第一节铁的介绍
在地球形成过程中，气态元素不断向外逃逸，形成地球大气；易熔性的碱金属及较轻的铝硅酸盐则富集于地球外层的地壳中；那些比较重难以熔化的镁、铁硅酸盐以及金属铁，则向地球深处集中。即使这样，铁元素在地壳中含量也很高，仅次于氧、硅、铝元素排第四位，约占5.5%。因此，地球内部含有丰富的铁元素。
第二节铁的特性
纯铁在常温下是一种固态的、质地柔软的银白色金属，密度为7.8克/厘米3。
纯铁有很好的延展性。被拉成细丝而不断，碾成薄片而不裂。可以用小刀来切割它。
纯铁有良好的传导性。能导热，用铁制杯子盛满热水后，会感受到杯子很烫手。能导电，声音在铁中的传播速度是5263米/秒。
加热到1535℃时，铁由固态变成液态；加热到2750℃，铁由液态变为气态。
纯铁能被磁性物体吸引，在磁场中，能被磁化，变成磁体。磁铁矿的主要成分便是四氧化三铁。
第三节铁的发现过程
1.铁的发现
铁是人类日常生活生产中常用的金属材料，在4万年前，人类就能辨认铁矿石并加以利用。
由于自然界中，纯铁极少，铁大多存在于铁矿中。
铁的熔点很高，要让铁从矿物中还原为纯铁，需要很高的温度，而古代人类当时只学会燃烧木柴取火。所以人们能从铜矿中炼出铜来，却无法从铁矿里炼出铁。
人们当时是借用磁石和赭石来辨别铁矿。
我们的祖先早在4万年前就把它从自然界中辨别出来，所以我们能成为世界上最早炼铁的民族之一。那时，北京周口店的山顶洞人就用赤铁矿做成颜料用来画画（赭石），用赤铁矿做成美丽的装饰品挂在身上。赤铁矿只要和炭放在一起，在800℃～1000℃中烧炼，就能还原成金属铁了，所以赤铁矿是自然界中最容易还原成金属铁的铁矿物。
在2000多年前的春秋战国时代，人们就有丰富的找矿经验了，而且冶炼技术也很发达。先秦的人们在书里记载着他们已经知道的铜、铁、铅、锡、金、银、汞的矿物分布情况。《管子》就是那个时候留下来的这种类型的书。
《管子·地数篇》中记载：“山，上有赭者，其下有铁。”这个赭，就是赭石。现在科学家已证实，很多铁矿的表面矿石，都会被风化成赭石，这是矿物共生现象。可见，古代人们对如何找矿、采矿，已经有了丰富的经验，并把这些宝贵经验都记录在书里。
2.铁的应用
5000年前，人们就开始使用铁了。那时，偶尔有天外飞来的陨铁，落入人间，被人们拾到，人们格外珍惜这个上天送来的礼物，把它制造成锋利的刀刃。
陨铁是地球上最早被人类找到的天然铁，它是天外的矿物，从宇宙掉落地球，它是自然界唯一存在的单质铁。陨铁中，铁占98%以上。在人类还没有掌握炼铁技术的时候，偶尔捡到的一块陨铁，就是稀世珍宝。当时用它制造出的兵器，那是绝世利器。
3.人工炼铁
在公元前1400年前，人们开始人工炼铁。
最早，人们无意中把铁矿石放在火中烧，结果，把铁矿石烧熔化了，熔化后凝固的东西很特别，它很像那个陨铁，这是人们最早炼出的铁。这样炼出的铁很少，人们很珍惜它，把它作为美丽的装饰物佩戴在身上。在公元前1400年，人们才用这种方法，尝试着从铁矿石中提炼生铁。
中国炼铁技术的起源：在公元前1700年的商朝，人们已经有了成熟的冶铜技术。冶铜技术是冶铁技术的基础。或许是当时在坚炉炼铜时，人们往炉里加入的铁矿石太多，当时炉温很高，无意中把铁矿石还原成铁。抑或是人们在坚炉中试着加入铁矿石冶炼，偶然得到了铁。炼铁术便是这样产生的。
1990年，考古学家在河南三门峡虢国墓地挖出了一批文物，就有数件玉柄和铜柄铁器。经过一番研究后，考古学家们一致认定，它们大多数是陨铁制品，但是其中有一件很特别，是人工炼制的铁制品。还有报道说，河北满城西汉汉墓遗址出土的铁器，也是人工炼制的，但还要等待专家们的鉴定。这些都是我国先民使用铁的迹象。这些迹象表明，在周朝，已经开始人工冶铁。
第四节人类炼铁和制钢技术的发展
1.古代炼铁
古代炼铁演进历程（1）熟铁的冶炼
在公元前1000年，在地中海东岸地区，那里的人们把铁矿和木炭放在一起，加热到800℃～900℃，还原出了人类自己炼制的第一块铁。这就是铁的“块炼法”。
（2）高炉的发明
炼铁必须有高炉来提供较高的温度。铁的熔点约为1500℃，如果没有高炉的发明，也就没有铁器的出现。
大约在公元前800年的周朝时期，中国的炼铜技术不断发展。周朝时期炼铜，总在炼铜材料里加入赤铁矿。
在炼铜的初级阶段，炼铜炉里的温度不高，只还原出了大量的铜，能还原出的铁则很少。随着炼铜技术的提高，炼铜炉里的温度也不断升高，被还原出的铁也越来越多。铜的熔点是1083℃，当铁也一起熔进铜时，铜的熔点就不断升高，这让人们又不断提高温度。要得到比较纯的铜金属，就要把炉温保持到1200℃以上。
这就是高炉会首先在中国出现的原因。这便是古代炼铁的装备。
（3）风箱的发明
要炼出铁来，需要很高的温度，铁的熔点为1500℃，那么当时人们是如何得到这么高的温度的呢？其实，在公元前1066年到公元前771年之间，中国西周的人们发明了风箱，用风箱鼓风能让炼铜炉里的温度升高，这样的炼炉叫做鼓风炉。开始，鼓风工具很简单，它能提高的温度很少。随着时间的推移、工艺的改进，发明了鼓风箱，鼓入空气，使燃料充分燃烧，从而释放大量的热，从那时起，人们才大量地生产出铜和铁出来。
（4）生铁的冶炼
在公元前600年左右，中国的土地上到处可见人们用“块炼法”炼铁的火热场面。在这火热的场面中，依稀可见另一种炼铁的方式，那就是生铁的冶炼技术。拭去岁月的尘埃，我们可寻见我们的祖先有悠久的炼铜历史，这让他们有机会做到用更高的温度、更强的鼓风技术还原出铁来。迈出了这一步，就迈出了冶铁历史上的最重要的一步。
（5）铸铁柔化术
公元前770年，长达五个半世纪的春秋战国时期拉开了序幕，铸铁的柔化技术也在这时诞生了。
发展背景：中国历史上长达五个半世纪的春秋战国时期(公元前770年~公元前221年)，仿佛是一锅沸腾的开水，变革像开水一样激烈地进行着，生产力也就像锅里的水一样，温度不断升高，最后沸腾。这是一个百家争鸣、百工争妍的时代，这是中国历史上第一次科学技术高度发展的时代。如果这个时代的人要拿出最先进的东西来，那么，他们会拿出铁制造的东西——铁器，是这一时期生产力发展的重要标志。人们使用铁器，工作效率也提高了不少。炼铁的方式-高炉炼铁得到快速发展。惊涛拍岸，卷起的是中国科学技术发展的第一个高潮，奠定了中国传统科学技术发展的基础；涛声阵阵，它与同期的古希腊分别在世界的东西两头涌起，交相辉映。
铸铁柔化术便是人们这时候发明的。人们利用这种方法，制造出刚性柔和的铸铁。而现代人们要想造出那样韧性较好的铸铁，则要用工业革命后发明的处理技术，才能造出来。
中国古代铸铁的特性是经柔化处理后，含碳量在2%~4%。这就改变了铸铁的性质，使坚硬的铸铁，不仅能够铸造成型，还可以进一步加工。
战国时期，铸铁柔化术已广泛地用于制造各种用具。它的热处理工艺可分为两种，每一种工艺都包含着先民的勤劳和智慧。
（6）铁器叠铸工艺和铸铁材质的改进
从公元前221年起，中国进入了秦汉时期。铁器叠铸工艺和铸铁材质的改进就发生在这一时期。
（7）中国冶铁技术的成熟
从公元前206年到公元220年，中国进入了封建社会的第一个鼎盛时期。那就是汉朝。中国的冶铁技术成熟于这个时期。这时，国家掌管了冶铁的一切事务，冶铁成了一种国家行为。
（8）灰口铸铁的熔铸
从汉朝开始，人们熔铸出了灰口铸铁。
（9）椭圆形高炉的发明
在河南郑州郊区的古荣镇出土的汉代高炉炉缸，我们今天看到它，就仿佛看到了我们祖先是怎样炼铁的。炉缸就是高炉下盛铁水的部分，汉代高炉炉缸是椭圆形的，长轴4米，短轴2.8米，炉缸容积约44立方米，它独一无二的巨大体积，当之无愧成为古代第一大炉缸。在鼓风机械不发达的古代，炉缸能从圆形变化为椭圆形，这是一个创举。
（10）用石灰石做助熔剂
在汉朝，或许是因为炉渣中黏结的沙子使高炉操作变得困难，这让人们不得不想办法来解决这个问题，于是人们发明了一种方法：在炉料中加入石灰石作为助熔剂，使沙子里的二氧化硅和石灰石里的氧化钙结合，降低了炉渣的熔点，改善了高炉操作，同时降低了生铁中硫的含量，改善了铁的品质。这是冶金史上重大的发明。
（11）水力鼓风
在公元25年至公元220年的东汉，人们使用水力鼓风来炼铁。
在冶金史上，又是一次改革的创举。
从三国、魏晋南北朝开始直到宋代，水力鼓风一直是人们炼铁时使用的工具；至元朝，水力鼓风便开始淡出人们的视线，今天很难再见到那样的水力鼓风机了。
欧洲很晚才开始用水力鼓风，大约在12世纪，到了14世纪，水力鼓风机才遍布欧洲。
（12）高炉内用煤炼铁
早期炼铁，用木炭做燃料。后来为什么会用煤来做燃料呢？那是因为森林资源有限，铁矿周围的森林被砍光之后，矿山就要面临报废的命运了。这就迫使人们想办法寻找新的燃料炼铁，于是在公元420年至公元581年的南北朝时期，人们找到了替代品——煤，为铁的冶炼提供了充裕的燃料，或许正是因为如此，炼铁业才得到更大规模的发展。
（13）大型铸件
从公元618年至公元907年，是中国的唐朝。唐朝的“贞观之治”和“开元盛世”，以及那个时代人们留下的着名诗篇，为中国古代历史增加了更多绚丽的色彩。盛世时期的唐朝不仅手工业，农业和工程建筑也蓬勃发展，而且有关铁铸件的故事也传奇般生动。
今天我们只能在唐朝留下的《集异记》里看到那个时代的大型铸件了。据《集异记》记载，隋代曾在晋阳铸成高达70尺的铸铁佛像。唐武则天时，用铜铁200万斤，在洛阳铸造“天枢”，高达105尺。而我们现在还能看到的中国最早的特大铸件，是五代时期铸造的沧州大铁狮，它是采用泥范铸造工艺来铸造的。
（14）鼓风机械-木风扇的发明
在公元960年至公元1279年的宋朝，人们发明了结构较为坚硬的木风扇，这种风扇由木箱和木扇组成，它不仅有风量大漏风少的优点，更重要的是它刚性比皮囊好，操作方便。木风扇在宋元时期较为流行，到了明清时期还依稀可看见它尚在应用的身影。这个结构牢固、体积又大的木风扇能够提供更大的风量、更高的风压，使冶炼过程加以强化，让铁的质量和产品得到提高，促进了冶铁工业的迅速发展。
（15）用煤炼铁的普及
宋元时期，作为钢铁冶炼燃料的是煤炭，煤炭大量开采，日益普及。而用煤炼铁，能让火力得到加强。
用煤炼铁，缺点是煤在炉内受热碎裂，使炉料透气性变差，高炉不易顺利生产，煤中含硫高，用煤炼铁引起生铁中硫含量升高，降低生铁品质。因此，当焦炭出现在炼铁行业的时候，煤就被焦炭取而代之。
宋代的炼铁炉其实和两汉时期差别不大。有的学者认为，宋代炼铁工艺的重要成就是用煤炼铁。北宋时期徐州用煤炼铁的规模已经很大，北宋大文学家苏轼在经过徐州时，看见了壮观的炼铁场景，感慨万分，写下了《石炭行》：“根曲一发浩无际，万人鼓舞千人看，投泥泼水愈光明，烁玉流金是精悍。南山栗木渐可息，北山顽矿何劳锻，为君铸作百炼刀，要斩长鲸为万段。”
（16）西方科技传入
公元1368年至公元1911年，中国处于明清时期。在这一时期，西方资本主义崛起，在明末清初，即16世纪末到18世纪初(明万历年间到清康熙年间)的一百多年里，一些人从西方带着科技知识来到中国。当时西方近代自然科学知识在中国很受欢迎。那时候中国科学技术的发展很缓慢，死气沉沉。西方近代自然科学知识的传入，为中国传统科学技术注入了新的活力，中西科技的融合，就像两个老朋友谈话，聊得十分投机。然而，自清朝中叶推行的闭关锁国的对外政策，使中国传统科学技术向近代科学技术的转化受到了阻碍。
使中国与大步进入资本主义的西方国家相比，在科学技术迅速发展上大大落后了。
明清时代矿冶技术虽然取得一系列重要成就，但资本主义萌芽却一直没能成长起来。在欧洲工业革命后，中国矿冶技术的长期领先地位如逝去的春天，一去不复返了。
（17）焦炭炼铁
公元1650年前后，明朝有位叫方以智的人，他写了一本书叫《物理小识》，里面描述了这样一个有关炼焦及用焦炭炼铁的过程：“煤则各处产之，臭者，烧熔而闭之成石，再凿而入炉，曰礁，可五日不绝火，煎矿煮石，殊为省力。”它告诉我们，明朝已经开始使用炼焦煤了，这里所说有臭味的煤，是指含挥发物较多的炼焦煤。
那么，什么是炼焦呢？焦炭是如何炼出来的呢？炼焦就是将含挥发物较多的炼焦煤在密闭条件下，高温煅烧，炼成坚硬的焦炭。
