化学告诉你铁是怎样炼成的!

  金属冶炼是把金属从化合态变为游离态的过程。由于金属单质的活泼性不同,冶炼的方法也不同,有:①电解法:电解熔融金属盐,冶炼生成单质的活泼金属(如钠、钙、钾、镁等)和需要提纯精炼的金属(如精炼铝、镀铜等)。电解法相对成本较高,易造成环境污染,但提纯效果好。②还原法:用碳、一氧化碳、氢气等还原剂与金属氧化物在高温下发生还原反应,获得金属单质。冶炼的金属主要有铁、锡、铅、铜等。③用受热分解法冶炼的金属是汞和银。④用物理法筛选的金属是铂和金。

  在古代,炼铁的原料主要是富铁矿石(赤铁矿)。把它与木炭混合后,放在炼炉中点火鼓风,进行冶炼。木炭燃烧,既造成高温,又生成还原氧化铁的一氧化碳。实际上需要的冶炼温度要在1000C以上。按照一般的发展规律,原始的冶铁可能只是利用自然通风或用皮橐鼓风,温度不会太高。生成的铁不致液化,所以产品是半熔融状态的铁块,矿石中的其他未还原物质和岩石类杂质(矿渣)不能离析出来,便与铁形成一个熔块,因此得趁热反复锻打,挤出其中大部分的夹杂物。这种铁就叫做块炼铁。

  生产这种铁费工多,劳动强度大,生产效率也低。但它含炭极低,接近于纯铁,熔点虽高,但质地柔韧,易于锻造加工。随着冶炼技术的提高,人们不断加高炼铁炉的身高,强化鼓风,炼铁炉逐步从地坑式发展成竖炉式,燃烧强度就会加大,产率就会提高。但也引起新的问题,随着冶炼温度的升高,铁中渗入的炭量也会增加,矿石中的硅、硫、磷经过还原后也会渗入铁中,这样便会得到另一品种的铁,即生铁。因含硅、硫、磷等杂质,熔点会降到1150°C左右。固然容易获得铁水,与炉渣可以较好地分离,也便于铸造,而且生铁质地坚硬耐磨。但也出现了严重的缺点,即非常脆,几乎完全失去了锻造的性能。

  我国这两种冶铁工艺在相当长的一段时间里是共存的。块炼铁虽然工效低,但工艺和设备简单,产品又有优良的锻造性能,在炭火中进行渗碳,即可成钢,因而是古代锻造铁和钢的重要原料,它适应了当时社会锻制兵器和工具的需要。自春秋晚期以后,历代的以块炼铁或以它为原料的渗碳钢所锻造的器物几乎都发现了。

  例如大冶铜绿山古矿井出土了锻制铁工具;西安半坡战国中晚期墓葬出土了铁凿;河北易县燕下都出土了各类锻造兵器;河北满城汉墓出土了铁兵器,包括中山靖王刘胜的铠甲(由2859片锻铁甲片缀成),它们都是块炼铁的制品。即使在西汉末期发展出了炒钢技术以后,块炼铁仍然流行,例如北京顺义县东汉砖石墓出土的铁器、陕西唐代懿德太子墓出土的铁剪、北京元大都顺承门外(今宣武门内)出土的长铁刀,还都是用块炼铁(或夹炒钢)锻制的。

  我国古代的生铁则先后发展出了四个品种。白口铁出现最早,江苏六合县程桥出土的铁丸和长沙出土的铁鼎都是典型的白口生铁制品。其中所含的碳以碳化铁状态存在,这种生铁质硬而脆,断口呈银白色。它的优点是耐磨,所以适合制作犁铧之类的农具。我们的祖先很快就给它找到了恰当的用武之地。

  第二种生铁是灰口铁,因为其中含硅较多,而它能促使铁中的碳石墨化。因此小片的石墨使这种铁的断面呈灰色,而基体变成了含碳低的铁,所以其脆性减小。这种铁的铸造性能好,凝固收缩小,适用于铸造较精巧的物品。目前最早的灰口铁出自满城汉墓,是用来制作车.上的锏(轴承)。由于灰口铁中含有石墨片,有一定的润滑作用,所以制作轴承正是它的专长。

  第三种是马口铁,其性能介于.上述两种生铁之间,在铜绿山和满城汉墓都出土了马口铁制品。第四种是韧性铸铁。当把白口铁加热、保温后,缓慢冷却时,其中的碳便会以团絮状石墨析出,而基体相当于低碳钢或中碳钢,这种过程现在叫“退火”,我国古代把这种工艺叫做“柔化处理”,所得的生铁就是韧性铸铁,这是冶金史上的一项重大发明。这种处理技术,我国先民早在战国时期就开始摸索,在两汉至南北朝期间得到了广泛的发展,出土的韧性铸铁器物则不胜枚举。

  历来的生铁主要消耗在铸造各种农具、车具上。另外还有一些别的利用,说来饶有趣味。南宋以后曾用生铁大量铸造炮身,有的炮身长达数米,重量从数百到数千斤不等;西汉中山靖王墓的夹墙里、唐代乾陵墓道的砌石间、著名的隋代赵州桥的石块间原来都浇灌了生铁水,难怪坚固无比,这.种工艺叫做“冶金固隙”;河北沧州后周所造的铁狮子是用10余万斤生铁铸造的;山西晋祠的四个大铁人则是赵宋时的大型生铁铸件;浙江雁荡山能仁寺里的大铁锅,直径达2.2米,注明宋代元祐七年(公元1092年)造,重达27000斤。此外,古代铸造的铁塔很多,泰山有一座明代嘉靖间铸造的铁塔,13层,全高竟达10多米。

  来源:初中化学大师
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