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灌钢是一个很令我头痛的论题。因为仿佛约好了似的，中国学者专家对灌钢制品质量都闭口不谈。至今我没有见到一个对灌钢制品的科学检测报告，虽然从别的言论可以得知，灌钢制品是有出土的。更何况封建时代后期钢铁制品完全可以传世，连土都不用出。这对灌钢这种封建时代中后期主要的钢品种显然是不公平的。不过专家如此，我也没有办法，所以这节只能根据古书和一般的科学，尤其是冶金学常识进行描述，如果今后有实物检测报告证明我的描述不对，我乐于修改。 图文无关 在铸造生铁之后，人们必然会想到：能否用较硬而脆的生铁跟较软而韧的熟铁结合起来，制造出硬韧具备的钢。中国人是世界上最早真正利用铸铁的民族，而杂合生熟铁的尝试也是最早的（罗马人的“擦生”算不上试图把生熟铁结合为钢，而且只是一种偶然的尝试），这种尝试的成果就是灌钢技术。 最早的灌钢技术记载是王粲的《刀铭》：“灌襞已数、质象已呈。”西晋张协《七命》中也说：“乃炼乃烁，万辟千灌。”而比较具体的是前面所说《北史》卷九十（有的作卷八十九，不知何故）《列传第七十七艺术上》 所载：“怀文造宿铁刀，其法，烧生铁精以重柔铤，数宿则成刚。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斩甲过三十札。今襄国冶家所铸宿柔铤，是其遗法，作刀犹甚快利，但不能顿截三十札也。”从这里看不出的具体技术过程。不过有三点是可以明确的：一、綦母怀文的“宿铁刀”是用生熟铁杂合制钢锻造的，要点是加热铸铁直至熔化，设法使之渗入熟铁中，这种钢需要几天几夜才能炼成，看来技术比较复杂，耗费工时较多；二、綦母怀文在中国历史上第一次提出了以熟铁为本体，以钢为刃的正确焊接原则；三、綦母怀文尝试过不同的淬火液。 綦母怀文的成就具有重要的甚至可以说是决定性的意义。第一、他发明了一种相对简易的炼钢方法，这就给了铸造铁器以沉重打击。中国从青铜时代开始，就严重缺乏锻造和热处理经验，无法像其他大文明一样直接走表面渗碳制钢的道路。而灌钢法使中国人得以绕开这条艰难之路，按照后来宋朝时期的灌钢法，锻造铁体钢刃农工具是比较容易的（相对表面渗碳而言），从南北朝开始，锻造铁器开始逐渐排挤铸造铁器；第二、焊接技术也从此普及，这就为更加优质的兵器和农工具的出现开辟了广阔的道路。像早期百炼钢刀那样脆的兵器从此不再出现，而局部淬火的重要性也下降了（淬火对熟铁影响不大）。綦母怀文不愧为中国冶金史上的杰出人物。 据《重修政和经史证类备用本草》卷四《玉石部》引用的陶弘景的话说：“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者。”可能南北朝时已经把灌钢作为一种普遍运用的制钢法了。至于它的发明时代，估计是在东汉末年。 南北朝之后，灌钢法不断发展，逐渐成为中国古代最重要的炼钢法，然而它也逐渐走向了它的反面，从帮助锻造铁器打败铸造铁器，到阻碍锻造技术在中国的发展。灌钢发生这种转变的原因到底是什么呢？ 沈括的《梦溪笔谈》是最早详细介绍灌钢法的古书，有关的卷三《辩证一》内容如下：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之‘团钢’，亦谓之‘灌钢’。此乃伪钢耳，暂假生铁以为坚，二三炼则生铁自熟，仍是柔铁。然而天下莫以为非者，盖未识真钢耳。”这里比较清楚的说明了宋代灌钢的一般工序。将熟铁锻成细条，然后盘成一团（大概类似蚊香），然后把生铁片置于熟铁“蚊香”之上，这是我设想的理想炼法；或者把熟铁条卷成螺旋状，然后把生铁片塞入螺旋之间的空隙中（杨宽的说法）。然后用泥封住炉灶（杨宽说法），或者是封住铁团本身（根据明朝炼法估计），开始燃烧加温，直到１２００摄氏度以上，生铁熔化，由于泥封，生铁不会因氧化脱碳，而是变成铁水流入熟铁之间，然后冷却取出铁团锻打，就宣告炼制成功。 听起来这是不错的办法，技术简单，成本低，而炼出来的是钢。然而我们不要忘记两个问题：一、铁水本身，不是好的渗碳剂。除了中国的灌钢和欧洲曾短暂尝试的弥散法之外，古今都没有采用生熟铁杂合炼钢法的，尤其现代炼钢业无一采用这种方法，这就很能证明问题了。铁水是一种粘稠的液体，这种特性使碳分和其它杂质较多的留在它内部（不要忘记灌钢时铁团已经被泥封起来了，氧化现象是比较少的）而较少扩散出去。通俗的说，让铁水熔化渗入熟铁，使它渗碳，就好像把白糖洒在白饭上面，然后放入锅里蒸，指望它从内到外变得一样甜那么困难（相信这里的人都有些生活经验）。绝大多数情况下，只能使碳分渗入熟铁较浅部位，而冷却后的铁水，成为钢中的高碳部分。也就是说，灌钢的特点就是含碳量不均匀；二、更简单的问题，地球重力。铁水熔化后会向下流，冷却后造成钢坯下部含碳量较高而上部含碳量较低——仍是含碳量不均匀。 解决这个问题的方法有二：一是重复这一过程。前面所说早期灌钢耗费工时较多，可能就跟反复灌有关。然而，灌成钢团之后，它的塑性会变得很差，比如沈括所说把熟铁锻成细条，卷曲起来，这要对钢进行就要困难得多，甚至于不可行。而只灌一次的钢，显然是因为碳分不均匀的问题而被看不起的。二就是改进灌钢法。在明朝出现了两种改良灌钢法。 方以智《物理小识》卷七《金石类》所说：“灌钢以熟片加生铁，用破草鞋盖之，泥涂其下，火力熔渗，取锻再三。”这里主要强调要多次灌、锻。也可以看出明代炼钢炉并不封闭炉口，这样便于氧气进入而提高温度。需要封闭的只是铁团本身。而《天工开物》卷十四《五金》介绍了进步的灌法：“凡钢铁炼法，用熟铁打成薄片，如指头阔，长寸半许，以铁片束包尖紧，生铁安置其土〔上〕（广南生铁名堕子生钢者妙甚），又用破草履盖其上（粘带泥土者，故不速化），泥涂其底下。洪炉鼓鞴，火力到时，生钢先化，渗淋熟铁之中，两情投合。取出加锤，再炼再锤，不一而足。俗名团钢，亦曰灌钢者是也。”（括号内是宋应星本人的注释）这种技术的重点是：一、熟铁片不再打细，因为比较疏松的熟铁有助于碳分渗入；二、明确生铁置于熟铁之上，这样可以比较好的利用重力使铁水渗入熟铁之间；三、仍强调要多次灌、锻。因为产品不再需要打细卷曲，所以可以多次重复灌钢。 这种技术的问题是：一、一厘米多厚的熟铁片，看来是没有经过多次锻打的，这样的铁片比较疏松，好处是对渗碳有利，坏处是铁中杂质没有除尽，这就需要对炼成的钢认真锻打，对体力和经验的要求较高；二、长５厘米，厚一厘米的铁片，基本上是不可能渗碳完全的，何况渗碳剂是铁水；三、铁片夹紧熟铁，究竟“紧”到什么程度？如果太紧，铁水难以进入熟铁之间的缝隙，进一步加重渗碳不完全的毛病；四、地球重力造成的成品上下部含碳量不一致问题依然没有得到解决。因此需要一个终极解决办法。这个办法就是苏钢法。 最早记载苏钢法的是明唐顺之《武编·前编》卷五“铁”条，其中提及了传统的灌钢法，其次就是如下语句：“或以生铁与熟铁并铸，待其极熟，生铁欲流，则以生铁于熟铁上，擦而入之。”从这段画看很难分清到底这种技术的细节是什么，它到底是擦生还是苏钢法？现在可以肯定的是苏钢法到清朝才流行起来，逐渐取代了灌钢法。 根据清末、民国和共和国初期的调查，苏钢法的工艺过程是：先把熟铁料放到炉里鼓风加热，后把生铁的一端斜放到炉口里加热。当炉温达到一千三百摄氏度左右时，炉里生铁不断熔滴，熟铁料已经软化，便用钳子钳住生铁块，努力使铁水均匀地浇淋到熟铁上。浇淋完毕后，停止鼓风，夹出钢团，上砧锤锻，去除杂质。一般要重复这一过程两次。 毫无疑问，苏钢法实际上已经超越了灌钢法，成为一种全新的高明的炼钢方法。它最绝妙的好处是恰好利用了地球重力这一灌钢法最大的敌人。如果工人足够坚强和熟练，可以做到均匀滴落铁水。如果熟铁片在入炉之前足够薄，那么渗碳效果将很好（虽然致密的熟铁渗碳比较困难，但这是值得付出的代价），而且重复进行也没有问题。如果操作得当，苏钢法跟一般的表面渗碳法效果基本上没有区别。它主要的缺点是：人毕竟是人，在１３００度以上的高温炉前操作，很难保证铁水的滴落均匀。其次，铁水本身不是个良好的渗碳剂，这个根本性的问题依然存在。 总的来说，灌钢法的最大问题就是成品碳份不均匀，也就是钢不纯。在古代条件下，要钢纯，只有两种方法，一是印度人首创的坩埚炼钢法，更准确的说是萨利姆法，通过在坩埚中放置熟铁和木料，密封加热到极高温度４小时，就可以得到纯净的高碳钢。这种方法的问题是渗碳添加剂的内容，铁匠往往秘而不宣，而添加剂一旦选择有误，就会严重影响产品性能；其次钢的含碳量过高，因此脆性大，不是很理想的钢材；第三钢材含磷量过高，在印度西亚这种炎热的地方也许问题不是很大，但在中国、欧洲就会很严重；最后，看来只有得到了三千五百年历史考验的那种方法，才是最完美的：表面渗碳。把铁打成极薄的片，把它放入燃烧的木炭中一定时间，取出锻打。有经验的锻工，可以锻出纯净的钢。它的问题是锻工必须很有经验。 网上有一种说法：“灌钢以生铁和可锻铁作为原料，灌炼操作在生铁熔点以上进行，因此生产率比较高，渣、铁分离比较好；人们可以通过控制原料配比和鼓风等操作来控制产品成分，因此产品质量也比较好。在公元1740年坩埚液态炼钢法发明以前，世界上制钢工艺基本上属于固态冶炼和半液态冶炼，渣、铁分离比较难。像灌钢这样，成分比较容易控制，渣、铁分离也比较好，在古代制钢技术中是十分罕见的。”这种说法确是事实，但回避了“碳份不均匀”这个最致命的问题。其实世界上没有哪个民族是天生的傻瓜，欧洲人不是，他们在１７世纪发明了弥散法。这种炼钢法同样是铸铁和熟铁杂合，具有灌钢法的一切优点，而且铁渣分离更明显。有趣的是欧洲人和中国人的思路恰好相反，中国人把生铁置入熟铁中，而欧洲人则把熟铁置入铸铁中。但弥散法最终成为昙花一现的炼钢法，欧洲人经过比较，很快走上了表面渗碳工业化的道路。１７世纪初，大型渗碳窑问世，在窑内熟铁棒和木炭交替叠装，炉火保持２－７天，出炉后锻打减厚。英国的专利获得者Ｅｌｌｉｏｔｔ和Ｍａｙｓｅｙ在１６１４年详细讲述了这种渗碳法。看来这种方法是传统渗碳法和印度坩埚炼钢法的结合，成品含碳量较高。价格是３３０公斤２３英镑。１６世纪末发展起来的另一种先进炼钢法就是精炼直接制钢法。它跟早期炒钢法类似，通过有经验的工人的控制，在铸铁完全脱碳前停止加热搅拌。如果技术熟练，炼出的钢重量可达原铸铁的７０％，如此高的比例在古代冶铁历史上还是空前的。 扯远了，回到本题。灌钢法的技术要求比表面渗碳锻打法要低得多，大概这就是它能够在中国得到普及的原因。然而有得必有失。灌钢法的普及带来的恶果就是锻造技术的萎缩。中国人同样不是傻瓜，他们对灌钢的质量如何，是非常清楚的。沈括所说“二三炼则生铁自熟，仍是柔铁”，估计是因为锻工不精，表面脱碳严重（根据早期百炼钢可以得知中国锻工可以使表面含碳量下降０．３％，这还是熟练锻工的水平）；要么是生铁比例太小，又没有重复灌，造成钢件含碳量偏低；再或者钢件中低碳部分大大多于高碳层。杨宽对此辩解说：“沈括说灌钢经过二三炼‘仍是熟铁’，其实任何中碳钢或高碳钢，如果用烈火炒炼，把其中碳份烧掉，都是要变成低碳钢的，不仅灌钢是如此。”这个辩解还不如不辩——中国古代冶金确实有很多问题，但并不意味着中国人是弱智。炼钢成功，任何人都知道下一步应该是加热锻打，然后焊接。无端端炒它干什么？！再说虽然中国古文字确实暧昧不清，但谈到钢的时候，“炼”大多是加热锻打的意思。这点历史学家应该都清楚。 在沈括以后，南宋曾敏行曾说：“今人才以生熟二铁杂合为钢，何炼之有？”这表明了对重灌轻锻的炼钢法的不满。明唐顺之《武编·前编》卷五“铁”条中有似乎针对沈括的话写的语句，他说有人指出灌钢使用久了会变脆（或者是锻打久了会变脆，古汉文是很难弄明白确切意思的），这大概是生铁比例太高的缘故。如果是锻久变脆，则基本上肯定是热脆，跟灌钢技术本身没什么关系（古代，尤其是中国人不大可能因锻打温度过高或升温过久造成钢材变脆）。《天工开物》中说日本人很鄙视中国的灌钢，作为一个大国，冶金失败成这样子还真是少见。 |
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