为何百炼才成钢?

 时间:2020-07-15 15:07来源:新华网责任编辑:张焱
  
现代炼钢依靠标准化作业精准把控整个流程,炼钢过程较为高效。但是对古人来说,炼钢就复杂多了。
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为何百炼才成钢?
“百炼成钢”这个成语,通常用来比喻经过长期艰苦的锻炼,变得非常坚强。但是从字面意义上解释,“百炼成钢”是指生铁经过反复锤炼才能成为坚韧的钢。那么,究竟为何百炼才能成钢呢?
 
首先我们要知道钢的主要成分是什么?钢是以铁为主要成分,与碳和其他元素共同构成的合金。根据含碳量,铁可分为生铁和熟铁。生铁含碳量在2.11%至4.5%之间,熟铁含碳量在0.0218%以下,而钢的含碳量介于两者之间(0.0218%至2.11%)。因此,我们可以通过除去部分碳将生铁提纯,或是在熟铁中加入碳的方式,来制造钢。
 
现代炼钢方法主要以生铁为原材料。19世纪下半叶,人们不断尝试,发明了多种炼钢的方法,如贝塞麦转炉炼钢法、西门子平炉炼钢法等。其生产过程基本类似,都是将生铁融化为铁水,然后在铁水中加入一些物质,如氧气、铁矿石等,使其与铁水中的碳发生反应,从而降低铁水中的碳含量,之后再将提纯过的铁水灌入模具,冷却后就制成了钢。
 
现代炼钢依靠标准化作业精准把控整个流程,炼钢过程较为高效。但是对古人来说,炼钢就复杂多了。
 
炼钢的原材料——生铁对古人来说并不易得。铁元素主要以氧化物的形式存在于铁矿石中。要使铁矿石还原为生铁,现代工艺是用焦炭、煤、重油、天然气等燃料在高炉内燃烧,产生大量热量和还原气体,为铁矿石的还原提供必要条件。而古人炼制生铁,通常在相对较低的温度下进行。具体方法是把铁矿石和木炭一层叠一层地放入炼炉中,用低温慢慢焙烧。在这种条件下,木炭发生不完全燃烧反应生成的一氧化碳,就能将铁矿石中的氧化铁还原成铁单质,冷却后形成铁块,就可以获得生铁。这种炼铁方法被称为块炼铁。然而这种方法炼得的铁,铁质较为疏松,还不能正常使用。为改善这一状况,古人发现了高温下通过反复锻打提高铁硬度的方法。
 
我国古代最优质的钢材为百炼钢。百炼钢,顾名思义,就是通过上百次锤炼而成的钢。其过程是把铁加热到一定温度,然后反复锻打,将铁中的杂质物清除,使其组织和成分也在锻打的过程中变得更加均匀、致密。用百炼钢制成的工具性能优异,因此,古代刀、剑常用百炼钢锻制。
 
这些反复锤炼得出好钢的方法反映了古人的智慧。宋代沈括在《梦溪笔谈》中记载:“但取粗铁,煅之百余火,每煅称之,至累煅而斤两不减,则纯钢也,虽百炼不耗矣。”有的时候,可以见到铁匠师傅们在反复锤炼一块烧红的铁之后,会放到冷水里,等冷却后,继续烧红,然后捶打,周而复始,要反复很多次。其中,将烧红的铁放到冷水里冷却的过程叫淬火。淬火的目的是强化钢件,充分发挥钢材的性能,提高其耐蚀性等。
 
本文由北京市海淀区教师进修学校附属实验学校中学一级教师牟丹进行科学性把关。
 
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作者: 刘畅      图片来自网络

 
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