山西傳統(tǒng)鑄鐵技術(shù)成就

劉培峰，李延祥，潛 偉

（北京科技大學(xué)冶金與材料史研究所 北京 100083）

山西地處太行山之西，黃河之東，是中華文明的發(fā)祥地，也是中國(guó)冶鐵技術(shù)的發(fā)源地之一。在春秋晚期至戰(zhàn)國(guó)早期，晉國(guó)已是早期鐵器的發(fā)達(dá)地區(qū)。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，山西地區(qū)的冶鐵業(yè)分布較廣，出土鐵器數(shù)量多，種類較齊全，器型多樣，一定程度上說明鐵器在當(dāng)時(shí)的發(fā)展與普及[1]。據(jù)《山海經(jīng)》記載，山西的產(chǎn)鐵之山有4座。漢代在全國(guó)49縣設(shè)“鐵官”，山西有5處。唐代山西的冶鐵地區(qū)更多，制鐵工藝更高，造出了聞名天下的并州快剪和鐵鏡，而且鑄造了大型的鐵牛、鐵人和鐵山。宋時(shí)“河?xùn)|鐵炭最盛”。鐵冶在山西各地都很發(fā)達(dá)，用于制造農(nóng)具、器物和鑄鐵錢。明清時(shí)，山西成為全國(guó)的一個(gè)冶鐵中心，供應(yīng)北方生產(chǎn)、生活所用的鐵器。

輝煌的冶鐵史是以豐富的資源和高超的技藝為基礎(chǔ)的，而山西的鑄鐵技術(shù)又以多項(xiàng)獨(dú)特的發(fā)明、創(chuàng)造為支撐。

1 最早煉出鑄鐵

世界上最早發(fā)明人工冶鐵技術(shù)的是西亞赫梯王國(guó)的查利貝斯人，他們?cè)诠?400年學(xué)會(huì)了冶煉礦石獲得金屬鐵的方法，并且能夠把鐵加工成實(shí)用的工具[2]。赫梯人發(fā)明的冶鐵技術(shù)是塊煉法，在地爐中用木炭冶煉鐵礦石，產(chǎn)品是渣鐵不分的海綿鐵，其中的鐵由于滲碳不足，屬于熟鐵。含碳量低的熟鐵質(zhì)地很軟，強(qiáng)度和硬度均非常低，致使其應(yīng)用范圍有限。塊煉鐵需要在炭火中加熱滲碳，然后通過鍛打除去雜質(zhì)變成較為純凈的低碳鋼（如圖1）.這項(xiàng)技術(shù)在傳入歐洲之后被廣泛應(yīng)用，歐洲在14世紀(jì)之前一直沿用以塊煉法為基礎(chǔ)的冶鐵技術(shù)。

圖1 古希臘冶鐵爐

中國(guó)何時(shí)開始人工冶鐵一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的一個(gè)難題。1921年中國(guó)科學(xué)史的開創(chuàng)者章鴻釗在《中國(guó)銅器鐵器時(shí)代沿革考》中以古文獻(xiàn)推測(cè)“春秋戰(zhàn)國(guó)之際似已有以鐵為兵者”[3]。同樣以文獻(xiàn)為據(jù)，章太炎1925年發(fā)表的《銅器鐵器變遷考》則推測(cè)在春秋之前就已經(jīng)用鐵制兵器了[4]。

另一方面，關(guān)于最先煉出生鐵的地域，也有南北方之爭(zhēng)。1928年，朱希祖在《清華學(xué)報(bào)》上發(fā)表《中國(guó)古代鐵制兵器先行于南方考》一文。文中通過《越絕書》等文獻(xiàn)證明春秋戰(zhàn)國(guó)之際已有鐵兵，而創(chuàng)造鐵制兵器的地域，南方先于北方，原因是一“天產(chǎn)是特精英”，二“工業(yè)之早發(fā)達(dá)”[5]。朱希祖的這篇文章在當(dāng)時(shí)的公眾媒體及學(xué)術(shù)界引起了一場(chǎng)辯論，大家圍繞早期鐵器出現(xiàn)的地域問題在《大公報(bào)》、《新晨報(bào)》和《益世報(bào)》等報(bào)刊上展開爭(zhēng)論。先后加入這場(chǎng)討論的有朱希祖、《大公報(bào)》編輯、章鴻釗、紹來、陸懋德、翁文灝等人。討論在社會(huì)上形成了一定的影響力，引起大家對(duì)冶鐵起源地的關(guān)注。

文獻(xiàn)研究有一定的局限性，需要相關(guān)的考古發(fā)現(xiàn)來相互佐證。目前發(fā)現(xiàn)最早的人工冶鐵制品是河南三門峽虢國(guó)墓出土的春秋早期（公元前8世紀(jì)中期）玉柄鐵劍，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析是由塊煉鐵加工而成。從時(shí)間上來說，我國(guó)晚于西亞等地區(qū)掌握塊煉法。上世紀(jì)80年代在垣曲縣天馬-曲村晉國(guó)墓地出土的公元前8世紀(jì)至前7世紀(jì)殘鐵塊經(jīng)韓汝玢教授實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)定為白口鑄鐵，是目前發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)也是世界最早的鑄鐵[6]，如圖2.這一發(fā)現(xiàn)與《左傳·昭公二十九年》中“遂賦晉國(guó)一鼓鐵，以鑄刑鼎”的記載相映證，說明中國(guó)在冶鐵技術(shù)上后來居上，最先發(fā)明了生鐵冶煉和鑄造技術(shù)。由于中國(guó)古代在生鐵冶鑄技術(shù)發(fā)明之后，以生鐵冶鑄為基礎(chǔ)，形成了生鐵鑄造、鑄鐵脫碳成鋼、炒鋼（或熟鐵）、灌鋼等技藝共同組成的鋼鐵冶煉技術(shù)體系，并一直延續(xù)2000多年，所以說，生鐵冶鑄技術(shù)是我國(guó)古代冶鐵技術(shù)的主體。而從目前的文獻(xiàn)和考古證據(jù)來看，山西是這一技術(shù)的發(fā)源地。

圖2 山西天馬曲村公元前8 世紀(jì)鑄鐵片金相組織

2 坩堝煉鐵、鑄造

豎爐是古代歐洲和中國(guó)大部分地區(qū)的主要煉鐵爐型，而山西傳統(tǒng)煉鐵卻是用坩堝爐。兩者的主要區(qū)別是，豎爐是內(nèi)熱法，燃料與礦石、還原劑、熔劑等爐料在爐內(nèi)直接接觸，坩堝爐是外熱法，爐內(nèi)的爐料與爐外的燃料不直接接觸。兩者各有優(yōu)勢(shì)，如圖3.

圖3 豎爐、坩堝爐對(duì)比

坩堝煉鐵的特點(diǎn)首先是設(shè)備簡(jiǎn)單。方爐一般建在平地之上，爐子的大小因技術(shù)傳統(tǒng)和冶煉規(guī)模而不同，左右兩邊是用磚或粘土砌成的墻，前面和頂上敞開著。后墻連著一個(gè)小而矮的茅屋，里邊放著用兩個(gè)人拉的風(fēng)箱，爐后底部有鼓風(fēng)口與小屋相通。其次是一次性操作，不能連續(xù)冶煉。裝爐時(shí)先在爐底用碎坩堝片鋪成風(fēng)道，其上再鋪一些較大的坩堝片以便透氣。坩堝片上面放一層大塊的無煙煤，之上再加一層小塊的無煙煤。煤塊層上均勻放置6至12堆引火柴，坩堝裝爐之前就將引火柴點(diǎn)著。坩堝一般呈圓筒狀，大小不一，按一定比例將礦石、黑土（部分地區(qū)加煤塊）裝入坩堝中。裝好的坩堝擺放在煤塊層之上，數(shù)量由爐的大小而定，從幾十到上百個(gè)不等。坩堝之間要留有一定的空隙，放入無煙煤塊，坩堝頂上還要放一層煤塊（有些地方還要加一層爐渣）。另外，在裝爐的過程中把爐前用廢坩堝或爐渣堵上。這樣爐就裝好了。第三是操作簡(jiǎn)便，冶煉過程中最重要的就是鼓風(fēng)，其次是看火色和聽聲音，這三者相結(jié)合形成的操作制度構(gòu)成了整個(gè)冶煉工藝的主要內(nèi)容。鼓風(fēng)因地域和時(shí)代而有所不同，具有代表性的有兩種，一種是先鼓風(fēng)后自燃，另一種正好相反。清末民國(guó)時(shí)期晉城（大陽）的坩堝煉鐵在點(diǎn)燃之后鼓風(fēng)約8h后自燃約16h.20世紀(jì)50年代變?yōu)橄茸匀技s8h，再鼓風(fēng)約4h.

坩堝煉出的鐵大多為半球形或餅狀沉在坩堝底部，從下部打碎坩堝后就可以找到。也有部分坩堝因溫度和時(shí)間不夠，渣鐵還沒有完全分離，需要把坩堝完全打碎，撿爐渣中的鐵粒。

坩堝爐不僅可以用來煉鐵，還可以作為鑄造化鐵爐，煉生鐵的爐稱為方爐，熔鐵的爐則稱為貨爐。貨爐與方爐的結(jié)構(gòu)基本相同，只是坩堝略有不同，根據(jù)其中所放生鐵的不同而或大或小。如果要鑄造大型鑄件，就需要多個(gè)貨爐一起操作，來滿足鐵水需求。如考古發(fā)現(xiàn)的云岡鑄造遺址（如圖4），在鑄造坑周圍有30多個(gè)爐呈圓形布置[7]，與中心保持同樣的距離，能夠保證鐵水溫度一致。

圖4 云岡石窟鑄造遺址（全景圖）[7]

坩堝煉鐵和鑄造技術(shù)的核心價(jià)值在于燃料的突破，因?yàn)樵摷夹g(shù)是古代各種煉鐵法中真正實(shí)現(xiàn)用煤煉鐵的工藝。這一貢獻(xiàn)在上世紀(jì)30年代就由瑞德介紹到國(guó)際冶煉、鑄造界[8]，并為國(guó)外學(xué)者所認(rèn)可。

由于在燃料方面的創(chuàng)造性突破，坩堝冶鑄技術(shù)在清初從山西傳入山東、東北和河南等地區(qū)[9]。19世紀(jì)末到20世紀(jì)前期，相繼有國(guó)外礦冶專家如李?；舴?、瑞德、丁格蘭、宿克萊等赴山西晉城、陽泉等地進(jìn)行深入調(diào)查，并撰文著書把山西的這項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)介紹到西方。在傳入西方之后，坩堝冶鑄技術(shù)對(duì)燃料的突破啟發(fā)了歐洲的冶金學(xué)家，利用相同的工藝思想，瑞典煉鐵專家們開發(fā)出了著名的赫格納斯非高爐煉鐵技術(shù)[10]。

3 陽城犁鏡

陽城犁鏡是山西的另一項(xiàng)獨(dú)特冶煉鑄造技術(shù)，其所包含的工藝是中國(guó)古代冶鐵技術(shù)中的一朵奇葩，堪稱中國(guó)式鐵范鑄造的“活化石”，如圖5.陽城犁鏡的生產(chǎn)工藝始于何時(shí)，迄今無文獻(xiàn)可考。據(jù)說是在明末由山西晉城犁川（一說由河南禹縣）傳至新安縣白沙鎮(zhèn)（所以又稱白沙犁鏡），再遷至濟(jì)源北部山區(qū)[11]。其后，因木炭供應(yīng)不足和為省卻運(yùn)輸費(fèi)用，又遷到陽城南部山區(qū)。對(duì)于犁鏡技術(shù)的來源，如果從犁爐的結(jié)構(gòu)來看，與清末民國(guó)時(shí)期流行于河南、湖北、湖南等地的甑爐基本相同，而晉城的傳統(tǒng)冶鐵工藝是以坩堝爐為主，所以，從河南傳入的可能性更大一些。但是在傳入之后，犁鏡鑄造技術(shù)與當(dāng)?shù)氐馁Y源、工藝相結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了本土化，而且提高了犁鏡的品質(zhì)，如犁爐需與陽城上芹的鐵范、澤州南村的風(fēng)箱、陽城南部山區(qū)的礦石、木炭相結(jié)合才能生產(chǎn)出較好的產(chǎn)品，如圖3.

圖5 犁鏡

陽城犁鏡至少在三個(gè)方面保留了中國(guó)傳統(tǒng)生鐵冶煉和鑄造技術(shù)的精華：首先是木炭豎爐煉鐵;其次是冶煉生成的鐵水直接澆注;最后是鐵范鑄造。特別是鐵范鑄造技藝，較為罕見地傳承了我國(guó)兩千年前的發(fā)明創(chuàng)造。

圖6 鐵范(正反面)

冶煉生鐵的犁爐吸收了傳統(tǒng)豎爐煉鐵技術(shù)的精華，爐型更加合理，選料更加考究，上料、鼓風(fēng)、出鐵制度更加完善，形成了一整套成熟的技術(shù)體系，從而能夠控制鑄鐵成分，確?！皟筛呷汀保ㄌ?、磷高，硅、硫、錳低）的成分特點(diǎn)和較為純凈的鐵水，可以用于直接澆注，如圖7.由于采用鐵范鑄造，一方面延長(zhǎng)了范的使用時(shí)間，因?yàn)楹玫蔫F范可以使用十幾年；另一方面由于鐵的散熱能力強(qiáng)，可以使犁鏡表面在速冷的情況下形成一層厚約0.2mm～0.5mm的細(xì)白口組織，從而讓陽城犁鏡具有“利土不沾泥，犁地拉力輕”的特點(diǎn)[12]。而且由于犁鏡的金相是共晶萊氏體或共晶萊氏體和板條狀滲碳體，這種組織決定犁鏡耐磨但不耐碰，表面光潔，聲音洪亮[13]。

圖7 犁 爐

陽城犁鏡的學(xué)術(shù)和實(shí)用價(jià)值受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，其中貢獻(xiàn)最大的是原太原理工大學(xué)李達(dá)教授，他在多年實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上經(jīng)科學(xué)分析總結(jié)出了陽城犁鏡在化學(xué)成分、金相組織、機(jī)械性能和鑄造狀態(tài)等方面的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)犁鏡利土主要是由化學(xué)成分（特別是硅）決定的。在洞悉以上科學(xué)原理的前提下，利用現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備和廉價(jià)原料生產(chǎn)出與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)犁鏡性能相同甚至更好的犁鏡。原來的犁鏡只能在陽城縣南部山區(qū)生產(chǎn)，李達(dá)教授的研究和開發(fā)突破了犁鏡生產(chǎn)區(qū)域的限制，實(shí)現(xiàn)了犁鏡下山；另一方面也簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)省了原料、人力和運(yùn)輸成本。李達(dá)教授的工作把傳統(tǒng)工藝的科學(xué)內(nèi)涵應(yīng)用到了現(xiàn)代生產(chǎn)中，延續(xù)了傳統(tǒng)工匠的智慧，堪稱傳統(tǒng)工藝科學(xué)化的典范。1982年以來，北京科技大學(xué)冶金與材料史研究所曾多次往陽城犁鏡的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察、研究，并在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了犁鏡金相特點(diǎn)及其與使用性能之間的關(guān)系。1991年10月，該所與日本東京新藝術(shù)派株式會(huì)社山內(nèi)登貴夫先生合作，在陽城縣橫河鎮(zhèn)犁鏡廠拍攝了“陽城犁鏡生產(chǎn)工藝”影片，為這一珍貴的傳統(tǒng)工藝留下了影像資料。

4 保護(hù)現(xiàn)狀

與以上傳統(tǒng)鑄鐵技術(shù)的巨大成就不想襯的是其保護(hù)現(xiàn)狀非常令人擔(dān)憂。雖然以陽城犁鏡為代表的冶鑄技術(shù)國(guó)家首批“非物質(zhì)文化遺產(chǎn)”保護(hù)項(xiàng)目，但保護(hù)和傳承仍然存在許多問題。以陽城犁鏡為例，由于失去了市場(chǎng)和實(shí)用價(jià)值，日常生產(chǎn)已不可能，在生產(chǎn)中保存這一技藝已不現(xiàn)實(shí)。即使是為了保護(hù)和傳承而進(jìn)行小規(guī)模的生產(chǎn)也困難重重。首先是環(huán)境問題，犁鏡生產(chǎn)與國(guó)家相關(guān)環(huán)保法規(guī)相違背，不僅要開小高爐，還要采礦、伐木，而且對(duì)當(dāng)?shù)氐目諝夂退幸欢ǖ奈廴尽Ｆ浯?，冶煉屬于高消耗生產(chǎn)，每次開爐的費(fèi)用非常的大，在沒有回報(bào)的前提下，即使有傳承人也基本不能開爐煉鐵?，F(xiàn)在的傳承人已有20多年沒有進(jìn)行冶煉了。最后，冶鑄工藝是一個(gè)技術(shù)體系，不是哪一個(gè)人能夠完全掌握的。在申請(qǐng)首批國(guó)家級(jí)非遺時(shí)幾乎把陽城所有的冶鑄技藝都包括在內(nèi)，命名為“陽城生鐵冶鑄技藝”，而傳承人卻只有一位，讓精通犁爐煉鐵的一個(gè)人來傳承包括犁爐煉鐵、鐵范制作、風(fēng)箱制作、坩堝煉鐵等多項(xiàng)技藝是根本不可能的。

作為已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)的傳統(tǒng)工藝，是否保護(hù)和如何保護(hù)在今天仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的問題，需要相關(guān)學(xué)者、單位和社會(huì)來思考和解決。

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