李大牛疑惑道:“铁水里面的碳是怎么去掉的呢,什么原理?”
王初仁道:“具体就是炒钢过程中,生铁水中的碳在高温条件下与氧气、铁矿粉发生氧化反应,将一部分碳去掉了,但是我们控制不了时间和反应程度,铁水里的碳被大量去除,所以就成为了熟铁。”
“而大家使用的灌钢法其实就是将生铁中的高碳与熟铁中的低碳中和,就得到了含碳量适中的钢”。王初仁继续道。
众人听后恍然大悟道:“多谢大人解惑,以后我们就不会只知其然而不知所以然了。”
李大牛突然激动道:“大人,也就是说,如果我们能够控制炒钢的程度,就能直接得到高碳钢、中碳钢、低碳钢?”
王初仁想当然道:“理论上是这样的,但是很难,需要精准控制反应的时间。”
李大牛道:“小老儿们会慢慢研究的。”
王初仁不想在这里浪费时间,直接道:“现在我要和大家说一种新的炼钢方法,叫做坩埚炼钢。”
众人不解道:“何谓坩埚炼钢?”
王初仁摸着下巴耐心的解释道:“所谓的坩埚炼钢,就是用将熟铁放置于烧好的坩埚中,再将坩埚放置于炼铁炉,由于坩埚具有很好的导热性和保温性,能将熟铁熔化为熟铁水。”
李大牛不解道:“这就成了钢水吗?”
王初仁道:“请听我慢慢道来!”
“前面说到了,熟铁中由于生铁水经过炒钢导致含碳量过少成为熟铁,而固态的熟铁是没有办法均匀吸收碳,需要将熟铁熔化为铁水才能很好的吸收碳,当熟铁在坩埚中熔化为熟铁水之后,极热的的熟铁水与坩埚接触,坩埚的成分中含有大量的碳精,所以熟铁水就能均匀吸收坩埚石墨中的碳。”王初仁一口气将坩埚炼钢解释完毕后喝了一口茶。
“何谓坩埚”?刘金锤问道。
“坩埚乃是用石墨和粘土按照七比三的比例混合搅拌均匀烧制而成,石墨也是碳的精华,所以坩埚中含有大量的碳精,能够补偿熟铁水中缺少的碳,熟铁均匀吸收了碳之后就成了钢。”王初仁道。
李大牛等人听后很是震撼,这种方法和原理打破了他们的认知,也让几千年来的炼钢技术有了质的飞跃。
于是激动道:“大人,你口中的坩埚可好烧制?”
“烧制瓷器、陶器总有人会吧?大概原理就是这个。”王初仁道。
“我们黄甫川堡内的泥瓦匠会烧制瓷器”。此时李大牛已经是激动得说话颤抖了。
坩埚炼钢法是1742年由英国人亨茨曼发明,他的发明是人类第一次得到液态钢水,人类从此有了新的炼钢方法,相较于灌钢法,坩埚炼钢不仅可以在坩埚外面加热,铁料继续吸收石墨中的碳而熔化成为高碳钢水,浇铸成小锭后锻打成所需的形状。钢在坩埚中熔化时,石墨碳还能起还原剂作用,将钢水中多余的氧、二氧化硅等杂质去除,所以坩埚炼钢得到的钢质量非常高,可以用来作各种工具钢,就比如说熟铁枪管的麻花钻、高性能弹簧、滚珠轴承等,麻花钻和滚珠轴承在使用高碳钢之后,使用寿命增加,轴承和麻花钻能够承受更高的转数。
但是坩埚炼钢有个缺点就是无法大规模生产,成本高,值得一提的是,在平炉炼钢法发明以前,一直是最先进的炼钢法。
在中国古代是不缺石墨的,文人的笔墨纸砚中的墨就是石墨制造的,所以,原料是不缺的。
石墨坩埚制造烧制也不复杂,将粘土和石墨加水混合制作成一个半开口的空心圆柱,上面加一个盖,并留有观察孔,便于观察和捞出杂质。
石墨坩埚制作好之后,阴干后将其放入200多度的窑中预热和烘烤,将石墨坩埚中的残余水分去掉,此时的窑口天窗是不能关闭的,缓慢加热,防止坩埚起裂纹和爆炸。
之后缓慢加热窑温,但是也不能过快,否则仍然会让坩埚爆炸;窑温逐渐加热到八百多度,此时坩埚中的石墨与三氧化二铝和二氧化硅形成的结晶物连接并凝固。
最后再用高温烧制,温度需要一千一百多度,前面坩埚形成的固化物逐步向莫来石转化,石墨和熟料被固结形成一个具有一定机械强度的整体,此时石墨坩埚就成功烧制了。
石墨坩埚烧制温度控制很重要,特别是前期,但是在王初仁向工匠们普及了火焰颜色之后利用火焰的颜色来控制其温度,让窑工烧制石墨坩埚变得容易起来,窑工们在王初仁传授砌大致方法之后第二窑就得到了十多个石墨坩埚成品。
王初仁在得到石墨坩埚烧制成功的消息后,就马上放下了手上的事情兴冲冲的来到了炼铁炉旁边。
炼铁炉里面放置了五个石墨坩埚,坩埚里面各放了五十公斤切成小块的熟铁,坩埚加盖之后就开始加焦炭加热坩埚,为了保持炉温,将炼铁炉上方出口也封闭了大部分。
炉子在焦炭和鼓风的作用下,温度逐渐升高,火焰颜色慢慢变化着。
坩埚在高炉温下快速变热并逐渐变红,炙热的热量慢慢开始熔化熟铁,一段时间后,将观察孔打开,里面的熟铁已经全部被熔化为熟铁水,王初仁和众位工匠正在兴奋地看着熟铁汲取坩埚中的碳,慢慢变成低碳钢、中碳钢、高碳钢。
一个工匠将坩埚盖撬开,另一个工匠用工具将熟铁水上方漂浮的渣子捞出,将熟铁水中还原而出的硅捞出,让炼得的钢水质量更高,工匠在炙热的气浪炙烤下满头大汗。
刘金锤兴奋大吼道:“熟铁融化了、熟铁融化了,我们得到钢水了,神技啊!”其余工匠也是兴奋得脸红脖子粗地大吼。
“困惑老祖宗上千年的难题居然被大人解决了,大人真乃天神下凡,鲁班再世啊!”
有工匠落泪道。
将渣子捞出,直至熟铁水不再析出渣子后,停止加入焦炭,待其慢慢冷却,接下来就是慢慢冷却的过程了。王初仁回到操守府休息去了,至于李大牛等,说什么也不愿意回去,说是要见证这伟大的时刻,王初仁也不管这几个炼钢狂魔了,独自回去了。
次日,用钳子将还在冒着热气的坩埚钳出放到地面,王初仁和李大牛各自拿着锤子“铛铛铛”的几下就将坩埚砸烂,将碎渣清扫后,剩下的就是五团钢锭了,李大牛用锤子用力砸了钢锭几下,几位工匠围拢仔细观看,钢锭表面几乎没有凹陷,有轻轻敲击了几下,听了听声音。
“真的是钢,真的是钢,还是好钢啊,我们成功了!”众位工匠激动道,一些工匠甚至跪下流下了老泪,让王初仁看得一阵唏嘘。