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从铁矿石到钢材

抓住那个阿斗 | 作者:非渔之鱼 | 更新时间:2016-11-21 01:21:04
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  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)
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