炼铁技术（中国古代的铁匠都是怎么炼铁铸剑的？）
炼铁技术（中国古代的铁匠都是怎么炼铁铸剑的？）
古代中国是诸候纷争的年代，那时已拥有数十万计的应征军队，把这样庞大的军队武装起来，就必须拥有一个能够大批量生产冷兵器的生产体系。古代中国为了大批量制造冷兵器，除了制造冷兵器本身是一种高科技外，冷兵器的制造原材料—铁，特别是能够大量提供钢铁的工业是必不可少的。就是在今天，钢铁也是制造各种兵器的最重要材料。
▲古代庞大的军队需要大量的冷兵器，其原料来自钢铁和铁匠们的制造
在中国，钢铁总产量，根据国家官方掌握的数字（国家直接掌控经营的炼铁厂的产量和民间炼钢厂生产的铁所交纳的税额），在唐代已达到1200吨左右，宋朝为4700吨左右，明朝开国初期为11000吨左右，最高达到40000吨（2015年中国粗钢产量8.038亿吨，余下排名分别是日本1.05亿吨、印度0.896亿吨、美国0.789亿吨、俄罗斯0.711亿吨，中国产量占世界一半以上）。
▲现代铁匠的传统打铁铺
根据所查阅掌握的材料，在十三世纪，中国已是世界上最大的铁的生产国和消费国，直到十七世纪仍保持着这一领先的地位。从汉代到明朝，中国人不仅在数量上处于世界领先地位，而且还拥有世界上最先进的钢铁冶炼技术。
▲古代铁匠打铁
在中国关于铁的最早冶炼使用，也是从天产陨石提供的陨铁开始的。而正式开始铁的生产，是在战国时代，这从出土古兵器文物挖掘已得到证实，因为在中国各个朝代的首都遗址均发现了生产铁的遗址。但是在战国时代，作为制造兵器原材料，还不能认为已经完全从青铜发展到钢铁的阶段。因为在当时，钢铁的生产技术尚未成熟。
▲桃花岛弟子、知名铁匠冯默风以烧红的铁拐曾助神雕侠杨过一臂之力打跑李莫愁
到了一统天下的秦朝，从钢铁的生产技术上来说，仍属后进国，这也可以证明上述的论点。汉朝以后，用于生产冷兵器的主要金属，已从青铜发展钢铁。由此可以证明，这时中国已经掌握了很高的炼铁技术，能够大量生产钢铁了。
▲古代原始的高温炼铁炉，将铁矿石投入以高温熔炼铸成铁锭
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科技进步分不开的，这可以从以下几点得到证实：
第一，能够制造1200℃以上的高温炼铁炉，从而可以进行钢铁高温下的精炼，这是关键。
第二，发明了向高温炼铁炉输送充足空气的装置——风箱，从而实现了高温下的冶炼。而且在炼钢方面，能够连续地供给足够空气（即始终维持高温冶炼）的高性能风箱，早在纪元前就开始出现了，而且不久又出现用水力（古代称为水排）和动物力量（称为马排）取代人力的鼓风装置，极大的提高了高温炼铁炉的供氧能力。
▲有经验的铁匠通过观察高温炼铁炉的火色决定炼钢质量
第三，中国早从古代就不使用木炭，而是把热量高的煤炭作为炼铁的燃料。到了北宋时代，已经普遍使用煤炭来炼铁了。利用优质煤炭炼铁的优点，就是能够很容易地得到理想高温冶炼效果。用优质煤炭作炼铁燃料，还有能够减少生产工序等其他方面的优点。此外，如果用优质木炭来作燃料，当然就需要广大的山林伐木来烧炭，费时费力这就大大限制了炼铁厂的选地条件。而使用优质煤炭作燃料，就没有这个限制了。
▲风箱——通过底部管子连接高温炼铁炉鼓风送氧，提高熔炉温度，现代换成工业电扇送风
大家都知道，如果在低温（800~900℃）条件下熔化铁矿石，含碳量就低，而其他无用化学成份反而增多，炼出来的铁就会像海绵软木一样发软。通过把铁矿进行反复锻造，除去多余影响铁质的有害化学成份，提高含碳量就能提高钢铁的硬度，近似炼钢生产技术，早在战国时代就开始出现了。到了汉代，这种提高钢铁的性能的锻造技术已经相当普及了。从实践操作中，人类又懂得了通过反复折叠锤打就能提高钢铁的硬度和韧性这个道理。
▲早在宋代已出现水排风箱，通过曲柄、杠杆机械原理来推动鼓风《农书》
从汉代开始，就掌握了根据不同用途控制加热和锻造次数的技术，当时汉代已出现的百炼钢就证明一切，“百炼成钢”这句成语就充分显示了当时中国铁匠的聪明才智。
▲灌钢法
打可排除钢中夹杂物，提高韧性，从而使其成分趋于均匀，组织趋于致密，细化晶粒，改善钢的性能。古代铁匠常把精铁加热锻打上百次即成百炼钢，魏晋时代是百炼钢的鼎盛时期。唐宋之后，因灌钢工艺的发展普及，百炼钢因生产费时费力有所减少。
▲宋代已普遍掘井开采煤炭炼铁冶金
由于风箱和高温炼铁炉的普通使用，又发明了在较低的低温条件下的化铁方法。在汉代就能生产含碳量高（含碳量超过2%以上）的生铁，而且很快又发明了使用这种生铁进行锻造的技术。含碳量高的生铁发脆而沉重，而在中国早在古代就能制造含碳量比较低、具有接近钢性能的可锻性好的可锻铸铁。虽然不能用这种铸铁作冷兵器的刃，欲满足了大量生产农具等铁制品的需要。
▲冶炼出的高碳钢需要反复折叠锻打才可做出冷兵器
既然能生产生铁，也就出现了把含碳量控制在2%以下，用于制造冷兵器刃所用材料的炼钢技术。起初，是把生铁放在提炼炉里进行再加热，用风箱鼓进大量空气，使不必要成份燃燃来炼钢的。进而在实践中，又发明了把提炼中的铁用风箱吹入各种微量元素（比如碳粉）来控制铁的性质，即传说中的“炒钢法”。从而能够生产质量稳定而且含碳量较低的生铁和含碳量高的钢。不久又发明了能够高效率大量提炼高质量钢的生产技术“灌钢法”——在提炼出几乎不含碳成分的熟铁的同时提炼出钢的生产方法。这种新的炼钢方法出现在晋朝。采用这种技术生产的钢，又叫做宿铁，是制造冷兵器的最理想材料。
▲折叠锻打百炼钢
把加热的铁急剧冷却、提高物理硬度的淬火技术，早在中国的古代就为铁匠所掌握，并普遍采用这种处理方法来提高兵刃的物理硬度。在淬火处理当中，如果在冷却用水中加入微量的水以外的成份（比如各种不同比例的动物油脂、尿液、硝盐或其他化学物质），将会显著提高铁的物理硬度。关于这一点，从东汉末期到三国时代，中国的铁匠们已经从实践中有了这方面的经验。他们在对钢刃进行淬火处理时，就很注意对冷却用水河流的选取（必须是阴寒沉稳的活水）。
▲汉代百炼花纹钢——将炒钢经反复折叠锻打变形而制成的钢。其特点是反复低温加热锻打。多次反复锻打可排除钢中夹杂物，提高韧性，从而使其成分趋于均匀，组织趋于致密，细化晶粒，改善钢的性能。古代铁匠常把精铁加热锻打上百次即成百炼钢，魏晋时代是百炼钢的鼎盛时期。唐宋之后，因灌钢工艺的发展普及，百炼钢因生产费时费力有所减少。
到了六世纪（隋朝和南北朝）的时候，不仅仅只用水来冷却淬火外，而且把野兽的尿液或脂肪熬炼油脂、特殊植物煎熬出的汁液等（反正是你做梦没想到的东西）作为冷却用水，用于冷兵器淬火处理上。
▲铸造出的生铁铁锭，含碳量超2%以上，质地坚硬，耐磨，脆而不易锻压，多用于做大件
经过淬火处理后的铁，确实提高了硬度，但是也变脆了。为解决这个难题，北宋时期的中国开始采用对铁不加热直接锻造的冷锻法，经过这样锻造的铁，不仅表面又黑又亮，而且特别刚硬。
▲淬火工艺靠铁匠的实践积累，而且保密不公开
从而，就向能够制造表面乌亮、坚硬且具有很好韧性的优质钢迈进了重要的一大步。最早发现这种锻造工艺的，是中国的藏族人，由于通商往来，才传到北宋的。当时，就采用这种冷锻方法制造了大量的高质量铠甲装备军队。
▲50年代全国大跃进赶美超英，国内普遍大搞土法炼钢劳民伤财，得不偿失。
此外，古代中国在很早的时候就掌握了把加热的铁慢慢冷却处理的回火技术，并广泛用于生产不同用途的冷兵器制造方面。
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