最早的钢铁是用什么方法冶炼出来的?

最早的钢铁是用什么方法冶炼出来的?

首先是中国钢铁冶炼的历史, 春秋时代是我国由奴隶社会向封建社会转变的阶段.促成这一社会变革的物质因素,是社会生产力的发展.
劳动工具是社会生产力发展的重要标志.铁制工具的广泛使用,促进了我国由奴隶制向封建制的过渡.商代用陨铁制作了铁刃铜钺,说明对铁的性质和锻打嵌铸的技术已经有了一定的认识和掌握,但当时尚不知人工炼铁.
春秋时期,铁器已经在农业、手工业生产中使用.农业生产中使用铁锄、铁斧等.铁器坚硬、锋利,胜过木石和青铜工具.晋国用铁铸刑鼎,铸鼎的铁是作为军赋向民间征收的,可见晋国民间铁已不少.在江苏六合县程桥、湖南长沙龙洞坡等地出土了春秋时的铁器.战国初或稍早已发明铸铁技术,这是我国劳动人民对冶金技术的重大贡献,比外国早一千八百年左右.河北兴隆县寿王坟出土了大量战国时的铁范,其中有较复杂的复合范和双型腔,还采用了难度较大的金属型芯,反映了当时的铸造工艺已有较高水平.战国时发明的用柔化退火制造可锻铸件的技术和多管鼓风技术是冶金技术的重要成就,比欧洲早二千年左右.战国时还掌握了块炼铁固态渗碳制钢的方法和淬火技术.
块炼铁的方法也就是“固体还原法”.由于块炼铁是铁矿石在较低温度下从固体状态被木炭还原的产物,所以质地疏松,还夹杂有许多来自矿石的氧化物,例如氧化亚铁和硅酸盐.这种块炼铁在一定温度下若经过反复锻打,便可将夹杂的氧化物挤出去,机械性能就改善了.从江苏六合县程桥东周墓出土的铁条,就是块炼铁的产品.春秋末期和战国初期的一些锻造铁器也是以块炼铁为材料.
在反复锻打块炼铁的实践中,人们又总结出块炼铁渗碳成钢的经验.从河北易县武阳台村的燕下都遗址44号墓中曾出土79件铁器,经分析鉴定,它们的大部分都是由块炼钢锻成的,这证明至迟在战国后期块炼渗碳钢的技术已在应用,块炼铁质柔不坚,块炼钢虽经渗碳处理,变得较坚硬,但在生产上仍嫌不足.人们在生产实践中又摸索出块炼钢的淬火工艺,这就进一步提高了块炼钢的机械性能.上述燕下都出土的锻钢件,大部份是经过淬火处理的,这又表明在当时,人们对淬火工艺也较熟悉了.
生铁的冶铸工艺,在原料、燃料上与块炼法基本一样.它们之间主要的差别在冶炼温度的不同.块炼法的炉温大约在1000(C左右,离纯铁的熔点（1534(C）相差很远,而生铁冶炼时,炉温达到了1100-1200(C.在冶炼中,被还原生成的固态铁会吸收碳,这种吸收随着温度的升高,速度就会加快.
另一方面吸收碳后,铁的熔点随之降低,当含碳量达到2.0%时,熔点降至1380(C；当含碳量达到4.3%时,熔点为最低,仅1146(C.在这种条件下,炉温就可使铁熔化,从而得到了液态的生铁.液态生铁就可以直接浇铸成器,冶铸过程简化了,就使铁器的生产有了大发展的可能.
江苏六合程桥东周墓出土的铁丸,洛阳出土的公元前五世纪的铁锛、铁铲都是生铁器物,这证明在块炼法的同时,我国已出现生铁冶铸工艺.生铁与块炼铁同时发展,是我国古代钢铁冶金技术发展的独特途径.世界上许多其他国家,从块炼铁发展到生铁,大约经历了上千年的时间.就拿欧洲一些国家来说,虽很早已有块炼铁,但出现生铁则在公元十三世纪末和十四世纪初.
生铁的生产效率高,铸造性能又较好,这为广泛使用铁器提供方便.在冶炼生铁的初期,由于温度还不够高,硅含量也较低,致使生铁中的碳在冷却凝固时不能成为石墨状态,而成为碳化三铁（Fe3C）,与奥氏体状态的铁在1146(C共晶.因此,炼出的生铁性脆而硬,铸造性能虽好,但强度不够,这种生铁,人们称它为白口铁,它只能铸造某些农具.从河北兴隆燕国矿冶遗址出土的大批锄、范等,就是由白口铁铸成的.
为了克服白口铁的脆性,在战国早期,人们就创造了白口铸铁柔化处理技术.所谓柔化处理就是将白口铸铁长时间加热,使碳化铁分解为铁和石墨,消除了大块的渗碳体,这对减少脆性、提高韧性可以起良好的作用.处理后的白口铁就变成了展性铸铁.长沙出土的战国铁铲,辉县出土的战国中期铁带钩,易县燕下都出土的战国晚期铁镢、锄等,都是属于这种展性铸铁.
汉代的钢铁冶炼技术
汉代的钢铁冶炼技术,在战国的基础上又有了长足的发展,勤劳的中国人民在这方面又有了不少的创造和发明.
汉代铁金属在工业、农业和军事中的作用愈显重要,官府对冶铁业的管理越加严格,汉武帝时任用孔仅为大农丞,将盐、铁、税利的巨业,收归官府经营管理,实行一系列严格措施,使冶铁业得到空前的发展.孔氏家族原本是梁国的冶铁商贾,素有经营冶铁的管理才能,所以他能在汉武帝时一跃而成为大司农丞要职,在任职的短短十余年间,从组织管理到冶铁技术和农具的推广,做出了巨大的努力,为汉武帝的雄才大略的扩展提供了雄厚的经济基础.
西汉时“百炼钢”的技术兴起,使钢的质量较前提高.这种初级阶段的百炼钢,是在战国晚期块炼渗碳钢的基础上直接发展起来的,二者所用原料和渗碳方法都相同,因而钢中都有较多的大块氧化铁-硅酸铁共晶夹杂物存在；但不同的是增多了反复加热锻打的次数.锻打在这里不仅起着加工成型的作用,同时也起着使夹杂物减少、细化和均匀化,晶粒细化的作用,显著地提高了钢的质量.
从河北满城一号西汉墓出土的刘胜佩剑、钢剑和错金宝刀,它们虽与易县燕下都钢剑所用的冶炼原料相同,但金相检查表明,钢的质量却有显著的提高,它正是“百炼刚”技术兴起的产物.
西汉中期以后,又出现炒钢.这是因为块炼铁虽然能制造渗碳钢,而产量不大,效率很低,不能适应当时封建社会生产发展的需要,“供不应求”即生产量与需要量的矛盾,促使出现了用生铁炒成为钢的新工艺.但是生铁的产量已相当大,用生铁作为制钢原料,是炼钢史上的一次飞跃发展,也是一次重大的技术革新.
炒钢的产生,即将生铁炒到成为半液体半固体状态,并进行搅拌,利用铁矿粉或空气中的氧,进行脱碳,借以达到需要的含碳量,再反复热锻,打成钢制品,利用这种新工艺炼钢,既省去了烦难的渗碳工序,又能使钢的组织更加均匀,消除了由块炼铁带来的严重影响性能的那种大共晶夹杂物,使质量大大提高.1974年7月,山东苍山县东汉墓出土的东汉永初六年卅炼环首钢刀,经有关单位鉴定就是用炒钢为原料,反复锻打而成的.
与此同时,百炼刚的原料也由原来的块炼铁,发展到用生铁炒成的钢或熟铁做为原料,经过渗碳锻打而成.这样一来,原料的改变即铁基体有了变化,使钢的质量也随之大大提高,从而百炼钢也发展到成熟阶段.
百炼钢虽然是汉代风行一时的炼钢工艺,但固体渗碳工序费工费时；而在炒钢过程中控制钢的含碳量则是一个复杂的工艺,比较难以掌握控制.生产的发展,必然要求进一步发展工艺简单、保证质量而成本较低的炼钢方法.为此在两晋南北朝时期又出现了以灌钢为主的炼钢技术.
钢铁业在汉代的大发展,也从炼炉的形状及冶炼设备上反映出来.西汉时期炼铁的竖炉就已得到发展,炉型有了扩大.炼铁已用石灰石作为熔剂.为了适应竖炉加大的需要,对鼓风设备也进行了改革.早期开始用皮囊人力鼓风,既笨重又不适用,后来在长期的生产实践中,劳动人民不断总结经验,创造出新,采用畜力代替人力鼓风,出现了马排,但还远远不能满足高炉生产的需要.
公元31年,东汉后期南阳太守杜诗总结了南阳冶铁工人的实践经验,创造了水力鼓风的“水排”.利用“水排”鼓风生产钢铁,比用人力、畜力鼓风“用力少,见功多”.我国“水排”的出现比欧洲早一千二百多年.到魏晋时期,得到了更广泛的应用.
南北朝以后钢铁业的发展
我国古代的钢铁冶炼技术,在封建社会前期的这些重大创造发明,历经南北朝以后得到普遍推广,并且更趋成熟.
两晋南北朝时,新的灌钢技术兴起了.这种方法是先将生铁炒成熟铁,然后同生铁一起加热,由于生铁的熔点低,易于熔化,待生铁熔化后,它便“灌”入熟铁中,使熟铁增碳而得到钢.这样,只要配好生熟铁用量的比例,就能比较准确地控制钢中含碳水平,再经过反复锻打,就可以得到质地均匀的钢材.这种方法比较容易掌握,工效提高较大,因此南北朝以后成为主要炼钢方法.
关于灌钢的技术,南北朝南齐、梁时期的医学家兼炼丹家陶弘景（约452-536年）就较早地记叙说：“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者,生指生铁,鍒指熟铁,这就是灌钢.稍晚一些时候,北齐的道士纂母怀文也是较早的灌钢的实践者之一.据说他“造宿铁刀,其法烧生铁精,以重柔铤,数宿则成钢”.制成的刀还要用牲畜尿和油脂进行淬火.尿中含盐,用以淬火,冷却能力比水高；油脂作淬火剂,高温冷却快而低温冷却慢,可以减少钢件变形和脆性；适当地配合运用,能够获得性能优越的淬钢件.灌钢技术在南北朝时已相当流行,这种方法是在炒钢的实践过程中逐步发展起来的.
关于钢铁的热处理,其实早在南北朝以前,就已应用了由冷却方法的差别来求得钢铁的不同硬度的淬火技术.在河北易县燕下都出土的战国时期的钢剑、钢戟,就已用淬火处理.我国早期文献对此也有记载.这说明当时对淬火工艺已有一定的规律性认识.
南北朝发明的灌钢这一技术,宋、元以来不断发展,成为主要的炼钢方法之一.宋代的沈括在其《梦溪笔谈》中载有：“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,泥封炼之,锻令相入,谓之团钢,亦谓之灌钢”.在炼钢炉中把熟铁条屈曲地盘绕着,把生铁块嵌在盘绕着的熟铁条之间,用泥把炉密封起来烧炼,待炼成后再加锻打,这样,“灌钢”就炼成了.利用生铁的含碳量高和熔点低可以在温度较低的时候先熔化,让生铁的铁液灌入四周盘绕的熟铁中,和留存在熟铁内的氧化渣紧密地发生氧化还原作用,既使熟铁中的渣除去,又使所含的碳达到适当的分量,而转变成为品质较纯的钢铁.
到了明代,这种灌钢的冶炼方法基本上一样,但操作略有不同.明末宋应星著的《天工开物》（1637年）载：“凡钢铁炼法,用熟铁打成薄片如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖（夹）紧,生铁安置其上（原注：广南生铁名堕子钢者,妙甚）,又用破草覆盖其上（原注：粘带泥土者故不速化）,泥涂其底下.
明代锻制生产工具时,采用了“生铁淋口”的方法,这种方法的原理是和灌钢相同的.在《天工开物》上对此有详细的描述.这种方法是利用熔化的生铁,作为熟铁的渗炭剂,使这种熟铁的刀口炼成钢铁.这一创造性的技术成就,现在应用于一些小农具的生产上面.
生铁淋口的方法再发展一步,就产生了苏钢的冶炼方法.这种方法相传是苏州炼钢工人首先发明的.它实际上是在灌钢基础上发展起来的卓越成就.
在炼钢方面,封建社会后期出现了把炼铁炉流出的铁水,直接流进炒铁炉里炒成熟铁的做法,减少了一步再熔化的过程.这样就在钢铁冶炼史上出现了半连续性系统.这一创造在《天工开物》中,不仅有详细的文字记载,而且还有图说明.
在鼓风方面,北宋有一种可以移动的炼炉叫做行炉.在北宋《武经总要》中有“行炉图”,其侧面出现了梯形木风箱,说明至迟在北宋时就已经发明了用盖板开闭来鼓风的简单木风箱.在燃料上,宋代炼铁已十分普遍使用煤了.明代方以智的《物理小识》则记载说：“……煤则各处产之,臭者烧熔而闭之成石,再凿而入炉曰礁,可五日不灭火,煎矿煮石,殊为省力”.由此可见,至迟在明代不但懂得炼焦,而且用焦炭进行冶炼了.
我国古代的钢铁冶炼史上每一项发明创造,无一不是劳动人民辛勤劳动的结果,凝结着他们的智慧和血汗的结晶.
现在中国钢铁冶炼确实很差劲,但现在差,不代表以前就技不如人.在很长的一段时间里我们的钢铁冶炼技术是一度领先于世界的,绝不是某些人所说的不堪一击.
言归正传：灌钢法又叫团钢法,或生熟法,是中国早期炼钢技术一项最突出的成就.17世纪以前,世界各国一般都是采取熟铁低温冶炼的办法,钢铁不能熔化,铁和渣不易分离,碳不能迅速渗入.中国发明的灌钢法,成功解决这一难题,为世界冶炼技术的发展做出划时代贡献.
1 古代冶炼技术的演进春秋以前,中国的冶炼技术处于比较原始的阶段,当时使用的冶炼方法称为“块炼法”.当时炼铁使用木炭作燃料,热量少,加上炉体小,鼓风设备差,因此炉温比较低,不能达到铁的熔炼温度,所以炼出的铁是海绵状的固体块,称为“块炼铁”.块炼铁冶炼比较费时,质地比较软,含杂质多,经过锻打成为可以使用的熟铁.钢铁冶炼技术的进一步发展到“块炼渗碳钢”.出土文物表明,中国最迟在战国晚期已经掌握这种最初期的炼钢技术.人们在锻打块炼铁和熟铁的过程中,需要不断地反复加热,铁吸收木炭中的碳份,提高了含碳量,减少夹杂物后成为钢.这种钢组织紧密、碳分均匀,适用于制作兵器和刀具.进一步发展到“百炼钢”技术.人们在打制器物的时候,有意识地增加折叠、锻打次数,一块钢往往需要烧烧打打、打打烧烧,重复很多次,甚至上百次,所以称之为百炼钢.百炼钢碳分比较多,组织更加细密,成份更加均匀,所以钢的品质提高,主要用于制作宝刀、宝剑.
在西汉中晚期,中国出现新的炼钢技术“炒钢”,这是在生铁冶铸技术的基础上发展起来的一种炼钢技术.大约在春秋末期,中国就已经发明生铁冶铸技术,以后经过长时间的实践和探索,逐渐形成利用生铁为原料的炒钢技术.其基本方法是将生铁加热成半液体和液体状,然后加入铁矿粉,同时不断搅拌,利用铁矿粉和空气中的氧去掉生铁中的一部分碳,使生铁中的碳含量降低,去渣,直接获得钢,这就是炒钢技术.这项技术的发明是炼钢技术的重大突破,使冶炼业能向社会提供大量廉价、优质的熟铁或钢,满足生产和战争的需要.炒钢的出现促进百炼钢技术的发展,人们以炒钢为原料,经过反复加热、折叠、锻打成质量很好的钢件.但是炒钢和百炼钢技术还存在一定缺陷,如炒钢工艺复杂,不容易掌握;百炼钢费工费时.
2 綦毋怀文发展灌钢法大约在东汉末,可能出现炼钢新工艺“灌钢”法的初始形式.南北朝时,綦毋怀文对这一炼钢工艺进行了重大改进和完善.南朝齐、梁时的陶弘景首先记载了灌钢法,北朝魏、齐间的綦毋怀文曾用这种方法制成十分锋利的“宿铁刀”.綦毋怀文,姓綦毋,名怀文,是中国南北朝时期著名冶金家.他生活在公元6世纪北朝的东魏、北齐间,具体生卒年代历史上缺乏记载,只知道他好“道术”,曾经作过北齐的信州(今四川省奉节县一带)刺史.据史书记载,綦毋怀文的炼钢方法是:“烧生铁精,以重柔铤,数宿则成钢”,就是说,选用品位比较高的铁矿石,冶炼出优质生铁,然后,把液态生铁浇注在熟铁上,经过几度熔炼,使铁渗碳成为钢.由于是让生铁和熟铁“宿”在一起,所以炼出的钢被成为“宿铁”.灌钢法是中国古代炼钢技术上一个了不起的成就.同百炼法或炒炼法比较,其优点1)生铁作为1种渗碳剂,因熔化后温度高,加速向熟铁中渗碳的速度,缩短冶炼时间,提高生产率.(2)熟铁因为碳的渗入而成为钢,生铁由于脱碳也可以变成钢,增加了钢的产量.(3)在高温下,液态生铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物夹杂发生反应,去除杂质,纯化金属组织,提高金属品质.(4)灌钢法操作简便,容易掌握.要想得到不同含碳量的钢,只要把生铁和熟铁按一定比例配合好,加以熔炼,就可获得.3 推动中国古代刀剑技术的发展綦毋怀文是一位出色的制刀专家,对前人造刀经验进行研究、比较,经过不断实践,创造一套新的制刀工艺和热处理技术.
綦毋怀文造刀的方法是:先把生铁和熟铁以灌钢法烧炼成钢,做成刃口,然后“以柔铁为刀脊,浴以5牲之溺,淬以5牲之脂”这样做出来的刀称为“宿铁刀”,极其锋利,能够一下子斩断铁甲30札.对于含碳量比较高的钢,理想的淬火介质应该是:当工件在比较高的温度650～400℃,具有较大的冷却速度,在低温300～200℃,具有较慢的冷却速度.这就需要采用双液淬火法.綦毋怀文先用动物尿、后用动物油进行双液淬火,能够造出品质很高的“宿铁刀”.中国早在战国时代就使用了淬火技术,但是长期以来,人们一般都是用水作为淬火的冷却介质.虽然三国时的制刀能手蒲元等人已经认识到:用不同的水作淬火的冷却介质,可以得到不同性能的刀,但仍没有突破水的范围.而綦毋怀文则实现了这一突破,他在制作“宿铁刀”时使用了双液淬火法,即先在冷却速度大的动物尿中淬火,然后再在冷却速度小的动物油脂中淬火,这样可以得到性能比较好的钢,避免单纯使用1种淬火(即单液淬火)的局限.双液淬火法,即在工件的温度比较高的时候,选用冷却速度比较快的淬火介质,以保证工件的硬度;而在温度比较低的时候,则选用冷却速度比较小的淬火介质,以防止工件开裂和变形,使其有一定的韧性.双液淬火法是1种比较复杂的淬火工艺,这在当时没有测温、控温设备的条件下,完全依赖操作及经验,是一个了不起的成就.在綦毋怀文之前,中国古代的钢刀大都用百炼钢制成,这样制作的刀剑虽然性能优异锋利,但也存在不少缺陷,整把刀全部用百炼钢制成,价格昂贵;如一把东汉时期的名钢剑的价钱可以购买当时供7个人吃2年9个月的粮食.
而且百炼钢制作刀剑费时费力.三国时,曹操命有司制作宝刀5把,用了3年时间.为此,綦毋怀文对制刀工艺进行了重大更新.这表明綦毋怀文对钢铁的性能有比较深刻的认识,而且能根据不同的用途合理选择材质,发挥各种材质的优点,节省某些贵重材料,降低成本和费用.1把刀的背部、刃口实际起着不同的作用,因而要求具有不同的性能.
一般来说,刃口主要起刺杀作用,因而要求有比较高的硬度,这样才能保证刀的锋利,所以应该选择含碳量较高、硬度较大的钢来制造.而刀背主要起1种支撑作用,要求有比较好的韧性,使刀在受到比较大的冲击时不致折断,这样就要选择含碳量较低、韧性较大的熟铁.綦毋怀文正是有了上述类似的认识,在制作刀具时才能够将熟铁和钢巧妙的结合起来,将2者恰到好处地用在合适的地方,既满足了钢刀的不同部分的不同要求,又节省大量昂贵钢材,利于钢刀的推广和普及.这种制刀工艺,今天还在沿用.
由于綦毋怀文和千百万工匠的辛勤劳动,使中国古代冶金技术自立于世界之林.因此,当我们研究和总结古代科学技术成就的时候,不应该忘记綦毋怀文的功绩.这是中国冶金史上的一项杰出成就和伟大创新,在世界炼钢史上占有一定地位.4 灌钢法的进一步革新灌钢法的出现,使钢的产量和品质大大提高,为隋唐以后生产力的大幅度增长提供了条件.后来,灌钢法又不断发展.宋代又把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间,用泥巴把炼钢炉密封起来,进行烧炼,效果更好.明代又有改进,把生铁片盖在捆紧的若干熟铁薄片上,使生铁液可以更好均匀地渗入熟铁之中.不用泥封而用涂泥的草鞋遮盖炉口,使生铁可从空气中得到氧气而更易熔化,从而提高冶炼的效率.明中期以后,灌钢法更进一步发展为苏钢法以熟铁为料铁,置于炉中,而将生铁板放在炉口,当炉温升高到1300℃左右,生铁板开始熔化时,既用火钳夹住生铁板左右移动,并不断翻动料铁,使料铁均匀地淋到生铁液;这样,既可产生很好的渗碳作用,又可产生剧烈的氧化作用,使铁和渣分离,生产出含渣少而成份均匀的钢材.直到现今,在芜湖、湘潭、重庆、威远等地人们还在使用;可见其影响的深远.在17世纪以前,中国的炼钢技术长期居于世界领先地位,受到各国地普遍赞扬.公元1世纪时,罗马博物学家在其名著《自然史》中说:“虽然铁的种类很多,但没有一种能和中国来的钢相媲美.”