土法炼钢和绿色未来

中国历史上曾有一个荒唐的事，可以和现在的清零相比较，那就是全民土法炼钢。土法炼钢是发生在1958年底的一场失败的群众运动。在第二个五年计划大跃进时期，中共中央政治局决定，钢产量调整较1957年翻一倍，提出“以钢为纲”的口号，号召全民炼钢。在农村，也修建了土法的炼钢炉，在田间炼钢铁。企图以万马奔腾手段，达成农工生产突破。很多人把家里的锅子、铁器、铁门把手、窗旁的铁框等金属都捐献出来炼钢铁，但由于技术不合规格，是用土高炉，柴火炼，温度不能达到，只是炼出大量的废铁，浪费无数宝贵资源，并对环境造成极大污染。

但这些荒唐的方法，都是所谓的科学家提出来的。中央也曾找专家来评价，甚至找了苏联专家征求意见，但鬼使神差，这些专家都表示支持，也许是经过反右，知识分子都噤若寒蝉，外国人也多一事不如少一事，就像现在的清零政策一样。于是，土法炼钢的小高炉如雨后春笋，在全国遍地开花。1958年底，已有9000万人参与钢铁生产，占当时全国所有劳动人口的五分之二。与此同时，全国各地建造了数百万座土高炉。所谓高炉，就是用粘土和砖头自己搭成炉子，将铁矿石或各种铁质物品来作原料，用山上的木头烧成木炭，将铁里面的过高的碳脱掉，使之含碳量降低而成为钢。

炼钢需要铁矿、焦炭、燃料等材料。由于铁矿不足，于是全民不下田耕作，全都上山采矿，当年大量粮食没能收回，粮食产量大减。由于燃料不足，只好上山伐林，而土法炼钢的主要目的为达成钢铁产量增加一倍的指标，但炼出来的大都是粗钢废铁，远远达不到要求，生产出来的钢含很多杂质，炼出的有很大一部分是没用的铁疙瘩，造成人力、物力、财力的极大损失，但各地却不断虚报生产指标。原有企业的生产能力不断追加投资，致使基本建设规模迅速膨胀，战线越拉越长；商业银行全力支持工业大跃进，以致拆东墙补西墙，打乱了正常的资金流通。这是造成三年后数千万人饿死的惨剧主要原因之一！

因为此事，我想起来研究一下钢铁制造的历史，发现这不但是人类历史的一个重要部分，也和人类的绿色未来有很大的关联。

人类的历史，有按材料和生产方法划分的：（新旧）石器时代，青铜时代，铁器时代，工业时代，信息时.......也并非所有的文明都能经历这些时代，南美的文明最终没有发展到铁器的冶炼和制造，当抵抗西班牙人入侵时，他们的武器是石头做的(Obsidian)。

人类最早使用的金属，都是自然的（如自然金，铜）， 自然的钢铁来自于陨石，是一种铁镍合金钢。对我们的祖先来说，这种奇特的合金（陨铁）是来自神明的馈赠。古埃及人称它为biz-n-pt。在苏美尔，它被称为an-bar。两者都可以解释为“来自天堂的金属”。铁镍合金具有一定的延展性，可以根据需要锻造成各种形状而不会碎裂。但这种“靠天收”的钢铁来源十分 有限，使得这种神灵的金属在古代比宝石或黄金更有价值。

待到人类在自己脚下的岩石里找到钢铁，又花了几千年时间。公元前2500年左右，近东的部落成员发现了隐藏在地下的铁金属矿源。它看起来和“来自天堂的金属”十分相像，但有些不同。铁与石头和矿物混合在一起成为铁矿石。提取铁矿石并不像捡起一块自然金，银或铜那么简单，第一批矿工在挖掘矿石之前需要进行仪式，以安抚内心的惶恐。那感觉就好像在开启神明隐藏在地下的宝藏。但是，学会从地球上挖掘铁矿石，只能算是成功了一半。古代人类又花了700多年的时间，才弄清楚如何将铁金属与矿石分开。到那时候，人类才算真正进入铁器时代。

从化学角度，铁矿石中的铁都是以氧化铁的方式存在的。第一步，就需要在高温下（>1200度）使用含碳物质（木材，炭）把铁还原出来

Fe2O3+C---Fe+CO2

上述的产物是生铁，含有2%以上的碳，非常脆，可以当锅但无法当武器，需要降低其中的碳，这个过程叫炼钢。碳降得太低了就成了熟铁，太软了。钢是碳含量在0.2-2%之间的铁，并因含有不同的微量元素而体现不同的性能。炼钢不容易，现代的技术是把氧气，焦炭，生铁，其它元素按一定比例放一起加热，氧气足够氧化出铁里面的碳但不足以氧化铁，有部分氧气被焦炭使用了，据说该法控制碳含量非常精确，虽然是19世纪的技术，但大跃进里的土法还是达不到那个水平的。古代亚洲是把生铁锻打和淬火降碳（不知什么原理），日本制造刀的工艺世界一流，中国也有非常出色的刀具，可惜工艺失传了。西方也多是锻打和淬火，高端的是以下介绍的坩埚技术。古代多地都曾出现过非常出色的炼钢的技术，因为那是决定一个民族生死存亡的绝技，属于决定性的核心技术，可惜因为保密太好，多失传了！

公元前400年左右，印度金属工人发明了一种冶炼方法，恰好将完美的碳量与铁结合。关键是熔融金属的粘土容器：坩埚。工人们将小型锻铁棒和木炭块放入坩埚中，然后密封容器并将其插入炉中。当他们通过风箱中的空气冲击升高炉温时，锻铁熔化并吸收木炭中的碳。当坩埚冷却时，纯钢锭就炼成了。印度铁匠把“乌兹钢”运送到世界各地贩卖。在大马士革，叙利亚铁匠使用这种金属锻造了著名的，几乎是神话般的大马士革刀，据说它足够锋利，可以在半空中切割羽毛（像“权力的游戏”中瓦雷利亚钢铁一样的超级材料）。印度钢铁一直贩卖到西班牙的托莱多，那里铁匠的铁匠用乌兹钢为罗马军队锻造刀剑。这锻造了罗马的霸权！

在整整二千年间，钢铁的制造就停留在一个低水平水平，铁作为农具等工具，而钢作为武器。当武器进入火器时代后，英国使用便宜得多的煤取代木炭，开发出大规模生产钢铁的工艺，当然其中的一部分用做制造枪炮，这成就了大英帝国的霸权！19世纪末期，美国取代了英国，成了钢铁产量最大的国家，也伴随着发明了现代钢铁制造工艺。钢铁变得非常便宜，质量良好，也构成了飞机，汽车，摩天大楼，巨大轮船和坦克，军舰等现代社会构成的物质基础！这也是美国霸权的基础，所以新中国1957年会那么执着于钢产量，以为有了钢就有了一切，这才会有大跃进的荒唐！

到了现在气候问题成了决定人类生死存亡的大事。从前面的化学方程式可以看出，无论炼铁还是炼钢，都会产生大量CO2， 而产热的煤或焦炭，也是排碳大户。据统计，钢铁产业碳排放量占中国2019年总排放量的17%。如何降低钢铁行业的碳排放是绿色事业能否成功的关键之一！

基本的技术思路，一是在炼铁过程中以氢代替碳作为还原剂

Fe2O3 +H2----Fe+H2O

而在炼铁和炼钢的过程中，用电炉而不是煤炭加热，当然这里的电必须是绿色电而不是煤电。另外，尽量使用废钢铁回炉，减少生铁的提炼。以废钢为原料的电弧炉炼钢能够提高二级生产和回收，降低初级钢铁生产造成的排放，同时能够提高灵活性，满足需求波动。

当然，中国的事容易一锅上，就像以前的土法炼钢和现在清零。绿色事业一锅上，比如用的氢是炼焦炭产生的，用的电是燃煤产生的，那只会加重碳排而不是减轻。但事实上，在中国的体制下，这是很可能发生的！