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摘
要
回答来自我的文章，如有兴趣，可以翻阅我的文章。会不断更新。
2021年修正，本文已获得作者翻译授权。不过，还是请勿转载。欢迎转发。
本文翻译自Iron: From mythical to mundane，https://rootsofprogress.org/iron-from-mythical-to-mundane，本人随性翻译未征得原作者同意，欢迎转发；请勿转载，谢谢。
铁：从神秘到平凡的转变
金属加工是一种极为古老的手工艺，其起源早于有记录的历史。但直到数千年前，人类对于铁这种地球上丰度最高的金属元素的认知，几乎还是空白。古埃及人和古苏美尔人都认为铁只能来自流星，是天堂诸神的馈赠。尽管随后的文明发现冶炼铁的方法，进入所谓的铁器时代，但是他们还是不知道如何稳定地得到坚固且不易脆化的铁器。终于，在工业革命时代，人们终于发现如何获得坚韧、耐久乃至廉价的铁。
现在，高品质的钢铁随处可见，被应用于1）高楼大厦（例如：承重梁或者钢筋混凝土），2）汽车和船舶，3）铁路和列车，4）桥梁和高塔，5）电力基础设施，6）冰箱和洗衣机，7）锅碗瓢盆，8）锤子和锯子等工具以及9）桌椅等日常家具。
对于铁的神秘感早已褪去，钢铁工业却成为新时代的奇观：一座座雄伟的高炉，有几层楼那么高，7*24小时运转，温度可达数千摄氏度，需要众多的工程人员齐心协作；整个钢铁厂就像一只永不满足的巨大怪兽，吞噬着矿石、煤炭以及石灰。
图1：乌克兰Kuibyshev钢铁厂现代钢铁厂出产的产品，品质高且质量温度，足以被古人奉为奇迹： 只有在神灵的助力下，手艺人才能偶得的高超作品。但在现代社会中，这些产品不过是寻常商品。钢铁究竟有何神奇之处，为何难以获得？又是如何从神秘走向平凡的？
让我们回到故事的起点。来回答：我们为何需要金属，需要钢铁，它们有何特殊的品质？材料的物理及经济特性，在很大程度上，决定了该材料的用途：1）该材料是否具备良好的物理特性（例如强度、导电性或者耐热性等），以实现其预期功能；2）该材料是否容易加工成型；3）是否廉价易得？
在前工业时代的主要材料，如：石材、木材、黏土、金属、玻璃以及纺织物中，只有石材和金属有足够的强度，能作为切削工具和武器。石材易碎，用于切削和凿刻时，容易断裂甚至粉碎。相反的，金属是具有弹性和可塑性，尤其是被加热时。金属既可以被敲打成型，也可以被熔融为液态，（注入模具中）浇铸成型。受压时，金属通常仅会弯曲和凹陷，其形状大体不变，易于修复。
从古代直到现代，金属对于人类一直具有重要的价值：1）作为高强度的结构性材料，用于车辆的外壳和建筑的支柱，2）作为高硬度材料，用于切削工具，如刀、锯和其他利器等；3）作为耐火材料，用于厨具和引擎。不同于石材，金属能容易地加工为多种形状，服务于设计用途。
青铜是铜和锡的合金，是第一种广泛使用的金属，其历史可以追朔至史前时代。需要高温冶炼的铁则发展较晚，但因为铁更坚硬、耐磨以及易得，很快取代了青铜的地位。如果想了解某一种金属及其对于文明的重要性，那么非铁莫属。
那么，到底铁从何而来，我们又是如何制备它们呢？铁在地壳中广泛分布，但是，就像其他物质一样，其存在形式，不便于利用。我们不能从泥土中直接挖出纯铁，只能取得铁的氧化态，即铁矿石。一种常见的铁矿呈现出暗红色的锈状物；究其化学组成，铁矿就是氧化的铁，即铁锈。如果想得到金属单质，那么就必须使它与氧分离，通常这个分离过程必须在几千度高温的熔炉中完成，称为（金属）冶炼。
图2：铁矿石
自然中，存在少量的陨铁（非氧化物）；它们来自坠地的铁陨石，是人类在发展出冶铁术之前，仅知的金属铁。古人对于陨铁极为震惊：它来自天外，以极为剧烈的撞击来到人间；它不像普通的石头那样易碎，反而坚韧不折。毫无疑问，它被认为是神圣的材料，来自诸神的馈赠。在许多古老的语言里，“铁”的原意大概就是“来自天堂的金属”。古埃及法老图坦卡门的墓葬中，就陪葬有陨铁制作的匕首。
图3：图坦卡门墓中陪葬的陨铁匕首
现时，以无法考证：是谁在什么时候以何种方式发现了冶铁方法，但是，我们还能“重现”冶炼的方法。典型的冶铁炉如图4所示，一般为3英尺高的圆柱体（也可以做得更大）。冶铁炉里面逐层填入木炭和铁矿石，有时需要加入石灰（依铁矿石的种类和品质）；之后，点火并用鼓风机助燃，维持燃烧数小时；最后，破开炼铁炉，用钳子取出海绵状产物，称为海绵铁（见图5）；此类冶铁炉被称为“吹炼炉”，该方法被称为“吹炼法”。
图4：用于吹炼法的冶铁炉
图5：海绵铁
一般而言，铁矿石是不纯的，含有例如：硫和磷等杂质。某些杂志会在冶炼的过程中析出，与产物分离；这些析出物称为“炉渣”。石灰在去除杂质的过程中，起到“助熔剂”的作用；它能融解大部分杂志，形成炉渣并析出。剩余的小部分炉渣，将在后面的锻打过程中排出。
吹炼法制造的铁质地柔软（相对其他金属而言），可以容易地加工锻造成型（即加热铁块，反复锤打成型）。一个熟练的铁匠仅使用锤子、老虎钳和砧台，就能锻打出许多种工具，如剑和犁（图6）。加工过程中，铁匠一次又一次的将铁块投入高温熔炉中，软化铁块并反复锻打。由于锻打加工方式，这种形式的铁也被称为“锻铁”。
图6：锻打铁器
锻铁过于柔软，甚至软于青铜，使用的领域有限，例如：强度要求不高的餐叉和皮带扣。当需求高强度时，锻铁则不堪使用；毕竟在战斗时，你绝对不希望自己的剑过于柔软。此时，你需要的是强化形态的铁：“钢”。
在过往的数个世纪中，铁匠们一直寻求各种各样的方式，以期强化锻铁。在没有化学科学的情况下，他们只能通过试错法（trial, error, and lore）。他们发现，在木炭上加热锻铁，将会使锻铁的表面硬化，适合作为切割面。他们推测：应该是某种物质进到锻铁内，使之强化（该方法即“表面渗碳法”）。另外，他们还发现了“淬火”工艺，即加热的铁器浸入油或者水中，使之快速冷却，比之于缓慢冷却的情况下，铁器更为坚硬。“淬火”使铁器变得坚硬，但易脆。这种缺点可以通过“退火”得到改善，即：重新加热铁器至一个较低的温度，让它缓慢地冷却；铁器将得到“放松”，失去部分硬度同时，变得更为坚韧（即面对冲击，不容易折断）。
上述的方法效果有效，或是仅对材料的表层有效，或是只能应用于部分的锻铁材料。为了使整个铁器坚硬，还需要新的技术：将多条强化后的表层“焊接（或黏合）”起来。均匀分布的“强化层”不仅使铁器强化，还在铁器的表面形成了极具美感的“花纹“。（见图7）
图7：“花纹”表面的铁匕首
为使铁器内部也得到强化，人们开发出多种费时费力的方法。其中之一，即为“整体渗碳法”，将铁器长时间至于木炭中加热，长达数周；像是把铁“泡在”木炭中，也称之为“泡钢法”，所得的钢也称为“泡钢”（图8）。在古印度，人们将铁与其他材料在坩埚中熔炼，生产出的钢被称为“中国钢”或“乌兹钢”。乌兹钢出口到大马士革，被锻造成各式的传奇兵器（图9）。
图8：一座泡钢炉，位于英格兰Sheffield。
图9：大马士革的兵器店
古代和中世纪的铁匠们只知道使用这些技术，却不知其中的原理。因此，他们也“知道”并沿用了很多没有用处的处理工艺；没有现代的科学方法，他们无法确定这些工艺是否有效。在那个极度迷信的时代，许多宗教化的“净化”和向众神“祈祷”的方法也被采用。
铁，依然处于重重谜团之后。钢依然稀缺而昂贵。这种情况，持续了数千年。
现在，让我们把目光转向中世纪的欧洲，在那里，出现了一种新形式的铁。
当时，欧洲正逐渐摆脱罗马灭亡之后的黑暗时代，人口和经济缓慢恢复，对铁的需求增大。人们将吹炼炉越建越高大，以冶炼更大的铁块。吹炼炉变得高大，就需要更多的空气助燃。有时候，冶炼炉被建在山上，以便利用山间的微风。同时，冶炼炉也需要更多和更大鼓风机。终于，人工操作鼓风机鼓出的风，已经无力穿越（许多层）木炭和铁矿石的堆叠。水轮驱动的鼓风机应运而生，随之冶炼炉也被建在的河边。这类高大的冶炼炉空气需求量极大，需要强力的鼓风，因此，被称为“鼓风炉”或者“高炉”。（在吹炼炉和高炉之间，并没有清晰可以被量化的界限，这种转变是渐进的。）
图10：十七世纪的水力高炉
一旦高炉足够大，加热的温度足够高、时间足够长，有时候，炉中的铁居然熔化了（图11记住，吹炼法中，铁是不熔化的）。流出来的液态 *** 固后，硬而脆；不同于吹炼法得到的海绵铁。它不能敲打成型，如果你敲打它，它会碎裂。这些“次品铁”，被当时的人认为为毫无用处，只能回炉再造。
图11：倾倒铁水
然而，祸福相倚，这种“次品铁”可以用于铸造（将熔融的铁水，倒入模具中成型）；这种用途，是任何锻铁都无法完成的。人们猜测，这种“次品铁”或许可以用于铸造用途，并非全然无用。
怀着这种目的，最迟至公元1400年代，人们已经会刻意制作这种“次品铁”，并改称之“铸铁”，以区别于前述的“锻铁”。（事实上，中国可能早在公元前500年就能制作“铸铁”。根据我能查到的资料，欧洲人独立发展出“铸铁”技术，并没有受到中国人多少影响。中国确实是第一个发明出“铸铁法”的国家，但与本文即将描述的工业革命的故事，则无太多关系）。
早期的铸铁器件多是一些大而器型单一的物件，典型的器件如，教堂的铸铁钟和加农炮（事实上，这两个器件的功用完全不同，但结构上是相似的中空型；加农炮和加农炮弹丸在16和17世纪的宗教战争中，极为普遍，见图12）。当时的铁器加工厂常常在和平年代将加农炮改铸为铁钟，而在战争年代则反而行之；历史学家Douglas Fisher提到“有铁器厂主的纹章同时画有钟和加农炮”。
图12：铸铁加农炮及炮弹
虽然如此，铸铁易脆的缺点限制了它的应用范围。即使在加农炮应用钟，铸铁依然问题重重：长期使用的加农炮积累了很多的张力（微裂纹），会突然无预警的碎裂，导致炮筒炸裂（操俗称炸膛，周围的人会因此丧命）。
锻铁太弱，铸铁则显然太硬。如同铁匠们寻找方法硬化锻铁，人们也发展了多种技术以软化铸铁，使它转变为钢或者锻铁。将块状铸铁（铸铁锭）至于“修复平台（finery forge）”加热，铸铁似乎会通过“未知而神秘的方法”恢复延展性。
其中一种改善的方法，称为“搅炼法（puddling）”，是Henry Cort于1784年发明的。搅炼法在反射炉进行：热源和铁锭没有直接接触，热气被弯曲的炉顶反射到铁块上，避免了热源中“污染物”被铁锭吸收（图13）。“搅炼法”需要经常性的“翻搅”铁锭，使之铁锭各面均匀地与热气接触（图14）。
图13：用于搅炼法的反射炉
尽管取得了以上的进步，直到公元1850年，钢材依然昂贵而难得。将铁矿石冶炼为铸铁已经变得相对高效，但是进一步的精炼（refinery）则往往需要花费数天甚至数周，耗费大量的能源和劳动力。
这种情况很快得到了改善。
以上种种冶炼和改善工艺到底发生了什么？为什么铸铁软而易于延展，而铸铁硬而易脆呢？是什么特殊的因素，让钢材兼有两者的优点，既硬而韧？折叠锻打、淬火、退火、精炼和搅炼到底发生了什么？
到底是什么物质被加入到铁中，导致材料硬化；又或者是什么物质被移除，导致材料硬化？还是，什么物质都不需要，仅仅是材料内部的重拍？不同的冶炼炉能得到不同性质的铁，这个观察促使人们猜测：某种来自空气、能源（木炭）或者“热”的物质是其中的关键（当时的观点认为“热”是某种流体）。
图14：在搅炼法中，工人透过操作孔翻搅铁水
科学家和哲学家自从铁器时代开始，就一直在问上述的问题。亚里士多德认为铁通过纯化而坚硬；在《天象论》中，他写道：通过在熔炉中的反复加热，“糟粕沉到底部，并被移除；反复进行此处理方法，铁得到净化，生成钢……杂质含量越少，铁的品质越好”。越纯净的材料越坚韧，似乎不是很糟糕的猜想；但就像许多前科学时代的理论一般，它是错的。正确的答案有待化学科学的发展。
（亚里士多德）之后数千年，公元1722年，法国化学家Réaumur部分得到了正确答案：通过铁与其他材料的共熔融实验，他发现钢不是纯铁，而是“脏铁”（带有某种其他物质）；他推测为，“硫或者无机盐”。在公元1781年，现代分析化学之父T. O. Bergman分离并鉴定了这种物质，即燃素（phlogiston，当时认为燃素存在于各种可燃物中，会在燃烧中被释放出来）。不过，T. O. Bergman的理论小有瑕疵：燃素模型是错误的，燃素并不存在。终于，在公元1786年，Monge，Vandermonde和Berthollet正确地鉴定这种物质为碳元素。所以，碳元素熔炼过程中不仅起到加热的作用，还能渗进铁中，强化其硬度。
今天，我们知道碳含量低于0.1%的铁为锻铁，高于2.1%则为铸铁，两者中间即为钢：真是黄金比例的铁-碳合金呀。因此，铸铁的精炼过程，就是去除多余的碳元素。但是，在公元1850年代早期，最好的去除方法也需要数天甚至数周。如何加速这个过程呢？
Henry Bessemer（亨利·贝赛麦，图15）闯了进来。Bessemer已经知道1）要去除多余的碳元素来精炼铸铁以及2）氧气可以结合碳元素。当时的方法是将铸铁暴露于热空气，他的思路出奇的简单：为什么不鼓入大量的空气呢？
图15：Henry Bessemer（亨利·贝赛麦）
说做就做，他设计了一种转化器（后称：转炉，见图16和17）；转炉盛有熔融的铁水，从底部鼓入大量的空气。空气中的氧气迅速地与铁水中的碳反应，使之转化为锻铁或者钢。当Bessemer初次该法时，巨大的火焰射流跃出冶炼炉口，像极了火山爆发，极为震撼（图18）。
图16：Henry Bessemer（亨利·贝赛麦）设计的转炉
图17：英格兰Kelham Island博物馆的Bessemer转炉
Bessemer工艺是一个巨大的进步：以往耗时数天/数周的工艺被缩短到了30分钟。在早期流程中，Bessemer工艺会在碳元素被完全去除前，提早结束；残留少量的碳，以得到钢材。这种工艺很难精确地控制。随后，工艺被改为完全去除碳元素后，再回添入确定量地碳和其他元素，以精确地控制铁合金。
图18：Lackawanna钢铁厂中，正在运行的Bessemer转炉
Bessemer工艺还有一个重大地缺点：只能用于低磷铁矿石得到的铁水；不然，矿石中的磷元素将毁掉钢材。Percy Gilchrist和Sidney Gilchrist Thomas解决了这个问题：他们将白云石（dolomite）加入转炉中，移除铁水中的磷元素。这一改进工艺被称为：Gilchrist-Thomas法或者碱性Bessemer法。
通过Bessemer法，大量廉价且优质的钢材被生产出来。钢材的价格下降了80%，从每吨40英镑降到了6-7英镑。廉价的钢材迅速冲击市场，铸就了铁路的辉煌时代。火车的蒸汽锅炉变得更为强健，能耐受更高的温度，输出更强的动力；但，质优价廉的钢材对于路轨的影响更为深远。铸铁不能用作路轨：在火车轮的持续冲击下，铸铁将脆裂，导致火车出轨。之前，只能用较软的锻铁替代铸铁，但锻铁磨损极快；某些路段甚至需要3个月就更换一次。钢轨更为耐久，能使用数年，数倍于锻铁轨道的使用寿命，节省了路轨的大量费用。Andrew Carnegie于1870年代将Bessemer法引进美国，使路轨的成本由每吨100美元降为18美元（1873年对比1890年代）。在那个时代，路轨是钢铁工业的核心产品。
钢铁还被用于建筑业中。钢梁骨架能承受更大建筑重量，远超石材结构；建筑变得更高，有更多的空间布置窗户（图19）；建筑业进入的摩天大楼的时代。城市之外，钢材在农业中也起到了重要作用：1）John Deere式的钢犁（图20），用于中西部草原的开垦和2）带刺钢丝网，用于农场护卫。
图19：芝加哥，1885年完工的家庭保险大楼，是首座钢框架摩天大楼
图20：1913，John Deere式钢制犁
钢铁（制作）一路走来，持续发展。新的工艺不断涌现，Siemens–Martin法部分取代了Bessemer法，前者使用平炉（open hearth）以高效地循环热气；这两种方法最终都被“碱性氧气法”（basic oxygen）取代，该工艺不吹入空气，改用氧气。电弧冶炼炉（电炉）则于1900年代出现，特别适用于废钢回收；不少小型的炼钢厂（英语称为：mini-mills）凭借电炉崛起，Nucor钢铁厂是其中的佼佼者（图21）。
图21：运行中的电弧冶炼炉
同时，新的加工成型工艺不断涌现，使人们能够大规模、高精度地将钢材加工成几乎任意的形状。将红热状态的钢块挤入旋转的一对滚筒中间，使之延展为棒状或者长条状，称为“滚筒轧钢法”（Rolling）。将转炉中的钢水连续注入长模具中，形成连续的长片状钢材（图22），称为“连续浇铸法”（Continuous casting）。强力的锻压机敲打冲压钢材，将它们加工成型；旧时的铁匠连同他们的铁砧板已然称为昨日黄花，只会出现在情景重演的节日（Renaissance faires），旅游景点（Colonial William *** urg）和影视剧中（Game of Thrones）。
图22：炔氧焰（乙炔-氧气）正在切削“连续浇铸”成型的长片型厚钢板
钢材可与其他金属形成合金。这些合金往往有特殊功能：1）含有铬的钢材不容易生锈，称为“不锈钢”，用于餐具和其他用途；2）含有钨的钢材具有更高的热硬度（加热状态下的硬度），适合作为剧烈摩擦条件下的切削和打磨工具，得名“工具钢”或“高速钢”。还可以在钢材表面镀上其他材料，例如，在薄钢片上镀上薄薄的一层金属锡后，材料变得更有光泽、耐久和耐腐蚀，常用于用作罐头外壳（中文称为“马口铁”）。
1960年代以来，电脑控制技术被引入钢材生产与加工流程中，整个的流程的效率与精度得到空前提高：合金成分的含量可以被控制到0.01%的精度，轧制钢材的精度可以达到百分之一英寸。
今天，钢材无处不在。几乎所有的铁均被加工为钢，称为最常见的金属材料；杰出的经济学家Vaclav Smil评论，“（人类社会）依然处于铁器时代”。没有钢材，现代社会将面目全非；甚至，完全不可能演变到现代社会。想象下，“没有摩天大楼的纽约”，“木板拼接而成的汽车和洗衣机”，这是多么荒谬？缺少强力的发电机和变压器，现代的电力设施将变得低效。食物会依然保持在笨重易碎的玻璃瓶中，而非轻便的罐头。飞机旅行变得困难而昂贵，航天项目更是绝无可能。
钢铁，不再神秘；钢铁，一直创造奇迹。
材料来源与进一步阅读材料：
The Epic of Steel, by Douglas A. Fisher; Steel: From Mine to Mill, the Metal that Made America, by Brooke C. Stoddard; “The Entire History of Steel” in Popular Mechanics; the “Metals Used in Firearms” blog series; “Iron, Steel and Swords”, by Helmut Föll; Penn State’s Medieval Technology and American History project; and many pages at the Encyclopaedia Britannica and Wikipedia.
