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我国人工冶炼铁较西亚两河流域和埃及要晚。据现存记载和对出土文物的考察，大致可追溯到春秋时期，再早的传说和推测就不大可靠了。《左传》记载，春秋时晋国人赵鞅曾率军队到汝滨，在那儿征收生铁，铸造了一个刑鼎，上面铸书了范宣子的刑书。《管子》一书(虽为后人托名管仲所撰，成书较晚，但内容多取材于春秋时齐国官府的档案)曾记载：“凡天下名山五千三百七十一，……出铁之山三千六百有九”。东汉时人赵晔的《吴越春秋》说：春秋时吴王阖闾命工匠干将“采五山之铁精”进行鼓冶，锻造宝剑，他在妻子莫邪的协助下终于炼成两把锋利无比的名剑。这些记载都是有较大参考价值的。从出土文物看，迄今最早由人工冶炼的铁器可举出这些：在甘肃灵台出土了春秋晚期的铁柄铜剑；在江苏六合县程桥出土了春秋晚期的块炼铁铁条和生铁丸；在长沙识字岭楚墓出土了生铁臿(锹)；在长沙窑岭山出土了楚国铸造的铁鼎。从时间上看与文献记载大体一致。当然，在更早的时候，我国先民还曾接触过陨铁，不过那不是人工冶炼的。例如，1972年在河北藁城县台西村商代中期遗址中出土过一件铜钺，其上镶有铁刃，经过科学鉴定，那是用陨铁嵌铸到铜钺上去的。那么怎样鉴别人工冶炼的铁和陨铁呢？主要根据是两条：其一是古代的人工冶铁中必然含较多的硅酸盐类夹杂物，而陨铁中不会有。其二，陨铁中总含有较高含量的镍(大约5%)和一些钴，而且镍、钴在铁中的含量呈高低相间的分布。 在古代，炼铁的原料主要是富铁矿石(赤铁矿)。把它与木炭混合后，放在炼炉中点火鼓风，进行冶炼。木炭燃烧，既造成高温，又生成还原氧化铁的一氧化碳。实际上需要的冶炼温度要在1000℃以上。按照一般的发展规律，原始的冶铁可能只是利用自然通风或用皮橐鼓风，温度不会太高。生成的铁不致液化，所以产品是半熔融状态的铁块，矿石中的其他未还原物质和岩石类杂质(矿渣)不能离析出来，便与铁形成一个熔块，因此得趁热反复锻打，挤出其中大部分的夹杂物。这种铁就叫做块炼铁。生产这种铁费工多，劳动强度大，生产效率也低。但它含炭极低，接近于纯铁，熔点虽高，但质地柔韧，易于锻造加工。随着冶炼技术的提高，人们不断加高炼铁炉的身高，强化鼓风，炼铁炉逐步从地坑式发展成竖炉式，燃烧强度就会加大，产率就会提高。但也引起新的问题，随着冶炼温度的升高，铁中渗入的炭量也会增加，矿石中的硅、硫、磷经过还原后也会渗入铁中，这样便会得到另一品种的铁，即生铁。因含硅、硫、磷等杂质，熔点会降到1150℃左右。固然容易获得铁水，与炉渣可以较好地分离，也便于铸造，而且生铁质地坚硬耐磨。但也出现了严重的缺点，即非常脆，几乎完全失去了锻造的性能。 从冶铁进步史的角度来看，值得重视的是我国生铁与块炼铁居然同时出现，而在欧洲，虽然很早就掌握了块炼铁技术，但到14世纪才利用生铁。我国所以能在较早的时期就炼出了生铁，大概与我国青铜冶炼技术的高度发展有关。因为像铜绿山冶铜遗址中所发现的那种鼓风式竖炉如果强化鼓风，那么在加入铁矿石的情况下就有可能炼出生铁来。 我国这两种冶铁工艺在相当长的一段时间里是共存的。块炼铁虽然工效低，但工艺和设备简单，产品又有优良的锻造性能，在炭火中进行渗炭，即可成钢，因而是古代锻造铁和钢的重要原料，它适应了当时社会锻制兵器和工具的需要。自春秋晚期以后，历代的以块炼铁或以它为原料的渗炭钢所锻造的器物几乎都发现了。例如大冶铜绿山古矿井出土了锻制铁工具；西安半坡战国中晚期墓葬出土了铁凿；河北易县燕下都出土了各类锻造兵器；河北满城汉墓出土了铁兵器，包括中山靖王刘胜的铠甲(由2859片锻铁甲片缀成)，它们都是块炼铁的制品。即使在西汉末期发展出了炒钢技术以后，块炼铁仍然流行，例如北京顺义县东汉砖石墓出土的铁器、陕西唐代懿德太子墓出土的铁剪、北京元大都顺承门外(今宣武门内)出土的长铁刀，还都是用块炼铁(或夹炒钢)锻制的。 我国古代的生铁则先后发展出了四个品种。白口铁出现最早，前述六合县程桥出土的铁丸和长沙出土的铁鼎都是典型的白口生铁制品。其中所含的碳以碳化铁状态存在，这种生铁质硬而脆，断口呈银白色。它的优点是耐磨，所以适合制作犁铧之类的农具。我们的祖先很快就给它找到了恰当的用武之地。第二种生铁是灰口铁，因为其中含硅较多，而它能促使铁中的碳石墨化。因此小片的石墨使这种铁的断面呈灰色，而基体变成了含碳低的铁，所以其脆性减小。这种铁的铸造性能好，凝固收缩小，适用于铸造较精巧的物品。目前最早的灰口铁出自满城汉墓，是用来制作车上的锏(轴承)。由于灰口铁中含有石墨片，有一定的润滑作用，所以制作轴承正是它的专长。第三种是麻口铁，其性能介于上述两种生铁之间，在铜绿山和满城汉墓都出土了麻口铁制品。第四种是韧性铸铁。当把白口铁加热、保温，缓慢冷却时，其中的碳便会以团絮状石墨析出，而基体相当于低碳钢或中碳钢，这种过程现在叫“退火”，我国古代把这种工艺叫做“柔化处理”，所得的生铁就是韧性铸铁，这是冶金史上的一项重大发明。这种处理技术，我国先民早在战国时期就开始摸索，在两汉至南北朝期间得到了广泛的发展。出土的韧性铸铁器物则不胜枚举。 历来的生铁主要消耗在铸造各种农具、车具上。另外还有一些别的利用，说来饶有趣味。南宋以后曾用生铁大量铸造炮身，有的炮身长达数米，重量从数百到数千斤；西汉中山靖王墓的夹墙里、唐代乾陵墓道的砌石间、著名的隋代赵州桥的石块间原来都浇灌了生铁水，难怪坚固无比，这种工艺叫做“冶金固隙”；河北沧州后周所造的铁狮子是用10余万斤生铁铸造的；山西晋祠的四个大铁人则是赵宋时的大型生铁铸件；浙江雁荡山能仁寺的大铁锅，直径达2.2米，注明宋代元祐七年(公元1092年)造，重达27000斤。此外，古代铸造的铁塔很多，泰山有一座明代嘉靖间铸造的铁塔，13层，全高竟达10多米。 如果说我们的祖先在生产和利用生铁方面总结出过丰富的经验，那么他们在摸索多种多样的炼钢工艺上，则贡献出了更多的聪明智慧，发挥出了更大的创造才能。可以说，我国是世界上最早生产钢的国家之一，如果抛开那些不大可靠的传说和揣测，比较确凿的记载和出土文物可以证实，早在春秋晚期，即冶铁诞生不久，就已向炼钢过渡。 从长沙杨家山65号楚墓(春秋晚期)中曾出土一把铜格铁剑，经金相检验，证明它是钢制的，这是目前发现最早的钢器。在易县战国时期的燕下都也出土过钢剑，经过检验，揭开了战国时期炼钢技术的奥秘。它是以块炼铁为原料的，把它放在炭火上加以锻打，在排挤出其中夹杂物的同时，炭从表面渗进去，所以形成表面炭多，内部炭少的现象。锻打后铁片延伸，工匠便折叠起来继续锻打，并打制若干片锻接成剑身。因此在剑的横截面上就形成了含炭高低相间的分层结构。这就是中国最古老的所谓渗炭钢的炼钢方法。工艺比较简易，所需温度也比较低，当然生产效率也较差，质量也不大好。还值得一提的是，燕下都出土的渗炭钢有的业经淬火。可能初时是工匠们为了使锻成的刀剑冷却得快些，便趁热把它浸到冷水中，后来发现这样做可使钢变得坚硬，于是便逐步形成了一项专门的淬火工艺过程。 工匠们在炼制渗炭钢的过程中，当然会发现反复加热锻打，次数越多钢件就越坚韧，于是便发展出了百炼钢工艺。“百炼”可以使钢的成分均匀化，夹杂物减少和细化，使钢的质量显著提高。这种钢可算是我国古代钢铁材料中质量最高的品种。冶金史家们曾检验了满城汉墓中的刘胜佩剑，就是百炼钢制品，而且刃部经过局部淬火，所以背部柔韧而刃部坚硬、锋利，可谓柔刚结合。这正是《汉书·王褒传》中所说：“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋。”这表明淬火工艺在西汉时已达到成熟阶段。这种钢质量固然很高，但可以想象，“千锤百炼”是十分艰辛的劳动。据说，曹操曾请名匠为他炼制五把宝刀，竟费了三年之久。他把这种刀称为“百辟刀”，意思是说它极为锋利，连妖魔鬼怪都会被它吓跑。也正因为这类制品锻造辛苦，手艺精湛，所以备受后人称颂。浙江省龙泉县相传是欧冶子曾经造剑的地方，后人建有欧冶庙，至今仍是“龙泉宝剑”的产地，享誉中外，也正因为那里的匠师们继承和发扬着我国两千多年来的百炼钢传统工艺。 西汉后期，在我国炼钢史上出现了一次重大的技术革新，创造了以生铁炼钢的新工艺，那就是“炒钢”。炒钢是把生铁加热到熔化或基本熔化以后，放在陶质熔池中继续加热并不断搅拌，借助空气中的氧把生铁中的碳及硫、磷等部分地氧化掉而成为钢(图2-4)。当然，在古代的技术条件和知识水平上，炒钢中的碳含量很难控制在理想的状况，而往往是一炒到底，把生铁炒成了熟铁，所以炒熟铁与炒钢实质上是一回事，熟铁就是含碳已极少的炒钢。在东汉以后，随着炒钢一熟铁这种新工艺的出现，有些百炼钢就转而改用熟铁为原料了。在山东临沂地区苍山出土过一把东汉永初六年(公元112年)造的“三十炼”大刀，是目前发掘到的最早的以炒钢为原料的百炼钢类型制品。这种百炼钢质量极高，东汉后历代名剑宝刀多是用这种工艺锻造的。《晋书》记载，有一种名叫“大夏龙雀”的百炼钢刀，被誉为“名冠神州”、“威服九区”，大约就是以炒钢为原料锻造的。 大约在晋一南北朝时期，又有一种别开生面的“灌钢”技术问世。这种炼钢工艺的科学原理是根据生铁含碳分过高，质硬而脆，熟铁含碳又过低，质柔不坚。而生铁较熟铁相对来说熔点相当低，如果把生铁与熟铁相互配合，放在一起加热，则生铁熔化，渗入熟铁中，两者性质便会折中起来，所以“生熟相加，炼成则钢”(宋应星语)。这种炼钢工艺到了南北朝时期就有了明确的记载，当时南朝的一位医药与炼丹大师陶弘景就说过：“钢铁是杂炼生鍒〔rou柔，指柔软的铁，即熟铁〕作刀镰者。”东魏的一位道士綦〔qi其〕毋怀文曾用这种钢锻造了一把宝刀，称之为“宿铁刀”，据说极为锋利，他作过一次表演，把铁甲叠成30札，手起刀落，竟截为两半。那么又为什么叫“宿铁”刀呢？《北齐书·方伎列传》有所说明：这种刀所用的钢是使生铁与熟铁同宿一起，如两性交配一样，把生铁精烧熔后灌注到熟铁中去，连宿数次，于是成钢。当时的匠师们对钢和铁还没有多少科学知识，居然能从祖祖辈辈的长期炼钢经验中总结出这种巧妙的方法，实在令人惊叹佩服。到了宋代，灌钢工艺更趋成熟，北宋学者沈括的名著《梦溪笔谈》对它的介绍就更清楚了。那时是把熟铁条屈绕成盘，把生铁块嵌陷在盘条间，用泥封固起来，入炉烧炼，炼成后取出锻锤成钢。他说这种钢也叫“团钢”。这种工艺一直到明代仍很流行。宋应星的《天工开物》中也有翔实的介绍。 |
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