在欧洲,以块炼铁为原料,进行渗碳炼钢的技术大概发明于公元前10—前5世纪间。希腊作家把铁称为“西德罗斯”,把钢称为“哈里普斯”,后者由黑海东南岸一个小部落哈里布人而得名,因为希腊人认为哈里布人是炼钢技术的发明者。亚里士多德曾经说:“把铁放入熔炉,数次加热,可以得到优质的钢。”由此可见,当时已经发明固体渗碳的炼钢方法。同时,古典时代的作家们也曾多次提到当时钢炼成后投入冷水中“淬”的方法。钢首先被用来制造武器,也还被利用于某些需要钢刃的重要工具。在古典时代,人们已善于利用这种有钢刃的工具,来打穿岩层,修筑水利工程。
东方有些文明古国也很早发明炼钢方法,而且有一套独特的炼钢技术。例如波斯萨珊朝(公元224—651年)所炼制的“镔铁”制品,所用钢材是用块炼铁炼出的海绵铁,配合渗碳剂和催化剂,密封加热,渗碳而成。这是一种进步的固体渗碳炼钢方法。
在欧洲,自从14世纪冶炼生铁技术逐渐推广以后,到18世纪后期就出现用生铁为原料、炒炼成熟铁和钢的技术。他们把木炭放在没盖的小炉内,点着火,鼓风燃烧,接着就把生铁加入炉内,一起鼓风燃烧,生铁熔化后,就会一点一点地滴向炉底。在滴向炉底的过程中,空气中的氧就会烧掉它所含的碳、矽、锰、磷和别种杂质,使生铁炒炼成熟铁。如果能适当控制含碳量,还可以炒炼成钢。这种用生铁炒炼成熟铁或钢的方法,叫做“炒钢法”,或者称为“精炼法”。这种炒炼生铁的炉,叫做“炒钢炉”,或者称为“精炼炉”。如果这样炒炼成的钢材,能够通过不断锻打,把其中杂质清除,就可以得到组织紧密的比较优质的钢。如果把这样炒炼成的熟铁放到燃烧木炭的炉子中加热,不断使碳分渗进它的表面,反复折叠锻打,也能逐渐炼成比较优质的钢。这种以生铁为原料的炼钢方法的创造,对于推广钢制工具和器械具有重大作用。马克思在《资本论》法文版序言中,对1780年英国用生铁为原料的炒钢法,有过很高的评价,认为无论怎么说也不会夸大这项革新的重要性。
比上述这种简单炒钢法进步的,就是反射炉炒钢法,也叫做火焰炉精炼法、搅炼炉冶炼法。这种炒钢法,在欧洲,发明于18世纪末叶。炉的结构,主要分为两部分,除了燃烧的炉膛外,另有炒炼的熔炼池,不让燃料与生铁接触,仅仅使火焰通向熔炼池,利用炉壁的反射作用而产生高温。这样使用煤作燃料,可以不使煤中的硫渗入到铁中去。这种炼钢方法,利用煤燃烧时放出的热,把生铁烧成半熔状态,使生铁中的矽、磷、锰、硫和碳起氧化作用,放出大量的化学热,一方面使铁熔成粘糊状态,一方面使铁中大部分碳分烧去,并使铁中杂质成为液体从铁中分解出来。为了加速熔炼过程,并使铁块均匀地熔炼,需要不断地搅拌。等到熔炼到所谓“沸腾时期”,铁块就从豆渣状态变成粘糊状态,这时需要有意识地搅拌成钢团,然后钳出锻打,打到结实为止。如果控制得好,不待碳素烧完,即拌成钢团锻打,可以得到含碳量较高的钢。
无论炒钢炉或反射炉炼成的钢,都是由粘糊状固体的钢粒焊合而成,经过不断锻打或碾轧后,钢质可逐渐紧密。它比一般的钢接焊性强,对天气影响的耐抗力也大,而且能耐震动,所以适宜于作螺钉、螺母、链条、铆钉、马蹄铁、各种简单机械和农具、小型工具。
上述各种古代炼钢方法,好处是:不需要高温,对原料和燃料都没有特殊要求,也不需要用硅铁、锰铁等铁合金助燃,对炉衬所用耐火材料也没有很多限制,设备简单,操作技术很容易掌握。缺点是:生产率不高,同时因为在低温和半熔胶状态(基本上是固体)下炼成的,所含的碳分不容易控制,杂质不容易除尽,不能浇铸钢材。
最早采用高温、液体状态的炼钢方法,是坩埚炼钢法。这种炼钢法,创造于18世纪初叶,可以用熟铁配合木炭等,熔炼成优质钢。好处是:能够把杂质分离,能得到一定成分的优质钢,同时设备简单,技术简便。缺点是:很费人工,成本较大,钢锭太小,不能铸大件的钢材。自从19世纪中叶发明了转炉炼钢法和平炉炼钢法,19世纪末叶发明了电炉炼钢法,就把炼钢技术大大推进了一步,这样炼出来的钢,能够铸成大的钢锭,还可以浇铸各式各样的大小钢铸件,这对于工业的发展起了重大的作用。
我们了解了上述世界炼钢技术的发明和发展情况,就可以进一步研究中国炼钢技术发明和发展的历史了。两千多年来,中国人民在炼钢技术上也经常走在世界前列。