钢铁的前世是上帝眷顾的礼物，今生则是人类智慧的结晶。

01

上帝的礼物

一颗流星划破长空，从天而降的恰是一块含铁量很高的铁陨石，这是上帝送给世间的礼物。6000多年前的古埃及人与苏美尔人是上帝的幸运儿，他们发现并利用了这份礼物，最早用铁陨石中的天然铁制作成铁器，并将这些铁器以天降神物尊称。因为落入地表的铁陨石十分难得，所以那时的天然铁就显得弥足珍贵，铁器自然也就成了当时的奢侈品。

但实际上地球上的铁元素并不稀缺，铁是排在铝之后第二多的金属元素，只不过地球上的铁是以化合物的形态躲藏在岩石或沉积物中，即铁矿石中。大约在4500多年前，精明的古代小亚细亚半岛（现今的土耳其）的赫梯人发现了铁矿石中隐藏着铁的秘密，他们用树木直接火烧的方法，从铁矿石中熔炼出铁，这也让他们最先走进了铁器时代。

小贴士

考古发现最早的陨铁器是在尼罗河流域的格泽（Gerzeh）和幼发拉底河流域乌尔（Ur）出土于公元前4000多年前的铁珠和匕首。

想一想

为什么落入地表的铁陨石含铁量都很高，甚至可以达到95%以上？

02

不可小觑的风箱

古代中国是人类历史上较早利用铁矿石熔炼铁的国家之一，早在春秋战国就开启了中国历史上引以为豪的铁器时代。高温下将铁矿石熔融的同时把铁元素还原成铁，这是利用铁矿石炼铁的基本原理，也就是说炼铁时首先要有一个必不可少的前提条件，那就是要有很高的温度。

木炭是中国很早的发明，既可以通过燃烧提供温度，也可以利用其不完全燃烧时产生的一氧化碳来还原铁。木炭虽然是炼铁一箭双雕的好选择，但仅靠木炭自然的温度（约700℃）想有效地炼出铁来还不够，因为这个温度离有效还原铁的温度（1000℃以上）还有一定的差距。如何解决这个问题？人们起先想到了利用牛皮制造成的风袋来鼓风，促进木炭燃烧以提高温度，这使得木炭在炼铁中有了真正的用武之地。这种最早的风袋式的风箱经过逐步改进创新，最终演变成效率更高的水力推拉的活塞式风箱，大大提高了古代中国的炼铁效率。

所以说风箱鼓风是人类历史上了不起的发明，试想炼铁时如果没有风箱的鼎力相助，那么铁器至今可能还是价格不菲的奢侈品，古代文人墨客留下的佳句可能就是“书中自有黑铁屋”了；如果没有铁器的大量使用，中国的农耕文明也不可能有那么快的大发展。

小贴士

木制双活塞式风箱是中国在鼓风技术方面的重要发明，比欧洲早了400年以上的历史。

想一想

为什么中国铁钱从西汉始铸，北宋鼎盛，南宋渐亡？

03

为啥百炼可以成钢

中国自古流传着很多关于宝剑的传说。相传在春秋末年，吴王阖闾找到巧匠干将炼造宝剑。干将“采五山之铁精，六合之金英”，动用了300名童男童女，为其向炉火中添加木炭鼓风，干将的妻子莫邪还把自己的指甲与头发投入炉火中助其炼剑，最终炼成了两把绝世宝剑，剑身有龟裂纹的叫“干将”，有水波纹的叫“莫邪”。

干将所选用的“铁精”实质上是含碳量较低的、质量较好、但含有较多杂质的铁块。干将把铁块反复放入炉火中加热锤炼，将炉火中的碳渗入铁的表面，并去其杂质，其实就是炼钢的简要过程，所以干将炼造的宝剑也可以称为钢剑，而干将这种炼钢的方法叫作渗碳炼钢法，也是中国较早的炼钢方法。后来，人们把炼出的优质钢称为“百炼精钢”，这正是成语“百炼成钢”的由来，“百炼”就是工匠们经过上百次的加热和反复折叠锻打成钢的过程。

干将炼钢时采用的是含碳量低的铁块，含碳量很高的铁块是否也可以炼成钢呢？答案是肯定的，但不用千锤百炼，而像炒菜一样地炒就行了，所以可以称为“炒钢”。西汉时期开始，人们已能够把铁块加热到熔融或半融状态，再不断地搅拌，增加空气与铁的接触面，使铁水中多余的碳氧化，逐渐降低含碳量以炼成钢。因此简单地说，炼钢就是调节铁中的含碳量。

小贴士

铁与钢的区别主要在于含碳量的多少，含碳量大于2%的为生铁，0.2%—2%的为钢，小于0.2%的为熟铁或纯铁。

想一想

古人怎么判断铁中含碳量的高低，选择是渗碳还是脱碳炼钢法呢？

04

当煤遇到了铁

长期以来，欧洲一直将木炭作为炼铁的唯一燃料。随着欧洲炼铁业的迅速发展，欧洲各地的森林资源很快就消耗殆尽。到了18世纪末期，英国森林资源几乎枯竭，这一度使得英国的炼铁业险些步入穷途末路，直到英国开始大量使用煤来炼铁。值得一提的是，中国在魏晋南北朝时期（公元3—6世纪）就开始用煤替代木炭炼铁，到了宋代（公元10—13世纪）已形成了北方用煤、南方用木炭的局面，而到了明代（公元14—17世纪）已大多用煤来炼铁了。据推算，宋代铁的年产量达到7万吨以上，明代则达到了15万吨以上，而使得英国森林资源接近枯竭时的工业革命初期，英国铁的年产量也仅仅相当于中国宋代时的水平。

所以不难想象，如果没有煤在炼铁中的替代使用，现今全球18亿吨以上的钢铁年产量会是一个不可想象的天文数字；又或许全球的森林资源早已不复存在，青山绿水只能在历史课本里才能找到。因此，当煤遇到了铁，不仅是解决了炼铁燃料的瓶颈，而且还从某种程度上拯救了地球的自然生态。

小贴士

直至今日，英国的森林覆盖率也仅恢复到11.8%，全球排名第134位。

05

现代钢铁工业三大件

尽管中国炼铁与炼钢技术都不是世界最早的，但是中国古代在冶炼技术上的不断发明创造，使得从公元前6世纪的春秋时代起，便遥遥领先世界数千年，直到后来居上的欧洲使钢铁的生产效率有了更大的提高，欧洲才成为现代钢铁工业生产工艺的开拓者。

高炉、转炉（电炉）、轧机是现代全流程钢铁生产工艺的“三大件”。现代钢铁的主要生产流程是：先将铁矿石在高炉中冶炼成铁水，接着把铁水注入转炉或电炉冶炼成钢，再将钢水铸成连铸坯或钢锭，经过轧机塑性变形加工成各种用途的钢材。

第一大件——高炉，以“高大能吃”著称。顾名思义，就是一个比较高大的竖立直圆桶形的炼铁熔炉，炼出来的铁水被称为生铁。不过，炼铁技术发展初期时的炼铁熔炉很小，构造也很简单，被称为竖炉。现代高炉自上而下由炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5个重要的部分组成，是一个技术复杂、系统性很强的炼铁设备。但不管怎样，古代早期竖炉炼铁的基本原理没变，是现代高炉的鼻祖。当前世界上最大的高炉是韩国浦项钢厂1号高炉，容积达到6000立方米，日产铁水量可达到1.2万吨以上。

第二大件——转炉，因“灵动高效”得名。炉体通常为梨形，可以大角度地倾转，故称转炉，炼出来的钢被称为粗钢。现代的转炉炼钢法由一位无心插柳的英国工程师贝斯麦（Henry Bessemer）于1856年发明，由此开创了钢铁生产的新时代。由于此前的炮筒是用铸铁做成的，容易发生裂纹，贝斯麦为了解决这一问题，尝试用反射炉把生铁熔化后再掺入合金，以制造炮筒。在试验时，当他开动鼓风机后，突然发现了一种奇异的现象：在炉子边缘上一些不熔化的生铁和吹入的空气起作用而发生燃烧。他把经过燃烧后的生铁用铁棍挑起来进行化验，结果发现铁被吹成含碳很低的钢。再进一步研究，贝斯麦发明了底吹空气式转炉。把铁水及少量废钢与铁合金放入炉内后吹入空气，铁水中的碳、硅、锰等元素被氧化并发出大量的热，变成了韧性很好的钢。这是一项震惊世界的发明，因为用这种方法炼钢，不再需要外加燃料，且十几分钟就能炼成数吨的优质钢，效率比过去的炼钢方法高出上百倍。1948年，德国人罗伯特·杜勒（Robert Durrer）在瑞士在贝斯麦的发明基础上，用纯氧气顶吹转炉炼钢的试验获得成功。1952年在奥地利的林茨城（Linz）、1953年在多纳维茨城(Donawitz)先后建成两座一次能装30吨铁水的氧气顶吹转炉，并投入生产。该炼钢法也被称为“LD”转炉法，使得炼钢的效率又提升了一大步，成为当今主要的转炉类型。后来电炉的发明也是基于这种转炉之上。目前世界最大的氧气顶吹转炉是德国奥古斯特·蒂森钢厂的超大转炉，一次能装400吨铁水，日产钢量能达到1万吨。

第三大件——轧机，有“万钧气盖”之力，使钢锭或钢坯在旋转的轧辊之间产生塑性变形，轧出各种断面形状与尺寸的钢材的机械设备。根据其断面形状，轧机可大体分为型材、线材、板材、管材类；按轧制时的温度不同，还可以分为热轧与冷轧类。

小贴士

现今铁是被利用最广、用量最多的金属，其消耗量约占金属总消耗量的95%。2018年全球钢铁产量超过18亿吨，如果以宽、高各1米截面为单位，可以绕地球5圈以上。

想一想

高炉与转炉技术的发展都经历了从小到大的过程，但在实际生产中它们是越大越好么？