铁如何”变成“钢？

1. 悠久的历史

1.1 陨石与铁

从天空落下的陨石是人类发现铁的最早来源，陨石一般含有铁、镍和钴等，铁的质量分数可达90%以上。铁制物件最早发现于公元前3500年的古埃及，它们含质量分数7.5%的镍，研究表明这些铁制物件来自流星陨石。在古埃及的第五王朝至第六王朝金字塔所藏的宗教经文中，记述了当时太阳神等重要神像的宝座是用铁制成的。由于铁在当时十分稀少，所以被认为是带有神秘性的珍贵金属。埃及人把铁叫做“天石”。古埃及人和美索不达米亚人将发现的陨铁视作“神的礼物”，用作装饰。在古希腊文中，“铁”与“星”是同一个词，说明铁与陨石有密切关系[1]。

北京平谷发掘的一座商代陵墓的出土文物中最引人注目的是一件古代铁刃铜钺，其铁刃是由陨铁锻制的，这表明中国最早发现的铁也来自陨石，同时表明我国3300多年前就认识了铁，并熟悉了铁的锻造性能，而且还把铁用于锻接铜兵器，以加强其坚利性。

但由于陨石来源极其稀少，所以从陨石中得来的铁对生产的作用十分有限，后来，随着青铜技术的成熟，铁的冶炼技术也逐步得到了发展。

1.2 古代冶炼工艺

公元前约1500年，古代小亚细亚半岛（现今的土耳其）的赫梯人开始冶炼铁，这种坚硬的金属给了他们经济和政治上的力量。公元前约1200年，赫梯王国灭亡，各部落带着他们的炼铁知识分散到欧洲和亚洲（图1）。从此“铁器时代”开始了[2]。

图1 中国古代炼铁（图片来自网络）

当时铁的冶炼过程十分神秘，尽管工匠们可能并不知道钢铁冶炼的化学原理与过程，但还是有了比较高超的技术。早在公元前3世纪，南印度的铁匠们就用木炭加热坩埚熔炼熟铁，冶炼出“乌兹钢”，至今这种材料仍以其质量而闻名。在印度首都新德里南郊耸立着一根约7 m高、直径约0.5 m的铁柱[3]（图2）。

这根黑黝黝的铁柱与身旁72 m高的库都布高塔相比显得很不起眼，但却吸引着大批游客的兴趣和科学家的注意。因为这铁柱虽在露天经历了上千年的风吹雨打，却居然一点不生锈，堪称世界奇迹。铁是易生锈的金属，一般的铸铁不用说千年，几十年就锈迹斑斑了。但这根1500多年前的铁柱通体仍找不到一块锈迹，这令科学家疑惑不解。即使在科学发达的今天，人们仍然难以找到防止铁器生锈的良方，而古代印度人居然可以做到这一点，真是不可思议。

图2 德里铁柱（图片来自网络）

我国最早人工冶炼的铁是在春秋战国之交的时期出现，距今大约2500年。我国炼钢技术发展历史很悠久，可以追溯到公元前2世纪，其炼钢工艺接近于“贝塞麦酸性转炉炼钢法”，这是欧洲在公元19世纪发展起来的一种工艺。

我国从战国时期到东汉初年，开始普遍使用铁器（图3），铁成为了我国最主要的金属。在公元600—900年，唐朝已经广泛应用钢制农用工具。1978年，湖南省出土的春秋晚期的墓葬钢剑，是含碳质量分数0.5%左右的中碳钢，金相组织比较均匀，应该进行过有效的热处理。

图3 铁制农用工具（图片来自网络）

1.3 早期钢铁发展的推动力

早期钢铁发展的推动力是战争。中国、希腊、波斯和罗马的军队，都需要耐用性强的兵器（图4）和盔甲。很多工具，如斧头、锯子和凿子，在使用钢作为材料后更耐用和高效。剑的制作尤其凸显了钢的优良特性，剑刃需要坚硬、锋利且有韧性。尽管钢的需求不断增加，但炼钢仍然是一个缓慢、耗时且昂贵的工艺过程。

图4 古代兵器（图片来自网络）

1.4 高炉与坩埚

12世纪，高炉炼铁工艺在亚洲开始出现。那个时代的炼钢工人还学会用渗碳工艺生产钢铁，即通过长时间加热在锻铁棒表层渗入碳以增加铁合金的硬度，该工艺可能需要持续数天或者数周的时间。

1740年一位神秘并且极富创造力的英国青年——本杰明·亨斯曼（Benjamin Huntsman）开发并展示了新的坩埚制铁工艺。用粘土埚（坩埚）使熔炼温度足够高到渗碳工艺的要求，同时能够将生产出的钢水铸造出均匀、高质量的铸锭，该工艺相对于以前的工艺提高了产量。尽管这一发明尚未达到低成本、高产量地生产高品质钢，但正是该技术推动了英国谢菲尔德成为19世纪到20世纪炼钢中心之一。

1.5 工业革命促进了钢铁工业的发展

工业革命起源于英国，层出不穷的技术革新和创造对世界范围内的制造、贸易和社会各领域产生了巨大影响。18世纪开始的工业革命，铁在其中已经独领风骚。焦炭和铁矿石供应充足，钢铁逐渐替代木材成为建筑材料的新秀。同时，钢铁为动力机械时代提供了许多坚固、锋利的工具。钻头、锯片、刃等工具都选择用钢铁来制造，钢铁应用范围的扩大进一步促进了发明。发明家亨利·科特（Henry Cort）拉开了钢铁的一个重要生产工艺的序幕——轧制薄板。

随着工业革命地继续推进，钢铁的需求不断增加，对于贸易和运输业发展至关重要。如果没有钢铁就不会有铁路，造船业同样要求更高质量的钢铁。造船业的供应商开发了两种具有里程碑意义的生产技术来满足造船需求：一是通过搅拌炉内的熔融生铁以提高铁的质量，这种工艺通过减少铁中的碳含量，提高韧性并减少脆性；二是通过轧制以获得终产品，相对传统的锤打工艺，轧制后的金属更有韧性并且强度也得以提高。

18世纪，钢铁的大规模工业化生产在欧洲遍地开花。拓荒者跨洋过海，把先进的钢铁冶炼工艺和技术带到了北美、日本和世界的其他地方。钢铁对美国中西部大开发起到了至关重要的作用，用钢铁制成的犁很容易地开发那片肥沃的土地。钢制的犁车和蒸汽驱动的设备改变了农业面貌，开始进入机械化时代。

1.6 迈向工业化生产

几个世纪以来，钢因其韧性高以及易于加工出锋利面而备受“追捧”，但其生产过程缓慢并且昂贵。19世纪五六十年代，新技术的不断涌现让大规模生产成为可能。

当时，已经能够大量连续地生产出品质优良、外形尺寸稳定的钢材，广泛应用于铁路和各种建筑结构。钢铁杰作——埃菲尔铁塔（图5）矗立在法国巴黎市战神广场上，于1889‒03‒31竣工，成为当时世界最高建筑。埃菲尔铁塔塔身是钢架镂空结构，包含了18038个钢铁铸件和250万个铆钉。

图5 法国埃菲尔铁塔（图片来自网络）

1.7 钢铁时代的到来

19世纪末，炼钢业成为重要产业。科学逐步揭开了钢的神秘面纱，在铁中渗入适量的碳，可以提高钢的强度。随着对钢的性能更深入的了解，合金钢被越来越广泛地应用，1912年，两位德国工程师获得了不锈钢发明专利。

20世纪的两次世界大战对钢铁生产都产生了巨大影响。为了运送部队和军用物资，建造铁路和轮船需要大量钢材。军用车辆，特别是坦克（图6）也严重依赖于钢材，由于军事装备的需要，很多国家的钢铁制造被收归国有。

图6 苏式坦克（图片来自网络）

二战后贸易和工业复苏。越来越多的人口流向城市，建筑变得更加宽敞高大，而主梁和钢筋混凝土都需要大量钢材。到20世纪60年代，家庭中越来越多地使用家用电器，如冰箱、冷冻机、洗衣机、烘干机等，都离不开钢铁。

此外，起源于1955年的钢制集装箱，为船舶、公路、铁路运输提供了强大、安全的方式。汽车迅速成为受欢迎的大众消费品，并因此促进了石油天然气工业的发展。这一发展过程又带动了所有钢材品种的发展。

1.8 钢铁行业的新发展

新技术与基础设施的发展对材料的力学性能提出新的需求。全球钢铁企业都开始应对这一挑战。推动创新研发，新钢种（如高强度低合金钢HSLA）层出不穷，极大地拓展了钢的应用领域。

油气工业有更为特殊的需求。巨大的油气管线横穿灼热的沙漠、冰封的荒野或是浩瀚的海洋，这都需要钢管具备高强度和高韧性，还需要有良好的焊接性能，以避免管线连接处出现薄弱点。这种情况下，添加了锰等元素的HSLA钢保证了所需性能。

自20世纪60年代初起，HSLA钢得到了迅速发展，被用在从桥梁到机械等多个领域。HSLA钢比传统碳钢拥有更高的强度质量比。一般说来，同等强度条件下，HSLA钢质量大约比普通碳钢少20%~30%。这使得HSLA钢尤其适用于汽车制造，在确保汽车强度和安全性的同时促进汽车轻量化和节约燃料。

20世纪中叶，炼钢技术获得很大提升。碱性氧气炼钢法和电炉炼钢法成为主要的生产工艺，使得生产过程更高效、更节能。电炉最早出现在19世纪末，到20世纪60年代，被用于生产特殊钢。现在，工业废钢以及汽车、家电等报废所产生的废钢成为容易获取且价格低廉的炼钢原料，使得电炉适合于大规模生产。与氧气顶吹转炉相比，电炉生产速度更快，同时，电炉钢厂建设成本也较低。

2. 精湛的工艺

2.1 炼铁

炼铁是指在高温下用还原剂将铁矿石还原得到生铁的生产过程。炼铁的主要原料是铁矿石、焦炭、石灰石、空气。铁矿石是铁的来源，有赤铁矿（Fe2O3）和磁铁矿（Fe3O4）等。焦炭的作用是提供热量并产生还原剂一氧化碳（CO）。石灰石是用于造渣，使冶炼生成的铁与杂质分开[4]。

炼铁工艺一般分为高炉炼铁和非高炉炼铁两大类，高炉炼铁仍然是目前最佳的炼铁方法，是其它炼铁方法不可比拟的，现代钢铁流程大部分采用高炉炼铁（图7）。

图7 高炉示意图（图片来自网络）

炼铁的主要设备是高炉。冶炼时，铁矿石、焦炭、和石灰石从炉顶进料口由上而下加入，同时将热空气从进风口由下而上鼓入炉内，在高温下，反应物充分接触反应得到铁。其反应式为：

2.2 炼钢

炼钢先炼铁，钢从生铁而来。生铁含碳量较高，而且含有许多杂质（如Si、P、S等），缺乏塑性和韧性，力学性能差，限制了它的用途。为了克服生铁的缺点，使它发挥更大的作用，就需要在高温下利用各种来源的氧，把生铁里面的杂质氧化清除到一定的程度，以得到理想成分与性能的钢。这种在高温下氧化清除生铁中杂质的方法叫炼钢[5]。

因此，炼钢是指把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼、调整成分、炼出钢材。一般需要将碳质量分数控制在2%以内，消除或减少有害元素P、S、O、N等，保留或增加有益元素Si、Mn、Ni、Cr等，并调整元素之间的比例，获得最佳性能。钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。炼钢的基本方法有以下几种。

2.2.1 转炉炼钢

转炉炼钢（图8）法就是利用空气或氧气，采取底吹、侧吹和顶吹方式的一种炼钢方法，能够使铁水中的元素氧化到规定限度，从而得到成分合格的钢。

图8 转炉炼钢（图片来自网络）

转炉炼钢以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量在转炉中完成炼钢过程。转炉按耐火材料分为酸性和碱性；按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、单炉产量高、成本低、投资少，成为使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢。

2.2.2 电炉炼钢

电炉炼钢（图9）是以电为能源的炼钢过程。利用电能转变成热能来炼钢，电炉种类有电弧炉、感应电炉、电渣炉、电子束炉、自耗电弧炉等。常用的是电弧炉和感应电炉。

图9 电炉炼钢

电炉钢多用来生产优质碳素结构钢、工具钢和合金钢。这类钢质量优良、性能均匀。电弧炉用得最广，宜于冶炼优质钢和合金钢；感应电炉用于冶炼高级合金钢和有色合金。

2.2.3 平炉炼钢

随着工业的发展积累了大量废钢，而当时难以用转炉将这些废钢重新炼成钢。1864年法国人马丁发明了平炉炼钢法，用平炉以煤气或重油为燃料，在燃烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔化并精炼成钢液，是一种能够利用废钢作原料的炼钢方法。

平炉炼钢曾经是世界上主要的炼钢方法。在1930~1960年的30年间，世界每年钢的总产量近80%是平炉钢。50年代初期氧气顶吹转炉投入生产，平炉炼钢法的最大缺点是冶炼时间长（一般需要6~8 h），燃料耗损大（热能的利用只有20%~25%），基建投资和生产费用高。从60年代起平炉逐渐失去其主力地位，已经或正在陆续被转炉和电炉所代替。目前，全世界范围内的主要炼钢方法是氧气顶吹转炉炼钢法（约占85%）和电炉炼钢法（约占15%）。平炉炼钢已经基本被淘汰。

2.3 钢中的合金元素

为了改善钢的性能或获得某些特殊性能，有目的地添加一些元素，这些元素称为合金元素。常用的合金元素有：碳（C）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、硅（Si）、钼（Mo）、钨（W）、钛（Ti）、钴（Co）、铝（Al）、硼（B）、稀土（RE）等。磷（P）、硫（S）、氮（N）等在某些情况下也起合金元素的作用。钢中合金元素质量分数高者达百分之几十，如铬、镍、锰等，有的则低至万分之几，如硼（B）（0.005%~0.0035%）。表1~5给出了钢铁材料中主要的合金元素及其作用[6]（Ms为奥氏体向马氏体转变的开始温度，A3为加热时铁素体完全转变为奥氏体中的平衡温度）。

表1 钢中的合金元素及其作用（第一、二周期非金属元素）

表2 钢中的合金元素及其作用（第三周期元素）

表3 钢中的合金元素及其作用（近铁元素）

表4 钢中的合金元素及其作用（中强碳化物形成元素）

表5 钢中的合金元素及其作用（强碳化物形成元素及稀土元素）

2.4 钢铁材料的四把火（热处理）

金属热处理是机械制造中的重要工序之一[7]，其神奇之处在于热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过控制加热温度、保温时间和冷却速度等工艺参数来改变工件内部的显微组织（有时候也涉及到表面的化学成分），而赋予或改善工件的性能。热处理的特点是控制工件的内在微观组织与质量，而这些一般是肉眼所不能看到的，钢铁是工业中应用最广的材料，钢铁的显微组织复杂且对性能影响很大，可以通过热处理予以调整与控制，因此，热处理是钢铁制造中的重要工艺过程，也是质量管理的关键环节。

钢的基本热处理工艺包含：淬火、退火、回火、正火4种。表6给出了它们的基本工序与作用。

表6 钢铁材料的主要热处理及其作用

此外，还有固溶处理、固溶热处理、时效、时效处理、碳氮共渗、调质处理、钎焊等热处理方式。

固溶处理：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型。

固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。

时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。

时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度。

碳氮共渗：向钢的表层同时渗入碳和氮。主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。

调质处理：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。

钎焊：用钎料将两种工件粘合在一起的热处理工艺。

3. 结束语

人类最早发现的铁来源于陨石，在公元前3500年的古埃及，足以证明铁的悠久历史。由铁矿石炼得铁是一个还原去氧的工艺过程，从铁的氧化物来制备铁；而由生铁制备钢却是一个氧化过程，目的是为了控制铁合金中的碳，从而得到具有优异性能的钢。钢铁中常用的合金元素有包含碳、锰、镍、铬等在内的20余种；热处理则是由淬火、退火、回火、正火、时效、固溶等组成的大家族。

参考文献

[1]谭老师讲地理. 古时候的人是怎么发现铁的?. 知乎. （2018–06–20）[2023–09–06].

[2]冷知识: 钢铁的历史. 百度文库[2023–09–06].

[3]最长的历史. 印度一铁柱历经千年不锈, 印度人称其为孙悟空的兵器!. 百度（2018–03–12）[2023–09–06].

[4]炼铁. 360百科[2023–09–06].https: //baike.so.com/doc/5747949-5960705.html

[5]炼钢的工艺与流程. 百度文库 [2023–09–06].

[6]合金元素在合金钢中的作用. 360文库（2019–05–06）[2023–09–06].

[7]机械设计联盟. 机械的灵魂: 热处理知识, 燃烧吧!. 知乎（2021–01–10）[2023–09–06].

作者简介：贾成厂，北京科技大学教授、博士生导师。1982年毕业于北京钢铁学院金属材料系，获学士学位。1987年获日本东北（TOHOKU）大学硕士学位。1990年获得日本东北（TOHOKU）大学博士学位。1990—1994年日本神奈川科学城博士后、总工程师。获国家发明专利30余项。在国内外学术期刊上发表论文300余篇，其中SCI检索100余篇，EI检索近200篇。编著学术专著近20本：《复合材料教程》《陶瓷基复合材料导论》《烧结金属含油轴承》《金属基复合材料导论》《超硬材料与工具》《金属粉末凝胶注模成形》《烧结实践与科学基础》《韩凤麟教授论文集》等。获教育部科技进步二等奖、中国冶金教育协会优秀教材一等奖、高等教育国家级教学成果一等奖（参加）、北京市教育教学成果一等奖、中国有色金属学会优秀期刊二等奖、中国金属学会优秀工作者、“挑战杯”全国大学生科技竞赛优秀指导教师、复合材料学会《复合材料学报》杰出编委、北京科技大学“我爱我师——我心目中最优秀的教师”、师德先进个人、优秀党员、先进工作者、教学成果一等奖、科技论文SCI收录奖等荣誉。主要社会兼职：中国复合材料学会名誉理事、中国金属学会粉末冶金分会名誉理事、中国机械工程学会粉末冶金分会常务理事、中国有色金属学会粉末冶金与陶瓷分会理事、中国钢结构协会粉末冶金分会名誉理事、中国有色加工协会特聘专家、中国建材工业协会粉体分会理事、中国机协粉末冶金分会特聘专家，担任《复合材料学报》编委、《粉末冶金技术》顾问、《粉末冶金工业》编委、《中国钼业》编委、《粉末冶金材料科学与工程》编委、《中国材料科技与设备》编委、《金属世界》编委、特邀撰稿人