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钢铁是怎样炼成的

钢铁如此司空见惯地出现在我们的日常生活中，以至于我们忘了它有多么的重要——在几千年的历史中，人类想尽办法要从坚固的地壳中提炼这种性能优良的金属材料，然而我们将会看到这是一项何等艰辛的探索之路。

终于经过近代以来的科学革命，钢铁工业蓬勃地发展起来，支撑起了整个人类文明，我们用“现代工业的骨骼”形容它——所以最终毫不夸张的说，现代文明的较量，就是钢铁与钢铁的较量。

－文字稿－

钢铁是现代工业的骨骼，这不仅形容了它的地位有多么重要，也形容了炼成它是何等艰难。

铁元素虽然在地壳中储量很高，单质铁的化学性质却非常活泼，在地球表面成为高熔点的氧化物，所以在历史上的大多数时间，我们甚至没有见过“铁”——除非有大型陨铁从天而降，才有可能给帝国的君主打造一两把锋利的匕首。

一般认为，有效的冶铁术最早出现于公元前18世纪的赫梯——如前17世纪国王Anitta的泥板书上记录，那是用来制造王冠和权杖的贵重材料，要被当作国家机密保守起来。

但是赫梯帝国在青铜时代晚期的大崩溃中覆灭了，冶铁技术也就随之传播开来——到公元前500年，欧亚大陆诸文明已经普遍进入了铁器时代。

最早的冶铁术可不像今天这样有一炉炉烧熔的铁水——纯铁的熔点高达1538°C，燃烧木柴和木炭的窑炉不能融化它，而只能把铁矿还原成饱含杂质的海绵铁。铁匠在它的缝隙中塞入草木灰等固溶剂，反复烧炼锻打，才能让硅等杂质变成玻璃状的炉渣敲出来。

当这样的千锤百炼清理了铁中的杂质，铁中的碳含量也普遍降到了0.2%以下，成为过于柔软的熟铁，做不得工具——我们又需增加铁中的碳含量，扰乱过分整齐的晶格，让较纯的熟铁变成坚硬的合金钢——其中历史上沿用最久的是“渗碳法”：将铸铁打成薄片，放在炭火里煅烧，碳元素就会在高温下渗进去，形成含碳较高的坚硬表面。

然而要想得到令人满意的钢材，也就是含碳2%到0.2%之间的铁碳合金，锻炼的历程才刚刚开始——锻焊技术在公元前8世纪的印度就已经成熟：将铁片叠在一起烧软，再反复锻打，就能让两者融合起来。那么取含碳较少的熟铁和充分碳化过的生铁依照比例反复折叠锻打，让两种合金相当均匀地混合起来，形成相当坚韧的钢材——这样的钢材表面总能看到两种铁合金黑白相间的层叠花纹，因此常被称为“花纹钢”，附会上了无数传奇的大马士革钢就是这样，日本武士刀也是这样。

但也并非所有的花纹钢都是折叠锻打的产物——生铁含有较多碳杂质，熔点可以降到1100多度而被古人的窑炉融化——印度人将熟铁浸泡在熔化的生铁里，就能吸收生铁中的碳，形成花纹细腻的坩埚钢——比如17世纪以前的印度乌兹钢。

另一方面，古代中国在公元前就发明了液态冶炼：就是利用鼓风机使燃料充分燃烧，用高温火焰熔化铁矿，并不断加入木炭粉，使其保持液态，令炉渣充分析出，最后用液态的铁碳合金铸造农具和日用品——就是铸铁——如果用刚刚熔化的生铁灌注搅拌，也能得到较好的钢——这种做法一直延续到了大跃进时代。

总之就像这样，古人在几乎无法获得铁水的情况下出尽百宝，试炼出了品质参差的各种“钢铁”——终于在1709年英格兰的什罗普郡（Shropshire），人们研制了煤炭脱硫的技术，解决了硫元素使铁变脆的难题，用充分燃烧的煤炭营造了融化熟铁的高温；瓦特在1784年改良的蒸汽机也很快应用高炉的鼓风动力，让炼铁厂不必沿河而建；1828年，苏格兰的格拉斯哥（Glasgow）又发明了热风炉，用预热的空气节省一半燃料，获得了更高的炉温，无烟煤也可以直接用作燃料——年产数百吨的高炉终于将工业革命推上了高潮。

在今天，钢铁冶炼已经成为一整套衔接紧密的完整产业：世界各地开采的铁矿和煤炭被运送到大型钢铁厂，磨碎的铁矿被烧结成颗粒，而煤炭要干馏成焦炭——它们被分层堆入高达百米的高炉，而后1200℃以上的高温空气从底部吹入，使焦炭烧出1500°以上的高温，铁矿化成铁水从下方流出，并撇除炉渣。

但这样的铁水仍有很多杂质，不能制成性能稳定的钢，于是铁水还要继续灌入转炉（converterfurnace），在其中吹入纯氧，使碳、磷、硫氧化后逸出，并根据需要加入镍、铬等元素，产生成分精确的钢水，然后注入模子冷却，制成各种性能的钢材。

这些钢材最后在1100℃的温度下压制出钢板、钢条、钢锭、钢丝等等形状，分送到现代工业的每一个领域，最终支撑起整个现代文明——而如何研发最精确的配方，制造性能最优异的钢铁，就是现代文明最硬核的较量了。