朱头山

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土法炼钢和绿色未来

(2022-09-17 14:18:25) 下一个

中国历史上曾有一个荒唐的事,可以和现在的清零相比较,那就是全民土法炼钢。土法炼钢是发生在1958年底的一场失败的群众运动。在第二个五年计划大跃进时期,中共中央政治局决定,钢产量调整较1957年翻一倍,提出“以钢为纲”的口号,号召全民炼钢。在农村,也修建了土法的炼钢炉,在田间炼钢铁。企图以万马奔腾手段,达成农工生产突破。很多人把家里的锅子、铁器、铁门把手、窗旁的铁框等金属都捐献出来炼钢铁,但由于技术不合规格,是用土高炉,柴火炼,温度不能达到,只是炼出大量的废铁,浪费无数宝贵资源,并对环境造成极大污染。

但这些荒唐的方法,都是所谓的科学家提出来的。中央也曾找专家来评价,甚至找了苏联专家征求意见,但鬼使神差,这些专家都表示支持,也许是经过反右,知识分子都噤若寒蝉,外国人也多一事不如少一事,就像现在的清零政策一样。于是,土法炼钢的小高炉如雨后春笋,在全国遍地开花。1958年底,已有9000万人参与钢铁生产,占当时全国所有劳动人口的五分之二。与此同时,全国各地建造了数百万座土高炉。所谓高炉,就是用粘土和砖头自己搭成炉子,将铁矿石或各种铁质物品来作原料,用山上的木头烧成木炭,将铁里面的过高的碳脱掉,使之含碳量降低而成为钢。

炼钢需要铁矿、焦炭、燃料等材料。由于铁矿不足,于是全民不下田耕作,全都上山采矿,当年大量粮食没能收回,粮食产量大减。由于燃料不足,只好上山伐林,而土法炼钢的主要目的为达成钢铁产量增加一倍的指标,但炼出来的大都是粗钢废铁,远远达不到要求,生产出来的钢含很多杂质,炼出的有很大一部分是没用的铁疙瘩,造成人力、物力、财力的极大损失,但各地却不断虚报生产指标。原有企业的生产能力不断追加投资,致使基本建设规模迅速膨胀,战线越拉越长;商业银行全力支持工业大跃进,以致拆东墙补西墙,打乱了正常的资金流通。这是造成三年后数千万人饿死的惨剧主要原因之一!

因为此事,我想起来研究一下钢铁制造的历史,发现这不但是人类历史的一个重要部分,也和人类的绿色未来有很大的关联。

人类的历史,有按材料和生产方法划分的:(新旧)石器时代,青铜时代,铁器时代,工业时代,信息时.......也并非所有的文明都能经历这些时代,南美的文明最终没有发展到铁器的冶炼和制造,当抵抗西班牙人入侵时,他们的武器是石头做的(Obsidian)。

人类最早使用的金属,都是自然的(如自然金,铜), 自然的钢铁来自于陨石,是一种铁镍合金钢。对我们的祖先来说,这种奇特的合金(陨铁)是来自神明的馈赠。古埃及人称它为biz-n-pt。在苏美尔,它被称为an-bar。两者都可以解释为“来自天堂的金属”。铁镍合金具有一定的延展性,可以根据需要锻造成各种形状而不会碎裂。但这种“靠天收”的钢铁来源十分 有限,使得这种神灵的金属在古代比宝石或黄金更有价值。

待到人类在自己脚下的岩石里找到钢铁,又花了几千年时间。公元前2500年左右,近东的部落成员发现了隐藏在地下的铁金属矿源。它看起来和“来自天堂的金属”十分相像,但有些不同。铁与石头和矿物混合在一起成为铁矿石。提取铁矿石并不像捡起一块自然金,银或铜那么简单,第一批矿工在挖掘矿石之前需要进行仪式,以安抚内心的惶恐。那感觉就好像在开启神明隐藏在地下的宝藏。但是,学会从地球上挖掘铁矿石,只能算是成功了一半。古代人类又花了700多年的时间,才弄清楚如何将铁金属与矿石分开。到那时候,人类才算真正进入铁器时代。

从化学角度,铁矿石中的铁都是以氧化铁的方式存在的。第一步,就需要在高温下(>1200度)使用含碳物质(木材,炭)把铁还原出来

Fe2O3+C---Fe+CO2

上述的产物是生铁,含有2%以上的碳,非常脆,可以当锅但无法当武器,需要降低其中的碳,这个过程叫炼钢。碳降得太低了就成了熟铁,太软了。钢是碳含量在0.2-2%之间的铁,并因含有不同的微量元素而体现不同的性能。炼钢不容易,现代的技术是把氧气,焦炭,生铁,其它元素按一定比例放一起加热,氧气足够氧化出铁里面的碳但不足以氧化铁,有部分氧气被焦炭使用了,据说该法控制碳含量非常精确,虽然是19世纪的技术,但大跃进里的土法还是达不到那个水平的。古代亚洲是把生铁锻打和淬火降碳(不知什么原理),日本制造刀的工艺世界一流,中国也有非常出色的刀具,可惜工艺失传了。西方也多是锻打和淬火,高端的是以下介绍的坩埚技术。古代多地都曾出现过非常出色的炼钢的技术,因为那是决定一个民族生死存亡的绝技,属于决定性的核心技术,可惜因为保密太好,多失传了!

公元前400年左右,印度金属工人发明了一种冶炼方法,恰好将完美的碳量与铁结合。关键是熔融金属的粘土容器:坩埚。工人们将小型锻铁棒和木炭块放入坩埚中,然后密封容器并将其插入炉中。当他们通过风箱中的空气冲击升高炉温时,锻铁熔化并吸收木炭中的碳。当坩埚冷却时,纯钢锭就炼成了。印度铁匠把“乌兹钢”运送到世界各地贩卖。在大马士革,叙利亚铁匠使用这种金属锻造了著名的,几乎是神话般的大马士革刀,据说它足够锋利,可以在半空中切割羽毛(像“权力的游戏”中瓦雷利亚钢铁一样的超级材料)。印度钢铁一直贩卖到西班牙的托莱多,那里铁匠的铁匠用乌兹钢为罗马军队锻造刀剑。这锻造了罗马的霸权!

在整整二千年间,钢铁的制造就停留在一个低水平水平,铁作为农具等工具,而钢作为武器。当武器进入火器时代后,英国使用便宜得多的煤取代木炭,开发出大规模生产钢铁的工艺,当然其中的一部分用做制造枪炮,这成就了大英帝国的霸权!19世纪末期,美国取代了英国,成了钢铁产量最大的国家,也伴随着发明了现代钢铁制造工艺。钢铁变得非常便宜,质量良好,也构成了飞机,汽车,摩天大楼,巨大轮船和坦克,军舰等现代社会构成的物质基础!这也是美国霸权的基础,所以新中国1957年会那么执着于钢产量,以为有了钢就有了一切,这才会有大跃进的荒唐!

到了现在气候问题成了决定人类生死存亡的大事。从前面的化学方程式可以看出,无论炼铁还是炼钢,都会产生大量CO2, 而产热的煤或焦炭,也是排碳大户。据统计,钢铁产业碳排放量占中国2019年总排放量的17%。如何降低钢铁行业的碳排放是绿色事业能否成功的关键之一!

基本的技术思路,一是在炼铁过程中以氢代替碳作为还原剂

Fe2O3 +H2----Fe+H2O

而在炼铁和炼钢的过程中,用电炉而不是煤炭加热,当然这里的电必须是绿色电而不是煤电。另外,尽量使用废钢铁回炉,减少生铁的提炼。以废钢为原料的电弧炉炼钢能够提高二级生产和回收,降低初级钢铁生产造成的排放,同时能够提高灵活性,满足需求波动。

当然,中国的事容易一锅上,就像以前的土法炼钢和现在清零。绿色事业一锅上,比如用的氢是炼焦炭产生的,用的电是燃煤产生的,那只会加重碳排而不是减轻。但事实上,在中国的体制下,这是很可能发生的!

 

 

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评论
朱头山 回复 悄悄话 回复 'lurenjia2014' 的评论 : 是的,现在的技术是把氧气,焦炭,生铁,其它元素按一定比例放一起加热,氧气足够氧化出铁里面的碳但不足以氧化铁,有部分氧气被焦炭使用了,据说非常精确,已经是19世纪的技术了。古代亚洲是把生铁锻打和淬火去碳(不知什么原理),日本制造刀的工艺世界一流。西方是以上介绍的坩埚技术。
lurenjia2014 回复 悄悄话 现在据说是往钢水里喷氧气来消除过多的碳元素。具体我也不清楚,氧气和碳元素结合的时候,不也可以和铁结合,把铁氧化吗?
八哥 回复 悄悄话 有大道理
irisin2021 回复 悄悄话 中国知识分子几十年挨整受迫害,他们本身具有的骨气早就没了。党把知识分子搞得服服帖帖,全世界任何人,党派都做不到。骨气没了,但学术不会没有,除四害,大炼钢铁,大跃进,清零都是反科学的,这种科学常识中国科学家是明白的。
TexasIns02 回复 悄悄话 寫的很詳盡易懂,謝謝
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