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【技术】:关于书中的“铁模铸炮法”神器

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明代能不能搞出或者是鸦片战争时铁模?铁模有无技术难度?内模水冷技术有无技术难度?
一些小说中涉及到虐心的技术没有不提高以上领先时代的技术的,铁模铸炮和内模水冷技术都泛滥了,反正这是思路问题,是神器。。。
真的是这样么??
笔者就分析一番:
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1、铁模技术就本身的硬件并不难搞,铸铁的或者铸钢的都可以,无非就是个承载容器,起到的作用除了固定炮模外就是散热作用比较好。
铁模的好处是方便整合,不像泥模铸炮那样必须靠时间来等待阴干。
这些硬件明代完全可以实现。
但是铁模的也有缺点,从金属铸造学和金相学的角度来看,铁模的散热太快,使得生铁液在冷却时存在过冷度较大的问题,铁液中的渗碳体来不及析出(石墨化来不及进行)石墨就已经凝固,因此铁中的渗碳体主要以碳化铁的形式存在,也即是白口铁。
当然由于铁液在凝固过程中过冷度较大,因此表层的金属结晶微粒比较致密,身管较为光滑;
铁模的唯一好处就是加快了生产速率,不用像泥模铸炮那样等待几个月的时间。这点在龚振麟的铁模中显得尤为突出,但是铁模铸炮的产品白口化非常严重,由于冷却速度太快,虽然比较光滑,但是生成的几乎都是白口铁,导致脆性增大,火炮的性能下降。为了增加抗拉强度只能用数量来堆砌质量,也就是增加壁厚来解决。
据统计,在鸦片战争中新铸造的火炮几乎都是白口铁!从金相学的角度分析这也是不无道理的。
铁模铸炮说起来都被国人捧到了一个无人企及的高度,是铸造行业的神器,其实这种技术并不是多么了不起,起码在汉代、两晋和宋代都有出土的用来铸造农具的铁范模具,龚振麟不过是拿来铸炮而已。
这种末时代的技术和刚兴起的新兴机械加工技术相比就不是一个级别的较量。说“我大清”比欧洲蛮夷领先几十年云云的不过是自欺欺人的满足自己的意淫心罢了,欧洲当时主要依靠的还是机械加工技术,以及后来的大型金属锻造技术+机械加工技术(后来无数的大口径舰炮都是这么制造的)。
欧洲当时用的是蒸汽机鼓风(还未使用热鼓风技术),铁液的温度较高,所以生铁液中的硅含量也较高(硅石促进石墨化的重要元素)。并且用砂模铸造实心铁柱,砂模的透气性较好铁液表面不易产生气孔,而热传导系数又比铁模小的多,因此铁液有充分的时间从高温逐渐冷却进而析出石墨,这样形成优质的灰口铸铁。灰口铸铁的韧性要比白口铁好得多,而且石墨化的组织更便于金属切削加工。
欧洲当时的造炮最高技术流程大概是这样的:首先用砂模铸造实心灰口铁柱,然后用超长钻头进行钻孔,之后车去外表面疏松区,然后进行扩孔、镗孔等工序。欧洲的铸炮技术严格说来是机械加工技术为主,这与手工业时代的满清的主要技术铸造相比完全不是一个时代的概念。虽然外形都差不多,都是前装滑膛炮;
2、内模水冷技术在米帝内战时期出现的,这种技术的关键:一是铸造材料技术的发展。二是水冷却速度参数的具体控制。
铸造材料技术:我们知道生铁液在冷却速度快的时候容易白口化,但是这是相对硅含量不太高的时候的金相反应。如果硅含量再高的话生铁液还有一个现象就是生铁液不受冷却速度影响始终灰口化。
当然要实现这样的结果,需要的条件很多,首先高炉的温度要足够高,最好是有热鼓风技术将高炉的温度提升到当时所能达到的技术极限,1830年以后尼尔森的热鼓风技术已经实现了这一点。这样铁液中硅的含量较高,冷却时石墨化较为突出。
其次是鼓风量,蒸汽机为高炉注入的强大动力源是根本性的技术保证;
再次,生铁精炼反射炉。这种炉子能够对生铁液进行二次熔炼,去除铁液中的杂质,使得铁液更为纯净(这种技术在18世纪后期就已经出现,英国海军所用的大炮都是这种方法生产的,没有一门炸膛的,而同时期的法国人没有使用这种技术,连炮手们都对他们的大炮深恶痛绝。--《技术史》);
水冷却速度参数的具体控制(这个才是关键中的关键):这个需要的软件技术参数较多,其实水冷技术的本质就是控制炮管内外表面的相对冷却速度。以往的铸造型炮管由于外表面积比内表面积大的多,导致外层先冷却而内层后冷却,尤其是内层最后冷却时受到应力较大容易开裂。
而内模水冷技术就解决了这个难题,尤其是在铸造超大口径身管的时候(当时的技术对于13--15英寸炮管的机械加工成本太高昂而且大型铸造技术也是一种考验)内外表面积差更大,内膜水冷技术能够保证内外表面冷却均衡甚至内层先冷却而外层后冷却,有点类似于身管自紧技术。
尤其是铸造超大口径炮的时候,铁模具也是需要预热乃至持续加温的,罗德曼当年铸造的13英寸的大家伙就是通过外部加温模具来保证铁液凝固和偏析时的金相组织的。这起码需要严格的测算温度和金相的关系;
但是这技术原理说起来简单,但是具体实施的时候却不容易,比如首先水流速度和温度变化的关系是怎么样的,19世纪后半期人们已经比较系统测量了各种液体介质水、油等和金属介质铁、铜、铅等的比热容,并且也发展了相应的热力学和相关的方程式。人们可以通过科学计算的方式具体的量化水的流速与温度变化的具体参数;
在当时19世纪60年代欧美近代热力学发展和比较先进的测控条件下,罗德曼还是花费了十年的时间才建立起相对比较科学完善的数据体系,一直很好奇那么明代时期的穿越者怎么实现这种量化???
难道是穿越之前建立了这种古老技术的数据库?还是拷贝了美国自然科学技术博物馆的馆藏资料??
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还有热鼓风技术,可以采用金属热风管技术或者建造蓄热室技术。东岸可以轻松实现,但是内幕水冷技术就太难了。
这个难不是说硬件设备的困难,而是各种参数的具体量化,如果没有建立比较科学规范的测量体系和热力学体系,就不容易搞定。
当然如果通过大量实验实地论证也是可以的,就是时间上长一些而已,危险多一些而已,耗费大一些而已。
大概有个十来年估计能搞定。
题外话:像那些其他小说里的提出一个内模水冷技术概念立刻就能大规模使用,那就是非常不负责任的扯淡了!!
任何技术的发明和使用没有相应软硬件基础哪是那么好实现的???


IP属地:内蒙古1楼2015-07-27 11:09回复
    另外对书中的所谓钢炮吐槽一下:
    钢的流动性远不如铸铁(尤其是铸造生铁,也就是常说的灰铸铁),铸钢其实就是一个钢胚而已,内部的组织晶粒粗大,尽管其含碳量比铸铁低很多,但是其强度也就比灰铸铁好一些,绝对没有书中说的那么大的差距;
    铸钢的流动性差所以在冷却时,内部更容易生成缩松或者缩孔。
    一般而言,铸钢的加工是需要再次加热然后锻造成型,和退火,机加工。这样细化晶粒结构,将缩松和缩孔减少,使得组织更为致密。增加强度;


    IP属地:内蒙古2楼2015-07-27 11:19
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      还有就是,蒸汽机都能制造双动式的了,那么制造后膛炮应该没有什么困难;
      如果说膛线技术怕被欧洲人学去的话,可以不采用膛线设计;
      但是后装结构的火炮其实很简单啊,最早期的克虏伯C61型号就是例子;

      说白了这种炮不过是勃良垦时代的火炮的变种,大致结构一模一样,只是加工更加精密而已;


      至于密封,您蒸汽机都能采用铜环密封了,这后装炮完全可以啊;
      活塞顶端镶上一个铜碗(碗口朝向炮膛方向)就是可以了,这样火药爆炸时铜碗扩张封住底部;
      早期的断隔螺纹式炮闩没有蘑菇头闭气的时候也是这种结构:


      IP属地:内蒙古3楼2015-07-27 11:34
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        以前看过一个纪录片,讲唐玄宗在黄河上修一座浮桥,铸造了七八十吨重的铁牛用来固定大桥。因为不可能有这么大的高炉一次性炼出这么多铁水,就把许多小高炉的出铁口用坩埚槽连接起来,一起出铁水浇筑。虽然出铁的时间很接近,但还是担心在浇铸工作完成之前先进入的铁水已经凝固,或者铁水在坩埚管道上就开始凝固了(距离太长),所以工匠们用炭火把铸模给整个包起来了,还给坩埚槽也用炭火包住下半部分,保证了一大群小高炉一次性出铁浇铸成功。这次铸造活动搞出了一群大型铁牛铁人,最重的达到78吨

        这是蒲津渡遗址文物博物馆的大铁牛
        铁模铸造要掌握高硅含量的灰铸铁冶炼技术才有实用价值,而高硅含量的铁水流动性差,对炉温要求更高,中国古代并没有掌握这种技术。但是古代铸铁农具也有灰铁和麻铁,就是用延缓冷却速度或加热焖火的办法使铸件变质。既然铁模铸炮的质量问题是冷却过快,那么通过类似铸造黄河铁牛采用的加热技术,给铁模外裹上炭火,延缓铸件冷却速度使火炮的质量达到传统泥模铸炮技术的较好水平,同时铸造速度大幅提升,是完全有可能实现的。


        IP属地:江西4楼2015-07-27 17:19
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          东宁记里边说内模水冷有个很大的好处,是提高了铸炮成功率
          原来铸十成一,内模水冷后接近100%


          5楼2015-07-28 10:18
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            可以看到,底部明显有加热模具的炉篦,上面是煤炭在燃烧,这样保证模具温度,使得能够得到想要的铸件基体的金相组织。

            20英寸级别的巨炮对于早期来讲是根本不可能完成的任务,因为这个程度的炮管内外壁的表面积差距很大,冷却时的速度也是一样。
            不掌握好冷却速度,开裂是必然的。何况通过加热模具的方式使得整个大炮成灰铸铁组织,而且还鞥保证内外冷却一致甚至内管表面先冷的自紧结构,这无疑需呀非常严格的量化控制各个环节,比如水流、火力、温度、内外表面积、水的比热与温度变化的关系等等。


            IP属地:内蒙古6楼2015-07-28 12:36
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              好东西


              IP属地:广东来自Android客户端7楼2015-07-28 13:24
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                很多读者已经认为这本小说的技术发展太慢了! 在我看来这本小说的技术发展已经超前了!楼主写的很好,我们这些技术工作人员真的不是那么容易的!


                来自iPhone客户端8楼2015-07-28 16:01
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                  贴主厉害,打了无数穿越文的脸。


                  11楼2015-08-04 22:50
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                    很详细啊


                    IP属地:四川来自iPhone客户端12楼2017-10-21 08:22
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                      漂亮


                      IP属地:四川来自Android客户端14楼2017-10-24 09:39
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                        穿越者没有学机械加工人才,关于铸铁和钢材铸造性能的差别,就是常识问题,铸钢在沙模铸造大件容易发生,加渣,气孔,沾沙等等问题,铸造小型零件用失蜡法铸造到是很好,个人认为用机械加工制造火炮最好,……低碳钢坯,锻造,打中心孔,车床车外圆,车床上中心架车去锻造两边头,深孔钻床钻孔(深孔钻床就是加长车床改装,见过导轨长16米的可加工6米炮管),膛孔,如果生产后膛炮可采用中碳钢,钻孔后留2毫米余量,调质处理,校直,精车外圆,精膛孔,拉膛线………说句题外话,现代工厂里的常识问题,是无数工人几百年总结出来的………金属材料与热处理,机械基础,机械制造工艺,工差与配合,工程力学………大东岸任重道远……


                        来自手机贴吧17楼2017-10-27 16:29
                        收起回复
                          这帖还在哇!


                          来自手机贴吧22楼2017-11-05 09:17
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                            这帖还在哇!


                            来自手机贴吧23楼2017-11-05 09:17
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                              这帖还在哇!


                              来自手机贴吧24楼2017-11-05 09:17
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