第五十一章 灰口鐵炮的鑄造
大年初三，崇禎將招募的所有工匠召集到一起，拿出了一份為他們特別制定的待遇。
首先，他將工匠等級進行分級，分別是：三等工匠、二等工匠、一等工匠，皇家匠師。
不同等級的工匠，除了薪資不同外，權益也有不小的差異。
特別是被評為皇家匠師後，竟然能獲得一個推薦太學生的名額，這幾乎瞬間讓所有工匠激動不已。
要知道，在大宋太學生人數最多的時候，也才三千多人，平民所占的人數更是少之又少。
雖然大宋對工匠的管理比前朝的唐和後世的元明清都要寬鬆得多，沒有實行嚴格的世襲匠戶制度，工匠的後代也可以科舉入仕並轉業，但想進國子監成為太學生，那也不比登天容易多少。
現在，官家親口承諾，只要能成為皇家匠師，就能推薦一人免試進太學，怎能不讓人欣喜若狂？
當然，誰心裡都清楚，想成為皇家匠師也肯定不容易，可再不容易，也比平民的孩子進太學要容易多了。
畢竟眼前的工匠也才三千多人，且每年都會評一個出來。
只要自己足夠努力，就能為自己的孩子拼一個好的未來。
所以在古代，只需要開一個小口子，就會有無數普通人願意為之拼命，因為可供他們上升的渠道實在太少了，自然就會非常珍惜每一個來之不易的機會。
將士氣提升了上去，崇禎就開始趁熱打鐵。
不過，鑄造火炮向來不是件容易的事，首先想要得到灰口鐵就是個複雜的過程。
在原材料方面，要儘量選擇優質的低硫煤和鐵礦，前者大宋不缺，後者雖然相對貧瘠，但以華夏大地的廣博和這點用量，也綽綽有餘。
低硫煤主要是用來生產焦炭，因為焦炭能夠提供更高的爐溫，這是最基本，也是最重要的保障。
為了量產焦炭，崇禎還專門建了幾座窯式焦爐。
鐵礦則要先用「水選法」進行預處理，如果硫含量過高，還要加入石灰石進行浸泡。
解決了燃料和原料問題，接下來就是獲得相對純淨的白口鐵水，因為直接獲得灰口鐵水的難度要大得多。
即便如此，崇禎對三段式高爐也進行了不小的改進，同時還升級了鼓風系統，將人力風箱改為水力鼓風，反正壽春這裡最不缺的就是水。
而想要得到相對純淨的白口鐵水，就要較為精準的控制成分和對冷卻的把控，這就要崇禎一步步的指導工匠們操作了。
因為灰口鐵的核心是碳以片狀石墨存在，只有通過「配料計算+冷卻控制」」，才能避免形成滲碳體的白口鐵。
首先是成分配比，按一千斤的鐵礦石計算，需要用到三百斤的焦炭，除了作為燃燒使用，還要承擔還原劑的作用。
同時還需要加入一百斤的石灰石，用於造渣脫硫。
再加入二十到五十斤的石英砂進行補矽，這是按照矽礦石中的矽含量來決定的，若矽礦石含量只有一成，就加入五十斤，以此類推。
這些原料配比好後，接下來就可以進入熔煉的過程。
通過高爐風口火焰的顏色，可以對爐溫進行判斷。
暗紅色表示爐溫在一千二百度以下，這就需要加焦炭，加大鼓風。
橘紅色火焰，則表明爐溫在一千三百度到一千四百度左右了，正常加料就可以。
當火焰顏色變成亮白色後，就表明爐溫已經在一千四百五十度以上了，鐵水已經在熔化，準備出鐵。
出鐵時先放爐渣來判斷情況，若爐渣呈現黑色玻璃狀，則表明脫硫充分，鐵水合格。
如果爐渣呈褐色，且易碎，說明脫硫不足，下次配料就要增加石灰石比例。
得到合格的鐵水後，接下來就是鑄造了，崇禎按照深度探索的建議，摒棄了大明時期廣泛使用的泥范鑄造法，改用砂型鑄造法。
因為砂型鑄造法相比於泥范鑄造法，所用的周期要短得多，泥范法通常鑄造一門炮要一到三個月時間，砂型鑄造法卻可以縮短到十天半個月左右。
而且砂型鑄造法的模具可以反覆使用幾十次，泥范法則是一模一炮，用完即廢。
再者，砂型鑄造法生產出的火炮，內部氣孔更少，只有泥范法的三分之一到四分之一，這樣一來，砂型鑄造法產出的火炮壽命也會更高。
而泥范法為了保證火炮的壽命和安全性，便不得不增加壁厚，這就導致同口徑的火炮，泥范法造出的火炮重量要比砂型鑄造法造出的火炮重二到三成。
以上也直接關係到鑄炮成本，顯然砂型鑄造法的成本更低。
從這裡也可以看出，砂型鑄造法占據著明顯的優勢。
其實，大明也出現了砂型鑄造法，《開工開物》中便有記載，但主要用於鑄造鐵鍋、錢幣等小型器物，缺乏鑄造火炮所需的大型砂型工藝經驗。
但這個經驗崇禎通過深度探索已經掌握，他先指導工匠製作出了砂型鑄造法需要的各種模具。
在接下來的鑄造過程中，要進行慢冷控制，這就需要用煤粉砂型代替普通砂型，就是在砂中加入一成左右的煤粉。
因為煤粉燃燒後會在砂型內形成微小氣孔，這樣就能保溫，以達到慢冷的效果，同時又能排氣，以減少鑄件內部的氣孔。
當鑄件在模具中澆鑄後，不能立即開箱，需要讓砂型在空氣中自然冷卻一到兩天時間，這個是按鑄件大小來決定的，此舉是為了確保鐵水緩慢降溫，碳也有足夠的時間形成石墨。
如果在這個過程中出現斷口呈銀白色的白口鐵，則將其放入退火窯，用高爐內的餘熱進行加熱，再保溫七天左右，讓滲碳體的白口鐵分解為鐵和石墨，再重新轉化為斷口呈灰色的灰口鐵。
開模後，就可以得到一體成型的火炮。
而此時的炮胚還相對粗糙，炮膛不夠光滑，表面也會有粘砂、毛刺等各種缺陷，先用鏨子、銼刀、砂輪、鐵絲刷等工具進行基礎清理。
接著再用崇禎指導工匠製作出的水力、畜力鏜床、鑽床進行精加工……
以上內容說起來很繁瑣，也顯得非常複雜，但其實並不需要現代化的工業設備，以眼下手工業的技術儲備，都能夠實現，只是失敗率和返工率相對高而已。
所以，崇禎帶領一眾工匠忙活了快一個月，還只是解決了燃料和原料問題，連相對純淨的白口鐵水都沒能獲得。
首先，他將工匠等級進行分級，分別是：三等工匠、二等工匠、一等工匠，皇家匠師。
不同等級的工匠，除了薪資不同外，權益也有不小的差異。
特別是被評為皇家匠師後，竟然能獲得一個推薦太學生的名額，這幾乎瞬間讓所有工匠激動不已。
要知道，在大宋太學生人數最多的時候，也才三千多人，平民所占的人數更是少之又少。
雖然大宋對工匠的管理比前朝的唐和後世的元明清都要寬鬆得多，沒有實行嚴格的世襲匠戶制度，工匠的後代也可以科舉入仕並轉業，但想進國子監成為太學生，那也不比登天容易多少。
現在，官家親口承諾，只要能成為皇家匠師，就能推薦一人免試進太學，怎能不讓人欣喜若狂？
當然，誰心裡都清楚，想成為皇家匠師也肯定不容易，可再不容易，也比平民的孩子進太學要容易多了。
畢竟眼前的工匠也才三千多人，且每年都會評一個出來。
只要自己足夠努力，就能為自己的孩子拼一個好的未來。
所以在古代，只需要開一個小口子，就會有無數普通人願意為之拼命，因為可供他們上升的渠道實在太少了，自然就會非常珍惜每一個來之不易的機會。
將士氣提升了上去，崇禎就開始趁熱打鐵。
不過，鑄造火炮向來不是件容易的事，首先想要得到灰口鐵就是個複雜的過程。
在原材料方面，要儘量選擇優質的低硫煤和鐵礦，前者大宋不缺，後者雖然相對貧瘠，但以華夏大地的廣博和這點用量，也綽綽有餘。
低硫煤主要是用來生產焦炭，因為焦炭能夠提供更高的爐溫，這是最基本，也是最重要的保障。
為了量產焦炭，崇禎還專門建了幾座窯式焦爐。
鐵礦則要先用「水選法」進行預處理，如果硫含量過高，還要加入石灰石進行浸泡。
解決了燃料和原料問題，接下來就是獲得相對純淨的白口鐵水，因為直接獲得灰口鐵水的難度要大得多。
即便如此，崇禎對三段式高爐也進行了不小的改進，同時還升級了鼓風系統，將人力風箱改為水力鼓風，反正壽春這裡最不缺的就是水。
而想要得到相對純淨的白口鐵水，就要較為精準的控制成分和對冷卻的把控，這就要崇禎一步步的指導工匠們操作了。
因為灰口鐵的核心是碳以片狀石墨存在，只有通過「配料計算+冷卻控制」」，才能避免形成滲碳體的白口鐵。
首先是成分配比，按一千斤的鐵礦石計算，需要用到三百斤的焦炭，除了作為燃燒使用，還要承擔還原劑的作用。
同時還需要加入一百斤的石灰石，用於造渣脫硫。
再加入二十到五十斤的石英砂進行補矽，這是按照矽礦石中的矽含量來決定的，若矽礦石含量只有一成，就加入五十斤，以此類推。
這些原料配比好後，接下來就可以進入熔煉的過程。
通過高爐風口火焰的顏色，可以對爐溫進行判斷。
暗紅色表示爐溫在一千二百度以下，這就需要加焦炭，加大鼓風。
橘紅色火焰，則表明爐溫在一千三百度到一千四百度左右了，正常加料就可以。
當火焰顏色變成亮白色後，就表明爐溫已經在一千四百五十度以上了，鐵水已經在熔化，準備出鐵。
出鐵時先放爐渣來判斷情況，若爐渣呈現黑色玻璃狀，則表明脫硫充分，鐵水合格。
如果爐渣呈褐色，且易碎，說明脫硫不足，下次配料就要增加石灰石比例。
得到合格的鐵水後，接下來就是鑄造了，崇禎按照深度探索的建議，摒棄了大明時期廣泛使用的泥范鑄造法，改用砂型鑄造法。
因為砂型鑄造法相比於泥范鑄造法，所用的周期要短得多，泥范法通常鑄造一門炮要一到三個月時間，砂型鑄造法卻可以縮短到十天半個月左右。
而且砂型鑄造法的模具可以反覆使用幾十次，泥范法則是一模一炮，用完即廢。
再者，砂型鑄造法生產出的火炮，內部氣孔更少，只有泥范法的三分之一到四分之一，這樣一來，砂型鑄造法產出的火炮壽命也會更高。
而泥范法為了保證火炮的壽命和安全性，便不得不增加壁厚，這就導致同口徑的火炮，泥范法造出的火炮重量要比砂型鑄造法造出的火炮重二到三成。
以上也直接關係到鑄炮成本，顯然砂型鑄造法的成本更低。
從這裡也可以看出，砂型鑄造法占據著明顯的優勢。
其實，大明也出現了砂型鑄造法，《開工開物》中便有記載，但主要用於鑄造鐵鍋、錢幣等小型器物，缺乏鑄造火炮所需的大型砂型工藝經驗。
但這個經驗崇禎通過深度探索已經掌握，他先指導工匠製作出了砂型鑄造法需要的各種模具。
在接下來的鑄造過程中，要進行慢冷控制，這就需要用煤粉砂型代替普通砂型，就是在砂中加入一成左右的煤粉。
因為煤粉燃燒後會在砂型內形成微小氣孔，這樣就能保溫，以達到慢冷的效果，同時又能排氣，以減少鑄件內部的氣孔。
當鑄件在模具中澆鑄後，不能立即開箱，需要讓砂型在空氣中自然冷卻一到兩天時間，這個是按鑄件大小來決定的，此舉是為了確保鐵水緩慢降溫，碳也有足夠的時間形成石墨。
如果在這個過程中出現斷口呈銀白色的白口鐵，則將其放入退火窯，用高爐內的餘熱進行加熱，再保溫七天左右，讓滲碳體的白口鐵分解為鐵和石墨，再重新轉化為斷口呈灰色的灰口鐵。
開模後，就可以得到一體成型的火炮。
而此時的炮胚還相對粗糙，炮膛不夠光滑，表面也會有粘砂、毛刺等各種缺陷，先用鏨子、銼刀、砂輪、鐵絲刷等工具進行基礎清理。
接著再用崇禎指導工匠製作出的水力、畜力鏜床、鑽床進行精加工……
以上內容說起來很繁瑣，也顯得非常複雜，但其實並不需要現代化的工業設備，以眼下手工業的技術儲備，都能夠實現，只是失敗率和返工率相對高而已。
所以，崇禎帶領一眾工匠忙活了快一個月，還只是解決了燃料和原料問題，連相對純淨的白口鐵水都沒能獲得。