鋼鐵是怎樣煉成的？
鋼鐵如此司空見慣地出現(xiàn)在我們的日常生活中，以至于我們忘了它有多么的重要——在幾千年的歷史中，人類想盡辦法要從堅(jiān)固的地殼中提煉這種性能優(yōu)良的金屬材料，然而我們將會(huì)看到這是一項(xiàng)何等艱辛的探索之路。
終于經(jīng)過近代以來的科學(xué)革命，鋼鐵工業(yè)蓬勃地發(fā)展起來，支撐起了整個(gè)人類文明，我們用“現(xiàn)代工業(yè)的骨骼”形容它——所以最終毫不夸張的說，現(xiàn)代文明的較量，就是鋼鐵與鋼鐵的較量。
鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)的骨骼，這不僅形容了它的地位有多么重要，也形容了煉成它是何等艱難。
鐵元素雖然在地殼中儲(chǔ)量很高，單質(zhì)鐵的化學(xué)性質(zhì)卻非?；顫?，在地球表面成為高熔點(diǎn)的氧化物，所以在歷史上的大多數(shù)時(shí)間，我們甚至沒有見過“鐵”——除非有大型隕鐵從天而降，才有可能給帝國(guó)的君主打造一兩把鋒利的匕首。
一般認(rèn)為，有效的冶鐵術(shù)最早出現(xiàn)于公元前18世紀(jì)的赫梯——如前17世紀(jì)國(guó)王Anitta的泥板書上記錄，那是用來制造王冠和權(quán)杖的貴重材料，要被當(dāng)作國(guó)家機(jī)密保守起來。
但是赫梯帝國(guó)在青銅時(shí)代晚期的大崩潰中覆滅了，冶鐵技術(shù)也就隨之傳播開來——到公元前500年，歐亞大陸諸文明已經(jīng)普遍進(jìn)入了鐵器時(shí)代。
最早的冶鐵術(shù)可不像今天這樣有一爐爐燒熔的鐵水——純鐵的熔點(diǎn)高達(dá)1538°C，燃燒木柴和木炭的窯爐不能融化它，而只能把鐵礦還原成飽含雜質(zhì)的海綿鐵。鐵匠在它的縫隙中塞入草木灰等固溶劑，反復(fù)燒煉鍛打，才能讓硅等雜質(zhì)變成玻璃狀的爐渣敲出來。
當(dāng)這樣的千錘百煉清理了鐵中的雜質(zhì)，鐵中的碳含量也普遍降到了0.2%以下，成為過于柔軟的熟鐵，做不得工具——我們又需增加鐵中的碳含量，擾亂過分整齊的晶格，讓較純的熟鐵變成堅(jiān)硬的合金鋼——其中歷史上沿用最久的是“滲碳法”：將鑄鐵打成薄片，放在炭火里煅燒，碳元素就會(huì)在高溫下滲進(jìn)去，形成含碳較高的堅(jiān)硬表面。
然而要想得到令人滿意的鋼材，也就是含碳2%到0.2%之間的鐵碳合金，鍛煉的歷程才剛剛開始——鍛焊技術(shù)在公元前8世紀(jì)的印度就已經(jīng)成熟：將鐵片疊在一起燒軟，再反復(fù)鍛打，就能讓兩者融合起來。那么取含碳較少的熟鐵和充分碳化過的生鐵依照比例反復(fù)折疊鍛打，讓兩種合金相當(dāng)均勻地混合起來，形成相當(dāng)堅(jiān)韌的鋼材——這樣的鋼材表面總能看到兩種鐵合金黑白相間的層疊花紋，因此常被稱為“花紋鋼”，附會(huì)上了無數(shù)傳奇的大馬士革鋼就是這樣，日本武士刀也是這樣。
但也并非所有的花紋鋼都是折疊鍛打的產(chǎn)物——生鐵含有較多碳雜質(zhì)，熔點(diǎn)可以降到1100多度而被古人的窯爐融化——印度人將熟鐵浸泡在熔化的生鐵里，就能吸收生鐵中的碳，形成花紋細(xì)膩的坩堝鋼——比如17世紀(jì)以前的印度烏茲鋼。
另一方面，古代中國(guó)在公元前就發(fā)明了液態(tài)冶煉：就是利用鼓風(fēng)機(jī)使燃料充分燃燒，用高溫火焰熔化鐵礦，并不斷加入木炭粉，使其保持液態(tài)，令爐渣充分析出，最后用液態(tài)的鐵碳合金鑄造農(nóng)具和日用品——就是鑄鐵——如果用剛剛?cè)刍纳F灌注攪拌，也能得到較好的鋼——這種做法一直延續(xù)到了大躍進(jìn)時(shí)代。
總之就像這樣，古人在幾乎無法獲得鐵水的情況下出盡百寶，試煉出了品質(zhì)參差的各種“鋼鐵”——終于在1709年英格蘭的什羅普郡（Shropshire），人們研制了煤炭脫硫的技術(shù)，解決了硫元素使鐵變脆的難題，用充分燃燒的煤炭營(yíng)造了融化熟鐵的高溫；瓦特在1784年改良的蒸汽機(jī)也很快應(yīng)用高爐的鼓風(fēng)動(dòng)力，讓煉鐵廠不必沿河而建；1828年，蘇格蘭的格拉斯哥（Glasgow）又發(fā)明了熱風(fēng)爐，用預(yù)熱的空氣節(jié)省一半燃料，獲得了更高的爐溫，無煙煤也可以直接用作燃料——年產(chǎn)數(shù)百噸的高爐終于將工業(yè)革命推上了高潮。
在今天，鋼鐵冶煉已經(jīng)成為一整套銜接緊密的完整產(chǎn)業(yè)：世界各地開采的鐵礦和煤炭被運(yùn)送到大型鋼鐵廠，磨碎的鐵礦被燒結(jié)成顆粒，而煤炭要干餾成焦炭——它們被分層堆入高達(dá)百米的高爐，而后1200℃以上的高溫空氣從底部吹入，使焦炭燒出1500°以上的高溫，鐵礦化成鐵水從下方流出，并撇除爐渣。
但這樣的鐵水仍有很多雜質(zhì)，不能制成性能穩(wěn)定的鋼，于是鐵水還要繼續(xù)灌入轉(zhuǎn)爐（converter furnace），在其中吹入純氧，使碳、磷、硫氧化后逸出，并根據(jù)需要加入鎳、鉻等元素，產(chǎn)生成分精確的鋼水，然后注入模子冷卻，制成各種性能的鋼材。
這些鋼材最后在1100℃的溫度下壓制出鋼板、鋼條、鋼錠、鋼絲等等形狀，分送到現(xiàn)代工業(yè)的每一個(gè)領(lǐng)域，最終支撐起整個(gè)現(xiàn)代文明——而如何研發(fā)最精確的配方，制造性能最優(yōu)異的鋼鐵，就是現(xiàn)代文明最硬核的較量了。
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