冶炼生铁(如何把生铁炼成钢)

虽然中国的冶铁技术不是世界上最早的，但中国古代的钢铁冶炼技术在很长一段时间内是领先于世界的。中国从春秋时期就有了冶铁技术，到战国时期已具相当规模。汉代是中国钢铁冶炼发展史上的一个关键时期。这一时期出现了高炉炼钢、钢煎技术、100%炼钢技术等冶炼技术，使中国的钢铁冶炼技术遥遥领先于西方国家。边肖将引进汉代的钢铁冶炼技术。

第一，高炉设备的改进

人类的冶炼技术是从烧制陶器开始的。随着温度的不断升高，我们已经具备了冶炼金属的温度。商朝时期，铜炉的温度可以提高到1200度，使中国的青铜冶炼技术领先于世界。商代的青铜冶炼不仅孕育了最初的瓷器冶炼技术，也为后来的冶铁奠定了基础。西周时，中国人可以把铜炉的温度提高到1300度，用赤铁矿制造生铁也是可能的。到了春秋时期，出现了炼铁的高炉。战国时期，由于战争频繁，加快了冶铁技术的发展。

西汉以后，国家非常重视冶铁。汉武帝时期实行“盐铁官营”，将冶铁纳入国家垄断经营范围。“盐铁官营”政策实施后，保障了冶铁业的资金，促进了冶铁业的快速发展。与此同时，西汉的高炉也有了很大程度的改造。比如一个重要的改造就是把高炉改造成椭圆形。汉代的人们发现，风很难到达3米多高的高炉中心，因为把圆形改为椭圆形，在扁形的两侧吹气，使风可以到达高炉中心，从而提高冶炼温度和效率。椭圆形铁炉不仅有利于风的输送，而且提高了高炉的容积。到了汉代，冶炼炉逐渐发展成大规模。

在风力有限的情况下，氧气和煤在高炉内燃烧会产生煤气，煤气在高炉内沿炉壁上升，最后排出。这样，气体就相当于被浪费了，无法发挥更大的作用。因此设计成将高炉下部炉墙向外倾斜62度左右，从而增加煤气与炉料的接触面积，提高燃烧效率。

汉代荥阳冶铁遗址

在炼铁的过程中，炉内会产生炉渣，炉渣中含有大量的二氧化硅。这种化合物导致炉渣粘度高，不利于高炉的连续使用。至少在西汉时期，人们就开始在炉料中掺入石灰石，使二氧化硅和氧化钙发生化学反应，降低炉渣的熔点。同时，石灰石还可以降低生铁的含硫量，提高生铁的质量。

第二，吹气设备的改进

炼铁技术的发展与鼓风技术的改进密切相关。在古代，炼铁高炉使用皮革“杯”作为鼓风机。这种枫树两头细，中间凸起。膀胱上有一个拉杆，可以用手来回推动，使膀胱压缩膨胀。皮囊在鼓胀压缩的过程中向冶铁炉内吹入风，称为“吹”。论吹的力量，除了“人排”吹，还有“马排”“牛排”等兽力。

随着高炉高度的增加，高炉的容积也在增加。为了给高炉提供充足的风力，人们在高炉上开了四个风口，每个风口都用大皮来增加鼓风量。但是风口的增加也需要更多的人力。比如荥阳出土的44立方米高炉，需要十二个人同时操作。如果考虑到轮换，需要三十六名工人。因此，解决风力发电的问题非常重要。

东汉时期，南阳太守发明了一种水利吹水设备——水排。放水是应用液压激振机械轮轴对鼓风布袋施压，使布袋不断膨胀收缩，给冶金高炉加氧。水的使用可以为高炉提供充足的氧气，从而进一步提高高炉的温度，提高冶炼效率。然而，西方国家直到12世纪才拥有喷水设备。

第三，如何把铁炼成钢

这里先说生铁，熟铁，钢材。生铁，都是冶铁产品，但特性大相径庭。生铁坚硬，耐磨，可浇铸，但易碎，不能锻造；熟铁比较软，可塑性好，可以拉成丝，但硬度不够；另一方面，钢具有两者的共同优点。它不仅硬度强，而且韧性好。是古代铸造兵器的最佳材料。这些不同特征的原因在于它们的碳含量不同。生铁的碳含量高于2%，熟铁的碳含量低于0.05%，钢的碳含量介于两者之间。

汉代的铁器

西周时，中国就有了冶炼生铁的技术。春秋战国时期，又出现了冶炼熟铁的方法。冶炼熟铁需要将温度提高到1500度以上，达到铁的熔点，使铁矿石熔化后流入方池。人们用工具搅拌，使碳被氧化排出。但是如何炼钢需要更高的技术。汉朝时，人们已经掌握了两种炼钢方法。第一种是将生铁中的碳排出，称为脱碳炼钢法；二是在熟铁中加入热渗碳，增加熟铁的含碳量，使其变成钢。

孟茜碧潭炼铁

这两种方法中，第二种方便的工艺复杂，操作难度大，限制了钢的冶炼规模。因此，脱碳炼钢法在汉代被广泛使用。在脱碳技术中，汉代发明了一种炸钢技术。炸钢主要是将生铁加热到1200℃使其半溶。然后通过不断搅拌，增加碳和氧的接触面积，使碳被氧化。随着温度的不断升高，生铁中的碳含量不断降低，逐渐演变为钢。当然，如果继续升温搅拌，也能变成熟铁。这些只要经过锤炼就能成为优质钢材。

钢铁油炸技术

在炸钢技术的基础上，又出现了百炼钢技术。所谓“百炼钢”，就是反复训练炸钢，使之成为精钢。这项技术是当时世界上最好的炼钢水平。但是这项技术操作难度很大(碳含量很难控制)，所以需要技术娴熟、经验丰富的工匠来完成。一般炼钢技术用来制造昂贵的武器。王充在《论衡》中说:“一把剑的锻造和炼制是异质的吗？好老师是有技巧的，少数是精炼的。”高质量的剑需要几十到上百次的练习，比如东汉末年曹操订购的五把宝刀。他们花了三年时间，做了100次练习才成功，这就是所谓的“白碧道”。1974年，山东苍山县出土了一把首钢周边刀，上面有“炼”字，说明练过30次。

东汉大瓦槽环首钢刀