Historians debate whether bloomery-based ironworking ever spread to China from the Middle East. One theory suggests that metallurgy was introduced through Central Asia.[32]
The earliest cast iron 鑄鐵 artifacts dating to 5th century BC 公元前5世紀 were discovered by archaeologists in what is now modern Luhe County, Jiangsu 江蘇 六合縣 in China.
Cast iron was used in ancient China for warfare, agriculture, and architecture.[3] Around 500 BC, metalworkers in the southern state of Wu achieved a temperature of 1130°C. At this temperature, iron combines with 4.3% carbon and melts. The liquid iron can be castinto molds, a method far less laborious than individually forging each piece of iron from a bloom. This technology would be known in Europe from early medieval times on.[33]
Cast iron is rather brittle and unsuitable for striking implements. It can, however, be decarburized to steel or wrought iron by heating it in air for several days. In China, these ironworking methods spread northward, and by 300 BC, iron was the material of choice throughout China for most tools and weapons. A mass grave in Hebei province, 河北省 dated to the early 3rd century BC, 公元前3世紀早期, contains several soldiers buried with their weapons and other equipment. The artifacts recovered from this grave are variously made of wrought iron, cast iron, malleabilized cast iron, and quench-hardened steel, with only a few, probably ornamental, bronze weapons.
During the Han Dynasty (202 BC–220 AD), the government established ironworking as a state monopoly (yet repealed during the latter half of the dynasty, returned to private entrepreneurship) and built a series of large blast furnaces in Henan province, each capable of producing several tons of iron per day. By this time, Chinese metallurgists had discovered how to fine molten pig iron, stirring it in the open air until it lost its carbon and became wrought iron. (In modern Mandarin-Chinese, this process is now called chao, literally, stir frying.)
By the 1st century BC, Chinese metallurgists had found that wrought iron and cast iron could be melted together to yield an alloy of intermediate carbon content, that is, steel.[34][35][36] According to legend, the sword of Liu Bang, the first Han emperor, was made in this fashion. Some texts of the era mention "harmonizing the hard and the soft" in the context of ironworking; the phrase may refer to this process. Also, the ancient city of Wan (Nanyang) from the Han period forward was a major center of the iron and steel industry.[37] Along with their original methods of forging steel, the Chinese had also adopted the production methods of creating Wootz steel, an idea imported from India to China by the 5th century AD.[38] The Chinese during the ancient Han Dynasty were also the first to apply hydraulic power (i.e. a waterwheel) in working the inflatable bellows of the blast furnace. This was recorded in the year 31 AD, an innovation of the engineer Du Shi, Prefect of Nanyang.[39] Although Du Shi was the first to apply water power to bellows in metallurgy, the first drawn and printed illustration of its operation with water power came in 1313 AD, in the Yuan Dynasty era text called the Nong Shu.[40]
In the 11th century, there is evidence of the production of steel in Song China using two techniques: a "berganesque" method that produced inferior, heterogeneous steel and a precursor to the modern Bessemer process that utilized partial decarbonization via repeated forging under a cold blast.[41] By the 11th century, there was also a large amount of deforestation in China due to the iron industry's demands for charcoal.[42] However, by this time the Chinese had figured out how to use bituminous coke to replace the use of charcoal, and with this switch in resources many acres of prime timberland in China were spared.[42] This switch in resources from charcoal to coal was pioneered in Roman Britain by the 2nd century AD, although it was also practised in the continental Rhineland at the time.[43]
人類最早發現的鐵是從天空落下的隕石。隕石中含鐵的百分比很高(鐵隕石中含鐵90.85% ),是鐵和鎳、鈷的混合物。考古學家曾經在今天伊拉克境內美索不達米亞烏爾城的古代蘇美爾人墳墓中,發現一把隕鐵製成的小斧。在埃及第五至第六王朝(公元前2400年前)的金字塔中所藏的宗教經文中,記述著當時太陽神等重要神像的寶座是用鐵製成的。這顯然也是從隕石中得來的,鐵在當時被認為是帶有神秘性的最珍貴的金屬。埃及人幹脆把鐵叫做“天石”。阿拉伯人傳說,天上的金雨落進沙漠裏變成了黑色的鐵。在古希臘文中,“星”和“鐵”是同一個詞。
1973年,在我國河北省槁城縣(今槁城市)台西村商代遺址出土一件銅鉞(yue,音嶽,古代一種像斧頭的兵器),上麵鑲有鐵刃。鐵刃雖已全部腐蝕,但經過科學鑒定,證明鐵刃是用隕鐵鍛製的,因為鐵中沒有人工冶煉的矽酸鹽等雜質,同時鐵中含有鎳和鈷,盡管經過鍛造和長期風化,鎳和鈷仍保留在鐵中,呈高低層相間分布。這種層狀分布的成分隻能從高溫每一萬年冷卻幾度的條件下生成,而這個條件是人工無法達到的。
1931年,在我國河南浚縣出土的商末周初的鐵刃銅鉞和鐵援(“幫”的意思)銅戈各一件,解放前流入美國,現存華盛頓弗裏爾藝術館。國外學者對這兩件銅件中的鐵進行反複研究,判斷是用隕鐵鍛成的。
1978年,在北京市平穀縣南獨樂河鎮劉河村發掘一座商代墓葬,出土許多青銅器,其中引人注目的是一件古代鐵刃銅鉞,經鑒定鐵刃中含有氧化鎳,未見氧化鑽,與槁城出土的那件鐵刃銅鉞有差別,但也是由隕鐵鍛成的。
這四件鐵刃銅鉞和鐵援銅戈的出土不僅表明人類最早發現的鐵是來自隕石,也說明我國勞動人民早在3300多年前就認識了鐵,熟悉了鐵的鍛造性能,識別了鐵與青銅在性質上的差別,並且把鐵鍛接到銅兵器上,加強銅的堅利性。
由於隕石來源極端稀少,從隕石中得來的鐵對生產起不了什麽作用。隻是隨著青銅熔煉技術的成熟,才逐漸為鐵的冶煉技術發展創造了條件。雖然最初提煉出來的鐵在硬度和防腐性能方麵都不如青銅,但是由於鐵礦在自然界中的分布要比銅廣泛得多,而且鐵器的堅韌性能畢竟比銅器高,因而使鐵器代替青銅。
如果說公元前2000年是青銅時代的典型時期,那麽公元前1000年對很多地方的居民來說,是由青銅時代到鐵器時代的過渡時期。大約在公元前1500年左右,埃及、美索不達開始有了煉鐵業;幾百年後,希臘、小亞細亞也相繼出現了煉鐵業。但隻是在公元前1000年前後,鐵器在上述各國以及中國才基本上從日常用具中排擠了銅器、青銅器和石器而占據統治地位。這是一些曆史學家們的論說。【如下圖:古波斯人煉鐵】
我國最早人工冶煉的鐵是在春秋戰國之交的時期出現的,距今大約2500年。江蘇省六合縣程橋鎮春秋墓出土的鐵條、鐵丸和河南省洛陽市水泥製品廠戰國早期灰坑中出土的鐵锛(ben,削平木頭用的平頭斧)是能確定的我國最早的生鐵工具,經金相檢驗,鐵條屬於早期的塊煉鐵,鐵丸和鐵锛是生鐵。這些鐵器證明我國在春秋晚期出現塊煉鐵的同時或稍後,就出現了生鐵冶煉技術。人類在冶煉鐵的過程中,最早因鼓風設備的限製,煉出的鐵不能熔化,隻是塊狀海綿體熟鐵,性質柔軟,可鍛而不可鑄,不宜製作硬度較高的工具,隻是在提高煉鐵爐的溫度後,才能得到熔融的生鐵,用於鑄造。這些鐵器證明我國在春秋晚期,或戰國早期,已出現了生鐵冶鑄技術。我國生鐵的發明是人類用鐵的重大發展,也是我國勞動人民對人類作出的一項重大貢獻。
英國科學史學家貝爾納在他編著的《曆史上的科學》(科學出版社,1959年)一書中說:“在古時候作為金屬的鐵都有一個嚴重的缺點,就是爐中鼓風不夠就熔不了它,所以澆鑄就留給青銅獨用了。例外的是中國,早在公元前2世紀,中國已能鑄鐵。”而在歐洲,“在14世紀,人們開始用水車帶動風箱吹風,帶動重錘打擊礦石。由於爐內通風的加強,得到的已不是可鍛物,而是可熔物——生鐵了。”這說明我國生鐵的出現比歐洲早1600年。
我國煉鋼技術發展也很早。漢朝趙曄著《吳越春秋.闔閭內傳》中記載著:“闔閭請幹將鑄作名劍二枚。幹將者吳人也,與歐冶子同師,俱能為劍,越前來獻三枚,闔閭得而寶之。以故使劍匠作為二枚,一日幹將,二日莫邪。……使童女童男三百人鼓囊裝炭,金鐵乃濡(ru,柔韌),遂以成劍。”闔閭(?~公元前496年)是春秋末年吳國君。這可見距今2000多年前,我國勞動人民已能煉鋼,而且規模還不小。“囊”是古代鼓風用的皮囊。
1978年湖南省博物館長沙鐵路車站建設工程文物發掘隊從一座古墓出土一口鋼劍,從古墓隨葬陶器的器形、紋飾以及墓葬的形製斷定是春秋晚期的墓葬。這口劍所用的鋼經分析是含碳量0.5%左右的中碳鋼,金相組織比較均勻,說明可能還進行過熱處理。
古代印度勞動人民的煉鐵技術也是傑出的。至今豎立在印度德裏附近一座清真寺大門後的鐵柱,高22英尺(6.7米),上部直徑12.5英寸(31.75厘米),下部直徑16.5英寸(41.91厘米),重6噸多,柱上沒有一點接縫,刻著銘文,說明它是在公元310年建立的【如下圖:印度德裏清真寺鐵柱】。它經曆了1000多年,在印度多雨高溫氣候情況下卻沒有鏽蝕,說明它是相當純的鐵鑄成的。當時如何生產出這樣純的鐵,現代人也認為是一個奇跡。有人分析了它的成分,含鐵量大於99.72%,其餘是碳0.08%、矽0.046%、硫0.006%、磷0.114%。
我國古書中最早見到的“”字是在《詩經.秦風》中,有“駟驖孔阜”這一句。這裏把黑色的馬稱為“驖”或“”。現在我們通用的“鐵”字是“”的簡化字。它的拉丁名稱為ferrum,它的元素符號因此訂為Fe。
現代高爐煉鐵是逐漸由“碗”式、豎式爐演變而來。勞動人民在實踐中認識到,加高爐身可以使燃料與礦石充分接觸,節省燃料,更重要的是鐵水和爐渣從爐底排出,燃料和礦石從爐口投入,可以使煉鐵連續生產,一座煉鐵爐一經開爐冶煉,就一直延續下去了。
現代煉鋼,一直到19世紀中期,在歐洲還是采用一種攪拌法,是把生鐵加熱到熔化或半熔後在熔池中進行攪拌。這是借助攪拌時空氣中的氧氣將生鐵中的碳氧化掉,正是1000多年前我國漢朝時代出現的炒鋼法。1856年英國人貝塞麥創造了一種轉爐煉鋼法,成為現代煉鋼的方法【如下圖:我國古代煉鐵(引自《天工開物》364頁)】。
貝塞麥是一位澆鑄工人,曾參加英、法與俄羅斯對抗的克裏米亞(Cremean)戰爭(1835~1856),親身體會到用生鐵或熟鐵製造的炮身經受不住火藥的爆炸力,往往產生爆裂,促使他尋找一種生產鋼的方法。他幾經試驗,終於在1856年在倫敦聖潘克拉斯(St.Pancras)建成一座煉鋼爐。
這是一座固定式的容器,不可以轉動,可盛放350千克鑄鐵,鼓入的氣流壓力為10~15磅力/英寸2。爐中反應強烈曾使貝塞麥大為吃驚,因為他沒有估計到空氣中的氧氣與金屬中的碳以及其他雜質反應放熱的猛烈。幸好十分鍾後,所有雜質已耗完,火焰平息,可以走進容器。經測定得到的是低碳的可鍛鐵。
不久,他就製成一種可轉動的可傾倒式轉爐,每爐可容5噸生鐵,熔煉時間為一小時,大大縮短了攪拌煉鋼的時間,更減少了攪拌操作所費的力氣,開創了現代煉鋼的新紀元。
貝塞麥在1856年8月11日宣布他的發明後受到熱情讚揚,並獲得豐厚的收入。但是人們很快便發覺到,用他發明的方法煉出來的鋼錠由於氧化過度而生成氧化鐵,同時生鐵中的磷未能除去,使鋼的質量很差。
關於鋼中存在過量氧化鐵的問題,由英國一位富有煉鋼實踐經驗的馬希特解決了,方法是在熔化了的金屬中添加進稱為鏡鐵的鐵、錳和碳的合金。
除去鐵礦石中磷的問題是煉鋼中長期未能解決的難題。貝塞麥和其他所有煉鋼爐的建造者一樣,是用矽質材料作為爐襯。這種爐襯不會與磷被氧化的產物結合。到1878年英國一位法庭的書記員托馬斯經過試驗,證明用焙燒過的白雲石和石灰黏結做襯裏,不僅除去了磷,而且還產出寶貴的含磷肥料,被稱為托馬斯磷肥。
托馬斯雖是一位法庭書記官,卻熱愛化學,利用業餘時間在一所學校裏進修化學課程。
隨著工業發展,在生產建設和生活中出現大量廢鋼和廢鐵。這些廢料在轉爐中不能使用,於是出現了平爐煉鋼,是由德國威廉.西門子和弗雷德裏克.西門子兄弟以及法國彼爾.馬丁兄弟同時創建的。時間是在19世紀60年代初。