关于炼钢的一些常识

剑村

百炼钢
中国古代将炒钢经反复折叠锻打变形而制成的钢及其工艺。多次反复锻打可排除钢中夹杂物，减少残留夹杂物的尺寸 ，从而使其成分趋于均匀，组织趋于致密，细化晶粒，改善钢的性能。除“百炼”外，古代还有“五十炼”、“三十炼”、“七十二炼”、“九炼”之说。中国古代许多宝刀、宝剑都是用这种方法制成的。明宋应星《天工开物》中说：“刀剑绝美者以百炼钢包裹其外。”可见百炼钢是质量优良的钢。
1961年日本天理市栎本町东大寺山古墓发现中国东汉钢刀，上有错金铭文24字：“中平□□五月丙午造作〔支刀〕百练清〔刚〕上应星宿〔下〕辟〔不祥〕”（见图）。中平是东汉灵帝年号(185～189)。日本奈良石上神宫藏有东晋太和元年(369)为倭王“造百练乯七支刀”。日本稻荷山古墓出土铁剑有错金字115个，也有“百炼”一词,是公元471年或531年日本制品。类似的还有江苏徐州出土“五十炼”钢剑（公元77年造）,出东临沂苍山出土“卅练”钢刀（公元112年造）和传世品“卅炼”金马书刀。

对出土文物的初步研究表明，百炼钢是用炒钢作为原料，加热后反复折叠锻打，或用数种成分不同的原料反复叠锻得到的。钢件组织致密，成分均匀，夹杂物细化。经金相组织研究，五十炼钢剑的高、低碳层共50～60层

唐宋之后，因灌钢工艺的发展等原因，百炼钢有所减少

剑村

炒钢

炒钢因在冶炼过程中要不断地搅拌好像炒菜一样而得名。

炒钢的原料是生铁，操作要点是把生铁加热到液态或半液态，利用鼓风或撒入精矿粉等方法，令硅、锰、碳氧化，把含碳量降低到钢和熟铁的成分范围。炒钢的产品多是低碳钢和熟铁，但是如果控制得好，也可以得到中碳钢和高碳钢。

迄今世界上年代最早的炒钢冶金技术，我国在西汉早期就已发明和广泛应用了。徐州狮子山楚王陵考古发现：楚王陵保存着一处完整的西汉楚王武库，库中堆满各式成捆的实战楚汉兵器，兵器虽历时2000多年，依然锋利无比，轻轻一划刃锋力透十余层厚纸。北京科技大学冶金与材料史研究所对武库铁器的研究分析表明：当时的钢铁技术正处于发展时期，淬火工艺、冷锻技术、炒钢制作均已使用。楚王陵的年代下限为公元前154年，这表明我国在西汉早期（公元前2 世纪中叶）已发明并使用了炒钢技术。

近年在河南巩义市铁生沟、南阳瓦房庄等处都发现过汉代炒钢炉遗址。巩义市遗址断代是西汉中期到新莽，瓦房庄遗址使用时间比较长，由西汉中期到东汉晚期。另外，铁生沟还出土了一些炒炼产品，经分析，有的含碳量是百分之一·二八，有的是百分之○·○四八。文献上关于炒钢的记载最早见于东汉《太平经》卷七十二，书中说：“使工师击治石，求其铁，烧冶之，使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪耶。”这“水”应指生铁水。“万锻”应指生铁脱碳成钢后的反覆锻打。

炒钢的优点是成分可适当控制，生产率比较高，质量也比较好。在现代，人们常把由矿石直接制钢的工艺叫一步冶炼或直接冶炼，而把先由矿石冶炼成生铁、然后再由生铁炼钢的工艺叫两步冶炼或间接冶炼。炒钢的生产过程也分两步：先炼生铁，后炼钢。因而在某种意义上说，炒钢的出现便是两步炼钢的开始，是具有划时代意义的重大事件。它进一步促进了我国古代铁器的广泛使用和社会生产力的发展。

十八世纪中叶，英国发明了炒钢法，在产业革命中起了很大的作用。马克思怀着极大的热情给予了很高的评价，说不管怎样赞许也不会夸大了这一革新的重要意义。

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灌钢法
　　灌钢法又叫团钢法，或生熟法，是中国早期炼钢技术一项最突出的成就。17世纪以前，世界各国一般都是采取熟铁低温冶炼的办法，钢铁不能熔化，铁和渣不易分离，碳不能迅速渗入。中国发明的灌钢法，成功解决这一难题，为世界冶炼技术的发展做出划时代贡献。
　　1古代冶炼技术的演进春秋以前，中国的冶炼技术处于比较原始的阶段，当时使用的冶炼方法称为“块炼法”。当时炼铁使用木炭作燃料，热量少，加上炉体小，鼓风设备差，因此炉温比较低，不能达到铁的熔炼温度，所以炼出的铁是海绵状的固体块，称为“块炼铁”。块炼铁冶炼比较费时，质地比较软，含杂质多，经过锻打成为可以使用的熟铁。钢铁冶炼技术的进一步发展到“块炼渗碳钢”。出土文物表明，中国最迟在战国晚期已经掌握这种最初期的炼钢技术。人们在锻打块炼铁和熟铁的过程中，需要不断地反复加热，铁吸收木炭中的碳份，提高了含碳量，减少夹杂物后成为钢。这种钢组织紧密、碳分均匀，适用于制作兵器和刀具。进一步发展到“百炼钢”技术。人们在打制器物的时候，有意识地增加折叠、锻打次数，一块钢往往需要烧烧打打、打打烧烧，重复很多次，甚至上百次，所以称之为百炼钢。百炼钢碳分比较多，组织更加细密，成份更加均匀，所以钢的品质提高，主要用于制作宝刀、宝剑。

　　在西汉中晚期，中国出现新的炼钢技术“炒钢”，这是在生铁冶铸技术的基础上发展起来的一种炼钢技术。大约在春秋末期，中国就已经发明生铁冶铸技术，以后经过长时间的实践和探索，逐渐形成利用生铁为原料的炒钢技术。其基本方法是将生铁加热成半液体和液体状，然后加入铁矿粉，同时不断搅拌，利用铁矿粉和空气中的氧去掉生铁中的一部分碳，使生铁中的碳含量降低，去渣，直接获得钢，这就是炒钢技术。这项技术的发明是炼钢技术的重大突破，使冶炼业能向社会提供大量廉价、优质的熟铁或钢，满足生产和战争的需要。炒钢的出现促进百炼钢技术的发展，人们以炒钢为原料，经过反复加热、折叠、锻打成质量很好的钢件。但是炒钢和百炼钢技术还存在一定缺陷，如炒钢工艺复杂，不容易掌握；百炼钢费工费时。

　　2綦毋怀文发展灌钢法大约在东汉末，可能出现炼钢新工艺“灌钢”法的初始形式。南北朝时，綦毋怀文对这一炼钢工艺进行了重大改进和完善。南朝齐、梁时的陶弘景首先记载了灌钢法，北朝魏、齐间的綦毋怀文曾用这种方法制成十分锋利的“宿铁刀”。綦毋怀文，姓綦毋，名怀文，是中国南北朝时期著名冶金家。他生活在公元6世纪北朝的东魏、北齐间，具体生卒年代历史上缺乏记载，只知道他好“道术”，曾经作过北齐的信州(今四川省奉节县一带)刺史。据史书记载，綦毋怀文的炼钢方法是:“烧生铁精，以重柔铤，数宿则成钢”，就是说，选用品位比较高的铁矿石，冶炼出优质生铁，然后，把液态生铁浇注在熟铁上，经过几度熔炼，使铁渗碳成为钢。由于是让生铁和熟铁“宿”在一起，所以炼出的钢被成为“宿铁”。灌钢法是中国古代炼钢技术上一个了不起的成就。同百炼法或炒炼法比较，其优点1)生铁作为1种渗碳剂，因熔化后温度高，加速向熟铁中渗碳的速度，缩短冶炼时间，提高生产率。(2)熟铁因为碳的渗入而成为钢，生铁由于脱碳也可以变成钢，增加了钢的产量。(3)在高温下，液态生铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物夹杂发生反应，去除杂质，纯化金属组织，提高金属品质。(4)灌钢法操作简便，容易掌握。要想得到不同含碳量的钢，只要把生铁和熟铁按一定比例配合好，加以熔炼，就可获得。3推动中国古代刀剑技术的发展綦毋怀文是一位出色的制刀专家，对前人造刀经验进行研究、比较，经过不断实践，创造一套新的制刀工艺和热处理技术。

　　綦毋怀文造刀的方法是:先把生铁和熟铁以灌钢法烧炼成钢，做成刃口，然后“以柔铁为刀脊，浴以5牲之溺，淬以5牲之脂”这样做出来的刀称为“宿铁刀”，极其锋利，能够一下子斩断铁甲30札。对于含碳量比较高的钢，理想的淬火介质应该是:当工件在比较高的温度650～400℃，具有较大的冷却速度，在低温300～200℃，具有较慢的冷却速度。这就需要采用双液淬火法。綦毋怀文先用动物尿、后用动物油进行双液淬火，能够造出品质很高的“宿铁刀”。中国早在战国时代就使用了淬火技术，但是长期以来，人们一般都是用水作为淬火的冷却介质。虽然三国时的制刀能手蒲元等人已经认识到:用不同的水作淬火的冷却介质，可以得到不同性能的刀，但仍没有突破水的范围。而綦毋怀文则实现了这一突破，他在制作“宿铁刀”时使用了双液淬火法，即先在冷却速度大的动物尿中淬火，然后再在冷却速度小的动物油脂中淬火，这样可以得到性能比较好的钢，避免单纯使用1种淬火(即单液淬火)的局限。双液淬火法，即在工件的温度比较高的时候，选用冷却速度比较快的淬火介质，以保证工件的硬度；而在温度比较低的时候，则选用冷却速度比较小的淬火介质，以防止工件开裂和变形，使其有一定的韧性。双液淬火法是1种比较复杂的淬火工艺，这在当时没有测温、控温设备的条件下，完全依赖操作及经验，是一个了不起的成就。在綦毋怀文之前，中国古代的钢刀大都用百炼钢制成，这样制作的刀剑虽然性能优异锋利，但也存在不少缺陷，整把刀全部用百炼钢制成，价格昂贵；如一把东汉时期的名钢剑的价钱可以购买当时供7个人吃2年9个月的粮食。而且百炼钢制作刀剑费时费力。三国时，曹操命有司制作宝刀5把，用了3年时间。为此，綦毋怀文对制刀工艺进行了重大更新。这表明綦毋怀文对钢铁的性能有比较深刻的认识，而且能根据不同的用途合理选择材质，发挥各种材质的优点，节省某些贵重材料，降低成本和费用。1把刀的背部、刃口实际起着不同的作用，因而要求具有不同的性能。

　　一般来说，刃口主要起刺杀作用，因而要求有比较高的硬度，这样才能保证刀的锋利，所以应该选择含碳量较高、硬度较大的钢来制造。而刀背主要起1种支撑作用，要求有比较好的韧性，使刀在受到比较大的冲击时不致折断，这样就要选择含碳量较低、韧性较大的熟铁。綦毋怀文正是有了上述类似的认识，在制作刀具时才能够将熟铁和钢巧妙的结合起来，将2者恰到好处地用在合适的地方，既满足了钢刀的不同部分的不同要求，又节省大量昂贵钢材，利于钢刀的推广和普及。这种制刀工艺，今天还在沿用。

　　由于綦毋怀文和千百万工匠的辛勤劳动，使中国古代冶金技术自立于世界之林。因此，当我们研究和总结古代科学技术成就的时候，不应该忘记綦毋怀文的功绩。这是中国冶金史上的一项杰出成就和伟大创新，在世界炼钢史上占有一定地位。4灌钢法的进一步革新灌钢法的出现，使钢的产量和品质大大提高，为隋唐以后生产力的大幅度增长提供了条件。后来，灌钢法又不断发展。宋代又把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间，用泥巴把炼钢炉密封起来，进行烧炼，效果更好。明代又有改进，把生铁片盖在捆紧的若干熟铁薄片上，使生铁液可以更好均匀地渗入熟铁之中。不用泥封而用涂泥的草鞋遮盖炉口，使生铁可从空气中得到氧气而更易熔化，从而提高冶炼的效率。明中期以后，灌钢法更进一步发展为苏钢法以熟铁为料铁，置于炉中，而将生铁板放在炉口，当炉温升高到1300℃左右，生铁板开始熔化时，既用火钳夹住生铁板左右移动，并不断翻动料铁，使料铁均匀地淋到生铁液；这样，既可产生很好的渗碳作用，又可产生剧烈的氧化作用，使铁和渣分离，生产出含渣少而成份均匀的钢材。直到现今，在芜湖、湘潭、重庆、威远等地人们还在使用；可见其影响的深远。在17世纪以前，中国的炼钢技术长期居于世界领先地位，受到各国地普遍赞扬。公元1世纪时，罗马博物学家在其名著《自然史》中说:“虽然铁的种类很多，但没有一种能和中国来的钢相媲美。”

mk033005

又长学问了，谢谢

剑村

以我们实际操作理解“百炼”的“炼”就是折叠锻打时每一次的试火粘合过程为一“炼”。
其中的每一“炼”需要我们把钢烧红后迅速锻打粘合，但是烧一火是不能完全粘合的（工件冷却就不能再打了），还需烧第二火再打，如果还是没有粘合还需再烧红锻打，直到两块铁板完全粘合为止。这样每“炼”一次需要我们挥锤锻打数百下。烧好几次火。
所以要做到“百炼”可想而知我们需要烧红工件几百次，锻打上万次。工作量之大。
“百炼”何止“千锤”呀！！

YeSir

那么请问百炼到底是指过100次火，还是对折100次？

剑村

原帖由 YeSir 于 2007-12-2 11:13 发表
那么请问百炼到底是指过100次火，还是对折100次？

YeSir兄，以我们的经验，百炼不是100火，因为每炼一次需要烧好几火。应该是100次对折的粘合。

YeSir

原帖由 剑村 于 2007-12-4 01:10 发表

YeSir兄，以我们的经验，百炼不是100火，因为每炼一次需要烧好几火。应该是100次对折的粘合。

那么请问连续100次对折完毕是多少层？ 您有实践过吗？

剑村

原帖由 YeSir 于 2007-12-4 09:41 发表



那么请问连续100次对折完毕是多少层？ 您有实践过吗？

YeSir兄你的问题非常好，100次的折叠次数我也无法算出来了。按我们的折叠算法一折为6层，二折为12层，三折为24层以此类推我的计算器也只能算到三十七折412316860416（四千一百二十三亿一千六百八十六万零四百一十六层）绝对的天文数字。
100次的折叠我没有时间过。我到现在做过的最多折叠为二十次的折叠3145728层（三百一十四万五千七百二十八层）。

剑村

我们很多时候还要以丰富的理论知识作后盾支持。这样才能做好传统刀剑。

YeSir

原帖由 剑村 于 2007-12-4 22:18 发表

YeSir兄你的问题非常好，100次的折叠次数我也无法算出来了。按我们的折叠算法一折为6层，二折为12层，三折为24层以此类推我的计算器也只能算到三十七折412316860416（四千一百二十三亿一千六百八十六万零四百一 ...

指点不敢当，万勿再提。既然是公众讨论区，大家就事论事，互补有无，若有得罪千万莫怪。。。

其实折100次的层数很好算，以一块铁计，折1次是2层，折2次是4层。。。折100次就是2的100次方，约等于10的30次方。你以3块铁开始折，就是3X10的30次方咯。————这个数字真的很大，绝对的天文数字，即使不是宇宙级的，大概也算的上星系级的。打点形象点的比喻帮助说明一下吧～

若你折出来的铁块厚10cm，这个3X10的30次方层，每层的厚度大概是铁原子的一万亿亿分之一；即使每层厚度为一个铁原子的直径，那么这3X10的30次方层能达到的厚度，或者说高度更贴切，大概足够地铁到月球之间距离的一万亿倍，也就是说，从第一层到最后一层，即使是光，也需要2000多年才能飞的到～～～

不过若算折100次后得到一支刀剑需要的铁，原料需要多少，数字就那么吓人了。粗略一点，就按你折20次损耗大约80%的铁来算，如果折到最后是一公斤的铁，那开始时的原料大概也就15吨多点的样子。当然如果考虑铁开始折时远比最后时难折，可能导致更高的损耗，那实际需要的原料铁量就难说了，地球上目前是否存在相应规格的机械锻造设备还是未知数呢。

所以你看，不需要什么刀剑专业理论知识，仅仅是一点基本的中学数学知识，就很简便的推导出所谓百炼钢是对折100次的真实性有多高了。。。。

绝无义

？铁好像有延展性的吧，每次对折短打的过程会让层厚变薄。如楼上所言，数据上看，单纯的对折不是目的，我的理解，对折融合是一种手段，将钢铁内部原子重行排序。记得以前某课堂上，老师说纯单质铁很软，是银色的。我想用锻打，对折的方式应该是使单质铁的原子排列更加有序，不知是不是真的。

剑村

原帖由 YeSir 于 2007-12-5 00:57 发表



指点不敢当，万勿再提。既然是公众讨论区，大家就事论事，互补有无，若有得罪千万莫怪。。。

其实折100次的层数很好算，以一块铁计，折1次是2层，折2次是4层。。。折100次就是2的100次方，约等于10的30次 ...

YeSir兄，非常感谢兄弟举了这么多生动的例子。我们对具体的量化计算真是不在行。
　　不过锻打的事实却是很简单。每次的折叠只是一个同样的过程。我们需要掌握炉火的火候。钢铁的温度，用锤的力度这才是关键。说白了折叠是简单的过程。在古代是为了得到很好的刀剑原料才作这不停的锻打。而今天已经有很高级的钢铁原料了我们还在作着古人的工作。那是为了追寻古人的足迹，为了传承技艺，为了体现我们光荣的刀剑文化。同时也是为了振兴我们伟大的中华民族刀剑。
作为刀剑制作者我们还需要不断的努力。。。。。。。

xiaodaolion

我算啦...如果起始层数是2的话，的却是2的100次方，起始层数是3的时候层数不是3的100次方，因为每次对折仍然是X2的关系，所以结果应该是3X2^100=380 2951 8006 8468 8204 4901 0961 6128≈3.8X10^30 HOHO~~还算挺准
我想古代的百炼是有可能的，虽然粗略算了一下在原料的起始重量上大的惊人，但要知道一个问题就是起始的时候是不是一大块铁就都开始用了？能不能是一边折叠锻打，一边实验硬度之后再一边的添加新料进去，我曾经听朋友说过一种方法，铁料锻的时候下双份的料，之后只切一半去做刀，当尝试此材料性能之后再将剩料添加新料进行锻打，当然添加的可能依然是断过好多次的料，我想这样更容易得到心仪的材料，也更容易控制钢材的性能，毕竟古代没有粉末冶金技术！

modi

如果百炼是折叠一百次的话，碳含量也会大大降低，不符合制作刀剑的要求，针对“百炼”的话题讨论过多次，其实相对正确可信的答案无论我国的资料还是日本的资料都有相关的解释。

xiaodaolion

我感觉百炼应该是每次熔合算1炼，古代的冶金技术制造复杂的合金对各种元素的平衡是一种很难的技术，如果要是我做的话我就会利用当时比较成熟的熔合技术，将不同的原料反复的对折以制造更加均匀的钢材，之后再用相对材质匀称的材料混合短打出带花纹的钢材，这不是单纯1块钢材折叠100次的过程，应该是原料本身炼N次，再将原料混合炼N次，甚至还需要将这样的，已经复合好的材料再复合才成为最终的制刀材料。所以这百炼应该并非1味的折叠100次，而可能是将10炼之钢材再10炼成初材，再10炼，再10炼...再出成才...这个是我的理解

剑村

原帖由 modi 于 2007-12-8 10:27 发表
如果百炼是折叠一百次的话，碳含量也会大大降低，不符合制作刀剑的要求，针对“百炼”的话题讨论过多次，其实相对正确可信的答案无论我国的资料还是日本的资料都有相关的解释。

modi兄，“百炼”中需要我们不断的进行渗碳处理。不然会失掉大量的碳。其实日本刀的锻打中需要包纸裹泥浆还有稻草灰都是为了尽量的保持钢铁中的碳。
其实我们的锻打中需要不断的渗碳。这样才能保证钢铁的含碳量。保证刀剑的品质。

modi

谢谢剑村兄的回答，还有疑问。那折叠一次会失碳多少？ 兄的渗碳方法是怎样的？每次渗碳能增加多少和深度达到多少？

剑村

原帖由 xiaodaolion 于 2007-12-8 18:41 发表
我感觉百炼应该是每次熔合算1炼，古代的冶金技术制造复杂的合金对各种元素的平衡是一种很难的技术，如果要是我做的话我就会利用当时比较成熟的熔合技术，将不同的原料反复的对折以制造更加均匀的钢材，之后再用相 ...

xiaodaolion兄，你的理解很对。百炼的“炼”应该是每次熔合算1炼。

barefoot

对出土文物的初步研究表明，百炼钢是用炒钢作为原料........经金相组织研究，五十炼钢剑的高、低碳层共50～60层唐宋之后，因灌钢工艺的发展等原因，百炼钢有所减少

我觉得所谓“百炼”是指高、低碳层100层以上的刚。
古代铁匠又不是天文学家，不懂得100次方的严肃性也是可以理解的，只要我国古代确实曾有好刀，那区区一个“百炼”称谓，就当“万岁”一样看待有何妨呢？
不严谨之处敬请忽略