中國(guó)古代冶鐵業(yè) 漢末發(fā)明“灌鋼法”節(jié)省人力

十七世紀(jì)以前，中國(guó)至少有十項(xiàng)冶鐵技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。

近日，一年一度的“全國(guó)十大考古新發(fā)現(xiàn)”評(píng)選活動(dòng)落下了帷幕，各入選項(xiàng)目如同一幅幅生動(dòng)的畫(huà)卷，向我們展示了或熟知或未知的歷史往事。

作為八大古都之一的北京，在沉寂了25年后憑借延慶大莊科鄉(xiāng)的“遼代礦冶遺址群”，再次獲得這項(xiàng)殊榮。如此珍貴的獲選，不禁讓人想要去了解中國(guó)古代冶鐵技術(shù)是如何發(fā)展起來(lái)的，以及那些有關(guān)的歷史故事。

爭(zhēng)論

冶鐵技術(shù)源自中國(guó)還是西方？

鋼鐵冶煉技術(shù)是中國(guó)的傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)，公元一世紀(jì)羅馬帝國(guó)的博物學(xué)家老普林尼在其著作《自然史》中曾說(shuō)“在所有的各種鐵之中，以中國(guó)鐵為最好。中國(guó)人把它連同各種織品和皮貨輸送給我們”。17世紀(jì)以前，中國(guó)至少有10項(xiàng)冶鐵技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，對(duì)世界文明作出了巨大貢獻(xiàn)。雖然取得了這些偉大成就，但中國(guó)鐵制品的出現(xiàn)較晚，迄今為止，公認(rèn)中原地區(qū)最早的人工冶鐵制品發(fā)現(xiàn)于公元前8世紀(jì)的河南三門(mén)峽虢國(guó)墓地，比西亞赫梯人的人工冶鐵要晚了1000多年。雖說(shuō)西亞與中國(guó)遠(yuǎn)隔千山萬(wàn)水，但千年的時(shí)光似乎也夠這項(xiàng)技術(shù)伴著悠悠的駝鈴晃到黃土大地了。那么冶鐵技術(shù)究竟是從西方傳入，還是本土起源的呢？

關(guān)于冶鐵技術(shù)起源問(wèn)題的爭(zhēng)論在學(xué)界由來(lái)已久，支持本土起源的多是依據(jù)中國(guó)在春秋時(shí)期已知冶鑄生鐵，像楊寬先生80年代就提出，中國(guó)冶鐵技術(shù)的發(fā)明，同亞洲西南部、歐洲、非洲所有國(guó)家的冶鐵技術(shù)是毫無(wú)關(guān)聯(lián)的。《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史·鋼鐵分冊(cè)》的著者華道安90年代也曾說(shuō)道，冶鐵術(shù)是在公元前5世紀(jì)初在中國(guó)南方獨(dú)立發(fā)展起來(lái)的，最早使用鐵的地區(qū)是吳國(guó)，就是著名鑄劍大師干將莫邪居住的地方。但隨著西北地區(qū)越來(lái)越多材料的發(fā)現(xiàn)，冶鐵術(shù)從西亞經(jīng)新疆，過(guò)河西走廊傳入中國(guó)的路線逐步清晰，更多的人也開(kāi)始支持冶鐵技術(shù)是從西方傳入的。不過(guò)，這時(shí)從西方傳入的僅僅是比較原始的塊煉法，也就是把鐵礦石煉成海綿狀的鐵塊，經(jīng)過(guò)反復(fù)捶打，塑造成型，這樣煉出的鐵產(chǎn)量低，費(fèi)工多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，浪費(fèi)原料多，還不夠堅(jiān)固耐用，只有通過(guò)接下來(lái)中國(guó)工匠對(duì)冶鐵技術(shù)的改良，鐵器才得以大放異彩。

發(fā)展

戰(zhàn)國(guó)時(shí)期鐵器使用發(fā)生了翻天覆地的變化

雖說(shuō)在鐵器出現(xiàn)的時(shí)間上中國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后了西亞一大截，但冶鐵技術(shù)一經(jīng)傳入就進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。春秋時(shí)期的鐵器還極為貴重，考古發(fā)現(xiàn)的鐵器往往鑲嵌于其他材質(zhì)中出現(xiàn)在貴族墓葬，像前面提到的虢國(guó)墓地發(fā)現(xiàn)的就是一把銅柄鐵劍，河南淅川下寺的楚墓中更是發(fā)現(xiàn)了玉柄鐵匕，可見(jiàn)當(dāng)時(shí)的鐵器奢華而昂貴。

而到了戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，鐵器的使用已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，據(jù)《管子》記載，僅齊國(guó)一地“出鐵之山三千六百九”，齊國(guó)故城的勘探中就發(fā)現(xiàn)冶鐵遺址六處，證明了戰(zhàn)國(guó)時(shí)已進(jìn)行大規(guī)模冶鐵生產(chǎn)。這一時(shí)期，各種制作和加工鐵器的技術(shù)迅猛發(fā)展，影響最大、意義最深遠(yuǎn)的有鑄造技術(shù)和炒鋼法、可鍛鑄鐵的發(fā)明。前者將鐵礦石化為鐵水，注入先前準(zhǔn)備好的模具中冷卻成型，能夠更方便地進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，后者將生鐵轉(zhuǎn)化成韌性更強(qiáng)的鋼，使鐵的適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。這些成就了中國(guó)一直領(lǐng)先于世界的技術(shù)，是我國(guó)最為鋼鐵大國(guó)的立身之本。

鑄造技術(shù)、可鍛鑄鐵的發(fā)明與中國(guó)先進(jìn)的冶銅技術(shù)密不可分，古人很可能在冶銅中積累了很多經(jīng)驗(yàn)，先進(jìn)的爐形、鼓風(fēng)技術(shù)等能夠很容易使冶煉爐達(dá)到高溫，這些技術(shù)借用至冶鐵行業(yè)，便迅速改變了塊煉鐵一統(tǒng)天下的局面。經(jīng)過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，鐵的可塑性、韌性都得到極大加強(qiáng)，大規(guī)模批量生產(chǎn)使得鐵質(zhì)農(nóng)具、工具得以廣泛應(yīng)用，對(duì)當(dāng)時(shí)的農(nóng)業(yè)和社會(huì)產(chǎn)生了革命性的影響。而鐵器出現(xiàn)較早的新疆及其以西地區(qū)，由于缺乏高溫技術(shù)，一直處在塊煉鐵的階段，直到張騫通西域時(shí)仍“不知鑄鐵器”。

到了漢代，政府對(duì)鐵業(yè)進(jìn)行全面壟斷，鋼鐵成為了國(guó)家財(cái)政的重要支柱。漢代的冶鑄遺址已發(fā)現(xiàn)了二十多處，著名的像河南鞏縣鐵生溝，發(fā)現(xiàn)了煉鐵爐18座、熔爐1座、鍛爐1座、藏鐵坑7處、礦石坑1個(gè)、配料池1個(gè)，還有各種鐵器和鑄范等等，顯示了當(dāng)時(shí)的冶鐵生產(chǎn)已經(jīng)具備了很大的規(guī)模。

平穩(wěn)

漢末“灌鋼法”的發(fā)明節(jié)省人力物力

漢末大亂，鐵的生產(chǎn)遭到很大破壞，接下來(lái)的南北朝時(shí)期，冶鐵生產(chǎn)主要是在恢復(fù)戰(zhàn)前的水平，自然難以發(fā)生像塊煉鐵到鑄鐵這樣革命性的變化，但技術(shù)的發(fā)展仍沒(méi)有停歇，其中就要提到一位名叫綦母懷文的人，他曾使用“灌鋼法”冶煉鋼刀，是目前所知灌鋼法最早的實(shí)踐者和革新者，為這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展作出了無(wú)與倫比的貢獻(xiàn)，也因如此，綦母懷文受到“中國(guó)人民的老朋友”李約瑟博士的高度肯定。

在綦毋懷文之前，刀劍等鋒利武器主要通過(guò)反復(fù)捶打的“百煉鋼”技術(shù)制成，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，制成的刀劍價(jià)格昂貴，而灌鋼法通過(guò)將液態(tài)的生鐵澆注在熟鐵上，經(jīng)幾次熔煉，使生鐵、熟鐵內(nèi)碳含量平衡，成為鋼。由于將液態(tài)生鐵作為滲碳劑，碳的流動(dòng)速度大大提升，節(jié)省了很多人力物力。

隋唐時(shí)期的冶鐵技術(shù)在之前的道路上繼續(xù)發(fā)展，沒(méi)有太大的突破，有些乏善可陳。不過(guò)這一時(shí)期有一個(gè)小片段可以和接下來(lái)遼代的冶鐵相銜接。鋼鐵冶鑄業(yè)最早只是在中原地區(qū)比較發(fā)達(dá)，南北朝時(shí)期長(zhǎng)江流域的鐵器制造逐步發(fā)展起來(lái)，到了唐代，位于東北的渤海地區(qū)也有了鐵器生產(chǎn)，《新唐書(shū)·渤海傳》就記錄了“鐵州”的名字，肯定是因?yàn)楫?dāng)?shù)禺a(chǎn)鐵著稱(chēng)而取名。遼初耶律阿保機(jī)征服渤海后，在鐵州“置采煉者三百戶(hù)”，這也是遼代冶鐵業(yè)一大技術(shù)淵源吧。

加速

宋代最大技術(shù)突破是燃料改進(jìn)

說(shuō)了這么久終于來(lái)到了本次考古大發(fā)現(xiàn)的時(shí)代——遼宋。這一時(shí)期是鋼鐵冶金技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重要時(shí)期，北宋鐵產(chǎn)量激增，農(nóng)具、武器甚至錢(qián)幣都用鐵鑄造，魏晉時(shí)期出現(xiàn)的灌鋼法、百煉鋼等技術(shù)在宋代廣泛推廣，這些在沈括的《夢(mèng)溪筆談》中都有詳細(xì)的記載。宋代最大的技術(shù)突破是開(kāi)始大量用煤煉鐵，緩解了傳統(tǒng)木炭燃料短缺的問(wèn)題，并能獲得更高的爐溫，提高冶煉效率。不過(guò)用煤作為燃料也有不好，那就是煤炭燃燒過(guò)程中釋放的硫會(huì)影響生鐵的質(zhì)量。

對(duì)這一時(shí)期冶鑄行業(yè)發(fā)展的研究一直以來(lái)都以宋朝為主，對(duì)于占據(jù)了半壁江山的遼代我們了解的尚不深入，遼的冶鐵業(yè)與宋相比都有什么創(chuàng)新？孰高孰低？又有什么差異？這次延慶大莊科遼代礦冶遺址群的發(fā)現(xiàn)，就為了解這些問(wèn)題打開(kāi)了一扇窗口。遺址群中，從采礦、冶煉，到工匠們工作、居住場(chǎng)所“一條龍”都有發(fā)現(xiàn)，就讓我們通過(guò)對(duì)遺址內(nèi)方方面面的觀察，讓遼宋冶鐵業(yè)之間一爭(zhēng)高下吧。

燕山地帶有大量礦藏，遼代之前的奚人就利用燕山地區(qū)的礦藏進(jìn)行車(chē)輛、兵器的生產(chǎn)，現(xiàn)在的河北平泉、寬城、灤平、隆化等縣曾多次發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的遼代采礦和冶煉遺址。大莊科鄉(xiāng)的礦產(chǎn)資源也十分豐富，迄今共發(fā)現(xiàn)的5處礦山，分為礦洞式開(kāi)采和露天式開(kāi)采兩種，每處鐵礦的礦石種類(lèi)略微不同，大多為磁鐵礦，有些夾雜赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦等。水泉溝煉鐵爐中鐵渣的測(cè)定顯示，這些遺址冶煉用的礦石極有可能就是就近的5座礦山運(yùn)輸而來(lái)，證明了臨近礦區(qū)冶煉是遼代礦冶業(yè)的一大特點(diǎn)。與之相似，宋代的鋼鐵主要產(chǎn)區(qū)也都在鐵礦附近。

礦石通過(guò)懷抱遺址群的懷九河、鐵爐河運(yùn)到冶煉區(qū)后，就是煉鐵爐大顯身手的時(shí)刻了。大莊科礦冶遺址內(nèi)發(fā)現(xiàn)的煉鐵爐不僅是目前為止最為集中的，而且也是保存最為完好的。前文提到的漢代鞏縣鐵生溝遺址，那里發(fā)現(xiàn)的煉鐵爐只遺留了基座部分，而水泉溝發(fā)現(xiàn)的煉鐵爐最多保留了高于地面4米左右。水泉溝的煉鐵爐與漢代相比有眾多改良，漢代的煉鐵爐用土夯筑，呈饅頭形，而水泉溝的冶鐵爐用石頭壘砌，更加耐高溫，外形類(lèi)似啤酒瓶的上部，細(xì)脖子，大肚子，更利于煉渣向下走。水泉溝的煉鐵爐與漢代有些煉鐵爐相比容積較小，這可不是退步的表現(xiàn)，而恰恰是古代鐵匠們?cè)谏a(chǎn)中經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。容積過(guò)大而又不能很好地散熱很容易造成爐內(nèi)壓力過(guò)大而爆炸，《漢書(shū)》中就有公元前91年和27年煉鐵爐爆炸的記載，“地陷數(shù)尺，爐分為十”，聽(tīng)起來(lái)就十分慘烈，在這樣的情況下只有適當(dāng)減小煉爐容積才能保證安全。

煉鐵爐內(nèi)至今仍能夠看到玻璃態(tài)的物質(zhì)，那是鐵礦石化成鐵水后在爐內(nèi)留下的痕跡，根據(jù)它的流動(dòng)狀態(tài)，專(zhuān)家們判斷這處煉鐵爐已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的渣鐵分離。通過(guò)對(duì)爐渣的成分分析可知，爐渣內(nèi)含硫量較低，進(jìn)一步可知煉鐵燃料并非煤炭而是木炭。前面說(shuō)過(guò)，宋代冶煉業(yè)的一大發(fā)展就是燃料的改進(jìn)，但大莊科遺址中仍用木炭作為原料，不知是由于遼的采煤能力不如宋，還是害怕煤炭產(chǎn)生的硫影響生鐵質(zhì)量。

鐵礦石煉成生鐵塊或鋼塊后，就可以進(jìn)行進(jìn)一步的加工，制成我們熟悉的鐵制品了。在距離水泉溝冶鐵爐100米的地方，發(fā)現(xiàn)了占地20000平方米的生活、作坊遺址。遺址區(qū)發(fā)現(xiàn)了南北向的道路，與水泉溝、漢家川的冶煉區(qū)相通。道路上至今可見(jiàn)10條清晰的車(chē)轍痕跡，那深深的轍溝，似乎讓我們覺(jué)得滿(mǎn)載著生鐵塊或鐵制品的牛車(chē)、馬車(chē)仍在這些道路上熙熙攘攘地穿行著。宋朝境內(nèi)的礦冶遺址尚沒(méi)有這么大的發(fā)現(xiàn)，也難以推斷鐵匠們的具體生活，不過(guò)神宗年間，蘇軾曾上書(shū)提及徐州附近鐵冶的情況，當(dāng)時(shí)這一地區(qū)已有36個(gè)民營(yíng)作坊，各有百余名工人，似乎比大莊科礦冶遺址的生產(chǎn)規(guī)模更大。

衰落

元明清時(shí)期并無(wú)實(shí)質(zhì)上的飛躍

解決燃料問(wèn)題后，中國(guó)的冶鐵業(yè)一路高歌猛進(jìn)，元代僅在腹里地區(qū)，即今山東、山西、河北、河南就前后設(shè)鐵冶26所，每地冶戶(hù)多達(dá)760～6000戶(hù)，可見(jiàn)當(dāng)時(shí)規(guī)模之龐大。此外，江浙、湖廣也有鐵器生產(chǎn)，除腹里外，元代征收的鋼鐵稅“獨(dú)江浙、湖廣之課為最多”。明洪武六年，在全國(guó)置鐵冶13所，為使南北平衡，南方設(shè)6所、北方設(shè)7所，但南方的產(chǎn)鐵量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了北方，不過(guò)為了鋼鐵生產(chǎn)的平衡，明朝中、后期在河北遵化開(kāi)設(shè)了著名的“遵化鐵冶”，是當(dāng)時(shí)最大的鋼鐵生產(chǎn)基地，工人最多時(shí)曾達(dá)2500多人。

清代的礦冶依然保持著很高的產(chǎn)量，全國(guó)共有135處鐵礦產(chǎn)地，制作作坊更是不計(jì)其數(shù)，著名的鐵廠北有漢中，南有佛山。土法冶鐵在鄉(xiāng)村得到了極大的普及，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在1920年，全國(guó)經(jīng)土法冶鐵獲得的鐵產(chǎn)量仍在15萬(wàn)噸以上，大量的普通農(nóng)民都在農(nóng)閑之時(shí)參與冶鐵。

元明清時(shí)期中國(guó)的冶鐵業(yè)看起來(lái)仍是一片欣欣向榮發(fā)展的景象，但實(shí)質(zhì)上，與前代相比并無(wú)實(shí)質(zhì)上的飛躍，依然是以人力和畜力為動(dòng)力源的傳統(tǒng)手工業(yè)，某些私營(yíng)鐵廠，產(chǎn)出效率不高，平均每人每天不足3斤，而且由于缺乏通風(fēng)排水設(shè)備，鐵礦在夏秋兩季常不能生產(chǎn)。

與此同時(shí)，工業(yè)革命于十八世紀(jì)六十年代在英格蘭中部地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)，一系列技術(shù)革命引起了從手工勞動(dòng)向動(dòng)力機(jī)器生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的飛躍，近代高爐煉鐵迅速取代原有生產(chǎn)方式，依靠機(jī)器生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的冶鐵工業(yè)開(kāi)始萌芽，到1840年，英國(guó)的生鐵產(chǎn)量達(dá)到140萬(wàn)噸，已是中國(guó)的數(shù)十倍，中國(guó)的冶鐵業(yè)在繁榮的表象下已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界水平。

最后的最后，當(dāng)我們回顧完中國(guó)冶鐵業(yè)的發(fā)展歷程，李約瑟曾提出的問(wèn)題不禁又縈繞在了耳邊，盡管中國(guó)古代對(duì)人類(lèi)科技發(fā)展做出了很多重要貢獻(xiàn)，但為什么科學(xué)和工業(yè)革命沒(méi)有在近代的中國(guó)發(fā)生？中國(guó)近代科學(xué)為什么落后？也許只有解決了這些問(wèn)題中國(guó)才能在日益激烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中拔得頭籌，屹立于世界民族之林。