撰文/毛卫民

由于具备高温加热带来的早期优势，使得中国自商末周初出现冶铁活动后，很快放弃了低温冶铁流程。高温冶铁技术以生产能力强、质量高著称。先进而发达的冶铁业使中国社会得以持续保持富足、发达的状态。欧洲则直至14世纪才掌握高温冶铁能力，因而在铁器加工方面落后中国上百年乃至2000年。然而，欧洲的工业革命导致了传统铁器向现代钢铁的时代转换，并使钢铁生产技术和能力迅速超越中国。

借助晚清的洋务运动以及近几十年的改革开放，中国复兴了钢铁业，并快速成为钢铁生产最大的国家，支撑起了第二次工业革命过程的经济发展。

生熟之间：

古代两种主要冶铁技术

历史上的冶铁技术主要分为两种，一种是经较低温度加热就可以实施的块炼铁技术，一种是只有良好地掌握了高温加热技术才可以实施的高温冶铁技术。

块炼铁过程不能使冶炼物完全熔化，因而加工出来的是呈海绵状疏松且受限于矿石块尺寸的小件制品，含有较多夹杂物，化学成分也很不均匀，使用性能并不理想。而在高温冶铁过程中，冶炼物得以完全熔化，由此可以极大限度地快速排除铁器内的夹杂物，并使铁器的化学成分变得均匀，进而大幅提升生产效率，且为后续制作出性能极为优良、乃至单件尺寸超大的铁器提供了可能。

传统铁器时代所冶炼出来的铁或钢中往往含有一定的碳。当碳含量不超过0.02%时属于比较纯的铁，称为熟铁。熟铁的熔点约为1500℃左右，性质柔韧且延展性良好。碳含量在0.02%至2%范围的冶炼铁，被称为钢。与熟铁相比，钢的碳含量越高就越显强硬、耐磨，但延展性和熔点则越低。碳含量达到2%至6.69%的范围时通常被称为生铁，其延展性往往变得很低，也非常脆，遭摔打或冲击时易发生脆断。

在温度达到1150℃时生铁即可熔化，并处于液体与固体共存的熔融状态，在1300℃时即可充分熔化成液体，冷却凝固后成为铸铁。采用高温冶铁技术时需要借助木料、煤、焦炭等燃料在鼓风的作用下把铁矿石加热到很高的温度，其间燃料里面的碳会大量地溶入冶炼铁中，并降低其熔点，进而冶炼出高含碳量的液态生铁。碳主要以碳化铁的形式存在于钢和生铁之内，由此导致碳含量越高，钢和生铁就愈加硬而脆。采用低温块炼铁技术冶炼出来的往往属于熟铁，因含碳极少而显得很软。钢的含碳量则比较适中，既不太脆、也不太软。

独领风骚：延续2000年的

中国古代高炉高温冶铁技术

中国的冶铁技术出现很早，大约在公元前14世纪，甘肃就出现了冶铁制品，随后冶铁技术得到快速发展，到汉代已普及全国各地。其中，高温冶铁技术更是传统铁器时代中国冶铁的显著特征与优势。

中国于商代率先制作出了需1200℃才能烧制出的原始瓷器，展示出在高温加热技术上的领先优势。炉温能够达到1000℃即可借助块炼铁的形式冶炼出固态熟铁，炉温超过1300℃、甚至达到1400℃即可借助高温冶铁的形式冶炼出液态生铁。

目前全世界发现借助高温冶铁技术制作出的最早冶铁制品是中国山西天马-曲村晋国墓地出土的公元前8至前7世纪的铸铁，而欧洲发现最早的类似的铸铁制品则是两千多年后的14世纪。因此，欧洲在14世纪之前主要以低温块炼铁技术并经锻打先制作出铁器坯料，随后再制作出所需的铁器。

在中国铜器时代发展至顶峰阶段的商周时期，人们通常借助在直立的竖炉中添加铜矿石和燃料的方法来冶炼铜。在冶铜转入冶铁的过程中，冶铜的竖炉就演变成了冶铁的竖炉。

为了提高炉温，历史上通常采用向炉内鼓风的方式加快燃料的燃烧和温度的上升，另外也逐渐从使用木料向使用煤乃至焦炭等燃烧值更高的燃料方向发展。公元1世纪，中国出现了借助水力驱动的鼓风装置冶铁的技术，17世纪又出现了活塞式木风箱鼓风冶铁的技术，欧洲的这两项技术分别出现于14世纪和18世纪；在改进燃料使用上，10世纪中国开始烧煤冶铁、16世纪用焦炭冶铁，欧洲于17世纪才使用这两种燃料。

如果冶铁的竖炉附加了鼓风装置且采用了高燃烧值的燃料，并能从顶部间歇式地添加铁矿石和燃料、从底部以分离的途径不断输出液态生铁和冶炼渣，则这种竖炉冶铁的生产设备就变成了专门用于高效率冶铁的高炉，属于冶铁技术的一个历史性突破。

分析显示，中国最晚在汉代就已经出现了高炉冶铁，而欧洲到工业革命爆发才出现高炉，比中国晚了约两千年。且中国汉代冶铁炉的炉容就已达到约50立方米左右，估算日产铁量可达一吨；13世纪之前欧洲冶铁炉的炉容大多不超过1.6立方米，18世纪工业革命以后冶铁炉的炉容才达到7至8立方米。

与此同时，中国在公元前4至前3世纪就已经开始高效批量化地铸造生产工具，且很早就推广了可长期反复使用的铸造铁范即铸造模具，以取代经一次铸造就会毁坏的单件泥范或陶范，进一步提高了生产规模和效率。这种以铁范批量、高效铸造工具的做法到19世纪才在欧洲出现。

到11世纪初的北宋时期，中国冶铁制钢技术领先世界水平的程度达到了顶峰。钢铁的年产量或许已达到十几万吨的水平，这相当于18世纪初整个欧洲钢铁年总产量的水平。中国这一领先世界的状态一直保持到欧洲工业革命之前。

明朝的宋应星在1637年出版的《天工开物》一书中给出了一张“生熟炼铁炉”图，图中展示出当时中国先进的冶铁制钢技术，包括高炉高温冶铁、风箱鼓风、生铁连续生产连续流出、长杆搅动高碳铁水、向铁水中抛洒泥灰、冶铁制钢连续生产流程等。

其中流出的铁水既可以直接铸造成铸件，也可以导入左侧的方池中用以制钢。在制钢过程中用长杆搅动方池中的高碳铁水，使其与空气更多地接触，加快了氧化并烧损铁水中碳的速度，也氧化了铁水中其他的杂质。向方池中抛洒的泥灰很可能是一种能氧化杂质的造渣剂，以便使形成的钢渣上浮并被清除。生熟炼铁炉的炼铁、炼钢连续流程已经包含了现代化钢铁生产中非常重要的吹氧、造渣等流程，到18世纪工业革命爆发后，高温加热技术一直落后的欧洲才逐渐形成了类似的流程。

百炼成钢：

改善生铁的种种技术创新

高温加热技术是冶金的核心基础。中国在高温加热技术方面的传统优势不仅造成了繁荣而发达的铜器时代，而且也导致了传统铁器时代在冶铁方面长期处于世界领先的地位，主要反映在以高炉生产为背景的高温冶铁。

工业革命爆发后，所有工业化国家的现代钢铁生产无不采用以高炉炼铁为基础的高温冶铁技术，即以大规模、高效率、低成本、优品质的方式生产钢铁产品。由此可见，高温冶铁无疑是先进的钢铁生产技术；而中国自汉代以来就已基本不再使用低温块炼铁技术。但另一方面，高温冶铁生产出的是因高碳含量而导致的脆性生铁，往往不能直接使用，因此中国在传统铁器时代就出现了各种尝试改善生铁性质的冶铁技术。

一般来说，生铁通常含有3%或更多的碳。如果把生铁加热到1150℃至1200℃，则生铁的一部分会出现熔化现象，另一部分则仍保持为固态，即生铁整体呈现熔融的状态。此时若对熔融状态的生铁鼓风并搅拌，则生铁中的碳会因与空气接触而氧化，导致生铁因碳含量的散失而转变为钢，大幅度降低了脆性。这种对生铁加热、鼓风、搅拌的过程称为炒钢。公元前2世纪中国就出现了炒钢技术，欧洲到18世纪才出现类似的技术。

中国传统铁器时代常见的兵器——刀剑就是以炒钢制品制成。中国汉代的刀剑制作已经达到了非常高的水平。考古研究证实，以适当的高碳钢条为原料，将数个钢条叠放在一起，经加热、锻打、再加热、再锻打的反复加工，即可制成优质的刀剑。可以对很长钢条作反复的折叠加工，加工次数可以反复三十次、五十次、甚至百次，称为三十炼钢、五十炼钢、百炼钢等。由此中国衍生出了“千锤百炼”“百炼成钢”等成语。以这种方式加工制成的钢刀更加坚韧、锋利、经久耐用，相应的制作技术称为“百炼钢技术”。

实施百炼钢技术所需的原料可以是低温块炼铁制作的锻打铁块，而中国的百炼钢所使用的原料则往往是炒钢制品。中国的百炼钢技术最早出现于公元1至2世纪的东汉时期，而欧洲则在6世纪出现了类似的加工技术。

将生铁铸件置于空气中加热则可使碳从表面脱离出来并烧失，由生铁变成钢；公元前5世纪中国就出现了这种铸铁脱碳钢。碳以碳化铁形式存在的铸铁被打断后，其断口呈白亮的颜色，因而称为白口铁。如果冶炼成生铁后以极慢的方式冷却并凝固成铸铁，则生铁中的碳会转而主要以石墨的形式存在，导致铸铁的脆性大幅度降低；该铸铁被打断后，其断口呈暗灰色，因而称为灰口铁。如果生铁中含有硅等促进石墨生成的元素，或将生铁铸件在高温下长时间加热，都有利于制成灰口铁。

公元前5世纪中国便出现了对铸件高温加热以促进碳以石墨形式存在的现象，且在公元前2世纪出现了灰口铁，而欧洲到17世纪才出现灰口铁，18世纪才出现对铸件作高温加热处理的做法。

既然熟铁的碳含量太低且太软，而高温技术冶炼出生铁的碳含量又太高且太脆，如果能设法把熟铁或低碳钢与生铁混合在一起，就可以制作出碳含量适中且性能优良的钢；同时，借助控制熟铁和生铁的比例可以人为地控制钢的碳含量和硬度。以此为技术理念，3至4世纪在中国出现了灌钢技术。灌钢的原理是将生铁和熟铁按一定比例配合后加热到生铁熔点以上，使二者互相渗透或适当融合。到宋代，灌钢技术已在全中国范围流行，并一直延续到明清时期。

生铁熔点低，在加热到1200℃以上直至1300℃时首先熔化，随后生铁液灌入与之混合接触的熟铁中，二者的碳含量逐渐均匀化，且钢中残留的或新生成的氧化渣可以浮出钢液表面并被排除，进而制作出品质优良、成分均匀的钢材。当时所生产的诸如锄镰铲镢等农具和锛凿斧锯等工具，以及各种兵器等带刃的器具都要求刃口具备非常锋利、耐磨、坚硬等高碳钢的特性，而器具主体则需呈现很低的脆性、较强抗冲击能力等低碳钢的特性。若把生铁淋擦在熟铁刃部表面再做适当温度下的反复锻打加工，就可以借助灌钢技术制成性能优异的钢刃熟铁工具或农具。因鲜有生铁生产，直至18世纪中期欧洲都未能发现曾出现过灌钢技术。

衰落与复兴：近现代中国

冶铁制钢行业的曲折前行

英国爆发工业革命后，情况开始发生逆转。长期以来，中国的钢铁生产以官营为主，政府严格限制民间冶铁业的发展，以杜绝地方聚财叛乱，以致明清时期的钢铁生产时断时续、产量低迷。与之相反，在19世纪中期第二次工业革命期间市场需求迅猛增长的推动下，欧洲各国依据科学理论和不断创新的技术理念发明了多种新型的现代化炼钢设备和技术，开始以大规模、低成本、高效率的方式生产品质优异的钢材。

与此同时，中国却错失了工业革命的机会，随即失去了在钢铁生产方面的技术优势，钢铁产量也迅速被欧洲各国大幅度超越。1840年，中国在鸦片战争中战败，自此不得不持续向西方国家支付大量赔款，GDP也开始明显下滑，甚至出现了经济的负增长。

19世纪末期在连续对外战败赔款的压力下，晚清政府提出“自强”和“求富”的口号，进而展开了包括以现代方式生产钢铁在内的洋务运动。其间1886年贵州巡抚潘蔚创办青溪铁厂，1889年湖广总督张之洞主持建立汉阳铁厂，1891年李鸿章在上海创办江南机器制造总局炼钢厂。这些钢铁企业均全面引进西方的专家、设备、技术，是中国历史上第一批现代化的钢铁企业。

在晚清的旧体制下，这些钢铁企业的发展起起伏伏、艰难生存，虽然曾以现代方式生产出了一些钢铁产品，推动了中国社会的现代化进程，但始终都无法改变工业革命以来中国钢铁业极度落后的局面。

20世纪50年代之前，中国的钢铁产量基本上都无法达到全球产量的千分之一，最多年产十几万吨。随后，中国的钢铁产量开始稳步升高，尤其在改革开放之后快速攀升：1960年生产1890万吨，全球占比超过5%；1980年生产4065万吨，占全球5.68%；1993年生产超过1亿吨，占全球13.97%；2005年生产3.7亿吨，占全球32.68%；2013年生产8.4亿吨，占全球51.15%。自此中国的钢产量超过了世界其他国家的总和。2019年中国的钢铁年产量超过10亿吨，钢铁生产已经走上复兴之路。

而自20世纪70年代起，全球其他国家的钢产量，尤其是西方国家，出现了平稳发展的倾向，自此西方国家的第二次工业革命即钢铁时代基本结束，开始迈入信息时代。中国在21世纪第一个十年间也出现了钢铁生产转向平稳的阶段，即中国的第二次工业革命和钢铁时代大体完成于21世纪第一个十年，随后也转入了信息时代。

铁器时代钢铁产量始终与经济发展密切相关。晚清洋务运动时期从19世纪末到20世纪初低迷的钢铁生产，也对应着孱弱的经济水平。自20世纪50年代随钢铁产量的上升，中国的经济也开始明显增长，尤其到了21世纪初，经济与钢铁生产同步增长的速度明显加快。改革开放初期，中国的GDP大约只有美国、欧盟的5%。随着改革开放的深入，钢铁生产量快速提升，钢铁产业所支撑的制造业、基础设施建设得以大规模发展，且向更多的领域大幅度拓展。

至今，中国的GDP已达到欧盟的水平，并在不断接近美国水平。虽然中国的经济水平及人均GDP与西方发达国家还有很大差距，尚需进一步挖掘发展潜力，但在后铁器时代即钢铁时代中国第二次工业革命期间，钢铁业所承担的主要历史责任已经实现。在信息时代乃至后续智能时代，钢铁对经济发展的支撑作用已经退居第二位，后续的经济增长转而主要依靠第三次和第四次工业革命的信息技术和智能技术的支撑。

结语

自秦汉时期中国全面进入铁器时代以来，钢铁就成为支撑中国传统铁器时代和钢铁时代经济发展的主要工程材料。

进入铁器时代的中国保持了生产技术和生产能力领先世界的水平，其中最重要的一个原因是中国从新石器时代到铜器时代在高温加热技术方面具备了领先优势。由此使中国在高炉冶铁、鼓风技术、使用高燃烧值燃料、改善铸铁脆性技术、灰口铁制作技术、炒钢技术、百炼钢技术乃至灌钢技术等诸多技术方面均领先于其他国家，尤其是领先了欧洲国家一个世纪、几个世纪甚至2000多年。