上一期中我們結(jié)合無(wú)機(jī)材料的發(fā)展說(shuō)了說(shuō)工業(yè)窯的發(fā)展史，這一期我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)工業(yè)爐的發(fā)展歷程，如果說(shuō)工業(yè)窯的發(fā)展與無(wú)機(jī)材料分不開(kāi)的話，工業(yè)爐的發(fā)展就不得不再次提一下鋼鐵行業(yè)了。

關(guān)于金屬冶煉，*早的考古發(fā)現(xiàn)認(rèn)為是在公元前7000年，這一時(shí)期屬于新石器時(shí)代晚期，但是已經(jīng)有部分銅器開(kāi)始冶煉，在西方考古界稱之為銅石時(shí)期。這一時(shí)期一般采用坩堝進(jìn)行煉銅采用木炭作為還原氣氛，但是由于坩堝內(nèi)溫度和還原氣氛的原因，只能煉出少量銅渣，需要對(duì)這些銅渣進(jìn)行分揀才能使用。這些銅渣需要進(jìn)行鍛打才能形成銅器這一時(shí)期使用的銅器為純銅。到了公元前4000年，出現(xiàn)了用于煉銅的碗式爐，同時(shí)質(zhì)地更硬的銅合金開(kāi)始登上歷史舞臺(tái)。煉銅工藝*先出現(xiàn)在中東地區(qū)，隨后傳入中國(guó)，中國(guó)的煉銅遺跡發(fā)現(xiàn)與公元前2000-3000年前，由于這時(shí)期銅合金的技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達(dá)，所以中國(guó)從石器時(shí)代直接進(jìn)入青銅時(shí)代，沒(méi)有一個(gè)使用純銅的過(guò)渡期。

早期的碗式爐，一般依托小山坡建造，爐壁用石頭堆砌而成。冶煉過(guò)程中在爐內(nèi)直接放入燃料和礦石點(diǎn)火后進(jìn)行冶煉，爐口可以進(jìn)行通風(fēng)。早期碗式爐遺址在以色列提姆納國(guó)家公園，這一時(shí)期的銅制品砷含量較高，因此有一個(gè)專門(mén)的歷史時(shí)期被稱為砷銅時(shí)期。

公元前3000年隨著人類進(jìn)入青銅時(shí)代，銅器的鑄造成為了可能，純銅的熔點(diǎn)在1100℃左右，但是青銅熔點(diǎn)只有950℃，以當(dāng)時(shí)的冶煉能力，*可以將青銅熔化做成銅水。這時(shí)候已經(jīng)出現(xiàn)了坩堝爐和鼓風(fēng)系統(tǒng)，

   這是古埃及的一副壁畫(huà)，據(jù)考古學(xué)家認(rèn)為左上角那兩個(gè)人，腳下踩著的實(shí)際上是鼓風(fēng)器用于向爐內(nèi)進(jìn)行鼓風(fēng)。在同一時(shí)期的考古發(fā)現(xiàn)中還出土了大量的風(fēng)嘴，用于鼓風(fēng)時(shí)候的氣體分布。但有意思的是在同一時(shí)期幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鼓風(fēng)用的風(fēng)箱，這可能是因?yàn)轱L(fēng)箱一般為皮革制造，難以保存。

現(xiàn)在我們來(lái)說(shuō)一說(shuō)煉鐵，煉鐵這項(xiàng)技術(shù)可能在青銅時(shí)代就已經(jīng)有了，因?yàn)闊掋~的過(guò)程中有時(shí)候會(huì)用氧化鐵作為助劑，因此在爐渣中可能偶然發(fā)現(xiàn)被還原的鐵。但是由于當(dāng)時(shí)的爐溫不足，只有在局部高溫區(qū)可能產(chǎn)生鐵，因此能不能煉出鐵*看人品。在那個(gè)時(shí)代鐵器還是沒(méi)有大規(guī)模使用的。煉鐵的工藝大概在公元前1000年左右成熟，但是由于產(chǎn)量與生產(chǎn)成本的原因鐵器一直沒(méi)有取代青銅器，鐵器取代青銅器的歷史估計(jì)在幾百年左右。同樣的煉鐵這項(xiàng)技術(shù)仍然發(fā)源于中東，*后通過(guò)西域傳到中國(guó)的。

在這里中西方的鐵器技術(shù)發(fā)生了分化，一般認(rèn)為鐵礦石的還原溫度在1200℃，現(xiàn)在認(rèn)為是在靠近風(fēng)嘴的地方燃燒劇烈，可以達(dá)到這個(gè)溫度，但是如果鐵合金內(nèi)含碳量較高的情況下，鐵的熔點(diǎn)只有1150℃，這時(shí)候就形成了鑄鐵，這個(gè)溫度對(duì)于當(dāng)時(shí)的人類來(lái)說(shuō)已經(jīng)不是問(wèn)題了。鐵器的成型分為鍛造與鑄造兩種，我國(guó)似乎走了鑄造與鍛造并行的路線，而歐洲這卻沒(méi)有走鑄造路線。鐵器時(shí)代延續(xù)1000多年，一直到中世紀(jì)前，工業(yè)爐的技術(shù)幾乎沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，碗式爐一直在使用只不過(guò)尺寸越做越大，爐子結(jié)構(gòu)做了些細(xì)微的調(diào)整而已。

但與此不同的是，中國(guó)由于走了鑄鐵這條路線，早早的高爐就出現(xiàn)在中國(guó)。這是非常有意思的，在這里我們對(duì)這點(diǎn)進(jìn)行一下分析，為什么鑄鐵路線有利于發(fā)展出高爐。鑄鐵顧名思義就是可以鑄造的鐵，鑄鐵含碳量較高，熔點(diǎn)低，因此可以熔化后倒模鑄造成型。同時(shí)由于鑄鐵煉出來(lái)的時(shí)候是鐵水，因此可以連續(xù)地從爐中排除，歐洲雖然有豎式爐可以定期排渣，但是其便捷程度不是鐵水可比的。因此相對(duì)于碗式爐是一鍋一鍋的間歇操作，高爐就可以進(jìn)行連續(xù)化操作了。而直到14世紀(jì)歐洲國(guó)家才掌握了高爐技術(shù)。

圖中為古代高爐遺址與高爐基本原理，從反應(yīng)工程角度上來(lái)說(shuō)高爐還是一個(gè)比較有特色的反應(yīng)器，高爐內(nèi)填充著木炭（焦炭）與鐵礦石，整個(gè)高爐內(nèi)，下端溫度高，上端溫度低，下端鐵礦石被還原，并且熔化變成鐵水流出。上端溫度低木炭與礦石呈固態(tài)，隨著反應(yīng)消耗，木炭與礦石下移，這時(shí)候可以從爐頂進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)高爐煤氣從爐頂排除。

高爐出現(xiàn)以后，實(shí)際上并沒(méi)有快速地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碗式爐，這一點(diǎn)非常奇怪，比較可能的原因是歐洲習(xí)慣采用鍛造加工鐵制品，但是鑄鐵的鍛造性能非常差。因此長(zhǎng)期以來(lái)歐洲人仍然熱衷于使用熟鐵，而高爐煉出鑄鐵后歐洲人還對(duì)他進(jìn)行二次煉制，生成熟鐵。直到工業(yè)革命開(kāi)始，鋼材被大規(guī)模地進(jìn)行使用。

工業(yè)革命對(duì)煉鐵*大的影響就是燃料的變化，早期煉鐵的時(shí)候采用的木炭，但是隨著工業(yè)的發(fā)展對(duì)于鐵制品的需求逐漸增加。同時(shí)木炭還有一部分用于民用，因此木炭的短缺在一定程度上限制了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。隨著后期煤炭的開(kāi)始，能否采用煤進(jìn)行煉鐵就成為了一個(gè)新課題。實(shí)際上煤炭熱值雖然低一些，但是通過(guò)改進(jìn)爐型與吹風(fēng)結(jié)構(gòu)還是可以達(dá)到煉鐵要求的。比較頭疼的是煤炭一般含硫，硫?qū)τ阼F基材料來(lái)說(shuō)是有害物質(zhì)。因此需要將煤轉(zhuǎn)化為焦炭，從而誕生了*早的焦?fàn)t。這一時(shí)期高爐也發(fā)生了一個(gè)重大改進(jìn)，我們之前提到的工業(yè)爐，進(jìn)入爐內(nèi)的空氣都是直接鼓風(fēng)的冷空氣，冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)會(huì)降低爐溫，因此后期在高爐前增加一個(gè)空氣預(yù)熱器，將熱空氣送入爐內(nèi)。這樣就可以進(jìn)一步增加爐內(nèi)的溫度。

   土法煉焦非常簡(jiǎn)單，只要把煤炭放進(jìn)一個(gè)坑里然后外面堆上石頭沙子密封，然后點(diǎn)上火讓煤慢慢燃燒就可以了。當(dāng)然這個(gè)工藝只是人類在早期沒(méi)有爐子的情況下使用的，有了焦?fàn)t以后基本上在工業(yè)上使用的就不多了。

同時(shí)，這一時(shí)期歐洲人開(kāi)始接受了鑄鐵的使用，之所以出現(xiàn)在這種情況與戰(zhàn)爭(zhēng)有關(guān)。大炮的炮管是無(wú)法鍛造的，只有采用鑄鐵澆筑，這使得歐洲開(kāi)始進(jìn)行鑄鐵加工。同時(shí)對(duì)于熟鐵，很快的就出現(xiàn)了其優(yōu)良的替代品那就是鋼。而隨著煉鋼的過(guò)程，工業(yè)窯爐開(kāi)始了進(jìn)一步的發(fā)展，這個(gè)就留給我們下回分解吧。

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