鋼鐵的前世是上帝眷顧的禮物，今生則是人類智慧的結(jié)晶。

01

上帝的禮物

一顆流星劃破長空，從天而降的恰是一塊含鐵量很高的鐵隕石，這是上帝送給世間的禮物。6000多年前的古埃及人與蘇美爾人是上帝的幸運兒，他們發(fā)現(xiàn)并利用了這份禮物，最早用鐵隕石中的天然鐵制作成鐵器，并將這些鐵器以天降神物尊稱。因為落入地表的鐵隕石十分難得，所以那時的天然鐵就顯得彌足珍貴，鐵器自然也就成了當(dāng)時的奢侈品。

但實際上地球上的鐵元素并不稀缺，鐵是排在鋁之后第二多的金屬元素，只不過地球上的鐵是以化合物的形態(tài)躲藏在巖石或沉積物中，即鐵礦石中。大約在4500多年前，精明的古代小亞細(xì)亞半島（現(xiàn)今的土耳其）的赫梯人發(fā)現(xiàn)了鐵礦石中隱藏著鐵的秘密，他們用樹木直接火燒的方法，從鐵礦石中熔煉出鐵，這也讓他們最先走進(jìn)了鐵器時代。

小貼士

考古發(fā)現(xiàn)最早的隕鐵器是在尼羅河流域的格澤（Gerzeh）和幼發(fā)拉底河流域烏爾（Ur）出土于公元前4000多年前的鐵珠和匕首。

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為什么落入地表的鐵隕石含鐵量都很高，甚至可以達(dá)到95%以上？

02

不可小覷的風(fēng)箱

古代中國是人類歷史上較早利用鐵礦石熔煉鐵的國家之一，早在春秋戰(zhàn)國就開啟了中國歷史上引以為豪的鐵器時代。高溫下將鐵礦石熔融的同時把鐵元素還原成鐵，這是利用鐵礦石煉鐵的基本原理，也就是說煉鐵時首先要有一個必不可少的前提條件，那就是要有很高的溫度。

木炭是中國很早的發(fā)明，既可以通過燃燒提供溫度，也可以利用其不完全燃燒時產(chǎn)生的一氧化碳來還原鐵。木炭雖然是煉鐵一箭雙雕的好選擇，但僅靠木炭自然的溫度（約700℃）想有效地?zé)挸鲨F來還不夠，因為這個溫度離有效還原鐵的溫度（1000℃以上）還有一定的差距。如何解決這個問題？人們起先想到了利用牛皮制造成的風(fēng)袋來鼓風(fēng)，促進(jìn)木炭燃燒以提高溫度，這使得木炭在煉鐵中有了真正的用武之地。這種最早的風(fēng)袋式的風(fēng)箱經(jīng)過逐步改進(jìn)創(chuàng)新，最終演變成效率更高的水力推拉的活塞式風(fēng)箱，大大提高了古代中國的煉鐵效率。

所以說風(fēng)箱鼓風(fēng)是人類歷史上了不起的發(fā)明，試想煉鐵時如果沒有風(fēng)箱的鼎力相助，那么鐵器至今可能還是價格不菲的奢侈品，古代文人墨客留下的佳句可能就是“書中自有黑鐵屋”了；如果沒有鐵器的大量使用，中國的農(nóng)耕文明也不可能有那么快的大發(fā)展。

小貼士

木制雙活塞式風(fēng)箱是中國在鼓風(fēng)技術(shù)方面的重要發(fā)明，比歐洲早了400年以上的歷史。

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為什么中國鐵錢從西漢始鑄，北宋鼎盛，南宋漸亡？

03

為啥百煉可以成鋼

中國自古流傳著很多關(guān)于寶劍的傳說。相傳在春秋末年，吳王闔閭找到巧匠干將煉造寶劍。干將“采五山之鐵精，六合之金英”，動用了300名童男童女，為其向爐火中添加木炭鼓風(fēng)，干將的妻子莫邪還把自己的指甲與頭發(fā)投入爐火中助其煉劍，最終煉成了兩把絕世寶劍，劍身有龜裂紋的叫“干將”，有水波紋的叫“莫邪”。

干將所選用的“鐵精”實質(zhì)上是含碳量較低的、質(zhì)量較好、但含有較多雜質(zhì)的鐵塊。干將把鐵塊反復(fù)放入爐火中加熱錘煉，將爐火中的碳滲入鐵的表面，并去其雜質(zhì)，其實就是煉鋼的簡要過程，所以干將煉造的寶劍也可以稱為鋼劍，而干將這種煉鋼的方法叫作滲碳煉鋼法，也是中國較早的煉鋼方法。后來，人們把煉出的優(yōu)質(zhì)鋼稱為“百煉精鋼”，這正是成語“百煉成鋼”的由來，“百煉”就是工匠們經(jīng)過上百次的加熱和反復(fù)折疊鍛打成鋼的過程。

干將煉鋼時采用的是含碳量低的鐵塊，含碳量很高的鐵塊是否也可以煉成鋼呢？答案是肯定的，但不用千錘百煉，而像炒菜一樣地炒就行了，所以可以稱為“炒鋼”。西漢時期開始，人們已能夠把鐵塊加熱到熔融或半融狀態(tài)，再不斷地攪拌，增加空氣與鐵的接觸面，使鐵水中多余的碳氧化，逐漸降低含碳量以煉成鋼。因此簡單地說，煉鋼就是調(diào)節(jié)鐵中的含碳量。

小貼士

鐵與鋼的區(qū)別主要在于含碳量的多少，含碳量大于2%的為生鐵，0.2%—2%的為鋼，小于0.2%的為熟鐵或純鐵。

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古人怎么判斷鐵中含碳量的高低，選擇是滲碳還是脫碳煉鋼法呢？

04

當(dāng)煤遇到了鐵

長期以來，歐洲一直將木炭作為煉鐵的唯一燃料。隨著歐洲煉鐵業(yè)的迅速發(fā)展，歐洲各地的森林資源很快就消耗殆盡。到了18世紀(jì)末期，英國森林資源幾乎枯竭，這一度使得英國的煉鐵業(yè)險些步入窮途末路，直到英國開始大量使用煤來煉鐵。值得一提的是，中國在魏晉南北朝時期（公元3—6世紀(jì)）就開始用煤替代木炭煉鐵，到了宋代（公元10—13世紀(jì)）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世紀(jì)）已大多用煤來煉鐵了。據(jù)推算，宋代鐵的年產(chǎn)量達(dá)到7萬噸以上，明代則達(dá)到了15萬噸以上，而使得英國森林資源接近枯竭時的工業(yè)革命初期，英國鐵的年產(chǎn)量也僅僅相當(dāng)于中國宋代時的水平。

所以不難想象，如果沒有煤在煉鐵中的替代使用，現(xiàn)今全球18億噸以上的鋼鐵年產(chǎn)量會是一個不可想象的天文數(shù)字；又或許全球的森林資源早已不復(fù)存在，青山綠水只能在歷史課本里才能找到。因此，當(dāng)煤遇到了鐵，不僅是解決了煉鐵燃料的瓶頸，而且還從某種程度上拯救了地球的自然生態(tài)。

小貼士

直至今日，英國的森林覆蓋率也僅恢復(fù)到11.8%，全球排名第134位。

05

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)三大件

盡管中國煉鐵與煉鋼技術(shù)都不是世界最早的，但是中國古代在冶煉技術(shù)上的不斷發(fā)明創(chuàng)造，使得從公元前6世紀(jì)的春秋時代起，便遙遙領(lǐng)先世界數(shù)千年，直到后來居上的歐洲使鋼鐵的生產(chǎn)效率有了更大的提高，歐洲才成為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)工藝的開拓者。

高爐、轉(zhuǎn)爐（電爐）、軋機(jī)是現(xiàn)代全流程鋼鐵生產(chǎn)工藝的“三大件”。現(xiàn)代鋼鐵的主要生產(chǎn)流程是：先將鐵礦石在高爐中冶煉成鐵水，接著把鐵水注入轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉成鋼，再將鋼水鑄成連鑄坯或鋼錠，經(jīng)過軋機(jī)塑性變形加工成各種用途的鋼材。

第一大件——高爐，以“高大能吃”著稱。顧名思義，就是一個比較高大的豎立直圓桶形的煉鐵熔爐，煉出來的鐵水被稱為生鐵。不過，煉鐵技術(shù)發(fā)展初期時的煉鐵熔爐很小，構(gòu)造也很簡單，被稱為豎爐。現(xiàn)代高爐自上而下由爐喉、爐身、爐腰、爐腹 、爐缸5個重要的部分組成，是一個技術(shù)復(fù)雜、系統(tǒng)性很強(qiáng)的煉鐵設(shè)備。但不管怎樣，古代早期豎爐煉鐵的基本原理沒變，是現(xiàn)代高爐的鼻祖。當(dāng)前世界上最大的高爐是韓國浦項鋼廠1號高爐，容積達(dá)到6000立方米，日產(chǎn)鐵水量可達(dá)到1.2萬噸以上。

第二大件——轉(zhuǎn)爐，因“靈動高效”得名。爐體通常為梨形，可以大角度地傾轉(zhuǎn)，故稱轉(zhuǎn)爐，煉出來的鋼被稱為粗鋼?，F(xiàn)代的轉(zhuǎn)爐煉鋼法由一位無心插柳的英國工程師貝斯麥（Henry Bessemer）于1856年發(fā)明，由此開創(chuàng)了鋼鐵生產(chǎn)的新時代。由于此前的炮筒是用鑄鐵做成的，容易發(fā)生裂紋，貝斯麥為了解決這一問題，嘗試用反射爐把生鐵熔化后再摻入合金，以制造炮筒。在試驗時，當(dāng)他開動鼓風(fēng)機(jī)后，突然發(fā)現(xiàn)了一種奇異的現(xiàn)象：在爐子邊緣上一些不熔化的生鐵和吹入的空氣起作用而發(fā)生燃燒。他把經(jīng)過燃燒后的生鐵用鐵棍挑起來進(jìn)行化驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵被吹成含碳很低的鋼。再進(jìn)一步研究，貝斯麥發(fā)明了底吹空氣式轉(zhuǎn)爐。把鐵水及少量廢鋼與鐵合金放入爐內(nèi)后吹入空氣，鐵水中的碳、硅、錳等元素被氧化并發(fā)出大量的熱，變成了韌性很好的鋼。這是一項震驚世界的發(fā)明，因為用這種方法煉鋼，不再需要外加燃料，且十幾分鐘就能煉成數(shù)噸的優(yōu)質(zhì)鋼，效率比過去的煉鋼方法高出上百倍。1948年，德國人羅伯特·杜勒（Robert Durrer）在瑞士在貝斯麥的發(fā)明基礎(chǔ)上，用純氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的試驗獲得成功。1952年在奧地利的林茨城（Linz）、1953年在多納維茨城(Donawitz)先后建成兩座一次能裝30噸鐵水的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，并投入生產(chǎn)。該煉鋼法也被稱為“LD”轉(zhuǎn)爐法，使得煉鋼的效率又提升了一大步，成為當(dāng)今主要的轉(zhuǎn)爐類型。后來電爐的發(fā)明也是基于這種轉(zhuǎn)爐之上。目前世界最大的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐是德國奧古斯特·蒂森鋼廠的超大轉(zhuǎn)爐，一次能裝400噸鐵水，日產(chǎn)鋼量能達(dá)到1萬噸。

第三大件——軋機(jī)，有“萬鈞氣蓋”之力，使鋼錠或鋼坯在旋轉(zhuǎn)的軋輥之間產(chǎn)生塑性變形，軋出各種斷面形狀與尺寸的鋼材的機(jī)械設(shè)備。根據(jù)其斷面形狀，軋機(jī)可大體分為型材、線材、板材、管材類；按軋制時的溫度不同，還可以分為熱軋與冷軋類。

小貼士

現(xiàn)今鐵是被利用最廣、用量最多的金屬，其消耗量約占金屬總消耗量的95%。2018年全球鋼鐵產(chǎn)量超過18億噸，如果以寬、高各1米截面為單位，可以繞地球5圈以上。

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高爐與轉(zhuǎn)爐技術(shù)的發(fā)展都經(jīng)歷了從小到大的過程，但在實際生產(chǎn)中它們是越大越好么？