逍遥学能 2018-09-12 12:37
钢和铁的发现与应用不仅开辟了人类文明发展进程中的一个新时代——铁器时代，而且也成了现代文明社会的支柱之一。高耸入云的瑰丽的电视塔，曲折蜿蜒、横贯大地的钢轨以及跨越大江、使得天堑变通途的桥梁，都是因为有了“钢筋铁骨”才成为现实的。至于高层建筑、机床、刀具和船舶等与钢铁材料的关系，更是不言而喻的了。
在中学化学中，青少年朋友可能已经学过炼铁高炉中的主要化学变化，也许曾经有机会参观过乡镇企业中的铸造厂或者宏伟的钢铁企业，至少应当在电影或电视片中见到过能使整个车间映出一片鲜红色的炽热的铁水，以及像节日焰火一样灿烂夺目的钢花。总之，钢铁已成为现代物质文明中不可缺少的一种基础物资，它已经和人们的生活汇成了一个整体。
如果想探究一下我们的祖先最早是如何发现和认识到钢铁的作用，以及他们在没有电力、没有纯氧、没有高炉和炼钢炉的条件下是如何把钢与铁冶炼出来的，重新回顾一下古人所走过的那一段漫长而艰苦的道路，不仅饶有趣味而且可以得到许多启示。
考古学家已经证实，人类最早接触和利用的金属铁来自太空陨铁，即铁质陨石。陨铁不含碳及其他夹杂物，一般含有1％～5％的钴和镍。正是这种只含有少量合金元素的接近于纯铁的天赐之物，才使得人们认识和利用了这种金属，萌发了从地球上寻找和取得这种金属的动机。有趣的是，在元素周期表中大都是每个周期的每个族只有一个元素，但是第Ⅷ族却并列了三个元素，如铁、钴、镍。这种看来不合规则的排列方法，难道可以用陨铁中铁、钴、镍共存的事实作为一种“旁证”么？
铁器时代最早始于安纳托利亚地区，大约距今4000年左右。据考古学家分析，铁的发现可能和当地土著人在炼铜时曾用过氧化铁矿石作为造渣时的助熔剂有关。因为在熔渣中有时会夹杂着同时被还原出来的少量铁。真正普遍地使用铁器，大概要晚1000多年。
西方早期使用的人工铁都是块炼铁。冶炼的方法大致和中国古代相仿，即在1200℃左右（这可能是当时能够达到的最高工艺温度了）用木炭（这是当时能够获得的纯度较高、强度较大的炭了）把铁矿石还原成固态铁，其中夹杂着没有烧完的木炭和炼铁时产生的熔渣而呈团块状。然后趁热锻打，挤出其中的夹杂物，并利用铁的延展性和锻打时局部产生的热使小块的铁锻接成一体，变成可以进一步制作铁器的铁材。读者如果还记得在影片中见到过的铁匠反复锻打刀剑犁锄时的情景，就可以想像出古代人们在发现和制作铁器时的不畏艰苦和不屈不挠的情景。
中国的冶铁技术大致可追溯到公元前6世纪的春秋时代的中后期，在古书中可以找到零星的有关铁的记载。如《管子·地数篇》中说过：“凡天下名山五千三百九十一，……出铁之山三千六百有九”，亦即出铁之山的数目占总山数的66.9％。到现在还没有弄清楚他这一数据的来源，但由此说明，当时人们已经知道铁矿石的存在形式。同一书中还有“山上有赭者，其下有铁”的记载。赭指赤铁矿所特有的棕红色，可见当时已经有了由赤铁矿炼铁的实践活动。
中国的冶铁术略晚于西方，但我国的冶炼生铁和块炼铁技术却是差不多同时形成的。冶炼生铁的技术要求铁处于液态，可当时所能达到的1200℃工艺温度却不能使纯铁（熔点1535℃）变为液态，但是当铁中溶入（不是夹杂）硫、磷、硅、锰，特别是碳后，可以使熔点降至1150℃左右，只要选取了适当的器皿和工艺，就可以得到液态生铁。读者也许知道汽车防冻液和用糖水做成的冰棍，其凝固点（或熔点）低于水的凝固点的原理，在这里只要把铁水看成像糖水或防冻液一样的溶液，就可以明白生铁的熔融温度为什么远低于纯铁的道理了。下图是明代宋应星在《天工开物》中所附的古代炼铁工艺的示意图。图中的风箱可能是维持反应炉中高温的重要发明之一。有趣的是，从书中的记载看，当时炼铁炉的出铁口是用泥封的，而现代炼铁用的高炉出铁口仍然是用耐火泥封塞的。