為了增加糧食儲備,以防災年、戰爭、災荒,夏雪按照後世的糧食儲備方法新建了許多糧食倉庫,並派重兵保護。
為了把這些倉庫建設得更加利於長久儲存糧食,防蟲、防鼠、防雨、防火、防潮、防黴等,也為了把倉庫建設的更加堅固、耐用、防守嚴密,夏雪不得不新建了幾個水泥廠,生產未來時代常用的建築材料水泥、混凝土等。
水泥生產好在技術比較簡單,以石灰石和粘土為主要原料,經破碎、配料、磨細製成生料,然後喂入水泥窯中煅燒成熟料,再將熟料加適量石膏等磨細就成了。有了水泥,混凝土也就有了。
隋朝古代的建築膠凝材料主要用糯米石灰漿。糯米石灰漿是糯米汁與石灰漿摻和的磚石結構膠粘劑。其製法為:在鐵鍋上加接木桶,放入糯米和水,用文火熬煉糯米成汁,隨時用耙推攪,不使停滯。用瓢勺取驗其濃淡,以滴下成絲為度,取出存放在瓦缸內備用。將糯米汁與石灰漿摻和,稱為對漿。其法為:將石灰用水化開,使之溶化勻淨,去掉雜質,再以糯米濃汁兌入其中,摻和攪勻。
糯米石灰漿不但產量小,而且還浪費糯米等糧食資源,當然不行。夏雪生產出了後世常用的建築膠凝材料水泥,不但原料豐富、產量大、更加堅固結實,而且不怕水,在建設曬鹽的鹽田池也需要用到,包括修建水庫、水壩、河堤、水渠、房屋、馬路、城池、廠房等等都需要大量用到,所以,對於建設水泥廠夏雪幾乎是和建設鹽田曬鹽池同步進行的。
而修建各種建築設施也需要大量的鋼筋、鋼鐵,所以,大型新技術鍊鋼廠也在同時加緊建設。
鑑於隋朝末年工業科技非常落後,基礎太差,那些未來的自動化技術、人工智慧、奈米技術、基因技術、量子技術、航天技術、核能技術等等高精尖科技根本就不用考慮,夏雪根據實際只能先按照十八世紀、十九世紀、二十世紀的一些比較粗糙落後的工業技術作為參考,先建立基本的工業基礎。好在夏雪是個“學霸”,除過化學生物專業外,對科技發展、工業製造、化學實驗、物理工程等等都深入學習過。
鍊鋼技術,由於隋朝沒有電力、沒有自動化控制,只能參考十八世紀、十九世紀、二十世紀的鍊鋼技術,雖然這些鍊鋼技術相比未來還比較落後,但相比隋朝末年,當時在全世界都是最先進、最頂尖的技術了。
隋朝末年,主要制鋼工藝是炒鋼法和灌鋼法,其次還有百鍊鋼法和炒鐵滲碳法,其缺點是:(1)含碳量一般較低。(2)碳分佈往往不夠均勻。(3)鋼中所含雜質往往較多。(4)生產率很低。
八閩當時鍊鋼技術更落後,許多人是把鐵礦石放在簡單的火坑裡,加上木炭燃燒加熱升溫,得到的溫度在鐵的液化點之下,產品鐵塊中含有渣,再把鐵塊中的渣用鍛打的方式擠出,鍛成塊鍊鐵。這種半凝固態冶煉不但效率極為低下,勞動強度大,而且熟鐵品質很差。
為了提高鍊鐵效率和質量,為了得到液態的鐵水,需要提高爐子的溫度,想提高爐溫就需要增大爐子高度,所以夏雪首先要建設鍊鐵高爐。經過研究,夏雪設計的鍊鐵高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹 、爐缸5部分。
爐子高了,爐內的料層對空氣流通的阻力增大,因此必須強制向爐內鼓風,雖然這時沒有電力,不過由於八閩水力非常豐富,夏雪設計出利用水力進行鼓風的方式。
用這種方法得到了熔融狀態的鐵水。由於這種方法需要使用大量的木炭作為還原劑及燃料,為了防止造成森林的枯竭,因為夏雪以後要大力發展和建造海軍戰艦和海上貿易貨船,需要大量木材。所以,夏雪決定改用焦炭作為鍊鋼燃料,反正天使國的煤炭資源很豐富。
焦炭是在煙煤在隔絕空氣的條件下,加熱到9501050℃,經過乾燥、熱解、熔融、粘結、固化、收縮等階段最終制成的,熱值更高,而且還起到還原劑、發熱劑和料柱骨架作用,更適合高爐鍊鐵。
夏雪決定鍊鐵高爐採用焦炭代替木炭,為高爐的大型化奠定了基礎,可以說是古代冶金史上的一個重大里程碑。
高爐生產時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑(石灰石,從位於爐子下部沿爐周的風口吹入經預熱的空氣。在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳,在爐內上升過程中除去鐵礦石中的氧,從而還原得到鐵。煉出的鐵水從鐵口放出。鐵礦石中不還原的雜質和石灰石等熔劑結合生成爐渣,從渣口排出。產生的煤氣從爐頂匯出,經除塵後,作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。
由於高爐鍊鐵技術經濟指標良好,工藝簡單 ,生產量大,勞動生產效率高,能耗低等優點,夏雪發明的高爐焦炭鍊鐵技術和隋朝原來的小作坊式的鍊鐵技術相比,無論在規模、生產率和裝備條件上,都有了天壤之別。高爐鍊鐵廠建好以後,天使國的鐵礦冶煉效率和質量大為提高,每天生產的生鐵總量幾乎是原來技術的幾百倍。
直接由鍊鐵高爐中生產出的是粗製鐵,也叫生鐵,生鐵是含碳量大於2%的鐵碳合金,生鐵效能為堅硬、耐壓、耐磨、鑄造性好,但生鐵脆,不能鍛壓。所以,為了其他更多用途,需要把大部分生鐵進一步精煉成鋼、熟鐵。
熟鐵是用生鐵精煉而成的比較純的鐵。含碳量在0.02%以下,又叫鍛鐵、純鐵。熟鐵質地很軟,塑性好,延展性好,可以拉成絲,強度和硬度均較低,容易鍛造和焊接。
鋼是含碳量在0.04%2.3%之間的鐵碳合金。人們通常將其與鐵合稱為鋼鐵,為了保證其韌性和塑性,含碳量一般不超過1.7%。鋼一般分碳鋼和合金鋼。碳鋼是最常用的普通鋼,按含碳量不同,碳鋼又分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。隨含碳量升高,碳鋼的硬度增加、韌性下降。合金鋼又叫特種鋼,在碳鋼的基礎上加入一種或多種合金元素,使鋼的組織結構和效能發生變化,從而具有一些特殊效能,如高硬度、高耐磨性、高韌性、耐腐蝕性等等。
對於進一步將生鐵精煉成鋼和熟鐵,夏雪對古代的鍊鋼技術和裝置進行了改革。
夏雪知道,如果把空氣或氧氣吹到足夠數量的鐵水中,那麼它會引起液態金屬的強烈燃燒,並維持和升高溫度,使金屬在不用燃料的情況下保持液態,併除去碳(部分)和磷、硫,把鐵變成鋼。這樣不但效率高,而且節省燃料。於是夏雪又發明了的轉爐鍊鋼,轉爐鍊鋼只有三個階段:1、裝料;2、吹入氧氣熔鍊;3、出鋼。程式簡單效率高,工人們都非常高興。
不過夏雪很快就發現出了新問題,用此法煉出的鋼太脆,一擊就碎,經過分析,原因是礦石中含磷較高。鐵礦中大多含磷比較高,此法只限於吹煉含磷少的生鐵。
夏雪經過認真研究,發現石灰石能使鐵水脫磷,但必須把轉爐原先的酸性矽酸質爐襯改為鹼性爐襯。夏雪利用半個月時間在鍊鋼廠進行了實驗,用鹼性耐火磚砌襯,在轉爐冶煉過程中與鼓風的同時新增石灰石使爐渣成為高鹼性,結果煉出了脫磷的鋼,獲得了成功。
從此天使國進入了以鐵水作為原料高效精煉鋼水的大生產時代,每天生產的鋼鐵已經比當時整個世界每天生產的鋼鐵總量都要多。
夏雪在建設鍊鋼廠的同時建造了鑄造、軋鋼車間,這樣進入鍊鐵廠的鐵礦石經過幾道工序後,最終就會變成自己需要的各種鋼鐵產品了,這樣的流水線生產設計大大提高了生產效率。
有了充足的各種效能的鋼鐵做後盾,夏雪信心大增,決定建造更先進的機床裝置,為以後加工生產更先進、更精密的裝備和武器打基礎。機床是指製造機器的機器,亦稱工作母機或工具機。一般分為金屬切削機床、鍛壓機床和木工機床等。凡屬精度要求較高和表面粗糙度要求較細的零件,一般都需在機床上用切削的方法進行最終加工。
夏雪決定首先製造的是不需要太高科技含量的普通車床、鑽床、鏜床、銑床、刨插床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床等。
那些未來的高科技機床,比如智慧機床、數控機床等她覺得目前根本不用考慮。
在動力上,除過利用水力以外,夏雪設計了一種用腳踏板和連桿旋轉曲軸,可以把轉動動能貯存在飛輪上的車床上,並從直接旋轉工件發展到了旋轉床頭箱,床頭箱是一個用於夾持工件的卡盤,這樣不但減輕了勞動強度,而且大大提高了工作效率。
當然,這些先進冶煉鋼鐵的技術和鍛造加工技術夏雪依然採取的是嚴格保密措施,全部封閉式生產,所有生產廠區外人不得進入,有專門的保安隊進行巡邏檢查。