古代是用什麼辦法降低鐵的含碳量，把鐵煉成鋼的呢？

現代鍊鐵通常使用高爐練鐵，爐溫之高可以將鐵熔化成鐵水。古人使用傳統熔爐則無法達到可以熔化鐵的溫度，但能工巧匠們在這種艱難的情況下依然能生產出大量精美的鐵器，本文將向您講述古代的“鋼鐵是怎樣煉成的”。

古代的冶煉過程大致可分為四個階段：一、造爐，二、選礦，三、熔練，四、鍛造。由於人類在不同的歷史時期所掌握的技術有巨大差異，不同地理位置能夠獲得的原材料也千差萬別，熔鍊規模也有小有大，此外，對於製品的性能要求也不盡相同，因此這四個階段的工藝無法一概而論。下文主要描述一種最原始的小規模冶煉工藝，這種工藝在許多不同的人類文明遺址的考古中均有發現。正是這種工藝的出現，使人類進入了鐵器時代。

一、造爐

熔爐就是粘土製成的中空圓柱，根據熔鍊的規模和地方習慣決定其大小的形狀。通常底部有側門，並附有鼓風裝置。燃料則是木碳，那我們先說從木碳說起。

鍊鐵所需的溫度很高，所以要選用熱量較高的木料來制炭。首先在地上挖一個很大的淺坑，將收集來的大量木塊堆入沙坑，點火，等所有的木塊都被引燃後蓋上鬆土，讓木塊在缺少氧氣的環境中悶燒，以去除水分並分解有機質。當碳堆自然熄滅，把土扒開，就得到了一批高品質的木炭。悶燒的時間由木料多少決定，往往需要幾天時間。

在覆土裡燜燒的碳散發出煙霧

熔爐使用粘土條堆砌：選擇純淨的粘土，用篩去除小石，再用水長時間浸泡，打漿成泥，混入碎草，反覆捶打揉搓直至均勻，然後搓成細條備用。粘土的純淨度和浸水是否完全保證熔鍊過程中爐壁各處受熱均勻，而揉入碎草則使得爐壁在燒製過程中形成微孔（碳被燒盡），具有抗縮脹的性能。這些都是為了避免爐壁開裂和崩塌，所以篩選、浸泡、揉打的過程非常關鍵。

接下來制爐坯：選一塊塊平整的地面，規劃好各種原材料的堆放位置，然後在熔爐位置處挖一個圓形淺坑，並打實基礎。然後用之前製造的泥條一圈一圈的圍出爐壁外形，並將內外壁都仔細抹光，不留縫隙。底部側面開一個口，用於鼓風和出渣，這樣就製成了爐坯。將爐坯在陽光下晾乾後，在裡面填充木碳，點燃燒結，就像製陶的過程一樣，可以燒成堅硬的爐壁。在燒結過程中如果發現有裂開要及時修補。燒結後，將碳灰取出，這樣熔爐就製成了。

熔爐形狀千奇百怪，這是其中一種直桶形的

然後要製備鼓風設備，這套器具則可以說是五花八門各式各樣了。當然鍊鐵所用的風箱和農家的灶具還是有些區別，但原理都是一樣的：有一個進氣活門和一個出氣口，通過往復運動使空間加壓後從出氣口排出，多用獸皮、木料和繩索製成，這裡就不展開細說了。

一種雙手交替鼓風的風箱

二、選礦

鐵在大自然中不以單質存在，主要是赤鐵礦或磁鐵礦。赤鐵礦的主要成分是Fe2O3，含鐵40% ~ 60%，磁鐵礦主要成分是Fe3O4，含鐵50% ~ 70%。顯然，含鐵量越高的礦石越容易練出高質量的鐵，所以精選礦石的過程直接決定了鍊鐵的成敗。古代經驗豐富的熔鍊師可以用肉眼區分礦的品位（含鐵量），他們有時也會利用一些工具，比如磁石。熔鍊主要的任務，就是把鐵從鐵的氧化物和其它雜質中提取出來。

古人沒有什麼大型機械可用，所以要破碎大量的整塊礦石是一件比較麻煩的事，因此他們更願意去尋找含鐵量高的沙礫。不管怎樣，在最終進爐之前，一直要破碎研磨成很細小的顆粒，並進行多遍篩選，這樣可以保證熔鍊的效率和成品的質量。

除了礦石，還有一個非常重要的輔料，就是作為助熔劑的灰石（注意，是灰石而不是石灰）。灰石是一種常見的礦物，其主要成分是碳酸鈣（CaCO3），在高溫下會分解為石灰和二氧化碳。石灰即氧化鈣（CaO），可以和礦石中的碳、硅、磷等雜質反應生成鈣鹽，並形成爐渣。

在進爐熔鍊之前，礦石粉和灰石粉要按照一個經驗比例（比如2:1）進行混合，成為原料粉。

三、熔鍊

將鼓風設備通過耐熱的陶管連接到熔爐側門的上部，然後用粘土將整個側門封死，僅使得鼓風的氣流可以進入。接下來用木炭從熔爐的頂部開始裝填，直到填滿。然後點火併開始鼓風，等爐溫達到一定程度就可以開始熔鍊了。

熔練的過程可能會長達數小時乃至數天，而鼓風的工作是一刻不能停歇，所以需要一組工人輪流進行。另一組工人則往爐頂添加原料粉和木碳，每當爐內的木炭燒盡，上層木炭下落，工人就在頂部添加一層新炭，並鋪一層原料粉。這個過程一直重複到熔鍊完成。

此時，在爐內正發生複雜的化學反應：

CaCO3->CaO+CO2，灰石受熱分解為石灰和二氧化碳；CaO+3C->CaC2+CO，石灰和碳反應生成電石和一氧化碳；Fe2O3+3CO->2Fe+3CO2，氧化鐵在高溫下被一氧化碳還原為鐵，放出二氧化碳；2Fe2O3+3C->4Fe+3CO2，氧化鐵在高溫下被碳還原為鐵，放出二氧化碳；CaO+SiO2->CaSiO3，石灰和雜質二氧化硅反應生成偏硅酸鈣；3CaO+P2O5->Ca3(PO4)2，石灰和雜質磷的氧化物反應生成磷酸鈣；……看，助熔劑多麼重要，它和碳共同作用，不僅將氧化鐵還原成了鐵，並與雜質形成可分離的鈣鹽。熔鍊一段時間後，熔點較低的一些金屬和雜質就會以礦渣的形式（像熔岩一樣）從流至爐底，在底部打開一個小口可讓礦渣流出。而熔點較高無法熔化的鐵則被軟化，凝結成塊狀，留在了熔爐中下部。

礦渣從底部流出

逐漸的，當鐵塊和炭灰越積越多，這個熔爐的熔鍊過程就要結束了。人們迅速打破熔爐，扒開不能熔化的礦渣和炭灰，就取得了白熱的海棉狀粗鍊鐵塊。

粗鍊鐵塊被從爐中取出

四、鍛造

白熱的海棉鐵塊剛取出時還比較軟，可以用鑿和錘切分成塊，塊的大小依據準備打製的器具大小決定 。接下來一小塊鐵就被移入打鐵間進行鍛造了。

在遠古時期人們可以使用石錘

鍛臺旁邊是由風箱驅動，燃燒木碳的火爐。鐵塊在爐內被燒至白熱（這一過程稱為“煉”），然後趁熱打鐵，放於鍛臺上錘打成條或著片，然後在中間鑿出凹痕，對摺後再燒至白熱，錘打成條或片。如此反覆，就像揉麵一樣，在這個過程中，鐵塊的裡裡外外都被充分暴露在空氣中，不能被燒軟的雜質就在每一次錘打時和鐵塊的氧化物一起凝固在表面並剝落，碳等能被氧化為氣體的雜質也在高溫中逸散。

經過千錘百煉，大量雜質和碳就被從粗鐵塊中去除了，成為了比較純淨的鐵塊，並且因為反覆拉伸和摺疊，使得鐵塊具有了更好的性能。隨著技術進度，煉出來的鐵塊純度越來越高，含碳量也逐漸降低，這又導致鐵器比較軟也不耐磨。為了進一步增強鐵的機械性能，在更晚些發展出來的“滲碳”工藝就是在高溫條件下增加鐵器表面的含碳量，從而增加硬度。這已經超出了本文所討論的內容範圍。

將鋼材再次加熱，打製成器具形狀後，還要進行淬火硬化。簡單來說就是將燒至白熱的鋼料，用水或其它淬火液迅速降溫，使得鋼表面的晶體在快速冷確的過程中以發生形態的變化，以獲得更高的硬度。有時因為淬火後器具變得過脆，還要再進行回火。為了防鏽還會進行一些表面處理，這些工藝這裡就不再贅述了。

想罷您看到這，一定會覺得這個過程的繁複程度遠超乎你的想象。的確，在缺少工具和技術的遠古時期，要練出一些鐵用以製備器具是非常困難的，這也是“鍛鍊”一詞能夠成為強健體魄的代名詞的原因吧。但是鐵器對於人類文明而言，則意味著一個新時代的到來。