行雙液淬火,能夠造出品質很高的“宿鐵刀”。
中國早在戰國時代就使用了淬火技術,但是長期以來,人們一般都是用水作為淬火的冷卻介質。雖然三國時的制刀能手蒲元等人已經認識到:用不同的水作淬火的冷卻介質,可以得到不同性能的刀,但仍沒有突破水的範圍。而綦毋懷文則實現了這一突破,他在製作“宿鐵刀”時使用了雙液淬火法,即先在冷卻速度大的動物尿中淬火,然後再在冷卻速度小的動物油脂中淬火,這樣可以得到性能比較好的鋼,避免單純使用1種淬火(即單液淬火)的局限。雙液淬火法,即在工件的溫度比較高的時候,選用冷卻速度比較快的淬火介質,以保證工件的硬度;而在溫度比較低的時候,則選用冷卻速度比較小的淬火介質,以防止工件開裂和變形,使其有一定的韌性。雙液淬火法是1種比較複雜的淬火工藝,這在當時沒有測溫、控溫設備的條件下,完全依賴操作及經驗,是一個了不起的成就。
在綦毋懷文之前,中國古代的鋼刀大都用百鍊鋼製成,這樣製作的刀劍雖然性能優異鋒利,但也存在不少缺陷,整把刀全部用百鍊鋼製成,價格昂貴;如一把東漢時期的名鋼劍的價錢可以購買當時供7個人吃2年9個月的糧食。而且百鍊鋼製作刀劍費時費力。三國時,曹操命有司製作寶刀5把,用了3年時間。為此,綦毋懷文對制刀工藝進行了重大更新。這表明綦毋懷文對鋼鐵的性能有比較深刻的認識,而且能根據不同的用途合理選擇材質,發揮各種材質的優點,節省某些貴重材料,降低成本和費用。1把刀的背部、刃口實際起著不同的作用,因而要求具有不同的性能。
一般來說,刃口主要起刺殺作用,因而要求有比較高的硬度,這樣才能保證刀的鋒利,所以應該選擇含碳量較高、硬度較大的鋼來製造。而刀背主要起1種支撐作用,要求有比較好的韌性,使刀在受到比較大的衝擊時不致折斷,這樣就要選擇含碳量較低、韌性較大的熟鐵。綦毋懷文正是有了上述類似的認識,在製作刀具時才能夠將熟鐵和鋼巧妙的結合起來,將2者恰到好處地用在合適的地方,既滿足了鋼刀的不同部分的不同要求,又節省大量昂貴鋼材,利於鋼刀的推廣和普及。這種制刀工藝,今天還在沿用。
由於綦毋懷文和千百萬工匠的辛勤勞動,使中國古代冶金技術自立於世界之林。綦毋懷文發展的灌鋼法,是中國冶金史上的一項傑出成就和偉大創新,在世界煉鋼史上占有一定地位。灌鋼法的進一步革新,使鋼的產量和品質大大提高,為隋唐以後生產力的大幅度增長提供了條件。

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