
有关生铁熟铁还有钢,其实都是铁碳合金,区别在于含碳量的多少。这几种合金中,人类最早得到的是熟铁,方法是用铁矿石在一定温度下和一氧化碳(古时候一般通过在炉子里燃烧木炭得到)进行还原反应,从而得到铁。这种方式得到的铁含碳量小,而且整个炼制过程中,铁都没有融化(纯铁的熔点在1535度,在古代,人们几乎不可能得到这样的温度),以赤铁矿为例(主要成分是三氧化二铁),在还原反应中,它的三个氧原子变成了最终产物二氧化碳,所以最终得到的铁上面满是气孔,形状像海绵,所以又叫海绵铁。
铁矿石并不是纯净的三氧化二铁,所以海绵铁中,有时候也会有其他的渣滓,这些就需要通过锻打,将渣滓从熟铁中挤压出来。这样最终得到的海绵铁纯度很高,同时也相对很软,这就是熟铁。
熟铁的延展性好,但是不够硬,比如说如果做成刀剑,也许砍几下整个刀就弯了(不过处理起来也简单,用脚踩一下就直了),所以很多时候不好用。这时候就需要采用采用各种渗碳工艺了。这个很复杂,就不多说了。总之就是通过渗碳的方式,逐渐增加熟铁中的碳含量,从而最终得到合适的强度的钢。因为渗碳的流程复杂,耗时耗力,所以古代获得高品质的钢是非常困难的。不过靠着渗碳法,钢成为了人类得到的第二种碳合金。钢的硬度韧性俱佳,是用途最为广泛的铁碳合金。
至于生铁,那是后来高炉出现后,在高炉中温度得以上升,足以融化碳含量较高的铁碳合金也就是生铁(生铁的熔点较低)在生铁融液中,渣滓会浮起,而生铁就通过高炉的放铁口以液态放出,这样生产起来就非常方便,使得铁的大规模生产成为可能。
但是生铁的性能不太好,虽然硬,但是脆,而且无法锻打处理。所以获得生铁之后,其中很大一部分还是要进一步炼成钢,或者熟铁。在古代,就是所谓的炒钢法。整个过程相对复杂,我就不多说了。总之,炒钢法虽然能直接得到钢,但是很难控制,而且钢中会夹有很多的杂质,需要通过反复锻打来消除,而锻打柔软的熟铁来排除杂质,显然比锻打钢来排除杂质方便。所以炒钢的时候,常常会直接将生铁炒成熟铁,然后再通过锻打排除杂质,通过渗碳法得到钢。因为这个规程需要反复锻打,所以这样得到的钢,就是古代所谓的百炼钢。
而放在现在,则是通过铁水在炼钢炉中通入氧气燃烧掉多余的碳从而直接得到钢,在这个过程中还会加入一些造渣剂什么的,让杂质在钢水中结渣,并漂浮到钢水的表面,从而被去除掉,这样就能得到相对纯净的铁碳合金了,而通入氧气燃烧的时间的长短,则决定了最终产品的含碳量的多少。这样通过这一过程,几乎就可以用同一设备,同一流程生产各种碳含量的铁碳合金(钢或者熟铁)。
当然这样得到的钢,所含杂质还是有不少的,只能称之为粗钢,如果需要性能更好的钢材,那就又还需要一系列的精炼流程,比如电渣重熔什么的。
至于用途,生铁用于铸造。适用于制造那些对于硬度和耐磨要求高,对于韧性要求不高的东西。至于熟铁,用于一些对硬度没啥要求,对韧性有要求的东西,在生活中嘛,家里最常见的精铁锅,就是熟铁的。此外采用直接还原法生产的海绵铁(这种方法虽然老,但现在还在用),也常被用于粉末冶金。
