从铁矿石到钢材

　　古代怎样制造出各种钢材？

　　现代机械制造是一门艰深繁杂的学科。一台发动机，从原材料到成品中的工艺流程，详尽阐述的话，一整本小说的篇幅都说不尽道不明。

　　这里我尽量简明地说明一下钢材制造主要步骤——在古代需要克服的难点。不足之处甚多，这里不必深究……

　　一、高炉炼铁

　　高炉下部堆有焦炭或木炭——由煤炭/木材隔绝空气加热至上千度而成，杂质生成焦油、可燃气等逸出。

　　焦炭燃烧生成一氧化碳，铁矿石（铁的氧化物）从炉顶缓慢下降，被一氧化碳或碳还原为铁。铁被熔化，经焦炭间隙渗到炉底（所以不能用普通的碎煤炭，会堵住）。

　　普通煤炭如何变成焦炭呢？首先中温干馏为半焦。然后磨粉，掺细煤泥，高压锤成型，再高温干馏为焦炭，即具有强度。

　　渗到炉底的铁水中含有很多炉渣和杂质——硅、硫、磷会使铁变脆，需设法脱除；锰、碳则要控制含量，使铁成为钢。

　　二、转炉炼钢

　　高炉铁熔化倒入转炉，吹入空气，将杂质硅、锰、碳氧化释放大量热，使铁水升温，二氧化硅、氧化锰成固体渣脱出，碳成二氧化碳、一氧化碳脱除。

　　转炉的搅拌包括自然对流、气体喷射、机械搅拌等。机械搅拌最简单有效的办法就是直接插入搅拌器，比回转炉、摇炉更好。

　　向炉内分批投入石灰，碱性环境下石灰与硫、磷结合成固体渣脱出。

　　但是空气同时会使氮气、氧气渗入铁水。它们也会使铁变脆。

　　避免渗氮就要使用纯氧。古代没有制冷剂，无法深冷分离空气，可使用化学法——熔融的亚硝酸钠/钾在高压仓吸收氧气变成硝酸钠/钾，再流入减压仓加热释放氧气变成亚硝酸钠/钾，循环制氧。

　　那么氧如何脱除？在钢水倒出前加入少量锰，锰与氧结合成一氧化锰脱出。加入多量，可以获得锰钢。

　　肉眼观察钢水上跳动的“碳花”，可以估算碳含量——如果低了，可以补撒碳粉。

　　于是我们从转炉中获得低锰/高锰+低碳/高碳钢（无锰无碳的熟铁比较软）。不同含量有不同的好处，可以提升硬度、韧性、耐磨性等。

　　常用的有40Cr(碳0.4%铬1%)、45#(碳0.45%)、Mn16（碳1%锰16%，高锰钢）、65Mn(碳0.65%锰1%，弹簧钢)等。前2者可造钢管、齿轮、轴承等。

　　高锰钢可作为采矿挖掘设备、铁轨等，弹簧钢可制造弹簧等，16~22Mn（碳0.16~0.22%、锰1%）钢可用于制造高压锅炉(高压蒸汽机的核心)。

　　三、钢铁浇铸

　　我国唐朝就有了砂模铸造工艺。地上放个模型，用木框围住，砂混粘土倒入、捣实、刮平，然后上下翻转，模型底面即在表面露出。

　　在模型底面上立一根木棒，砂泥表面撒上干砂，木框上面再放同样的木框，砂混粘土倒入、捣实、刮平，木棒周围用铁丝捣出气孔，拔出木棒形成浇铸孔，取走上框。

　　将模型从下框中拔出来——如果模型复杂不便拔出，就使用蜡模型，加热熔出。如果希望在模型中留孔，可以在锡铜棒上涂耐火料插入蜡模。

　　将上框放回，浇铸孔中倒入铁水，空气从气孔排出，稍冷却后打碎砂土。将铸件保温在几百度，锡铜合金棒缓慢熔化流出，铸件即成。

　　铁模铸造工艺可用于快速铸炮。在铁模具上涂刷耐火材料再行浇铸，内模留水冷孔，外模保温。可使炮筒内壁先冷却硬化，外壁后冷却收缩，炮身即紧固。

　　四、热锻

　　浇铸后，钢的性能尤有不足——要提升性能，首先需要趁热打铁，即热锻。

　　热锻有很多好处——可以改变形状、增加抗断裂韧性等机械性能。

　　如果要锻造圆钢棒，可以使用轮转锻机——用2个或4个锤头沿螺旋线对向锤锻。

　　手工锻造钢管，需要把钢条趁热卷在芯棒上，卷成管后把芯棒抽出。此工艺称锻焊。

　　机械锻造钢管，需要把圆钢棒放在穿孔机上，外壁用多根轧辊挤压、转动、推进，内壁则使用水冷顶头装在顶杆上穿孔。顶杆、顶头中自然要有水管道和喷水孔。

　　热穿孔的顶头材质很重要，需使用热作模具钢——有很多种配方，这里我们可以使用ZG20Cr2Ni4钢铸造——碳0.2%，铬2%，镍4%。

　　四、冷锻

　　冷锻包括冷模锻、冷挤压、冷镦等。冷锻自然需要使用冷作模具钢了，型号有Cr12、9Mn2V、CrWMn等等。

　　要制造钢筋、无缝钢管、液压传动管等承压件，需经过冷拔（冷挤压的一种）处理。

　　冷拔是什么意思呢——我们从钢筋说起，首先用9Mn2V造出带圆孔的模具。将热锻后的圆钢棒强行插入比它细的孔中，从另一头拽住强行拉出来，钢筋就变细了——但是更硬了，弹性下降，硬度提高。

　　如果要拉钢管，通常需要在钢管中插入稍细的芯棒，插入模具孔中，固定芯棒，把钢管从另一头拉出来。钢管受到模孔和芯棒的双重挤压，硬度提升，且内外表面都被挤压到了标准尺寸，精度极高。

　　通常使用的就是这种短芯棒拔制。当然还有长芯棒、无芯棒、扩拔等工艺，不再详述。

　　若一次冷拉不能成型，可以回火去除应力，多次冷拉——最终可以拉成注射器针头。

　　冷镦工艺（即把钢柱砸短）可用于制造螺钉、螺栓、钢钉、铆钉、钢球、轴承圈等。

　　轮转锻机在热锻后可以继续进行冷锻，其后再钻孔，用于制造高强度炮管——比冷拉工艺的强度更高。

　　后面还有热处理、表面处理、磨削加工、切削加工等，比较容易理解，这里不再赘述了，有兴趣的可以去问问度娘。

　　感谢您的阅读！虽然我赶脚大多人没耐心看完（滑稽）