傳統(tǒng)坩堝煉鐵產(chǎn)品與工藝過(guò)程研究

劉培峰 潛 偉 李延祥

(1.南京信息工程大學(xué)科學(xué)技術(shù)史研究院，南京 210044；2.北京科技大學(xué)科技史與文化遺產(chǎn)研究院，北京 100083)

1 研究背景

坩堝煉鐵是山西在明清、民國(guó)及更早時(shí)期廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)煉鐵技術(shù)。由于生產(chǎn)歷史久、技術(shù)傳播遠(yuǎn)、產(chǎn)品銷(xiāo)售廣，山西鐵的品質(zhì)一直是傳統(tǒng)手工業(yè)中評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。在明代，王崇古所上《酌許虜王請(qǐng)乞四事疏》中有“潞鍋生粗，炒煉倍折”[1]的記載，茅元儀在《武備志》中也提到“制威遠(yuǎn)炮用閩鐵，晉鐵次之”[2]。清代學(xué)者康基田在《晉乘搜略》中強(qiáng)調(diào)“晉鐵多鋼”。曾任山西巡撫的清末實(shí)業(yè)家張之洞則說(shuō)“晉鐵并非不善，特煎煉未精”。[3]德國(guó)著名地理學(xué)家李?；舴以谡{(diào)查報(bào)告中寫(xiě)道 ：“山西生產(chǎn)的鐵，品質(zhì)很高，若歐洲鐵與土鐵價(jià)格相同，中國(guó)人是愿意用山西熟鐵而不用進(jìn)口的歐洲鐵。”[4]

山西坩堝鐵的質(zhì)量到底如何？要回答這一問(wèn)題必須對(duì)坩堝煉鐵工藝過(guò)程的冶金原理及其產(chǎn)品進(jìn)行科學(xué)的檢測(cè)分析。坩堝煉鐵不同于豎爐煉鐵的內(nèi)熱法，采用的是外熱法(圖1、圖2、圖3)，燃料在坩堝外，礦石、還原劑在坩堝內(nèi)，熱量通過(guò)耐火土制成的坩堝壁傳導(dǎo)進(jìn)入內(nèi)部提供還原必須的熱量，坩堝內(nèi)部的碳起到還原劑、滲碳劑的作用。坩堝煉鐵法主要分為一步法和兩步法兩種類(lèi)型 ：一步法是經(jīng)過(guò)一次性冶煉把坩堝內(nèi)的礦石還原為鐵，而且渣鐵分離較好；兩步法是經(jīng)過(guò)兩次在不同的坩堝內(nèi)完成礦石的還原，實(shí)現(xiàn)渣鐵基本分離[5]。

圖1 坩堝煉鐵爐[6]

圖2 坩堝爐截面圖(根據(jù)丁格蘭記錄[7]作圖)

圖3 坩堝爐剖面圖(根據(jù)丁格蘭記錄[7]作圖)

我們?cè)谔镆罢{(diào)查中采集到了部分坩堝鐵樣品可以代表一步法不同情況下生產(chǎn)的產(chǎn)品，其中陽(yáng)城縣北安陽(yáng)遺址所出的半球狀鐵塊是爐況較好時(shí)冶煉出的產(chǎn)品，沁水縣探花溝遺址找到的餅狀小塊鐵是爐況不佳時(shí)生產(chǎn)的，澤州縣冶底村采集到的個(gè)離鐵是坩堝鐵中的次品。本文擬對(duì)這些樣品進(jìn)行科學(xué)分析，并與前人的研究成果相結(jié)合，從而更加全面地認(rèn)識(shí)坩堝鐵的成分特征。目前，我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)兩步法生產(chǎn)的坩堝鐵樣品，前人文獻(xiàn)中找到的相關(guān)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以作為參照，了解這種冶煉方法的產(chǎn)品及兩步之間的成分變化。

2 坩堝鐵實(shí)驗(yàn)分析

鋼與鐵有各種不同的分類(lèi)方法和標(biāo)準(zhǔn)，單就含碳量而言也有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中把以鐵為主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料稱為鋼；按照碳含量的高低可以把鋼分為低碳鋼(C<0.25%)、中碳鋼(0.25%0.60%)。[8]以往的分類(lèi)中又把碳含量低于0.2%的低碳鋼稱為熟鐵[9]。冶鐵史研究傳統(tǒng)中采用后一種分類(lèi)方法，本文亦然。這種現(xiàn)代分類(lèi)方法與傳統(tǒng)冶鐵的術(shù)語(yǔ)有一定差別，其中最為主要的是關(guān)于鋼的概念。傳統(tǒng)工匠把能夠蘸火(淬火)的中、高碳鋼稱為鋼，把含碳量低于0.25%的低碳鋼統(tǒng)稱為熟鐵。由于以上不同的分類(lèi)方法和標(biāo)準(zhǔn)，在古文獻(xiàn)、近代調(diào)查報(bào)告和現(xiàn)當(dāng)代研究論文中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)相互矛盾甚至以訛傳訛的現(xiàn)象，本文試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析、理論推測(cè)和實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法對(duì)山西傳統(tǒng)鋼鐵品質(zhì)進(jìn)行一定的區(qū)分。

2.1 一步法坩堝鐵實(shí)驗(yàn)分析

陽(yáng)城縣北安陽(yáng)坩堝鐵塊整體呈半球形，高9.8厘米，上部圓面直徑為13.8厘米，圓形截面表面不平整，粘有爐渣，局部有孔隙，比重為6.59克/厘米3。上部圓面(圖4)是與上部爐渣接觸的面，有鐵滴形成的突起，中間較少，邊緣較多。這是由于冶煉過(guò)程后期爐溫降低，坩堝內(nèi)受熱不均，靠近坩堝壁的部分溫度較高，中間溫度低，所以中間的鐵滴從渣中流下已經(jīng)較少，而邊緣仍然可以滴下。

圖4 北安陽(yáng)坩堝鐵(徐國(guó)龍?zhí)峁?上部圓面

圖5 北安陽(yáng)坩堝鐵切開(kāi)后兩半比較

通過(guò)線切割從其中部切出0.5厘米厚的切片，切割后形成的兩半在切面外形上有一定區(qū)別(圖5)。一半孔隙較少，主要集中在中上部，最大的孔隙截面積為1～2.5厘米2，最小的直徑約為0.5厘米；另一半孔隙較多，幾乎遍布整個(gè)切面，最大截面積為1.5～3.5厘米2，最小的直徑約為0.5厘米。從較大孔隙中能觀察到熔融狀態(tài)的鐵。

大塊的坩堝鐵內(nèi)部有較多而且較大的孔隙，說(shuō)明當(dāng)時(shí)的冶煉溫度不高，沒(méi)有達(dá)到鐵完全熔化的程度，局部還處于熔融態(tài)，所以在內(nèi)部留有一定的空隙。而且，每一半的內(nèi)部也不均勻，上部氣孔多而大，下部少而小。根據(jù)高爐內(nèi)部溫度分布的原理分析，造成這種狀態(tài)的原因是 ：坩堝爐內(nèi)的燃料主要在底部，與底部燃料靠近的坩堝底部溫度就高，更多的鐵成為液態(tài)；爐內(nèi)溫度不均，坩堝內(nèi)溫度受影響，有高有低，局部液態(tài)鐵多一些。

坩堝鐵中間切片對(duì)整體的性質(zhì)更具代表性。在切片的中上邊緣(圖6中1)取樣可以代表靠近坩堝壁的部分，中部(圖6中2)取樣代表整個(gè)鐵塊中心部分，底部(圖6中3)代表離下部燃料最近的部分。對(duì)以上三個(gè)樣品進(jìn)行金相分析(表1)和化學(xué)分析(表2)。

圖6 北安陽(yáng)坩堝鐵切片取樣部位

編號(hào)取樣部位金相說(shuō)明YBT 01中上邊緣亞共晶白口鐵YBT 02中上部亞共晶白口鐵YBT 03底部亞共晶白口鐵

表2 北安陽(yáng)坩堝鐵化學(xué)分析

從金相分析來(lái)看，三個(gè)樣品大體相同，由萊氏體和珠光體組成，屬于亞共晶白口鐵?；瘜W(xué)分析結(jié)果顯示三個(gè)樣品之間的主要成分變化較小。把該鐵塊碳含量與鐵碳相圖相對(duì)照，含碳量2.13%～2.35%的鐵在1147℃開(kāi)始熔化，達(dá)到1350～1400℃時(shí)成為液態(tài)，由此推測(cè) ：該鐵塊在冶煉過(guò)程中局部達(dá)到或超過(guò)了1350～1400℃，成為完全的液態(tài)，生成較為均勻的鐵；在1147～1350℃這一區(qū)間時(shí)就會(huì)形成熔融態(tài)的鐵，中間會(huì)留有孔隙。與陽(yáng)城縣北安陽(yáng)坩堝鐵塊不同，沁水縣冶內(nèi)村探花溝冶鐵遺址發(fā)現(xiàn)的兩塊坩堝鐵都比較小，在當(dāng)?shù)乇环Q為次等鐵。通過(guò)測(cè)量，它們的比重分別為5.10克/厘米3、5.74克/厘米3，低于陽(yáng)城坩堝鐵的比重(6.59克/厘米3)，說(shuō)明其中含有較多雜質(zhì)。對(duì)其進(jìn)行金相分析(表3)和化學(xué)分析(表4)。

表3 探花溝坩堝鐵金相分析

表4 冶內(nèi)坩堝鐵化學(xué)分析

樣品(表3)QTT 01的金相組織以珠光體為主，局部沿珠光體晶界分布有二次滲碳體，屬于過(guò)共析鋼。樣品QTT 02與陽(yáng)城縣北安陽(yáng)坩堝鐵相同，局部出現(xiàn)了萊氏體組織，是亞共晶白口鐵。化學(xué)分析結(jié)果(表4)與金相分析相符，說(shuō)明兩塊鐵的碳含量在2.0%左右，如果不考慮其他因素，QTT 01可以稱為鋼，QTT 02是鐵。

以上是較為理想的冶煉狀態(tài)，會(huì)生成渣鐵分離較好、比較純凈的鐵。如果坩堝受熱不均，特別是中上部溫度不夠，就會(huì)產(chǎn)生上下都有鐵的情況。由于溫度是從下部開(kāi)始升高，當(dāng)中下部出現(xiàn)液態(tài)鐵，實(shí)現(xiàn)渣鐵分離之后，中間形成了渣層。處于爐子邊上的坩堝，上部溫度低，渣、鐵軟化、聚集，但很難達(dá)到液體狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)渣鐵分離，于是上部形成的鐵不能穿透中部粘性的渣層，只能在局部凝結(jié)成不規(guī)則的小塊鐵，當(dāng)?shù)厝朔Q之為“個(gè)離鐵”。在澤州縣冶底村調(diào)查時(shí)找到了坩堝上部的個(gè)離鐵，對(duì)其進(jìn)行金相分析(表5)和化學(xué)分析(表6)。

表5 冶底個(gè)離鐵金相分析

表6 冶底個(gè)離鐵化學(xué)分析

樣品ZYT01(表5)金相組織為片狀珠光體，屬于共析鋼。通過(guò)化學(xué)分析(表6)可知其碳含量為0.64%，屬于高碳鋼。樣品ZYT 02金相組織為珠光體和沿晶界呈網(wǎng)狀分布的二次滲碳體，判斷為過(guò)共析鋼，其理論含碳量為0.8%～2.0%，同樣屬于高碳鋼。在金相圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)樣品中都夾雜有大量渣塊，尤其是ZYT 02，說(shuō)明這種鐵更加不純凈，所含雜質(zhì)更多。

前輩學(xué)者曾對(duì)晉城坩堝鐵進(jìn)行了科學(xué)分析，其中較早的記載在丁格蘭所著《中國(guó)鐵礦志》中(表7)，是1915年農(nóng)商部實(shí)驗(yàn)室對(duì)(澤州縣)大陽(yáng)生鐵所做的分析。

表7 《中國(guó)鐵礦志》中大陽(yáng)坩堝鐵成分[7]

20世紀(jì)50年代，范百勝對(duì)晉城兩個(gè)地方的坩堝鐵做了成分分析(表8)。

表8 范百勝文中晉城坩堝鐵成分[10]

從以上分析中的碳含量來(lái)看，一步法坩堝煉鐵主要產(chǎn)品的碳含量在1.30%～2.46%，低于普通生鐵，8個(gè)樣品中有兩個(gè)屬于高碳鋼，其他6個(gè)屬于生鐵(亞共晶白口鐵)。在兩個(gè)高碳鋼樣品中一個(gè)屬于渣鐵分離不好的(冶底)個(gè)離鐵，另一個(gè)屬于含鐵量較高的正常產(chǎn)品(晉城鐵廠)。由此可見(jiàn)，坩堝煉鐵產(chǎn)出高碳鋼是較為常見(jiàn)的。形成這種特點(diǎn)的主要原因 ：一方面是坩堝本身沒(méi)有足夠的高度來(lái)形成較長(zhǎng)的液態(tài)滴落帶，熔融態(tài)的鐵在向下滴落的過(guò)程中與固體碳接觸的較少，所以滲碳不足；另一方面是由于坩堝爐保溫能力差，大量的熱散失，而且坩堝內(nèi)的熱量主要是通過(guò)輻射和傳導(dǎo)進(jìn)入，根據(jù)坩堝在冶煉中的應(yīng)用原理，內(nèi)外有一定溫差，內(nèi)部低于坩堝外部的溫度，且溫度分布不均勻，就會(huì)出現(xiàn)鐵塊整體碳含量低，局部更低。

從硅含量來(lái)看，坩堝鐵整體高于木炭豎爐冶煉的生鐵硅含量(<0.21%)，部分樣品的化學(xué)分析中出現(xiàn)非常高的值(如《中國(guó)鐵礦志》中的樣品和冶底個(gè)離鐵)。由于礦石的脈石與煤炭灰分中的SiO2是高度穩(wěn)定的化合物，它的生成熱高，分解壓力低，很難還原，一般只能在高溫區(qū)以碳進(jìn)行直接還原，而這一反應(yīng)的開(kāi)始溫度是1400～1500℃[11]，在坩堝中很難達(dá)到這一條件，所以，化學(xué)分析中的硅并不是經(jīng)過(guò)還原進(jìn)入鐵中的。真正的來(lái)源應(yīng)該是鐵中的雜質(zhì)，因?yàn)檑釄彖F冶煉溫度普遍較低，渣鐵分離不好，鐵中還夾有部分渣，而渣中的硅含量較高。上述樣品的比重普遍低于白口鐵的標(biāo)準(zhǔn)比重(7.2克/厘米3)是由鐵中的爐渣和空隙造成的。

坩堝鐵中的硫、磷含量較高。磷主要來(lái)自礦石，這與當(dāng)?shù)氐蔫F礦成分有關(guān)。硫含量較高則是由坩堝中的還原劑和滲碳劑決定的，在晉城主要使用黑土(風(fēng)化煤)，有時(shí)也摻入部分白煤(無(wú)煙煤)，雖然其中的硫含量已經(jīng)得到控制，但與木炭豎爐冶煉的生鐵硫含量(<0.1%)相比還是較高。

2.2 兩步法坩堝鐵實(shí)驗(yàn)分析

清末，美國(guó)學(xué)者瑞德(Thomas T. Read)對(duì)陽(yáng)泉兩步法所煉產(chǎn)品進(jìn)行了硫、磷含量分析(表9)，發(fā)現(xiàn)各地含量差別較大，總體都較高。他沒(méi)有測(cè)碳含量，其文中描述這種鐵并非生鐵，而是含碳量非常低的可鍛鐵。[12]

表9 瑞德所測(cè)陽(yáng)泉坩堝鐵化學(xué)成分[12]

丁文江在調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)陽(yáng)泉各地所產(chǎn)鐵的硫磷含量變化較大，他做出這樣的解釋 ：

各處礦質(zhì)或?yàn)椴煌?，如含磷質(zhì)太多，則宜于生鐵而不宜于熟鐵。梭爾格在盂縣時(shí)，聞壽水以北之礦，宜于熟鐵，且煉生熟鐵各有區(qū)域，毫不相混，如鐵路以北蔭營(yíng)、河底、山底、中佐村專煉生鐵，楊家莊、侯家溝、楊家溝(屬盂縣)專煉熟鐵。鐵路以南則東溝為生鐵之中心，黎林頭、鎖簧專煉熟鐵，樂(lè)平縣則所有鐵爐幾無(wú)不煉熟鐵者。[13]

由于磷與鐵組成磷化鐵(Fe3P)，其熔點(diǎn)非常低，因而生鐵中因?yàn)橛辛椎拇嬖诙埸c(diǎn)降低，流動(dòng)性增加，特別是在澆注溫度較低的情況下，此種性能極為重要，同時(shí)磷含量增加會(huì)使鑄件因收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力提高，從而降低沖擊韌性，增加冷裂傾向[14]。因而，含磷較多的鐵利于鑄造而不利于鍛造，陽(yáng)泉地區(qū)的工匠認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并合理利用之。

1943年日軍調(diào)查組對(duì)武鄉(xiāng)縣蟠龍鎮(zhèn)附近的兩步法坩堝煉鐵技術(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的調(diào)查和記錄，而且對(duì)所用原料和產(chǎn)品進(jìn)行了分析(表10)。其中第一步冶煉產(chǎn)品鐵含量分別為87.37%、90.12%，而硅含量分別為9.20%、7.33%，說(shuō)明這種鐵并不純凈，渣鐵分離不好，鐵中還夾有較多的渣。從碳含量(2.00%、2.13%)來(lái)看，第一步冶煉滲碳較多，已經(jīng)達(dá)到生鐵的含碳量。

表10 武鄉(xiāng)蟠龍鎮(zhèn)兩步法第一步產(chǎn)品化學(xué)分析[15]

經(jīng)過(guò)再次熔煉之后，鐵含量升高(93.79%)，硅含量下降(1.12%)，比之前更為純凈了(表11)。除了碳含量的增加外，含硫量顯著上升，說(shuō)明在溫度較高時(shí)，鐵熔化之后，更多的硫進(jìn)入鐵中，與鐵結(jié)合。

表11 武鄉(xiāng)蟠龍鎮(zhèn)兩步法第二步產(chǎn)品化學(xué)分析[15]

這里需要指出的是，第一步煉出燜鐵的含碳量因原料、工藝的差別而變化較大。北京科技大學(xué)孔令壇教授在20世紀(jì)50年代對(duì)陽(yáng)泉燜鐵進(jìn)行了分析，碳含量在1%以下，但具體資料已不存[16]。田野調(diào)查中沒(méi)有找到相關(guān)樣品，不過(guò)在與盂縣清城村幾位老工匠的訪談中得知，燜鐵中有熟鐵，也有鋼，幾乎沒(méi)有生鐵。

3 坩堝煉鐵工藝過(guò)程分析

產(chǎn)品分析只是技術(shù)的外在形式，真正決定技術(shù)的內(nèi)在核心是其科學(xué)原理和工藝流程。坩堝煉鐵與豎爐煉鐵在工藝原理方面最大的不同是加熱方法的不同，內(nèi)、外兩種不同的途徑導(dǎo)致兩者在反應(yīng)過(guò)程方面也有一定的區(qū)別。

目前對(duì)坩堝煉鐵的研究中還缺乏對(duì)其工藝過(guò)程的分析，下文在分析坩堝煉鐵工藝過(guò)程相應(yīng)原理的同時(shí)探討這項(xiàng)技術(shù)及其產(chǎn)品的主要特征。

3.1 一步法工藝過(guò)程

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)一步法工藝的介紹[5]可對(duì)其反應(yīng)過(guò)程作以下分析。在配料階段，塊礦與黑土相混合加水和后，黑土中所含粘土成分(以Al2O3為主)相互粘結(jié)緊緊包裹在塊礦之外，使接觸性增強(qiáng)，有利于礦石的還原。

第一階段，爐裝好之后，在自燃階段溫度逐步提高。低于570℃的時(shí)候，首先是爐料中的水分蒸發(fā)。當(dāng)達(dá)到400℃左右時(shí)，一方面還原劑中的碳與坩堝內(nèi)空氣中的氧相互作用產(chǎn)生CO2，碳再與CO2作用生成CO氣體；另一方面煤(黑土)中的揮發(fā)分排出，這一過(guò)程與焦炭干餾相同，低溫下還原性氣體以CO為主[17]，逐步還原礦石，生成部分鐵。這一過(guò)程中，由于FeO在低溫下不能穩(wěn)定存在，F(xiàn)eO將分解為Fe3O4和Fe[18]。

第二階段，自燃后期及開(kāi)始鼓風(fēng)之后，爐內(nèi)溫度高于570℃。隨著溫度的升高，坩堝內(nèi)的煤加速干餾，析出煤氣(主要為甲烷、一氧化碳、二氧化碳等[19])，其中的揮發(fā)性烴結(jié)構(gòu)遇熱(灼熱的焦炭或爐壁)發(fā)生熱分解[15]生成還原性氣體H2。到900℃時(shí)，脫氣基本結(jié)束，黑土進(jìn)行另一種反應(yīng)——?dú)饣?。氣化劑由前期的煤氣及還原過(guò)程中奪取礦石中的氧組成。干餾之后的碳?xì)饣a(chǎn)生的CO作為還原氣體與塊礦發(fā)生反應(yīng)。塊礦與固體還原劑的直接接觸在非液態(tài)時(shí)是非常有限的，以至它們之間的固——固直接還原反應(yīng)不可能有較大發(fā)展，所以主要進(jìn)行的是氣——固間接還原反應(yīng)。由還原伴生的CO2再度作為氣化劑使碳?xì)饣蔀檫€原氣體。這一氣化——還原——?dú)饣磻?yīng)循環(huán)進(jìn)行[20]。此時(shí)，還原性氣體主要為H2和CO組成。

塊礦在逐步還原的過(guò)程中發(fā)生縮聚反應(yīng)，鐵從外到內(nèi)逐漸生成，并相互粘結(jié)，同時(shí)脈石開(kāi)始軟化，相互連接，形成初渣。渣與鐵軟熔，分離，形成熔融態(tài)的軟熔層。此時(shí)由于鐵氧化物與碳的接觸較多，會(huì)發(fā)生一定量的直接還原。

熔融的鐵由于重力作用呈冰柱狀下沉(圖7)，在此過(guò)程中與固體碳接觸并滲碳。當(dāng)鐵滲碳到一定程度之后，熔點(diǎn)降低，熔化為液態(tài)。同時(shí)，軟熔層的渣也開(kāi)始液化。液態(tài)渣、鐵分離后，鐵沉到底部，渣漂在其上。

圖7 坩堝煉鐵反應(yīng)過(guò)程

3.2 兩步法工藝過(guò)程分析

燜鐵法第一步可以分為兩個(gè)階段。第一階段的溫度低于礦石軟化溫度，這時(shí)除了礦石通過(guò)焙燒改善還原性、除去有害雜質(zhì)之外，還進(jìn)行鐵礦石的部分還原。還原氣體主要來(lái)自于碳與坩堝中氧相互作用生成的CO，以及爐料中煤干餾所產(chǎn)生的煤氣。塊礦中鐵的氧化物逐級(jí)還原，并生成部分鐵。

第二階段，溫度高于礦石軟化溫度，低于礦石熔化溫度。作為燃料的煤炭在外部燃燒逐漸達(dá)到1400℃左右[16]，坩堝內(nèi)部的溫度略低于這一溫度。作為還原劑的煤塊開(kāi)始?xì)饣蛇€原性氣體。礦石的縮聚反應(yīng)加劇，生成的鐵相互粘結(jié)，脈石在軟化的過(guò)程中形成了粘度較大的初渣，渣與鐵相互包含。由于溫度沒(méi)有達(dá)到礦石的熔化溫度，生成的鐵不能在熔融狀態(tài)下向下流動(dòng)。而且由于縮聚反應(yīng)和氣體的揮發(fā)，渣鐵混合物之間產(chǎn)生了空隙，形成棒狀多孔的海綿鐵。

燜鐵法第二步熔煉時(shí)，由于采用了人工鼓風(fēng)，爐內(nèi)溫度高于1400℃，坩堝內(nèi)的海綿鐵在熔融、滲碳的過(guò)程中熔點(diǎn)下降，直到成為液態(tài)鐵水。

燜礦法第一步是在中溫下還原性焙燒和預(yù)還原的過(guò)程。溫度低于礦石軟化溫度，焙燒時(shí)可以除去礦石中的水分，還可去硫等有害雜質(zhì)，同時(shí)可以使礦石變得松脆，改善其還原性[21]。塊礦在煤干餾和氣化后生成的還原性氣體CO、H2的作用下發(fā)生反應(yīng)，部分還原為鐵，更多的是經(jīng)過(guò)還原的鐵氧化物。

燜礦法的第二步則與一步法的第二步基本相同，不再贅述。

4 結(jié) 論

坩堝煉鐵冶煉原理、工藝特點(diǎn)與豎爐煉鐵不同，外部加熱造成坩堝內(nèi)溫度普遍低于豎爐內(nèi)溫度，相對(duì)封閉的坩堝內(nèi)，還原反應(yīng)是非連續(xù)的，因此坩堝鐵碳含量相對(duì)較低，雜質(zhì)相對(duì)較多；同一爐內(nèi)受熱不勻，坩堝鐵的化學(xué)成分、雜質(zhì)含量并不相同；用煤還原，溫度較低，硫含量相對(duì)較高。從產(chǎn)品及工藝過(guò)程的分析來(lái)看，坩堝煉鐵在本質(zhì)上屬于傳統(tǒng)的非高爐煉鐵技術(shù)。

技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是相對(duì)的，在一定條件下可以轉(zhuǎn)換。坩堝煉鐵對(duì)礦石品位要求低，可以利用分散的小規(guī)模礦點(diǎn)，又可以用煤做燃料，這些原料優(yōu)勢(shì)促使技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在產(chǎn)品性能方面，不同成分的坩堝鐵可以滿足不同的需求，如含碳量低于2.0%的鐵富于延展性，可以不經(jīng)炒煉加熱鍛打，磷含量較高的鐵可以用于鑄造，雜質(zhì)較多可以通過(guò)多次熔煉來(lái)除渣。總之，坩堝鐵相對(duì)更符合手工業(yè)生產(chǎn)需求。從不同的出發(fā)點(diǎn)來(lái)看，也就對(duì)坩堝鐵有各種不同的評(píng)價(jià)。

坩堝煉鐵與今天的非高爐煉鐵具有相同的特征。高爐越大對(duì)礦石和焦炭的要求也越高，而有限的資源條件一定會(huì)限制其發(fā)展。非高爐煉鐵技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，總結(jié)地方技術(shù)史對(duì)未來(lái)的工業(yè)技術(shù)發(fā)展有較大的借鑒作用。