中国古代的钢铁冶炼技术简史

中国古代的钢铁冶炼技术简史。

中国古代钢铁发展的特点与其他各国不同。世界上长期采用固态还原的块炼铁和固体渗碳钢，而中国铸铁和生铁炼钢一直是主要方法。由于铸铁和生铁炼钢法的发明与发展，中国的冶金技术在明代中叶以前一直居世界先进水平。

我国古代炼钢技术至迟发明于春秋晚期。由先秦到西汉中晚期，主要制钢工艺是块铁渗碳法；由汉代到明清，主要又是炒钢法和灌钢法，其次还有百炼钢法和炒铁渗碳法，汉魏南北朝时还有“铸铁脱碳钢”，汉代还有坩埚炼钢法。炒钢工艺主要生产一般的可锻铁(包括钢和熟铁)，灌钢工艺主要生产含碳较高的刃钢，百炼钢是对普通炒钢的再加工。

春秋时期的炼铁方法是块炼铁，即在较低的冶炼温度下，将铁矿石固态还原获得海绵铁，再经锻打成的铁块。冶炼块炼铁，一般采用地炉、平地筑炉和竖炉3种。铁矿石在温度较高的炼铁炉中高温还原并渗碳，得到含碳达到3～4％的液态生铁。战国初期，我国已掌握了脱碳、热处理技术方法，发明了韧性铸铁。


在中国，钢铁的总产量在唐代年产已达到1200吨，宋朝为4700吨，明朝最多达到4万吨。在13世纪，中国是世界上最大的铁的生产国和消费国，直到17世纪仍保持着这一领先地位。从汉代到明朝，中国人不仅在数量上处于领先地位，而且还拥有世界上最先进的钢铁冶炼技术。

在中国铁的最早使用也是从陨石提取的陨铁。而正式开始铁的生产是在战国时代，但是在战国时代，作为制造兵器的原材料，还不能认为已经完全从青铜发展到铁的阶段。因为在当时，铁的生产技术尚未成熟。直至汉朝以后的中国已经掌握了很高的炼铁技术，能够大量生产铁了，这时铁兵才真正的取代了铜兵。

中国的炼铁技术之所以能够居于世界领先地位，是和自古以来的不断进步分不开的。这可以从以下几点得到证实：

第一，能够制造1200度以上的高温炉，从而可以进行高温下的精练。第二，发明了向炼炉输送连续充足空气的装置――风箱，从而实现了高温下的冶炼。第三，中国早从古代就不使用木炭，而是把煤作为炼铁的燃料，这样能很容易的得到高温冶炼的效果。

在实践中，汉代发明了把提炼中的铁用风箱吹入微量元素来控制铁的性质的“炒钢法”，即利用生铁“炒”成熟铁或钢的新工艺，产品称为炒钢。同时，还兴起“百炼钢”技术。从而能够生产质量稳定且含碳量低的生铁和含碳量高的钢。

到了晋朝又发明了 “灌钢法”，这是中国古代炼钢技术的又一重大成就，采用这种炼铁法为原料制造出来的刀，就是著名的优质兵器――“宿铁

刀”。

把加热的铁急剧冷却，提高硬度的淬火技术，早在中国的古代就为人们所掌握，并普遍采用这种处理方法来提高兵刃的硬度。中国人发明了用不同的液体来淬火，从而提高兵刃质量的方式。其中包括用不同河流，不同月份的水。而且还把野兽的尿液和脂肪作为冷却剂，用于淬火处理上，起到了惊人的效果。

此外，在中国很早的古代就掌握了把加热的铁漫漫冷却处理的回火技术，并广泛用于不同用途的兵器的制造中。


据〈中华百科要览〉记载：中国是最早用煤炼铁的国家，汉代时已经试用，宋、元时期已普及。到明代(公元1368～1644年)已能用焦炭冶炼生铁。



中国的生铁炼钢 生铁和韧性铸铁的大规模生产导致了生铁制钢的发明。在汉代先后发明了以下几种生铁制钢的方法。

铸铁脱碳钢 将含碳3～4％的低硅铸铁器在氧化气氛中加热,在适当条件下，特别是厚度不大的情况下,可以避免石墨的形成。早期炼铁温度较低，含硅量低，石墨析出较慢，有利于脱碳，使制造韧性铸铁的工艺发展成为铸铁脱碳成钢的方法。这种钢称为铸铁脱碳钢，这类钢板可加工成的铁镞、环首刀。


炒钢 向熔化的生铁鼓风，同时进行搅拌促使生铁中的碳氧化。用这种方法可将生铁制成熟铁，再经过渗碳锻打成钢。也可有控制地把生铁含碳量炒到需要的程度，再锻制成钢制品。这种钢中含有的硅酸铁夹杂物成分比较一致而数量较少。炒钢技术始于西汉末年，到东汉已相当普及。江苏出土新莽残剑，徐州出土建初二年(77)五十炼钢剑，山东临沂苍山出土的永初六年（112）三十炼钢刀等所用的原料都属于这一类型。曹操（155～220）在《内诫令》提到“百炼利器”，孙权(182～252)有以“百炼”命名的宝刀。初步可以认为百炼钢是用炒钢反复叠打变形，细化晶粒和夹杂物而成的，甚至可以用不同含碳钢材复合组成。炼数大致相当于反复折叠锻打后最后的层数。炼数增多,表明加工量加大，晶粒和夹杂进一步细化,质量提高。炒钢技术的发明是炼钢史上的一次革命。

灌钢 中国生铁制钢技术自战国初期到汉代经过几百年的历程，从块炼铁、渗碳炼钢发展到生铁固体脱碳炼钢、炒钢、炼制熟铁，以及重新渗碳硬化或淬火硬化。在这个基础上，发明了利用液态生铁对熟铁进行扩散渗碳炼钢的方法。这一方法的最早记载见于《北齐书·綦母怀文传》，称为“宿铁”，后世称为灌钢，又称团钢。这是中国古代炼钢技术的又一重大成就。




PS：铁有生铁熟铁之分是指：熟铁经过各种加热后自身的含碳量减少，使得硬度增加。生铁和熟铁的区别在于其含碳量

的多少。生铁含碳量较高，熟铁含碳量较低。钢的含碳量介于生铁和熟铁之间。
钢有韧性，主要用于拉力方面，而铁主要含碳比钢多，韧性不好，所以一般用于受压力方面。

《天工开物》：铁分生铁、熟铁两种，铁矿石经火炉冶炼出炉后即生铁，炒后为熟铁，生熟相和，炼成便是钢。