炼钢是怎样发展的？

在工业革命以前人们偏向使用纯铁，而这时候的纯铁一般是煅铁。现在使用纯铁已经非常少了，之所以如此是因为人们找到了更好的材料，那就是碳钢。铸铁与碳钢的区别就在于含碳量，一般来说铸铁含碳量高，钢含碳量低。从铸铁变成钢的过程就涉及到后来的转炉与平炉，让我们来看看这个过程。

实际上由铁变成钢实际上有两种路线，一种是从铸铁出发，既然铸铁含碳量高，那么我们想方法降低铸铁的含碳量即可。还有一种是从纯铁出发，通过增加纯铁中的含碳量得到钢。实际上由于西方最开始使用的是纯铁，因此在制钢的尝试中，首先走了后一条路线。这条路线是锻打与热处理路线，实际上在铁的锻造中由于采用铁块本身的含碳量不同，再加上制造与热处理工艺的变化，在漫长的铁器时代中人类是偶然可以做出钢的。当然那时候人类根本意识不到含碳量对铁基合金强度的影响，因此能不能炼出钢完全看人品与经验。

在历史上，第一种有意识规模化生产的钢材是所谓的大马士革钢。类似于阿拉伯数字不是阿拉伯人发明一样，大马士革钢实际上也来源于印度。而由于东方冶炼技术 的特点，这种钢的制备方法走的是铸铁出发路线。印度人首先炼出铸铁，然后反复加热冷却，减少含碳量，最后得到1.5%含碳量的钢，实际上这是一种铸钢。大马士革钢被作为优良武器被阿拉伯人采用，并逐渐传到了欧洲。这大概是在公元7世纪的时候。

而中世纪的欧洲由于还没有掌握铸铁技术，因此他们制作钢采用了另一种工艺，那就是渗碳法，在生铁的基础上在锻打时候加入碳形成钢，这种钢和今天的低碳钢成分接近。当然制作钢是非常昂贵的，当年的钢铁价格非常之高，因此很多武器上，只有刀刃那一部分是钢，其他部分还是铁。

可见，在工业革命以前，制钢的效率都是非常低下的，无论是锻打还是渗碳都是间歇操作，根本无法以持续产量进行。这一切都在工业革命期间有了改变，在工业革命阶段，炼钢炉先后由搅炼炉演变为平炉，转炉彻底造就了现在的钢铁工业。

我们先来说说传统的搅炼法，采用焦炉炼铁，铁中一般含有1%的硅，为了进一步得到钢，需要进行精炼，一般来说，精炼分成两部分，一部分是是将硅氧化，第二步将铁中的碳氧化。在这个过程中，人类最初使用的炉形为反射搅炼炉。通过这种工艺可以将钢材的含碳量控制在0.5%-1.2%左右这项技术成熟已经到了1850年，搅炼炉的熔炼温度可以达到1400℃。

在搅炼炉的基础上，添加蓄热技术就形成了现在的平炉。蓄热技术最早由德国的西门子兄弟于1856年提出（这两西门子不是我们熟悉的那个西门子）。所谓蓄热就是用一部分蓄热体，一般是无硅酸盐材料，实现炉气与热风的换热，节约热风能量的消耗，由于蓄热材料耐温的限制，蓄热技术最早被应用于玻璃工业上，因为玻璃融化温度不高。但到了1867年前后，这项技术被法国人马丁用于炼钢，最后演化成现在的平炉，由于采用了蓄热体进行换热，平炉的温度可以达到1700℃左右，这个温度已经达到了钢材的熔点，因此平炉已经不需要进行搅拌了，同时冶炼含碳量更低的钢也称为了可能。

几乎与此同时，另一种炼钢方法也开始普及开来，并最终沿用至今，那就是转炉炼钢。转炉炼钢是一个非常有意思的课题，在这里我们用反应工程的角度来分析一下这个过程。首先我们来做一个热量核算，在这个系统中输入的热量有两个来源：燃料燃烧放热，另外就是氧化反应，由于空气与碳反应是放出热量的过程。这些热量的用途有哪几种呢，首先是铁块熔化需要热量，另外就是空气加热与炉子散热的热量。那么思路来了，如果我们增加氧化反应的速率那么单位时间内放热量可以增加，是不是就可以少用燃料了呢。当时的英国人就抱着这样的想法，他们是这样考虑的，在早期我们都是直接在容器里吹气的，气流只能和铁水表面的碳反应，这样反应速率是很慢的。如果能把吹气管插到铁水里，在铁水里鼓泡，那么反应速率就会大大加快。

转炉炼钢实验在1856年由贝赛麦指导进行，结果这一实验不得了，由于氧化速度加快，根本不需要外部热源就可以维持铁水的温度，整锅钢水直接就烧起来了，险些出了危险。这次实验证明，在不加热的情况下，只要钢铁内含碳量够，就可以直接通气，利用空气与铁水内碳直接反应生成的热量维持炉内高温。转炉的温度可以轻易达到1600℃，超过了钢材的熔点，因此在熔炼过程中始终可以保证钢材在炉内成为液体。对比搅炼法，无需进行搅拌，整体更加方便，因此一经出现反响很大。当然在前期，转炉炼钢存在一些问题，并没有完全替代搅炼法。因此历史上搅炼法与转炉炼钢并存了十几年，但是在1880年以后，转炉炼钢基本上完成了对搅炼法的替代。

后来，随着电气技术的进步又出现了电炉，与感应炉等新炉型，而激光等新技术也加入了冶炼行业，由于这些技术的出现，我们可以冶炼更多的材料，人类也迎来了20世纪以来材料技术的井喷式发展。