秦汉时期冶铁技术的发展

秦汉时期冶铁技术的发展秦汉冶铁业的发展秦所采取的政治经济措施，促进了冶铁业的发展，有利于钢铁技术的进步。始皇陵侧出土的秦代大型铁铧长达三百毫米，重十余斤。近年来河北围场县等地也先后出土秦代铁权。从战国时已用“铁杖”，“铁殳”作兵器看，《史记·张良传》记载夯土使用重一百二十斤的大铁椎，当非虚传。汉代冶铁业较秦有更大发展。西汉中期，武帝刘彻和桑弘羊等实行盐铁官营，全国设立了四十九处铁官，人力物力相对集中，推广先进技术。西汉三大手工业中，冶铁业占着主导地位。《汉书·贡禹传》说：当时“攻山取铜铁，一岁功十万人以上”。实际上包括民间开采以及《盐铁论》所说“家人合会”这类小规模经营方式在内，参与冶炼铜铁的人数远不止此。西汉末年和新莽时期以盗铸论罪的数以十万计，就是证明。在广大群众实践的基础上，汉代出现了规模宏大的冶铁作坊。以河南为例，解放以来，经过普查、发掘和据文献所载，可以确定有冶铁遗址的所在已有十八处，所占面积达数万平方米至十余万平方米。其中，如巩县铁生沟、南阳瓦房庄、郑州古荥镇均经大规模科学发掘。巩县铁生沟发现大量经破碎拣选的矿石和木炭、铁渣，炼炉遗址十八座和藏铁坑、大铁块多件。南阳瓦房庄在三千平方米的发掘区域内，找到三个铸造区和一个炼钢锻造区，发现多个熔炉遗址，“人排”遗迹，大量铁范、泥范和各类铁器、耐火砖等。郑州古荥镇1965年、1975年两次发掘，发现两座大型炼铁高炉遗址，大积铁多块，其中最重者达二十多吨，烘窑十余座和大量泥范、铁器、铁渣、鼓风管、矿石等。温县西招贤村冶铁遗址在一座烘范窑内出土三百多套完整的叠铸泥范。这些重大发现为研究汉代冶铁生产和冶铁技术提供了十分重要的资料。炼铁技术在炼铁技术方面，以古荥冶铁遗址为例，一号高炉炉缸呈椭圆形，面积达8.5平方米，炉高约5—6米，炉容达到50立方米左右，估计日产量有半吨到一吨，在当时技术条件下，这是相当可观的，也是世界上绝无仅有的。椭圆形炉型反映了冶铁工匠增大炼炉产量的重大努力和对鼓风与炉径相互制约关系的深入认识。在古代鼓风器风量、风压较小的情况下，这是扩大炉容，多加鼓风器，使风能达到炉缸中心的一个途径。炉基南面的坑中重达二十余吨的大积铁，证明高炉曾多次修筑、使用。对积铁、铁块和铁渣的分析和计算，证实汉代已有意识在炉料中加入石灰石作熔剂，以降低炼渣的熔点，改善渣的流动性和炉况。汉代的生铁一般是高碳低硅的白口铁。由于炉温增高和熔铸技术的改进，从西汉前期起，就出现质量比白口铁为优的灰口铸铁，如河北满城刘胜墓所出车■就是用灰口铸铁造的。南阳瓦房庄出土的西汉东汉铁釜、浇口各一件则是高磷灰口铸铁。磷份增高，使铁水流动性改善，适用于薄壁大型容器的铸造，即使在现代也还有这样使用的。汉代出现这种新的铸铁材料，应是冶铁工匠有意地加入高磷铁矿或富磷熔剂的结果。特别重要的是，在巩县铁生沟和南阳瓦房庄出土的铁器组织中还发现了质量十分优良的球状石墨（铁生沟铁铲和瓦房庄铁A级球状石墨相当。球墨铸铁是1947年才在英国研制成功的一种高强度铸铁材料，目前在工业生产中应用广泛。在其研究过程中曾受到韧性铸铁中偶而出现的球状石墨的启发。而我国早在西汉后期已出现了球墨铸铁，可说是冶铸史上的一个奇迹。制钢技术汉代工农业生产和军事活动的需要，使各种制钢技术得到蓬勃发展。西汉前期刘胜墓所出钢剑，经检验是由块炼铁渗碳反复锻打而成的，由于锻打次数增多，钢的质量比战国燕下都钢剑有明显提高。到了东汉时期，又出现了以炒钢为原料的经“三十炼”的金马书刀和钢刀。《汉金文录》著录的永元错金书刀，铭文为“永元十六年（公元104年）广汉郡工官..卅炼史成长荆守丞主”。1974年山东苍山县出土的东汉钢刀，铭文有“永初六年（公元112年）五月丙午造卅炼大刀吉祥”，为接近共析成份（碳含量千分之八）的高碳钢锻成。稍后一些时期，在东汉中平年间（公元184—189年）又出现具有“百炼清刚”铭文的百炼钢刀。另一卓越的制钢工艺——铸铁脱碳成钢，则是从高度成熟的铸铁柔化术衍变而来。通过长期反复的实践，汉代冶铁工匠对于生铁的机械性能随着碳份的高低而变化这一点已有深入的认识。在实践上，他们能够把碳含量达4％左右或更高的铸铁，经过脱碳使内层也消除白口铁的组织，通体都成为高碳钢。这样，就创造了一种在固态下通过高温脱碳处理，把生铁变成钢的先进工艺。郑州东史马出土的东汉铁剪和南阳东汉铁戟等，就是这样制成的。由于生铁在浇注过程中，非金属和金属夹杂物可上浮撇去，金属组织较为纯净。因此，铸铁脱碳后所得到的钢，和现代碳素滚珠轴承钢的质量相近。这种制钢工艺从目前资料看，是我国所独有，很有独创精神。西汉时期钢铁技术最重大的成就是炒钢（或炒铁）的发明。它是在地面上挖出缶状炉缸，内层涂以耐火泥，上置顶盖，做成炒钢炉。冶炼时，将生铁料烧成熔融或半熔融状态，鼓风吹炼并加搅拌，使成为熟铁，或在有控制地脱碳的条件下成为低中碳钢以至高碳钢。流传至今的传统炼钢工艺仍沿用了这种方法。因为它以生铁为原料，价廉易得，生产率高，因此和其它制钢方法相比，有极大的优越性。它的出现和逐步推广改变了整个冶铁生产的面貌，是钢铁发展史上有划时代意义的大事情。炒钢技术及热锻制钢，大大促进了百炼钢的发展，使之进入成熟阶段。巩县铁生沟和南阳瓦房庄都出土有炒钢炉，说明炒钢技术可能在西汉中期或稍迟时已经发明。东汉时期铁器种类增多，锻铁器比铸铁器有明显增加，铜兵器全被铁兵器取代，社会生产力也较西汉有提高，这和炒钢的发明和推广是分不开的。制钢术的进步，需要更多的生铁作原料，从而促进炼铁技术的发展。巩县铁生沟似已试用煤来冶铁。用煤作燃料是冶铁技术提高的重要因素。在鼓风技术方面，东汉时期以水力为动力，创制了“水排”鼓风装置，在钢铁史和机械史上都有重大的意义。从南阳地区诸冶铁遗址的实地调查看，有些炼炉即建在河边，很可能采用水力鼓风。南阳自战国以来即以冶铁著称，南阳大冶孔仅曾任西汉大司农和大农丞领盐铁事等要职，境内又有丰富的水利资源，“水排”在这里产生是很自然的。铸造技术在铸造技术方面，汉代使用铁范和韧性铸铁更加广泛，技术上高度成熟。如南阳瓦房庄出土经检验的铁农具就有八件是韧性铸铁的，并且大都是质量较好的黑心韧性铸铁。它们铸作精细，退火完全，有的和现代韧性铸铁已无原则区别。温县烘范窑出土的叠铸范是战国齐刀币叠铸技术的进一步发展。其中共有十六类铸件，三十六种规格，如各种车马器和权等，最多的一次可铸得八十四件铸件，工艺设计和制作都十分精巧。为了易于清理、打磨，内浇口薄仅2毫米，采用预热铸型浇注。这一技术在解放后多年内仍被一些工厂用以大批量地铸造纺织机、缝纫机的零件。汉代《淮南万毕术》说：“曾青得铁则化为铜。”“曾青”指天然硫酸铜。它与铁作用得金属铜。这就是胆铜法，它开创了水法冶金的新途径。关于铜镜铸造方面，长期使人们感兴趣而又众说纷纭的是透光镜的铸作。河南省博物馆所藏西汉铜镜一面，经过测试，证实有“透光”效应①。近年来经用现代科学方法研究与试制，已经弄清楚它的作用机理，主要是由于镜体很薄，又在背面铸出花纹，冷却时造成铸造应力，再加磨制，而使镜面具有微小的曲度，这样在光的照射下，就可将镜背花纹、文字反映出来。汉代一些少数民族如居住在滇池周围地区的滇族具有发达的青铜文化。石寨山、李家山等处先后出土的大批青铜器和铜柄铁剑等，造型、铸作都很精美。其中，这里也和商周时中原地区一样，曾使用青铜农具进行耕作。汉代式样的“滇王之印”和铜洗，又说明汉代在云南设郡后，这一地区和中原的联系有所加强，加速了经济、文化发展。此外，如广西岭溪县等地出土的五铢钱、铜鼓等，也是各民族间文化交流，共同发展的实物例证。①赵新来：《介绍一面西汉透光镜》，《河南文博通讯》1979年3期。