钢铁的起源与发展：从宇宙到地球，从古代到现代

钢铁的故事早在钢筋、桥梁和摩天大楼出现之前就开始了。它始于星空。

在人类出现之前数十亿年，甚至在地球形成之前，炽热的恒星将原子融合成铁和碳。在无数次宇宙爆炸和重生中，这些物质进入小行星和其他行星体，随着宇宙的搅动，它们相互搅动。最终，一些岩石和金属形成了地球，人类的命运从这里开始。

有一天，人类意外发现了一颗从大气层坠落地面的陨石，其主要成分是铁和镍，从此人类开始了近万年对金属的痴迷。

数千年前，我们的祖先发现了一种更好的钢铁生产方法，从地球上开采铁矿石，最终将其冶炼成钢铁。我们为之而战，用它来创造和摧毁国家，用它来发展全球经济，用它来创造世界上有史以来最伟大的文明。

来自外太空的铁

图坦卡蒙有一把铁匕首，在古代，这位强大的法老将这把铁匕首视为非常珍贵的宝物。当英国考古学家霍华德·卡特发现图坦卡蒙墓穴，看到这把铁匕首时，他非常惊讶。拿起匕首时，觉得它很特别。后来，实验证明，这把匕首的刀刃来自遥远的外太空，是由陨铁制成的。

图：图坦卡蒙的陨石匕首

自从卡特发现陨石匕首之后，研究人员发现，不仅仅是图坦卡蒙的匕首，几乎所有可以追溯到青铜时代的铁器，其镍含量都高于人类从地下挖出并冶炼出来的铁，都是由陨铁制成的。

对于我们的祖先来说，这种奇怪的合金（陨铁）是来自诸神的馈赠。古埃及人称之为biz-n-pt。在苏美尔，它被称为an-bar。这两种铁镍合金都具有一定的延展性，可以根据需要锻造成各种形状而不会断裂。然而，这种“天赐”钢铁的来源非常有限，使得这种神金属在古代比宝石或黄金更有价值。

人类花了数千年的时间才在脚下的岩石中找到钢铁。大约公元前 2500 年，近东部落发现了一种隐藏在地下的金属来源。它看起来非常像“来自外太空的铁”，但有些铁与石头和矿物混合在一起。开采铁矿石并不像捡起一块金子或银子那么简单，第一批矿工在挖矿石之前会进行仪式以平息他们的恐惧。解锁众神隐藏在地下的宝藏。

但学会从地下挖出铁矿石只是成功的一半。古代人类又花了 700 年的时间才弄清楚如何将贵金属从矿石中分离出来。到那时，青铜时代才真正结束，人类进入了铁器时代。

成为第一钢铁企业的漫漫长路

要了解钢，我们必须先了解铁，因为这两种金属几乎完全相同。钢中含有 98% 至 99% 或更多的铁。其余的是碳，这是一种非常小的添加剂，对金属的性质有显著影响。在摩天大楼建造前的数千年里，人类一直在研究如何加工铁、精炼冶炼和锻造方法，以便越来越接近钢。

公元前 1800 年左右，黑海沿岸的人们将铁矿石放入熔炉中，用锤子敲打，然后燃烧使其变软。经过多次重复这一过程，Chalybes 终于得到了坚固的铁武器。一种比青铜更坚固的金属。

炼铁炉

这种产品被称为熟铁，是现代钢铁的主要前身之一。黑海沿岸的人们很快就加入了好战的赫梯人，组建了古代历史上最强大的军队之一。武器可以与赫梯剑或战车相媲美。

钢铁的另一个弟弟，可以说是铸铁，最早是在古代中国制造的。从公元前 500 年左右开始，中国金属工人建造了七英尺高的熔炉来燃烧更多的铁和木材。这些材料被熔化成液体，然后倒入雕刻的模具中制成金属工具或雕像。

然而，无论是锻铁还是铸铁都不能算是完美的。Chalybes 锻铁只含 0.8% 的碳，因此不具备钢的抗拉强度。中国铸铁含 2% 至 4% 的碳，比钢更脆。最终，人们开始将铁棒插入白热的木炭堆中，从而制成了钢包覆的锻铁。但南亚的一个地区有更好的主意，印度生产出了地球上第一种真正的人造钢。

大约公元前 400 年，印度金属工人发明了一种冶炼方法，将碳和铁完美地结合在一起。关键是用来盛放熔融金属的陶土容器：坩埚。工人将小块熟铁棒和木炭块放入坩埚中，然后将容器密封并放入熔炉中。当他们通过从风箱吹出空气来提高炉温时，熟铁熔化并吸收木炭中的碳。当坩埚冷却时，纯钢锭就制成了。

德国发现早期粘土坩埚

世界上最好的剑

印度铁匠将“乌兹钢”运往世界各地。在叙利亚大马士革，叙利亚铁匠用这种金属锻造出著名的、几乎是神话般的大马士革刀，据说这种刀锋利到可以在半空中割断羽毛（就像乌兹钢是最早的钢材，销往西班牙托莱多，那里的铁匠用它来制造最好的刀片）。罗马军队用大马士革剑锻造剑，世界上最凶猛的战士都装备了大马士革剑。

随着罗马帝国的衰落，欧洲陷入混乱。印度仍在生产轰动一时的钢铁，但无法可靠地将乌兹钢运往欧洲，那里的道路因战争而变得极其不安全，商人经常遭到殴打。在西班牙加泰罗尼亚，铁匠们开发了类似于印度的熔炉：加泰罗尼亚熔炉，用于生产熟铁。他们用这种金属制作马蹄铁、车轮、门铰链，甚至钢涂层装甲。

骑士们所持的特制剑，是由多种钢质材料折叠锻造而成，这一工艺在剑刃上留下了独特的人字纹和花纹图案，维京人将这些图案解读为龙卷风，就像亚瑟王的埃尔·西德之剑和蒂佐纳之剑上都带有这种图案。

日本铁匠发明了另一种精湛的锻造武士刀的技术，这些武器成为了传家宝，代代相传。在日本，制作武士刀是一项复杂的仪式。

在制作武士刀之前，日本的铁匠需要先沐浴，他们认为如果铁匠的身体不纯净，邪灵就会进入刀刃。金属锻造从锻铁开始。将一大块材料用木炭加热，直到它变得足够柔软，冷却后，将铁加热并折叠约20次，使刀刃呈弧形，通过锻造和折叠，熟铁继续暴露在木炭中，将金属变成钢铁。

中世纪大刀和维京刀——德博亨家族的武器。（照片：克里斯·拉德伯恩）

这把刀是由正宗打造的，他被认为是 14 世纪镰仓时代的日本最伟大的剑客

剑客在下一步中使用粘土、木炭或铁粉，沿着刀刃刷过。钢中出现的花纹类似于木纹，有旋涡状的节疤和波纹，日本武士刀被赋予了诸如“流沙”、“新月”和“月形刨花”等名称。“”和“酒吞童子杀手”，它们是日本神话中的凶猛野兽。如今留存的五把古代武士刀被称为“世界五剑”，在日本作为国宝和圣物保存。

铁和煤

在如今德国莱茵河谷，金属工人发明了一种高约 10 英尺的装置，底部放置两个风箱，用于容纳更多的铁矿石和木炭。高炉炽热无比，铁吸收的碳比以往任何时候都多。混合物变成铸铁，可以很容易地倒入模具中。

这是中国人 1700 年来一直沿用的一种炼铁工艺，但设备要大得多。工人们在铸造隧道下方挖了长长的沟渠，让铁水流出，为铸造炉腾出更多空间。

高炉

铁的发明恰逢西方世界战争时期。13 世纪大炮和 14 世纪枪支的发明进一步激发了人们对金属的渴望。欧洲开始以前所未有的方式制造武器，将生铁直接倒入大炮和枪管中。在模具中铸造。

但铁矿繁荣也带来了一个问题。随着欧洲列强开始在全球扩张影响力，他们消耗了大量木材来建造船只和制造木炭。据说，一个英国窑炉每年需要大约 240 英亩的树木。大英帝国开始转向尚未开发的新大陆，并开始将冶炼的金属运往美国殖民地。然而，殖民地的铁冶炼摧毁了英国铁厂的生意。

EF Skinner 的油画展示了 1916 年南约克郡皮斯顿炼钢厂采用贝塞麦炼钢法生产的钢材。

英国燃料问题的答案来自一位铸铁锅制造商。亚伯拉罕·达比童年的大部分时间都在麦芽厂工作，在十八世纪初，他采用了自己磨大麦时的一项技术：烘烤煤，一种可燃物。其他人曾尝试用煤冶炼铁，但达比是第一个在冶炼前先燃烧煤的人。烘烤后的煤比木炭能保持更长时间的热量，并帮助铁匠制造出更薄的生铁，非常适合倒入枪模中。今天，达比的大型高炉可以在科尔布鲁克代尔铁博物馆看到。

英国已经发现了冶炼煤炭的力量，但仍然未能炼出钢铁。

铸铁吊臂

亨利·贝塞麦是一位英国工程师和发明家，因许多发明而闻名，包括金色黄铜漆、排版机键盘和甘蔗压碎机。贝塞麦在业余时间对铁矿石进行实验，并测试了不同的方法。在实验中，他发现使用煤可以大大提高冶炼效率。

他想出了一种与古印度使用的粘土坩埚非常相似的方法。但有两个关键区别：他使用烤煤而不是木炭；他没有将燃料放在坩埚中，而是在底部放了一层煤，上面放了铁和碳的混合物。

冶炼厂生产的钢锭更加均匀、更坚固、更不易碎，是欧洲乃至世界有史以来最好的钢材。到 18 世纪 70 年代，谢菲尔德已成为钢铁行业的主要参与者。

1851年，第一届世界博览会在伦敦举行，是工业作品的展览会，水晶宫全部用铸铁和玻璃建成，包括内部装饰，几乎所有的装饰都是铸铁的，比如火车头和蒸汽机，喷泉，还有路灯柱都是用铸铁做的，世界上从来没有见过这些东西。

新钢铁之王

19 世纪 50 年代，东欧爆发克里米亚战争，贝塞麦制造了一种新型细长炮弹。他将其提供给法国军队，但当时传统的铸铁炮弹太脆，无法发射。只有钢炮弹才能承受更大的威力，以控制爆炸。

贝塞麦发现，把熔融的生铁放入转炉，吹入高压空气，生铁中所含的硅、锰、磷和碳就会燃烧，从而生产出钢。

这是第一种大规模生产钢铁的方法，贝塞麦炼钢转炉成为新的钢铁之王，这种炼钢转炉也以贝塞麦的名字命名，之后这种先进的方法被传入欧美，世界进入钢铁时代。

美国钢铁公司

19 世纪 60 年代，美国的钢铁生产极其分散，从采矿、炼铁到最终产品制造，导致最终产品的成本很高。

卡耐基决定建立一家集供、产、销为一体，覆盖整个生产过程的现代化钢铁公司。一是从技术角度看，低成本的贝塞麦转炉炼钢工艺已经被发明；二是美国钢铁市场很大；三是卡耐基已经拥有数十万美元的股票等资产。

安德鲁·卡内基

1865年，30岁的卡内基将注意力转向了桥梁建设。由于拥有工厂，他可以随意批量生产耐用的钢材。

1889年，卡内基将他所投资的所有公司合并起来，命名为：卡内基钢铁公司。

此时，卡内基钢铁产量已接近全英国产量的一半。其他钢铁公司开始在全国各地涌现，美国一夜之间成为钢铁行业的领头羊。

为了降低制造成本，工人的工资非常低。1890年，工人每周工作84小时，工资不到10美元（约合今天的250美元）。此外，事故频发，空气污染严重。人们称这座钢铁城为“地狱中的地狱”。

1892 年 7 月，卡内基钢铁公司与代表霍姆斯特德工厂工人的工会之间的紧张关系达到顶点。公司董事长弗里克以减薪威胁工人，并用三英里长的铁丝网围住了工厂。工人们撕碎了弗里克的肖像，并投票决定罢工。

7 月 6 日上午，内战爆发，工人们向弗里克的 8,500 名警卫投掷石块、开枪，推倒旧式大炮，点燃炸药，甚至将燃烧的火车推向轮船。

最终，冲突中共有 10 人丧生。弗里克也在办公室被刺，但幸免于难。1897 年，卡内基聘请了一位名叫施瓦布的工程师担任新总裁。

1901 年，施瓦布说服卡内基以 4.8 亿美元的价格出售他的钢铁公司。施瓦布的新公司与其他工厂合并成为美国钢铁公司。

1873 年，美国生产了 22 万吨钢。到 1900 年，美国钢铁产量达到 1140 万吨，超过英国和德国的产量总和。新成立的美国钢铁公司是世界上最大的公司，生产了全国三分之二的钢铁。

战争与和平金属

施瓦布成为另一家快速发展的公司伯利恒钢铁公司的总裁。1914 年，战争爆发前两个月，施瓦布收到了英国战争办公室的秘密信息。英国人希望伯利恒钢铁公司为英国建造一座钢铁厂。该公司希望伯利恒钢铁公司生产价值 4000 万美元的武器，并且不与英国王室的敌人做生意。

1914 年战争开始时，美国生产了 2350 万吨钢，是 14 年前产量的两倍。1918 年战争结束时，伯利恒钢铁公司的产量再次翻了一番。

战后，美国钢铁业比以往更加强大。绝大多数钢铁仅来自两家公司：美国钢铁公司和伯利恒钢铁公司。

钢铁随后进入汽车、家电和食品罐头行业。美国钢铁公司和伯利恒钢铁公司的资产价值远远超过福特和通用汽车。

钢铁时代的繁荣却遭遇了新的危机。1929 年股市崩盘，随着经济陷入大萧条，钢铁产量开始放缓。

大萧条之后，对金属的渴求让世界铸造厂再次火力全开。德国占领了丹麦、挪威和法国的土地，控制了新的铁矿和炼钢厂。突然之间，德国的钢铁产量与美国相当；而在东方，日本控制了满洲的铁矿和煤矿。

珍珠港事件将美国拖入第二次世界大战，美国政府开始禁止生产钢铁消费品，把全部注意力放在对船舶、坦克、枪炮和飞机用钢材的配给上。

美国工厂每天 24 小时炼钢，经济开始再次繁荣，很快美国的钢铁产量就比其他任何国家都多三倍以上。二战期间，美国的钢铁产量是一战期间的 25 倍。

战后，美国取消了对钢铁消费的禁令，目前全球一半以上的钢铁都产自美国。

现代钢铁之路

即使在战争期间，钢铁工业也得到了快速发展，但炼钢技术仍需完善。

1847 年，德国科学家兼玻璃制造商西门子发明了这项新技术，当时他建造了一个新型玻璃熔炉，炉内由一系列小型耐火砖管组成，通过回收散发的热量，可以延长熔炉达到峰值温度的时间。

西门子的玻璃熔炉花了近 20 年的时间才进入冶金领域。19 世纪 60 年代，一位名叫马丁的法国工程师建造了西门子熔炉来冶炼铁，回收的热量使金属液化的速度比贝塞麦的时间更快。更长的加热时间使工人有更多时间添加精确数量的含碳铁合金，将材料转化为钢。而且由于额外的热量，即使是废钢也可以熔化。到了世纪之交，西门子-马丁工艺，也称为平炉工艺，已在世界各地流行起来。

20世纪，一位名叫罗伯特·杜勒的瑞士工程师找到了更好的方法。他向炉内吹入纯氧，发现这样可以更有效地去除铁水中的碳。

杜勒还发现，通过从上方向炉内吹入氧气，而不是像贝塞麦转炉那样从顶部吹入，他可以将冷废料熔化成生铁，并将其回收用于炼钢工艺，这一工艺还可以分离出磷。这种方法结合了贝塞麦转炉和平炉工艺的优点，将钢铁生产提升到一个新的水平，同时降低了成本。

当欧洲和亚洲各国开始采用杜勒的“碱性氧气炼钢法”时，美国领先的钢厂仍然坚持使用西门子-马丁的平炉炼钢法，不知不觉地被外国竞争对手所超越。

不锈钢的诞生

1912 年，英国冶金学家哈里·布里尔利 (Harry Brearly) 正在寻找延长枪管寿命的方法。他用铬和钢合金进行实验，发现镀有一层铬的钢特别耐酸和腐蚀。

布雷利开始向一位从事餐具工作的朋友出售铬钢，称之为“不锈钢”。

一家名为维多利亚的公司从英国引进了一种新型防腐金属，并开始为瑞士军队锻造钢刀，并将这种金属重新命名为 Victorinox。如今，你们中的许多人可能都在抽屉里放了一把他们的红色小折刀。

突然间，不锈钢无处不在。这种耐腐蚀、闪闪发光的金属成为手术器械和家居用品的主要材料。1959 年，工人们在圣路易斯建造了不锈钢拱门，它至今仍是西半球最高的人造纪念碑。

1970 年，美国钢铁公司是世界上最大的钢铁公司。70 年后，它被新日铁公司超越。1990 年代，中国成为世界最大的钢铁制造商。伯利恒钢铁公司于 1995 年关闭了其工厂。直到 20 世纪末，大多数美国钢厂才最终采用杜勒的“碱性氧气炼钢法”。根据世界钢铁协会的数据，截至 2016 年，美国的钢铁产量排名第四。

钢铁可持续发展

世界上大部分不锈钢都是在小型钢厂生产的。这些金属工人不是从零开始炼钢，而是将废钢熔化再利用。小型钢厂最常见的熔炉——电弧炉，也是西门子发明的，它使用碳电极产生电荷来熔化金属。

过去半个世纪以来，小型钢厂的激增是回收旧钢铁的关键一步，但要实现完全可持续的冶炼还有很长的路要走。钢厂是众所周知的温室气体排放源，在麻省理工学院，研究人员正在测试用于冶炼金属的新型电力技术。这些电力冶炼技术有可能显著减少温室气体排放，如果得到改进，还可以加工熔点更高的金属，如铁和钢。

限制汽车排放的技术也在接受测试。去年二月，一家名为 Voestalpine 的奥地利制造商建造了一座旨在用氢燃料技术取代煤炭的工厂，这可能需要至少二十年的时间。

21 世纪的机遇和挑战已经发生了变化。但就像过去的印度熔炉、德国高炉和美国铸造厂一样，问题依然存在：我们如何才能提高炼钢水平？