人类对铁的认识始于“天外飞石”

铁和钢在人们的生活中无处不在,是制造生产工具、生活工具以及战争工具的重要材料,钢产量甚至一度成为综合国力的标志。

人类对铁的认识始于陨石

铁矿石是地壳主要组成成分之一,铁在自然界中分布极为广泛,但人类发现和利用铁却比黄金和铜要迟。主要是由于天然单质状态的铁在地球上非常稀少,而且它容易氧化生锈,加上熔点又比铜高得多,就使得铁比铜难于熔炼。

人类最早发现的铁是从天空落下来的陨石,陨石中含铁的百分比很高,是铁和镍、钴等金属的混合物,在融化铁矿石的方法尚未问世的时候,人类不可能大量获得生铁,铁被视为一种带有神秘色彩的珍贵金属。

人类对陨铁的认识经历了漫长曲折的历程。古代两河流域的苏美尔人把铁称为“天上的铜”,公元前2000年赫梯人的楔形文字有一段文献记载了当时的金属产地,特别强调说铁是采自天上的。同一时期的埃及纸草书也记录了天上落下石块和铁块,埃及人建造金字塔时就应用了陨铁,还将其称为“天铁”。古希腊大诗人荷马在《伊利亚特》中记载,在一次竞技会上曾把一块粗糙的铁作为奖品赠给优胜者。那时希腊还处于青铜时代,这块粗糙的铁很可能就是陨铁。古代阿拉伯人曾说过:“铁是出产在天上的。”住在北极的爱斯基摩人直到19世纪还用陨铁锻打鱼叉。

我国史书记载了700多次陨石降落,其中公元前368年(秦献公十七年)、公元1064年(北宋治平元年)、公元1321年(元至治元年)、公元1350年(元至正十年)记录了铁陨石。可见古老文明很早就认识到了陨石来自天外,并已经会使用陨铁了。

铁曾与黄金同价

在西亚的一些游牧部落里流传着一个神话般的传说,铁既然是从天上降下来的,那么天空一定是个大铁盘。尽管先人传说铁只有天上才有,但还是有一些不遵从祖训的年轻人试图在人间发现铁。西亚的赫梯人最早会冶炼和使用铁器。公元前1290年,埃及国王致信赫梯国王要求提供一些铁,赫梯国王回信答应给他提供一把剑,但要求用黄金来交换,可见当时铁是一种非常贵重的金属。赫梯国王还在信中炫耀说:“在我们的国土上,铁和尘土一样平凡。”

早期的冶铁技术大多是采用固体还原法,冶炼时将铁矿石和木炭一层一层地堆放在炼铁炉中,点火燃烧,产生一氧化碳,从而使铁矿石中的氧化铁还原为单质铁。早期的铁由于冶炼温度很低而性能很差,是含大量碳氧杂质的合金,古人称之为“恶金” 。

赫梯国王把铁视为专利,不许外传,以至在一段时间里,铁的产量极少,贵如黄金,其价格竟是黄铜的60倍。铁器只被当作珍贵礼品在一些国家的宫廷里传送。而赫梯人打击敌人最有效的武器是战车,在战场上,他们驱赶披着铁甲的马拉战车冲锋陷阵,所向披靡,使来敌闻风丧胆。

春秋战国出现铸铁农具

冶铁技术的发明,标志着奴隶时代的结束和封建社会的开始。商代用陨铁制作了铁刃铜钺,说明那时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。

最早大量生产铁并将其应用的是赫梯帝国,到了公元前1200年,铁已在中东各地广泛运用,但在当时并未取代青铜在应用上的主要地位。

我国在春秋战国时发明了铸铁技术,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,比欧洲早两千年左右。

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了方便。但在冶炼生铁的初期,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,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,人们创造了白口铸铁柔化处理技术,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。湖南长沙出土的战国铁铲、河南辉县出土的战国中期铁带钩、河北易县燕下都出土的战国晚期铁镢、铁锄等,都属于这种展性铸铁。

战国中期以后,铁器已取代铜器成为主要的生产工具。《管子·海王篇》说“一女必有一针、一刀”“耕者必有一耒、一耜、一铫”。正是铁器的普遍应用,极大地推动了社会生产发展,使奴隶制向封建制转变,造就了战国时期经济繁荣、百家争鸣的昌盛局面。

西汉大规模“百炼钢”

“铁不炼不成钢”——从铁到钢,无疑是质的升华。现在已知最早制造钢的地方是东非,约在公元前1400年。在公元前4世纪,伊比利亚半岛就出产了像利刃弯刀这种钢兵器,而古罗马军队则在用诺里库姆出产的钢兵器。

中国人在春秋晚期战国时代就懂得用淬火来硬化铁器。考古工作者在湖南长沙杨家山春秋晚期的墓葬中发掘出一把铜格“铁剑”,通过金相检验证明是钢制的。这是迄今为止中国最早的钢制实物,它说明炼钢在中国已有2500多年的历史。

《史记·礼书》和《苟子·议兵篇》中谈到,楚国的宛(今河南省南阳)出产的兵器刃锋像“蜂刺”一样厉害。当时西方古罗马士兵使用的刀剑是熟铁制作的,在战场上交锋时一刺便弯,再刺之前非要放在地上用脚踩直不可。公元1世纪时欧洲人普利尼曾经说:“虽然铁的种类多而又多,但是没有一种能和中国的钢媲美。”

西汉时兴起了大规模的“百炼钢”,增加了反复加热锻打的次数,这样既可加工成型,又使夹杂物减少、细化和均匀化。河北满城一号西汉墓出土的刘胜佩剑、钢剑和错金宝刀,就是“百炼钢”的产物。“百炼成钢”“千锤百炼”成语由此而来。

西汉中期出现了炒钢,钢的组织更加均匀。山东苍山县东汉墓出土的炼环首钢刀,就是用炒钢锻打而成。炒钢的发明打破了先前生铁不能转为熟铁的界限,是中国古代钢铁技术史上又一重大事件。

两晋南北朝时期出现了以灌钢为主的炼钢技术。宋代的沈括在其《梦溪笔谈》中载有:“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。”即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。

明代延续了这种灌钢的冶炼方法,但操作略有不同。明末宋应星著的《天工开物》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,又用破草覆盖其上,泥涂其底下。”

中国的钢铁技术在宋代已达到了年产上万吨的水平。日本从中国的吴越之地学会了手工钢的锻铁技术,从此开始了出口手工钢(就是日本刀)的历史。

转炉炼钢令世界进入钢铁时代

欧洲人学会冶炼钢铁比较晚,直到1850年全欧洲仍然炼不出优质钢,全欧洲出产的钢铁加起来不如印度出产的一部分。但现代炼钢法却源于1856年英国人贝塞麦发明的酸性底吹转炉炼钢法。

贝塞麦是个有趣的人,20岁发明邮票印刷的新方法,后来投入炼钢法研究,成为一名冶金学家。他发现,将融化的生铁放进转炉内吹入高压空气,便可燃烧掉生铁所含的硅、锰、磷、碳而炼成钢。他首创了这种大量产钢的方法,此后欧洲、美洲都引进了这一先进方法,世界从此进入钢铁时代。

由于空气与铁水直接作用,贝塞麦炼钢方法因而具有很快的冶炼速度,成为当时主要的炼钢方法。1879年英国人托马斯发明了碱性空气底吹转炉炼钢法,成功解决了冶炼高磷生铁的问题。

第二次世界大战结束后的20世纪50年代,世界钢铁工业进入了快速发展时期,在这一时期开发成功的氧气顶吹转炉炼钢技术和钢水浇铸工艺,对随后钢铁工业的发展起到了非常重要的作用。

1952年,氧气顶吹转炉炼钢法发明成功,由于具有反应速率快、热效率高以及产出的钢质量好、品种多等优点,该方法迅速被日本和西欧采用。在20世纪70年代,氧气转炉炼钢法已经取代平炉法成为主要的炼钢方法。

20世纪80年代中后期,西欧、日、美等相继开发成功了顶底复吹氧气转炉炼钢方法。氧气由顶部氧枪供入,同时由炉底喷口吹入氩、氮等气体对熔池进行搅拌。目前世界上较大容量的转炉,大多数采用了顶底复吹转炉炼钢工艺。

历史故事:刀剑“削铁如泥”全凭淬火

三国时蜀汉著名的兵器制造家蒲元在斜谷口(今陕西周至县西南)“镕金造器,特异常法”,为诸葛亮铸刀三千口。刀铸成以后,为了检验质量,蒲元让士兵用竹筒灌满铁珠,举刀猛砍,如截刍草,竹筒断而铁珠裂,人们交口称赞蒲元铸造的钢刀是能够“斩金断玉,削铁如泥”的“神刀”。无论是夸张还是事实,中国传统的刀剑工艺在当时确实是属于世界顶尖水平的。

要想锻制出这样的“神刀”,最后一道工序淬火至关重要。淬火,就是先把打好的钢刀放在炉火上烧红,然后立刻放入冷水中适当蘸浸,让它骤然冷却。这样反复几次,钢刀就会变得坚韧而富有弹性了。淬火工序看起来容易,但操作起来极难掌握得恰到好处,烧热的火候、冷却的程度、水质的优劣,都有很大关系。淬火淬得不够,则刀锋不硬,容易卷刃;淬火淬过头,刀锋会变脆。

据《诸葛亮别传》讲,蒲元对淬火用的水质很有研究。他认为“蜀江爽烈”,适宜于淬刀,而“汉水钝弱”,不能用来淬刀,涪水也不可用。他在斜谷口为诸葛亮造刀,专门派士兵到成都去取江水。由于山路崎岖,坎坷难行,所取的江水打翻了一大半,士兵们就掺入了一些河水。水运到后当即被蒲元识破,“于是咸其惊服,称为神妙。”在1700年前,蒲元就发现了水质的优劣会影响淬火的效果,这实在是了不起的成就,而欧洲到近代才开始研究这个问题。

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