欧洲的精炼与搅炼

中世纪欧洲在13或14世纪引入高炉之后，需要一种将高炉高碳生铁转化为低碳熟铁的方法。在瑞典中部努尔贝里（Norberg）的拉比坦（Lapphyttan）早期铁厂遗址，一些遗迹被认为是一座小型精炼炉的残存，但对其原始结构和操作方式知之甚少。它们似乎与古代中国精炼炉的遗迹有一定的相似性。

我们了解较多的精炼炉来自较晚的世纪。这些炉子通常比中国的精炼炉大得多，使用水力驱动鼓风以及配套的锻锤。在一种基本方案上有许多变种：下文我们将看到两种在瑞典部分地区一直使用到20世纪的类型。精炼在这里使用的时间比别处都长，因为瑞典的煤不适合搅炼法，而自18世纪以来，搅炼法在欧洲大部分地区取代了精炼。

精炼消耗大量木炭。人们做了许多尝试，尤其是在英国，试图用矿物煤替代木炭，但煤中的硫分破坏了所产熟铁的质量。许多人多次尝试的最终结果是搅炼法，在反射炉中将燃料与铁分离。下文我们将进一步看到英国一座搅炼炉的操作，该炉在1950年仍在运行，距贝塞麦（Bessemer）法使搅炼过时已近一个世纪。

瑞典瓦隆炉（Walloon hearth）

下图是1786年瑞典一座瓦隆精炼炉的绘画。（瓦隆人是比利时的一个民族群体。许多瓦隆人在17世纪移民到瑞典，带来了这项技术。）右侧的示意图展示了其工作原理。木炭在浅炉膛中燃烧，由鼓风加强。生铁放置在木炭床上，上面再堆满木炭。铁熔化成液滴，穿过鼓风的氧化火焰落下，失去部分碳分，在炉底聚集成块铁（或“铁团”）。当形成足够大的块铁时，精炼工用铁棍将其再次抬到火焰上方，使其再次熔化，进一步失去碳分。这种提升操作称为搅拌（rabbling）。

部分铁也被烧损，精炼工加入一些砂子（石英，SiO₂）以形成低熔点炉渣（FeO·SiO₂）。铁液滴穿过炉膛中的液态炉渣也有助于脱碳。当搅拌操作重复多次后，块铁的碳含量已低至在炉火温度下不再熔化。精炼工随即将其移至水力锻锤下，挤出尽可能多的炉渣。

精炼产生的块铁与直接炼铁过程中产生的块铁非常相似——这无疑就是为什么两者使用同一术语的原因。两者都必须锤打以去除炉渣，而区分块炼炉炉渣和精炼炉炉渣是东西方考古冶金学中持续存在的挑战。

瑞典兰开夏炉（Lancashire hearth）

瓦隆锻炉是一种相当开放的结构，大量热量散失，浪费木炭。1828年，瑞典铁匠大师古斯塔夫·埃克曼（Gustaf Ekman）参观了英国多家铁厂。他发现兰开夏郡（Lancashire）所见的一种精炼炉设计最适合他的需求，于是在自己的铁厂中仿建了一座。这后来证明非常成功，很快在其他许多瑞典铁厂中也被仿效。

兰开夏炉比瓦隆锻炉封闭得多，因此燃料效率更高。它还有其他改进，如热鼓风。它操作温度高得多，生铁转化为熟铁的速度更快，节省燃料和劳动力。

随着时间的推移，为了生产更大的块铁，兰开夏炉越建越大。这使精炼工的工作更加艰巨，因此在1890年代发明了“莱格瓦尔机器”（Lägerwall machine），一种水力辅助搅拌操作的装置。

下面这段瑞典影片的短片段展示了带莱格瓦尔机器的兰开夏炉的操作。

搅炼

精炼消耗大量木炭。这在森林资源丰富的瑞典尚可接受，但在英国，到18世纪初，木炭供应成为钢铁生产扩张的严重限制因素。焦炭高炉炼铁在1750年左右已普遍，但在精炼中，由于煤和焦炭的硫含量，木炭仍然是必需的。人们做了许多尝试用焦炭从生铁生产熟铁，但第一个商业上成功的发明是亨利·科特（Henry Cort）的搅炼法，1784年获得专利（Mott 1983）。

“Puddle”用作动词时意为“搅拌”。在炼铁搅炼法中，生铁在由独立焦炭火加热的炉床中熔化。搅炼工用铁棍搅拌铁水，使铁中的碳烧除。随着铁的碳含量降低，熔点升高，最终铁凝固成与炉渣混合的低碳铁“球”，与块炼炉冶炼或精炼中产生的“块铁”非常相似。与这些工艺一样，搅炼球被移至水力或蒸汽锻锤（有时是轧机）下挤出大部分炉渣。

直到20世纪，带“纤维状”炉渣夹杂物的老式熟铁在某些应用中仍被认为优于没有这种“纤维”的现代软钢。在贝塞麦法及后续发展使该技术过时之后很长时间，搅炼仍在供应这种材料的需求。下面的照片和影片展示了1950年代和1960年代英国三座铁厂中的搅炼操作。

约翰·珀西（John Percy），既是医生也是冶金学家，根据1859年的实际观察详细描述了搅炼法（1864: 654–657）。他的描述以对搅炼工健康状况的评注结尾：

搅炼工的技能差异很大，两周内两名搅炼工搅炼棒铁的产量可能相差10英担（500公斤）。大多数搅炼工工作到50岁，许多甚至更久。搅炼可能是世界上最繁重的劳动；然而许多搅炼工活到70岁或更长的年龄。多数人在45至50岁之间去世；根据医生向登记官的回报，肺炎或肺部炎症是最常见的死因。考虑到他们在体力消耗的条件下暴露于巨大的温度变化，这原是意料之中。伯明翰的光学仪器商菲尔德先生告诉我，搅炼工还容易罹患白内障，由炉子极亮的光线引起；他见过许多此类病例，并为患者配了眼镜。

搅炼，W. K. V. Gale 摄于1950–1951年。取自 Gale 1973，图38–43；更详细说明见该书。

1960年代英国博尔顿（Bolton）托马斯·沃姆斯利父子公司（Thomas Walmsley & Sons Ltd.）的搅炼。承蒙铁桥峡谷博物馆信托（Ironbridge Gorge Museum Trust，档案管理员 Sarah Roberts）提供。

以下是全世界最后几次搅炼操作的视频之一，1965年英国巴特利铁厂（Butterley Ironworks）：

参考文献

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