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揭秘中国古代冶铁业 汉末发明"灌钢法"节省人力

时间:2016-10-29 18:55:41分类:演义趣闻来源:中国历史网

揭秘中国古代冶铁业 汉末发明"灌钢法"节省人力

十七世纪以前,中国至少有十项冶铁技术处于世界领先地位。

近日,一年一度的“全国十大考古新发现”评选活动落下了帷幕,各入选项目如同一幅幅生动的画卷,向我们展示了或熟知或未知的历史往事。

作为八大古都之一的北京,在沉寂了25年后凭借延庆大庄科乡的“辽代矿冶遗址群”,再次获得这项殊荣。如此珍贵的获选,不禁让人想要去了解中国古代冶铁技术是如何发展起来的,以及那些有关的历史故事。

争论

冶铁技术源自中国还是西方?

钢铁冶炼技术是中国的传统强项,公元一世纪罗马帝国的博物学家老普林尼在其著作《自然史》中曾说“在所有的各种铁之中,以中国铁为最好。中国人把它连同各种织品和皮货输送给我们”。17世纪以前,中国至少有10项冶铁技术处于世界领先地位,对世界文明作出了巨大贡献。虽然取得了这些伟大成就,但中国铁制品的出现较晚,迄今为止,公认中原地区最早的人工冶铁制品发现于公元前8世纪的河南三门峡虢国墓地,比西亚赫梯人的人工冶铁要晚了1000多年。虽说西亚与中国远隔千山万水,但千年的时光似乎也够这项技术伴着悠悠的驼铃晃到黄土大地了。那么冶铁技术究竟是从西方传入,还是本土起源的呢?

关于冶铁技术起源问题的争论在学界由来已久,支持本土起源的多是依据中国在春秋时期已知冶铸生铁,像杨宽先生80年代就提出,中国冶铁技术的发明,同亚洲西南部、欧洲、非洲所有国家的冶铁技术是毫无关联的。《中国科学技术史·钢铁分册》的著者华道安90年代也曾说道,冶铁术是在公元前5世纪初在中国南方独立发展起来的,最早使用铁的地区是吴国,就是著名铸剑大师干将莫邪居住的地方。但随着西北地区越来越多材料的发现,冶铁术从西亚经新疆,过河西走廊传入中国的路线逐步清晰,更多的人也开始支持冶铁技术是从西方传入的。不过,这时从西方传入的仅仅是比较原始的块炼法,也就是把铁矿石炼成海绵状的铁块,经过反复捶打,塑造成型,这样炼出的铁产量低,费工多,劳动强度大,浪费原料多,还不够坚固耐用,只有通过接下来中国工匠对冶铁技术的改良,铁器才得以大放异彩。

战国时期的铁制农具

发展

战国时期铁器使用发生了翻天覆地的变化

虽说在铁器出现的时间上中国远远落后了西亚一大截,但冶铁技术一经传入就进入了高速发展时期。春秋时期的铁器还极为贵重,考古发现的铁器往往镶嵌于其他材质中出现在贵族墓葬,像前面提到的虢国墓地发现的就是一把铜柄铁剑,河南淅川下寺的楚墓中更是发现了玉柄铁匕,可见当时的铁器奢华而昂贵。

而到了战国时期,铁器的使用已经发生了翻天覆地的变化,据《管子》记载,仅齐国一地“出铁之山三千六百九”,齐国故城的勘探中就发现冶铁遗址六处,证明了战国时已进行大规模冶铁生产。这一时期,各种制作和加工铁器的技术迅猛发展,影响最大、意义最深远的有铸造技术和炒钢法、可锻铸铁的发明。前者将铁矿石化为铁水,注入先前准备好的模具中冷却成型,能够更方便地进行大规模生产,后者将生铁转化成韧性更强的钢,使铁的适用范围进一步扩大。这些成就了中国一直领先于世界的技术,是我国最为钢铁大国的立身之本。

铸造技术、可锻铸铁的发明与中国先进的冶铜技术密不可分,古人很可能在冶铜中积累了很多经验,先进的炉形、鼓风技术等能够很容易使冶炼炉达到高温,这些技术借用至冶铁行业,便迅速改变了块炼铁一统天下的局面。经过这项技术,铁的可塑性、韧性都得到极大加强,大规模批量生产使得铁质农具、工具得以广泛应用,对当时的农业和社会产生了革命性的影响。而铁器出现较早的新疆及其以西地区,由于缺乏高温技术,一直处在块炼铁的阶段,直到张骞通西域时仍“不知铸铁器”。

到了汉代,政府对铁业进行全面垄断,钢铁成为了国家财政的重要支柱。汉代的冶铸遗址已发现了二十多处,著名的像河南巩县铁生沟,发现了炼铁炉18座、熔炉1座、锻炉1座、藏铁坑7处、矿石坑1个、配料池1个,还有各种铁器和铸范等等,显示了当时的冶铁生产已经具备了很大的规模。

平稳

汉末“灌钢法”的发明节省人力物力

汉末大乱,铁的生产遭到很大破坏,接下来的南北朝时期,冶铁生产主要是在恢复战前的水平,自然难以发生像块炼铁到铸铁这样革命性的变化,但技术的发展仍没有停歇,其中就要提到一位名叫綦母怀文的人,他曾使用“灌钢法”冶炼钢刀,是目前所知灌钢法最早的实践者和革新者,为这项技术的发展作出了无与伦比的贡献,也因如此,綦母怀文受到“中国人民的老朋友”李约瑟博士的高度肯定。

在綦毋怀文之前,刀剑等锋利武器主要通过反复捶打的“百炼钢”技术制成,费工费时,制成的刀剑价格昂贵,而灌钢法通过将液态的生铁浇注在熟铁上,经几次熔炼,使生铁、熟铁内碳含量平衡,成为钢。由于将液态生铁作为渗碳剂,碳的流动速度大大提升,节省了很多人力物力。

隋唐时期的冶铁技术在之前的道路上继续发展,没有太大的突破,有些乏善可陈。不过这一时期有一个小片段可以和接下来辽代的冶铁相衔接。钢铁冶铸业最早只是在中原地区比较发达,南北朝时期长江流域的铁器制造逐步发展起来,到了唐代,位于东北的渤海地区也有了铁器生产,《新唐书·渤海传》就记录了“铁州”的名字,肯定是因为当地产铁著称而取名。辽初耶律阿保机征服渤海后,在铁州“置采炼者三百户”,这也是辽代冶铁业一大技术渊源吧。

加速

宋代最大技术突破是燃料改进

说了这么久终于来到了本次考古大发现的时代——辽宋。这一时期是钢铁冶金技术发展的另一个重要时期,北宋铁产量激增,农具、武器甚至钱币都用铁铸造,魏晋时期出现的灌钢法、百炼钢等技术在宋代广泛推广,这些在沈括的《梦溪笔谈》中都有详细的记载。宋代最大的技术突破是开始大量用煤炼铁,缓解了传统木炭燃料短缺的问题,并能获得更高的炉温,提高冶炼效率。不过用煤作为燃料也有不好,那就是煤炭燃烧过程中释放的硫会影响生铁的质量。

对这一时期冶铸行业发展的研究一直以来都以宋朝为主,对于占据了半壁江山的辽代我们了解的尚不深入,辽的冶铁业与宋相比都有什么创新?孰高孰低?又有什么差异?这次延庆大庄科辽代矿冶遗址群的发现,就为了解这些问题打开了一扇窗口。遗址群中,从采矿、冶炼,到工匠们工作、居住场所“一条龙”都有发现,就让我们通过对遗址内方方面面的观察,让辽宋冶铁业之间一争高下吧。

燕山地带有大量矿藏,辽代之前的奚人就利用燕山地区的矿藏进行车辆、兵器的生产,现在的河北平泉、宽城、滦平、隆化等县曾多次发现大规模的辽代采矿和冶炼遗址。大庄科乡的矿产资源也十分丰富,迄今共发现的5处矿山,分为矿洞式开采和露天式开采两种,每处铁矿的矿石种类略微不同,大多为磁铁矿,有些夹杂赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿等。水泉沟炼铁炉中铁渣的测定显示,这些遗址冶炼用的矿石极有可能就是就近的5座矿山运输而来,证明了临近矿区冶炼是辽代矿冶业的一大特点。与之相似,宋代的钢铁主要产区也都在铁矿附近。

矿石通过怀抱遗址群的怀九河、铁炉河运到冶炼区后,就是炼铁炉大显身手的时刻了。大庄科矿冶遗址内发现的炼铁炉不仅是目前为止最为集中的,而且也是保存最为完好的。前文提到的汉代巩县铁生沟遗址,那里发现的炼铁炉只遗留了基座部分,而水泉沟发现的炼铁炉最多保留了高于地面4米左右。水泉沟的炼铁炉与汉代相比有众多改良,汉代的炼铁炉用土夯筑,呈馒头形,而水泉沟的冶铁炉用石头垒砌,更加耐高温,外形类似啤酒瓶的上部,细脖子,大肚子,更利于炼渣向下走。水泉沟的炼铁炉与汉代有些炼铁炉相比容积较小,这可不是退步的表现,而恰恰是古代铁匠们在生产中经验的总结。容积过大而又不能很好地散热很容易造成炉内压力过大而爆炸,《汉书》中就有公元前91年和27年炼铁炉爆炸的记载,“地陷数尺,炉分为十”,听起来就十分惨烈,在这样的情况下只有适当减小炼炉容积才能保证安全。

炼铁炉内至今仍能够看到玻璃态的物质,那是铁矿石化成铁水后在炉内留下的痕迹,根据它的流动状态,专家们判断这处炼铁炉已经能够实现较好的渣铁分离。通过对炉渣的成分分析可知,炉渣内含硫量较低,进一步可知炼铁燃料并非煤炭而是木炭。前面说过,宋代冶炼业的一大发展就是燃料的改进,但大庄科遗址中仍用木炭作为原料,不知是由于辽的采煤能力不如宋,还是害怕煤炭产生的硫影响生铁质量。

铁矿石炼成生铁块或钢块后,就可以进行进一步的加工,制成我们熟悉的铁制品了。在距离水泉沟冶铁炉100米的地方,发现了占地20000平方米的生活、作坊遗址。遗址区发现了南北向的道路,与水泉沟、汉家川的冶炼区相通。道路上至今可见10条清晰的车辙痕迹,那深深的辙沟,似乎让我们觉得满载着生铁块或铁制品的牛车、马车仍在这些道路上熙熙攘攘地穿行着。宋朝境内的矿冶遗址尚没有这么大的发现,也难以推断铁匠们的具体生活,不过神宗年间,苏轼曾上书提及徐州附近铁冶的情况,当时这一地区已有36个民营作坊,各有百余名工人,似乎比大庄科矿冶遗址的生产规模更大。元明清时期并无实质上的飞跃。

衰落

元明清时期并无实质上的飞跃

解决燃料问题后,中国的冶铁业一路高歌猛进,元代仅在腹里地区,即今山东、山西、河北、河南就前后设铁冶26所,每地冶户多达760~6000户,可见当时规模之庞大。此外,江浙、湖广也有铁器生产,除腹里外,元代征收的钢铁税“独江浙、湖广之课为最多”。明洪武六年,在全国置铁冶13所,为使南北平衡,南方设6所、北方设7所,但南方的产铁量已远远超过了北方,不过为了钢铁生产的平衡,明朝中、后期在河北遵化开设了著名的“遵化铁冶”,是当时最大的钢铁生产基地,工人最多时曾达2500多人。

清代的矿冶依然保持着很高的产量,全国共有135处铁矿产地,制作作坊更是不计其数,著名的铁厂北有汉中,南有佛山。土法冶铁在乡村得到了极大的普及,据不完全统计,在1920年,全国经土法冶铁获得的铁产量仍在15万吨以上,大量的普通农民都在农闲之时参与冶铁。

元明清时期中国的冶铁业看起来仍是一片欣欣向荣发展的景象,但实质上,与前代相比并无实质上的飞跃,依然是以人力和畜力为动力源的传统手工业,某些私营铁厂,产出效率不高,平均每人每天不足3斤,而且由于缺乏通风排水设备,铁矿在夏秋两季常不能生产。

与此同时,工业革命于十八世纪六十年代在英格兰中部地区开始出现,一系列技术革命引起了从手工劳动向动力机器生产转变的飞跃,近代高炉炼铁迅速取代原有生产方式,依靠机器生产和科学技术的冶铁工业开始萌芽,到1840年,英国的生铁产量达到140万吨,已是中国的数十倍,中国的冶铁业在繁荣的表象下已经远远落后于世界水平。

最后的最后,当我们回顾完中国冶铁业的发展历程,李约瑟曾提出的问题不禁又萦绕在了耳边,尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献,但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生?中国近代科学为什么落后?也许只有解决了这些问题中国才能在日益激烈的技术竞争中拔得头筹,屹立于世界民族之林。

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