中国古代炼钢史

1、炼钢的两大方法方法一：固体渗碳制钢技术方法一：固体渗碳制钢技术（春秋后期）（春秋后期）用块炼铁（或熟铁）做原料，用块炼铁（或熟铁）做原料，利用渗碳技术增加碳分。利用渗碳技术增加碳分。（注）熟铁的碳含量比钢低，（注）熟铁的碳含量比钢低，所以要提高碳含量以得到钢。所以要提高碳含量以得到钢。具体办法：具体办法：用块炼铁放在炭火中加热渗碳；用块炼铁放在炭火中加热渗碳；易易用优质块炼铁配合定量的渗碳用优质块炼铁配合定量的渗碳剂和催化剂，密封加热渗碳。剂和催化剂，密封加热渗碳。难难方法二：脱碳制钢技术（战国方法二：脱碳制钢技术（战国时代）时代）碳以含碳量高的生铁为原料，碳以含碳量高的生铁为原料，采用脱碳方

2、法炼制成钢。采用脱碳方法炼制成钢。（注）生铁的碳含量比钢低，（注）生铁的碳含量比钢低，所以要降低碳成分以得到钢。所以要降低碳成分以得到钢。具体方法：具体方法：把比较薄的生铁铸件经过脱碳把比较薄的生铁铸件经过脱碳退火，使其变成钢件；退火，使其变成钢件；把生铁加热到熔化或基本熔化把生铁加热到熔化或基本熔化后，经过炒炼，使其氧化脱碳后，经过炒炼，使其氧化脱碳而成为钢。而成为钢。春秋时期春秋时期 从春秋晚期起，中国独特的炼钢技术开始出现，从春秋晚期起，中国独特的炼钢技术开始出现，国家之间的战争越演越烈，良剑和良匠是各国争夺国家之间的战争越演越烈，良剑和良匠是各国争夺的焦点。的焦点。 越绝书越绝书的传说

3、：楚王派风胡子到吴国，请欧的传说：楚王派风胡子到吴国，请欧冶子，干将冶子，干将“作铁剑作铁剑”，欧冶子，干将凿茨山，欧冶子，干将凿茨山，“取铁英作为铁剑三枚取铁英作为铁剑三枚”，叫做龙渊，泰阿，工布。，叫做龙渊，泰阿，工布。春秋时期春秋时期-九州扬威兮春秋争雄九州扬威兮春秋争雄吴越春秋吴越春秋记载：干将，莫邪宝剑的传说。记载：干将，莫邪宝剑的传说。春秋时期春秋时期-九州扬威兮春秋争雄九州扬威兮春秋争雄徐吴之战，徐败徐吴之战，徐败争欧冶子欧冶子-干将的师兄干将的师兄吴王阖闾吴王阖闾干将干将钢的诞生钢的诞生吴越春秋吴越春秋记载：记载： 干将在冶炼宝剑之前，干将在冶炼宝剑之前，“采五山之铁精，六合之

4、采五山之铁精，六合之金英金英”（铁精：一种质量较精的用块炼法炼成的海绵（铁精：一种质量较精的用块炼法炼成的海绵铁；金英：一种含碳量较多的渗碳剂。）铁；金英：一种含碳量较多的渗碳剂。） 冶炼时，把冶炼时，把“铁精铁精”和和“金英金英”焖在炉中一起鼓焖在炉中一起鼓风加热，当温度足够高时铁块的表面熔解，碳不断渗风加热，当温度足够高时铁块的表面熔解，碳不断渗入熟铁，炼制成中碳钢和高碳钢。入熟铁，炼制成中碳钢和高碳钢。铸剑的神圣（铸剑宗师欧冶子）铸剑的神圣（铸剑宗师欧冶子）切肤放血 铸铁熔铜炼钢歌诀炼钢歌诀踏千嶽，登高巅踏千嶽，登高巅八荒采奇石八荒采奇石六合聚金英六合聚金英冶成筑炉兮逐渐成军冶成筑炉兮逐

5、渐成军烈焰起，紫气腾烈焰起，紫气腾姑苏淬天火姑苏淬天火吴山砺宝锋吴山砺宝锋铁水铜浆兮炼钢锻形铁水铜浆兮炼钢锻形九州扬威兮春秋争雄九州扬威兮春秋争雄莫邪焚身以火莫邪焚身以火（金铁之精，不消沦流）（金铁之精，不消沦流）剑诀剑诀宝剑之化，须待人气而合成宝剑之化，须待人气而合成方得鬼神之助，以克全功方得鬼神之助，以克全功天帝下降，百神临观天帝下降，百神临观血肉铸剑，人物同熔血肉铸剑，人物同熔莫邪卫天去，干将跨长虹莫邪卫天去，干将跨长虹（金铁乃濡，遂以成剑）（金铁乃濡，遂以成剑）美丽的传说背后的科学道理 吴越春秋吴越春秋：干将作剑，：干将作剑，.于是莫邪断发剪爪，于是莫邪断发剪爪，使童男童女三百人鼓橐装

6、炭。使童男童女三百人鼓橐装炭。 科学真相：我国古代炼铁使用木炭做燃料，又不科学真相：我国古代炼铁使用木炭做燃料，又不采用含有磷质的熔剂，因而古代生铁中含磷量很低。采用含有磷质的熔剂，因而古代生铁中含磷量很低。而古时所用的铸铁炉，实不易发生相当温度，使铁充而古时所用的铸铁炉，实不易发生相当温度，使铁充分熔融，需加相当磷份，熔融方易。中国古代虽没有分熔融，需加相当磷份，熔融方易。中国古代虽没有明确的关于磷的化学知识，但从经验上发现融铁吸收明确的关于磷的化学知识，但从经验上发现融铁吸收骨质后较易铸作。骨质后较易铸作。 莫邪的莫邪的“人物同熔人物同熔”的本质：含磷的有机物投入的本质：含磷的有机物投入炉

7、中，焖在炉中再鼓风加热，磷质就使铁块表面熔解炉中，焖在炉中再鼓风加热，磷质就使铁块表面熔解而起强烈的碳化作用，形成部分熔点较低的铸铁，从而起强烈的碳化作用，形成部分熔点较低的铸铁，从而流入海绵体似的铁块各部分疏松的空隙中。这样碳而流入海绵体似的铁块各部分疏松的空隙中。这样碳不断渗入，炼制成中碳钢或高碳钢，就可以用来锻造不断渗入，炼制成中碳钢或高碳钢，就可以用来锻造宝剑。宝剑。脱碳制钢技术的诞生（战国时代） 基本原理：以生铁为原料，适当控制温度时间，想办法让生铁里的碳被氧化成气体脱掉，铸件的金属组织就全部从铁变成了钢；但仍保留有缩孔，气眼等特征性铸造缺陷。 优点：由表及里有控制的适当的脱碳，使基

8、本不析出石墨； 钢件中夹杂物很少，这是由于生铁铸件中夹杂较少 公元前公元前2-前前1世纪的西汉年代，白口铁工具整体通过脱碳世纪的西汉年代，白口铁工具整体通过脱碳退火成为钢件之后，再在刃口部分进行局部渗碳或加工锻打，退火成为钢件之后，再在刃口部分进行局部渗碳或加工锻打，以提高刃部的硬度和锋利程度。以提高刃部的硬度和锋利程度。 用这种铸铁脱碳钢在西汉年间广泛使用，工匠对于脱碳和用这种铸铁脱碳钢在西汉年间广泛使用，工匠对于脱碳和渗碳工艺的作用，已经有经验性的了解。在农业上，斧镰等农渗碳工艺的作用，已经有经验性的了解。在农业上，斧镰等农具和兵器又官冶作坊生产。从外形看是铸件，从化学成分和金具和兵器又官

9、冶作坊生产。从外形看是铸件，从化学成分和金相组织看基本是钢，而且夹杂物极少。相组织看基本是钢，而且夹杂物极少。脱碳制钢技术的发展（汉代）脱碳制钢技术的发展（汉代）“炒钢炒钢”技术的发明和发展（西汉后期）技术的发明和发展（西汉后期） 封建社会上升时期对钢制品的需求大大增加，封建社会上升时期对钢制品的需求大大增加，熟铁块炼法和生铁脱碳炼钢均不能满足要求。在西熟铁块炼法和生铁脱碳炼钢均不能满足要求。在西汉后期创造了汉后期创造了“炒钢炒钢”技术。技术。“炒钢炒钢”技术的发明和发展（西汉后期）技术的发明和发展（西汉后期）工序简介：先寻求铁矿石，冶炼成生铁水（熟铁在当时是工序简介：先寻求铁矿石，冶炼成生铁

10、水（熟铁在当时是不可能熔化成铁水的），即所谓不可能熔化成铁水的），即所谓“烧冶之使成水烧冶之使成水”，然后，然后炒炼成钢（即高温搅拌，增加氧气和铁的接触面，使液体炒炼成钢（即高温搅拌，增加氧气和铁的接触面，使液体中的碳氧化），再反复锻打（生铁是不可能经过锻打制成中的碳氧化），再反复锻打（生铁是不可能经过锻打制成钢材的），制成莫邪一类的钢剑。即所谓钢材的），制成莫邪一类的钢剑。即所谓“万锻之，乃成万锻之，乃成莫邪莫邪”。炒钢技术的发明使得百炼钢技术进入成熟阶段。炒钢技术的发明使得百炼钢技术进入成熟阶段。“炒钢炒钢”技术的广泛使用（东汉）技术的广泛使用（东汉）东汉唯物主义思想家王充在所著的东汉唯物

11、主义思想家王充在所著的论衡论衡.率性篇率性篇中提到：中提到： “更熟锻炼，足其火，齐其铦更熟锻炼，足其火，齐其铦”。认为。认为世间价值千金的宝剑，原来就是矿山中的普通的世间价值千金的宝剑，原来就是矿山中的普通的铁。冶工把它们锻炼成锋利的剑，岂是锻炼的原铁。冶工把它们锻炼成锋利的剑，岂是锻炼的原料有什么不同，而是由于锻炼到家。料有什么不同，而是由于锻炼到家。东汉炼钢技术的进步，铁工具已多用钢刃。东汉炼钢技术的进步，铁工具已多用钢刃。贾公彦疏：贾公彦疏：“汉时斧近刃，皆以钢铁为之汉时斧近刃，皆以钢铁为之”。到三国时代，。到三国时代，用钢制作兵器更加广泛。陶弘景用钢制作兵器更加广泛。陶弘景刀剑录刀剑

12、录：“吴王孙权黄吴王孙权黄武四年，采武昌山钢铁，作千口剑，万口刃，各长三尺九寸，武四年，采武昌山钢铁，作千口剑，万口刃，各长三尺九寸，刀口方，皆是南钢，越炭作之。刀口方，皆是南钢，越炭作之。”百炼钢的鼎盛时期百炼钢的鼎盛时期-三国三国魏太子丕造百辟宝剑魏太子丕造百辟宝剑百辟宝剑百辟宝剑-汉剑汉剑-龙泉剑龙泉剑剑身自然出现水波纹剑身自然出现水波纹百辟，即百炼，意即经过一百次左右的加热和反复折叠锻打。代表了当时炼制优质钢利器的工艺质量的最高水平。百炼钢的继续发展和热处理的进步百炼钢的继续发展和热处理的进步（魏晋（魏晋-明朝）明朝）魏晋南北朝，出现许多著名的冶炼家。魏晋南北朝，出现许多著名的冶炼家。

13、如南朝齐，梁时代的黄文庆。如南朝齐，梁时代的黄文庆。钢剑刃部坚硬锋利钢剑刃部坚硬锋利剑身富于韧性弹性剑身富于韧性弹性鱼肠剑鱼肠剑蟠钢剑蟠钢剑百炼钢的继续发展和热处理的进步百炼钢的继续发展和热处理的进步（魏晋（魏晋-明朝）明朝）明朝戚继光明朝戚继光练兵实纪杂集练兵实纪杂集提到：提到：“铁要多炼，刃用纯铁要多炼，刃用纯钢钢”。刀脊使用低碳的软钢，刃部采刀脊使用低碳的软钢，刃部采用高碳的硬钢，加以锻合而成。用高碳的硬钢，加以锻合而成。“灌钢灌钢”冶炼法的发明冶炼法的发明-南北朝南北朝 灌钢法又叫团钢法灌钢法又叫团钢法, ,或生熟法或生熟法, ,是中国早期炼钢技巧一项最突出是中国早期炼钢技巧一项最突出

14、的成绩。的成绩。17 17 世纪以前世纪以前, ,世界各国一般都是采用熟铁低温冶炼的措施世界各国一般都是采用熟铁低温冶炼的措施, ,钢铁不能融化钢铁不能融化, ,铁和渣不易分别铁和渣不易分别, ,碳不能敏捷渗入。中国发现的灌钢碳不能敏捷渗入。中国发现的灌钢法法, ,胜利解决这一难题胜利解决这一难题, ,为世界冶炼技巧的发展做出划时期贡献。同为世界冶炼技巧的发展做出划时期贡献。同时兼用生铁和熟铁的两种原料，利用生铁含碳量高，比熟铁熔点低时兼用生铁和熟铁的两种原料，利用生铁含碳量高，比熟铁熔点低而先熔解的特点，把两种原料配合在一起加热，让先熔的生铁液作而先熔解的特点，把两种原料配合在一起加热，让先

15、熔的生铁液作为渗碳剂，灌注到疏松的熟铁的间隙之中，使熟铁的含碳量升高而为渗碳剂，灌注到疏松的熟铁的间隙之中，使熟铁的含碳量升高而成为钢材。成为钢材。 同百炼法或炒炼法比拟同百炼法或炒炼法比拟, ,其长处其长处 （1 1）生铁作为）生铁作为1 1种渗碳剂种渗碳剂, ,因融化后温度高因融化后温度高, ,加速向熟铁中渗碳的加速向熟铁中渗碳的速度速度, ,缩短冶炼时光缩短冶炼时光, ,进步生产率。进步生产率。 (2)(2)熟铁因为碳的渗入而成为钢熟铁因为碳的渗入而成为钢, ,生铁由于脱碳也可以变成钢生铁由于脱碳也可以变成钢, ,增增添了钢的产量。添了钢的产量。 (3)(3)在高温下在高温下, ,液态生

16、铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物搀液态生铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物搀杂产生反应杂产生反应, ,去除杂质去除杂质, ,纯化金属组织纯化金属组织, ,进步金属品位。进步金属品位。 (4)(4)灌钢法操作简便灌钢法操作简便, ,容易控制。要想得到不同含碳量的钢容易控制。要想得到不同含碳量的钢, ,只要只要把生铁和熟铁按必定比例配合好把生铁和熟铁按必定比例配合好, ,加以熔炼加以熔炼, ,就可获得。就可获得。“灌钢灌钢”冶炼法的发明冶炼法的发明-南北朝南北朝 綦毋怀文造刀的方式是綦毋怀文造刀的方式是: :先把生铁和熟铁以灌钢法烧炼成钢先把生铁和熟铁以灌钢法烧炼成钢, ,做做成刃口成刃口, ,

17、然后然后 “ “以柔铁为刀脊以柔铁为刀脊, ,浴以五牲之溺浴以五牲之溺, ,淬以五牲之脂淬以五牲之脂”这样这样做出来的刀称为做出来的刀称为“宿铁刀宿铁刀”, ,极其锐利极其锐利, ,能够一下子斩断铁甲能够一下子斩断铁甲3030札。札。对于含碳量比较高的钢对于含碳量比较高的钢, ,理想的淬火介质应当是理想的淬火介质应当是: :当工件在比较高的当工件在比较高的温度温度650-400,650-400,具有较大的冷却速度具有较大的冷却速度, ,在低温在低温300-200 ,300-200 ,具有较慢具有较慢的冷却速度。这就须要采取双液淬火法。綦毋怀文先用动物尿、后的冷却速度。这就须要采取双液淬火法。綦

18、毋怀文先用动物尿、后用动物油进行双液淬火用动物油进行双液淬火, ,能够造出品德很高的能够造出品德很高的“宿铁刀宿铁刀”。 创新：创新： 1 1）热处理的进步。使用动物尿和动物油作为冷却剂，一方面）热处理的进步。使用动物尿和动物油作为冷却剂，一方面扩大了淬火介质的范围，另一方面可以获得不同的冷却速度，这样扩大了淬火介质的范围，另一方面可以获得不同的冷却速度，这样就能够得到不同性能的钢。就能够得到不同性能的钢。 2 2）材料的科学使用，节约成本。刀的刃部需要比较高的硬度，）材料的科学使用，节约成本。刀的刃部需要比较高的硬度，才能使刀刃锋利，所以要用钢来制造。而刀背相反却需要有比较好才能使刀刃锋利，

19、所以要用钢来制造。而刀背相反却需要有比较好的韧性，使刀在接受经较大的冲击力的时候不致折断，所以用熟铁的韧性，使刀在接受经较大的冲击力的时候不致折断，所以用熟铁比较合适。綦毋怀文把二者巧妙结合起来，把好钢只用在刀刃上，比较合适。綦毋怀文把二者巧妙结合起来，把好钢只用在刀刃上，既满足了实用要求，又节省了钢材，这项制刀工艺上的重要革新一既满足了实用要求，又节省了钢材，这项制刀工艺上的重要革新一直沿用到今天。直沿用到今天。灌钢剑欣赏灌钢技术的发展灌钢技术的发展-唐唐-明明 隋唐以后的生产力得到大幅度的提高（钢普遍隋唐以后的生产力得到大幅度的提高（钢普遍地用在了农业和手工业的工具上；地用在了农业和手工业

20、的工具上； 宋代把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间，用泥把宋代把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间，用泥把炉密封起来烧炼（防止加热时氧化脱碳），炼成灌炉密封起来烧炼（防止加热时氧化脱碳），炼成灌钢。钢。梦溪笔谈梦溪笔谈； 明代把生铁片盖在捆紧的若干熟铁片上，使生明代把生铁片盖在捆紧的若干熟铁片上，使生铁得到氧而容易吸收生铁的铁液；不用泥封而用涂铁得到氧而容易吸收生铁的铁液；不用泥封而用涂泥的草鞋遮盖，使生铁得到氧而容易熔化。泥的草鞋遮盖，使生铁得到氧而容易熔化。天工天工开物开物。 明朝中期（明朝中期（15-1615-16世纪之间），开始发展成为世纪之间），开始发展成为 苏钢冶炼苏钢冶炼 法。法。 明朝后期，

21、发明明朝后期，发明“生铁淋口生铁淋口”的方法。的方法。梦溪笔谈卷三辩证一世间锻铁所谓钢铁者，用柔世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷期间，铁屈盘之，乃以生铁陷期间，封泥炼之，锻令相入，谓之封泥炼之，锻令相入，谓之团钢，亦谓之灌钢。团钢，亦谓之灌钢。天工开物卷14 五金凡钢铁炼法，用熟铁打成薄片如指头凡钢铁炼法，用熟铁打成薄片如指头阔，长寸半许，以铁片束包夹紧，生阔，长寸半许，以铁片束包夹紧，生铁安置其上，又用破草鞋覆盖其上，铁安置其上，又用破草鞋覆盖其上，泥涂其底下。洪炉鼓，火力到时，生泥涂其底下。洪炉鼓，火力到时，生铁先化，渗淋熟铁之中，两情投合，铁先化，渗淋熟铁之中，两情投合，取出

22、加锤。再炼再锤，不一而足。俗取出加锤。再炼再锤，不一而足。俗名名团钢团钢，亦曰灌钢者是也。，亦曰灌钢者是也。创新点：创新点：1）用涂泥的草鞋遮盖）用涂泥的草鞋遮盖-炼钢炉依然能够从空气中得到氧，使炼钢炉依然能够从空气中得到氧，使生铁在还原性气氛中熔化；使大部分火焰反射入炉内，以提高生铁在还原性气氛中熔化；使大部分火焰反射入炉内，以提高冶炼温度。冶炼温度。2）把生铁片盖在捆紧的若干熟铁薄片上）把生铁片盖在捆紧的若干熟铁薄片上-增加生铁和熟铁的增加生铁和熟铁的接触面，使熟铁易于吸收生铁的铁液，能够使碳均匀地渗入；接触面，使熟铁易于吸收生铁的铁液，能够使碳均匀地渗入；“生铁淋口生铁淋口”技术的发明和

23、流传技术的发明和流传天工开物天工开物卷卷10 锤锻锤锻“凡治地之物，用锄镈之属，熟铁锻成，凡治地之物，用锄镈之属，熟铁锻成，熔化生铁淋口，入水淬健，即成刚劲。熔化生铁淋口，入水淬健，即成刚劲。”广泛应用在农业的农具制造，俗称广泛应用在农业的农具制造，俗称“擦擦生生”。整个擦生的时间，包括加热，擦。整个擦生的时间，包括加热，擦生，淬火等等，大约需要生，淬火等等，大约需要4-5分钟，而生分钟，而生铁液擦上的时间仅为铁液擦上的时间仅为20 -30 秒钟。入水秒钟。入水淬火的时间约淬火的时间约5秒，经过修边开刃，便成秒，经过修边开刃，便成为一件耐磨韧性又好的农具。为一件耐磨韧性又好的农具。创新之处：创

24、新之处：即不需要夹进炼好的钢条，又不需要把工具加以熔化，而利用即不需要夹进炼好的钢条，又不需要把工具加以熔化，而利用了炼钢原理，很巧妙地用了炼钢原理，很巧妙地用“生铁淋口生铁淋口”的方法使工具具有钢刃，的方法使工具具有钢刃，不仅方法简捷，而且节省很多时间。不仅方法简捷，而且节省很多时间。中国古代锻造技术和淬火工艺的进步中国古代锻造技术和淬火工艺的进步锻的目的：挤去熟铁和钢中的杂质，使组织均匀细致，性能提高；为了锻造成所需要的形状。山东滕县宏道院出土画像石山东滕县宏道院出土画像石冶铁图冶铁图锻造法之一锻造法之一-熟铁锻造（热）熟铁锻造（热）西安半坡战国墓出土的铁锄的锻造工艺过程示意图西安半坡战国

25、墓出土的铁锄的锻造工艺过程示意图 先将原材料多次锻打成薄片，再将薄片折合和锻接，先将原材料多次锻打成薄片，再将薄片折合和锻接，然后再加工锻成所需要的器形。然后再加工锻成所需要的器形。“千锤百炼千锤百炼”-不断加热和反复锻打，使杂质稀不断加热和反复锻打，使杂质稀少，组织细密，富于韧性和弹性。少，组织细密，富于韧性和弹性。锻造法之一锻造法之一-熟铁锻造（热）熟铁锻造（热）天工开物天工开物卷卷10 锤锻锤锻凡铁性逐节粘合，涂上黄泥与接口凡铁性逐节粘合，涂上黄泥与接口之上，入火挥槌，泥滓成枵而去，之上，入火挥槌，泥滓成枵而去，取其神气为媒合，胶结之后，非灼取其神气为媒合，胶结之后，非灼红斧斩，永不可断也。红斧斩，永不可断也。技巧：涂上黄泥与接口之上，将陈技巧：涂上黄泥与接口之上，将陈年壁土细末或黄泥撒在接口，在锻年壁土细末或黄泥撒在接口，在锻合过程中，壁土和氧化铁皮形成低合过程中，壁土和氧化铁皮形成低熔点的液态硅酸盐，被挤出接缝，熔点的液态硅酸盐，被挤出接缝，所谓所谓“泥滓成而去泥滓成而去”，因而不会留，因而不会留下缝隙，胶结得十分牢固。下缝隙，胶结得十分牢固。锻造法之二锻造法之二-冷锻（冷变形加工）冷锻（冷变形加工）利用冷锻使变形来提高钢的利用冷锻使变形来提高钢的硬度，在一定的