中國(guó)鋼鐵冶煉簡(jiǎn)史

中國(guó)鋼鐵冶煉簡(jiǎn)史春秋戰(zhàn)國(guó)鋼鐵的冶煉春秋時(shí)代是我國(guó)由奴隸社會(huì)向封建社會(huì)轉(zhuǎn)變的階段。促成這一社會(huì)變革的物質(zhì)因素，是社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。勞動(dòng)工具是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的重要標(biāo)志。鐵制工具的廣泛使用，促進(jìn)了我國(guó)由奴隸制向封建制的過(guò)渡。商代用隕鐵制作了鐵刃銅鉞，說(shuō)明對(duì)鐵的性質(zhì)和鍛打嵌鑄的技術(shù)已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)和掌握，但當(dāng)時(shí)尚不知人工煉鐵。春秋時(shí)期，鐵器已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、手工業(yè)生產(chǎn)中使用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用鐵鋤、鐵斧等。鐵器堅(jiān)硬、鋒利，勝過(guò)木石和青銅工具。晉國(guó)用鐵鑄刑鼎，鑄鼎的鐵是作為軍賦向民間征收的，可見(jiàn)晉國(guó)民間鐵已不少。在江蘇六合縣程橋、湖南長(zhǎng)沙龍洞坡等地出土了春秋時(shí)的鐵器。戰(zhàn)國(guó)初或稍早已發(fā)明鑄鐵技術(shù)，這是我國(guó)勞動(dòng)人民對(duì)冶金技術(shù)的重大貢獻(xiàn)，比外國(guó)早一千八百年左右。河北興隆縣壽王墳出土了大量戰(zhàn)國(guó)時(shí)的鐵范，其中有較復(fù)雜的復(fù)合范和雙型腔，還采用了難度較大的金屬型芯，反映了當(dāng)時(shí)的鑄造工藝已有較高水平。戰(zhàn)國(guó)時(shí)發(fā)明的用柔化退火制造可鍛鑄件的技術(shù)和多管鼓風(fēng)技術(shù)是冶金技術(shù)的重要成就，比歐洲早二千年左右。戰(zhàn)國(guó)時(shí)還掌握了塊煉鐵固態(tài)滲碳制鋼的方法和淬火技術(shù)。塊煉鐵的方法也就是“固體還原法”。由于塊煉鐵是鐵礦石在較低溫度下從固體狀態(tài)被木炭還原的產(chǎn)物，所以質(zhì)地疏松，還夾雜有許多來(lái)自礦石的氧化物，例如氧化亞鐵和硅酸鹽。這種塊煉鐵在一定溫度下若經(jīng)過(guò)反復(fù)鍛打，便可將夾雜的氧化物擠出去，機(jī)械性能就改善了。從江蘇六合縣程橋東周墓出土的鐵條，就是塊煉鐵的產(chǎn)品。春秋末期和戰(zhàn)國(guó)初期的一些鍛造鐵器也是以塊煉鐵為材料。在反復(fù)鍛打塊煉鐵的實(shí)踐中，人們又總結(jié)出塊煉鐵滲碳成鋼的經(jīng)驗(yàn)。從河北易縣武陽(yáng)臺(tái)村的燕下都遺址44號(hào)墓中曾出土79件鐵器，經(jīng)分析鑒定，它們的大部分都是由塊煉鋼鍛成的，這證明至遲在戰(zhàn)國(guó)后期塊煉滲碳鋼的技術(shù)已在應(yīng)用，塊煉鐵質(zhì)柔不堅(jiān)，塊煉鋼雖經(jīng)滲碳處理，變得較堅(jiān)硬，但在生產(chǎn)上仍嫌不足。人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中又摸索出塊煉鋼的淬火工藝，這就進(jìn)一步提高了塊煉鋼的機(jī)械性能。上述燕下都出土的鍛鋼件，大部份是經(jīng)過(guò)淬火處理的，這又表明在當(dāng)時(shí)，人們對(duì)淬火工藝也較熟悉了。生鐵的冶鑄工藝，在原料、燃料上與塊煉法基本一樣。它們之間主要的差別在冶煉溫度的不同。塊煉法的爐溫大約在1000(C左右，離純鐵的熔點(diǎn)（1534(C）相差很遠(yuǎn)，而生鐵冶煉時(shí)，爐溫達(dá)到了1100-1200(C。在冶煉中，被還原生成的固態(tài)鐵會(huì)吸收碳，這種吸收隨著溫度的升高，速度就會(huì)加快。另一方面吸收碳后，鐵的熔點(diǎn)隨之降低，當(dāng)含碳量達(dá)到2.0%時(shí)，熔點(diǎn)降至1380(C；當(dāng)含碳量達(dá)到4.3%時(shí)，熔點(diǎn)為最低，僅1146(C。在這種條件下，爐溫就可使鐵熔化，從而得到了液態(tài)的生鐵。液態(tài)生鐵就可以直接澆鑄成器，冶鑄過(guò)程簡(jiǎn)化了，就使鐵器的生產(chǎn)有了大發(fā)展的可能。江蘇六合程橋東周墓出土的鐵丸，洛陽(yáng)出土的公元前五世紀(jì)的鐵錛、鐵鏟都是生鐵器物，這證明在塊煉法的同時(shí)，我國(guó)已出現(xiàn)生鐵冶鑄工藝。生鐵與塊煉鐵同時(shí)發(fā)展，是我國(guó)古代鋼鐵冶金技術(shù)發(fā)展的獨(dú)特途徑。世界上許多其他國(guó)家，從塊煉鐵發(fā)展到生鐵，大約經(jīng)歷了上千年的時(shí)間。就拿歐洲一些國(guó)家來(lái)說(shuō)，雖很早已有塊煉鐵，但出現(xiàn)生鐵則在公元十三世紀(jì)末和十四世紀(jì)初。生鐵的生產(chǎn)效率高，鑄造性能又較好，這為廣泛使用鐵器提供方便。在冶煉生鐵的初期，由于溫度還不夠高，硅含量也較低，致使生鐵中的碳在冷卻凝固時(shí)不能成為石墨狀態(tài)，而成為碳化三鐵（Fe3C），與奧氏體狀態(tài)的鐵在1146(C共晶。因此，煉出的生鐵性脆而硬，鑄造性能雖好，但強(qiáng)度不夠，這種生鐵，人們稱它為白口鐵，它只能鑄造某些農(nóng)具。從河北興隆燕國(guó)礦冶遺址出土的大批鋤、范等，就是由白口鐵鑄成的。為了克服白口鐵的脆性，在戰(zhàn)國(guó)早期，人們就創(chuàng)造了白口鑄鐵柔化處理技術(shù)。所謂柔化處理就是將白口鑄鐵長(zhǎng)時(shí)間加熱，使碳化鐵分解為鐵和石墨，消除了大塊的滲碳體，這對(duì)減少脆性、提高韌性可以起良好的作用。處理后的白口鐵就變成了展性鑄鐵。長(zhǎng)沙出土的戰(zhàn)國(guó)鐵鏟，輝縣出土的戰(zhàn)國(guó)中期鐵帶鉤，易縣燕下都出土的戰(zhàn)國(guó)晚期鐵镢、鋤等，都是屬于這種展性鑄鐵。漢代的鋼鐵冶煉技術(shù)漢代的鋼鐵冶煉技術(shù)，在戰(zhàn)國(guó)的基礎(chǔ)上又有了長(zhǎng)足的發(fā)展，勤勞的中國(guó)人民在這方面又有了不少的創(chuàng)造和發(fā)明。漢代鐵金屬在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和軍事中的作用愈顯重要，官府對(duì)冶鐵業(yè)的管理越加嚴(yán)格，漢武帝時(shí)任用孔僅為大農(nóng)丞，將鹽、鐵、稅利的巨業(yè)，收歸官府經(jīng)營(yíng)管理，實(shí)行一系列嚴(yán)格措施，使冶鐵業(yè)得到空前的發(fā)展?？资霞易逶臼橇簢?guó)的冶鐵商賈，素有經(jīng)營(yíng)冶鐵的管理才能，所以他能在漢武帝時(shí)一躍而成為大司農(nóng)丞要職，在任職的短短十余年間，從組織管理到冶鐵技術(shù)和農(nóng)具的推廣，做出了巨大的努力，為漢武帝的雄才大略的擴(kuò)展提供了雄厚的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。西漢時(shí)“百煉鋼”的技術(shù)興起，使鋼的質(zhì)量較前提高。這種初級(jí)階段的百煉鋼，是在戰(zhàn)國(guó)晚期塊煉滲碳鋼的基礎(chǔ)上直接發(fā)展起來(lái)的，二者所用原料和滲碳方法都相同，因而鋼中都有較多的大塊氧化鐵-硅酸鐵共晶夾雜物存在；但不同的是增多了反復(fù)加熱鍛打的次數(shù)。鍛打在這里不僅起著加工成型的作用，同時(shí)也起著使夾雜物減少、細(xì)化和均勻化，晶粒細(xì)化的作用，顯著地提高了鋼的質(zhì)量。從河北滿城一號(hào)西漢墓出土的劉勝佩劍、鋼劍和錯(cuò)金寶刀，它們雖與易縣燕下都鋼劍所用的冶煉原料相同，但金相檢查表明，鋼的質(zhì)量卻有顯著的提高，它正是“百煉剛”技術(shù)興起的產(chǎn)物。西漢中期以后，又出現(xiàn)炒鋼。這是因?yàn)閴K煉鐵雖然能制造滲碳鋼，而產(chǎn)量不大，效率很低，不能適應(yīng)當(dāng)時(shí)封建社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需要，“供不應(yīng)求”即生產(chǎn)量與需要量的矛盾，促使出現(xiàn)了用生鐵炒成為鋼的新工藝。但是生鐵的產(chǎn)量已相當(dāng)大，用生鐵作為制鋼原料，是煉鋼史上的一次飛躍發(fā)展，也是一次重大的技術(shù)革新。炒鋼的產(chǎn)生，即將生鐵炒到成為半液體半固體狀態(tài)，并進(jìn)行攪拌，利用鐵礦粉或空氣中的氧，進(jìn)行脫碳，借以達(dá)到需要的含碳量，再反復(fù)熱鍛，打成鋼制品，利用這種新工藝煉鋼，既省去了煩難的滲碳工序，又能使鋼的組織更加均勻，消除了由塊煉鐵帶來(lái)的嚴(yán)重影響性能的那種大共晶夾雜物，使質(zhì)量大大提高。1974年7月，山東蒼山縣東漢墓出土的東漢永初六年卅煉環(huán)首鋼刀，經(jīng)有關(guān)單位鑒定就是用炒鋼為原料，反復(fù)鍛打而成的。與此同時(shí)，百煉剛的原料也由原來(lái)的塊煉鐵，發(fā)展到用生鐵炒成的鋼或熟鐵做為原料，經(jīng)過(guò)滲碳鍛打而成。這樣一來(lái)，原料的改變即鐵基體有了變化，使鋼的質(zhì)量也隨之大大提高，從而百煉鋼也發(fā)展到成熟階段。百煉鋼雖然是漢代風(fēng)行一時(shí)的煉鋼工藝，但固體滲碳工序費(fèi)工費(fèi)時(shí)；而在炒鋼過(guò)程中控制鋼的含碳量則是一個(gè)復(fù)雜的工藝，比較難以掌握控制。生產(chǎn)的發(fā)展，必然要求進(jìn)一步發(fā)展工藝簡(jiǎn)單、保證質(zhì)量而成本較低的煉鋼方法。為此在兩晉南北朝時(shí)期又出現(xiàn)了以灌鋼為主的煉鋼技術(shù)。鋼鐵業(yè)在漢代的大發(fā)展，也從煉爐的形狀及冶煉設(shè)備上反映出來(lái)。西漢時(shí)期煉鐵的豎爐就已得到發(fā)展，爐型有了擴(kuò)大。煉鐵已用石灰石作為熔劑。為了適應(yīng)豎爐加大的需要，對(duì)鼓風(fēng)設(shè)備也進(jìn)行了改革。早期開(kāi)始用皮囊人力鼓風(fēng)，既笨重又不適用，后來(lái)在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，勞動(dòng)人民不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造出新，采用畜力代替人力鼓風(fēng)，出現(xiàn)了馬排，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高爐生產(chǎn)的需要。公元31年，東漢后期南陽(yáng)太守杜詩(shī)總結(jié)了南陽(yáng)冶鐵工人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造了水力鼓風(fēng)的“水排”。利用“水排”鼓風(fēng)生產(chǎn)鋼鐵，比用人力、畜力鼓風(fēng)“用力少，見(jiàn)功多”。我國(guó)“水排”的出現(xiàn)比歐洲早一千二百多年。到魏晉時(shí)期，得到了更廣泛的應(yīng)用。南北朝以后鋼鐵業(yè)的發(fā)展我國(guó)古代的鋼鐵冶煉技術(shù)，在封建社會(huì)前期的這些重大創(chuàng)造發(fā)明，歷經(jīng)南北朝以后得到普遍推廣，并且更趨成熟。兩晉南北朝時(shí)，新的灌鋼技術(shù)興起了。這種方法是先將生鐵炒成熟鐵，然后同生鐵一起加熱，由于生鐵的熔點(diǎn)低，易于熔化，待生鐵熔化后，它便“灌”入熟鐵中，使熟鐵增碳而得到鋼。這樣，只要配好生熟鐵用量的比例，就能比較準(zhǔn)確地控制鋼中含碳水平，再經(jīng)過(guò)反復(fù)鍛打，就可以得到質(zhì)地均勻的鋼材。這種方法比較容易掌握，工效提高較大，因此南北朝以后成為主要煉鋼方法。關(guān)于灌鋼的技術(shù)，南北朝南齊、梁時(shí)期的醫(yī)學(xué)家兼煉丹家陶弘景（約452-536年）就較早地記敘說(shuō)：“鋼鐵是雜煉生鍒作刀鐮者，生指生鐵，鍒指熟鐵，這就是灌鋼。稍晚一些時(shí)候，北齊的道士纂母懷文也是較早的灌鋼的實(shí)踐者之一。據(jù)說(shuō)他“造宿鐵刀，其法燒生鐵精，以重柔鋌，數(shù)宿則成鋼”。制成的刀還要用牲畜尿和油脂進(jìn)行淬火。尿中含鹽，用以淬火，冷卻能力比水高；油脂作淬火劑，高溫冷卻快而低溫冷卻慢，可以減少鋼件變形和脆性；適當(dāng)?shù)嘏浜线\(yùn)用，能夠獲得性能優(yōu)越的淬鋼件。灌鋼技術(shù)在南北朝時(shí)已相當(dāng)流行，這種方法是在炒鋼的實(shí)踐過(guò)程中逐步發(fā)展起來(lái)的。關(guān)于鋼鐵的熱處理，其實(shí)早在南北朝以前，就已應(yīng)用了由冷卻方法的差別來(lái)求得鋼鐵的不同硬度的淬火技術(shù)。在河北易縣燕下都出土的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的鋼劍、鋼戟，就已用淬火處理。我國(guó)早期文獻(xiàn)對(duì)此也有記載。這說(shuō)明當(dāng)時(shí)對(duì)淬火工藝已有一定的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。南北朝發(fā)明的灌鋼這一技術(shù)，宋、元以來(lái)不斷發(fā)展，成為主要的煉鋼方法之一。宋代的沈括在其《夢(mèng)溪筆談》中載有：“世間鍛鐵所謂鋼鐵者，用柔鐵屈盤(pán)之，乃以生鐵陷其間，泥封煉之，鍛令相入，謂之團(tuán)鋼，亦謂之灌鋼”。在煉鋼爐中把熟鐵條屈曲地盤(pán)繞著，把生鐵塊嵌在盤(pán)繞著的熟鐵條之間，用泥把爐密封起來(lái)燒煉，待煉成后再加鍛打，這樣，“灌鋼”就煉成了。利用生鐵的含碳量高和熔點(diǎn)低可以在溫度較低的時(shí)候先熔化，讓生鐵的鐵液灌入四周盤(pán)繞的熟鐵中，和留存在熟鐵內(nèi)的氧化渣緊密地發(fā)生氧化還原作用，既使熟鐵中的渣除去，又使所含的碳達(dá)到適當(dāng)?shù)姆至浚D(zhuǎn)變成為品質(zhì)較純的鋼鐵。到了明代，這種灌鋼的冶煉方法基本上一樣，但操作略有不同。明末宋應(yīng)星著的《天工開(kāi)物》（1637年）載：“凡鋼鐵煉法，用熟鐵打成薄片如指頭闊，長(zhǎng)寸半許，以鐵片束包尖（夾）緊，生鐵安置其上（原注：廣南生鐵名墮子鋼者，妙甚），又用破草覆蓋其上（原注：粘帶泥土者故不速化），泥涂其底下。明代鍛制生產(chǎn)工具時(shí)，采用了“生鐵淋口”的方法，這種方法的原理是和灌鋼相同的。在《天工開(kāi)物》上對(duì)此有詳細(xì)的描述。這種方法是利用熔化的生鐵，作為熟鐵的滲炭劑，使這種熟鐵的刀口煉成鋼鐵。這一創(chuàng)造性的技術(shù)成就，現(xiàn)在應(yīng)用于一些小農(nóng)具的生產(chǎn)上面。生鐵淋口的方法再發(fā)展一步，就產(chǎn)生了蘇鋼的冶煉方法。這種方法相傳是蘇州煉鋼工人首先發(fā)明的。它實(shí)際上是在灌鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的卓越成就。在煉鋼方面，封建社會(huì)后期出現(xiàn)了把煉鐵爐流出的鐵水，直接流進(jìn)炒鐵爐里炒成熟鐵的做法，減少了一步再熔化的過(guò)程。這樣就在鋼鐵冶煉史上出現(xiàn)了半連續(xù)性系統(tǒng)。這一創(chuàng)造在《天工開(kāi)物》中，不僅有詳細(xì)的文字記載，而且還有圖說(shuō)明。在鼓風(fēng)方面，北宋有一種可以移動(dòng)