淺析中國古代冶鐵技術

王志豪，王前進

（1．洛陽市第一高級中學，河南洛陽 471000；2．中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

1 中國古代冶鐵技術的發(fā)展

中國作為世界四大文明古國之一，有著悠久的歷史文化，在農業(yè)、紡織、建筑、武器、冶金、科學技術等方面為我們留下了豐厚的物質文化遺產。其中鑄造生鐵和生鐵煉鋼技術的發(fā)明，促進了鑄鐵在中國的應用。當中國步入鐵器時代之初，冶鐵技術便快速發(fā)展起來。戰(zhàn)國和兩漢時期，鐵犁和牛耕的使用極大地促進了農業(yè)生產，鐵兵器制造也得到蓬勃發(fā)展，此后中國冶鐵技術一直處于世界頂尖水平，直到西方工業(yè)革命爆發(fā)。

人類最初認識鐵是從隕鐵開始。1972年，在河北藁城臺西村商代遺址出土了一件鐵刃銅鉞[1]（圖1），經分析鑒定，鐵刃中所含的鎳達6%，并出現(xiàn)了分層高鎳偏聚現(xiàn)象[2]（圖2），這種現(xiàn)象只能在冷卻極為緩慢的天體中才能發(fā)生，另外，鐵刃中不存在人工冶鐵所具有的夾渣，因此能夠肯定銅鉞的刃用的是隕鐵。

人類對鐵的冶煉，從認識鐵礦石開始。鐵元素（Fe）是地球上分布最廣的元素之一，僅次于氧、硅、鋁而居第四位。鐵元素在地殼中以鐵礦石的形式存在，主要有：磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等，在地殼中含量為4．75%。

1990年全國十大考古發(fā)現(xiàn)之一：河南省三門峽市虢季墓，出土了一件迄今為止我國內地年代最早的人工冶鐵的實物——玉柄鐵劍（圖3），年代為西周末。中國古代冶煉技術在春秋以前，一直處于比較原始的“塊煉法”，采用木炭作燃料，熱量少，又因爐體小，鼓風設備差，爐溫上不去，不能達到鐵的熔煉溫度，所以煉出的鐵是海綿狀的固體塊，稱為“塊煉鐵”。這和古代西亞、北非等地冶鐵技術基本相同，有專家認為中國早期的“塊煉鐵”技術是由西方傳入的，但這些地區(qū)就此停步在“塊煉鐵”階段，而我國的冶鐵技術最遲從春秋中期已開始使用鑄造技術，即將鐵礦石加熱到熔化狀態(tài)，得到高溫液態(tài)鑄造生鐵。

2 鑄造生鐵的冶煉

圖1 鐵刃銅鉞

圖2 高鎳偏聚

圖3 玉柄鐵劍

鑄造生鐵的獲得得益于新石器龍山文化時期高超的制陶及燒窯技術，其后青銅器制作技術最發(fā)達的商周時期，已使用熔煉溫度可達1000℃以上的豎型爐。在洛陽市郊北窯村發(fā)現(xiàn)迄今為止最早的豎型爐，經考證屬西周時期的煉銅爐殘體，并發(fā)現(xiàn)有呈90度角的風口4處?？梢哉J為早在3000年前我國已有豎型高爐的雛形，為熔煉鑄鐵打下了基礎。生鐵冶煉原理是，將鐵礦石和木炭在高溫下加熱，使鐵礦石還原成液態(tài)鐵的冶金過程。在加熱過程中碳（C）與氧氣（O2）的燃燒產物一氧化碳（CO）將鐵礦石中的Fe3O4或Fe2O3還原得到鐵（Fe），由于鐵（Fe）吸收了碳（C），成為鐵碳合金，降低了鐵的熔點（純鐵熔化溫度1535℃），當含碳量達到4.3%時，熔點降為1146℃。采用豎爐熔煉鐵礦石，當爐內溫度達到1146℃以上時，鐵開始熔化成為液體。鐵水比重大沉在爐底，雜質比重輕浮在表面，通過撇渣器輕松去除大部分雜質，鐵水則從下部出鐵槽流出，冷卻后形成鑄造生鐵錠。這個過程和現(xiàn)代鑄造生鐵的工藝過程幾乎是一樣的[1]（圖4）。洛陽博物館展出的一件戰(zhàn)國時期鐵足銅鼎，其鐵足應為鑄造而成（圖5）。

3 熱處理方式

圖4 現(xiàn)代高爐生產鐵水示意圖

圖5 洛陽出土戰(zhàn)國鐵足銅鼎

古代工匠對于鑄造生鐵的認識是從白口鐵開始的。白口鐵以滲碳體為基體組織，性脆、硬，古人稱之為“惡金”，西方對鑄鐵的認識因此止步于此。而我國工匠發(fā)展出成套熱處理技術，將生鐵送入退火爐中二次加熱，通過控制加熱溫度和時長，使白口鐵中的化合碳以石墨形態(tài)析出，石墨具有潤滑效果，能有效緩沖機械載荷，如果石墨的形態(tài)為團絮狀或球狀，還能極大的降低石墨對基體的切割作用，改善鑄鐵件機械性能，達到柔化鑄鐵的效果。經過退火熱處理柔化后的鑄鐵即為可鍛鑄鐵，根據(jù)熱處理方法的不同，分為斷口呈白色的白心可鍛鑄鐵和斷口呈灰黑色的黑心可鍛鑄鐵?？慑戣T鐵并不是可以鍛造的意思，是指這種鑄鐵件具有一定韌性和塑性，古代也稱作“韌性鑄鐵”。洛陽水泥廠出土的戰(zhàn)國鐵鏟[1]（圖6），經金相檢測，退火完全，析出團絮狀石墨，是典型的可鍛鑄鐵。根據(jù)以往的認識，白心可鍛鑄鐵是18世紀法國人熔煉出來的，被稱為“歐法”；黑心可鍛鑄鐵是19世紀美國人熔煉出來的，被稱為“美法”。其實在戰(zhàn)國早期，我國就已經發(fā)明并使用了可鍛鑄鐵。

圖6 洛陽水泥廠出土戰(zhàn)國鐵鏟（團絮狀石墨）

戰(zhàn)國時期與可鍛鑄鐵同時出現(xiàn)的還有金屬型，金屬型澆注使得鑄件表面冷卻速度快，形成白口鐵，由于鐵碳合金中的碳還沒有來得及石墨化析出，這為下一步可鍛化處理做好了準備，所以金屬型的出現(xiàn)是可鍛鑄鐵生產的必要環(huán)節(jié)。

西漢中期以后逐漸發(fā)展出“炒鋼”技術，打通了生鐵、鋼、熟鐵之間的界限。通過對塊煉鐵的鍛打去渣后也能得到了熟鐵，熟鐵質軟，后期需要在炭火上高溫反復鍛打滲碳，增加表面硬度才能使用，而且鍛打滲碳處理的工件表面含碳量不均勻，有時會含有大塊夾渣。要想消除這些現(xiàn)象只能增加鍛打的次數(shù)，稱為“百煉鋼”，但這個過程耗時費力，生產效率太低?！俺翠摗奔夹g的發(fā)明，解決了這些難題。先熔煉鑄造生鐵，再對含碳量高的鑄造生鐵進行脫碳處理，當含碳量＜2.11%時就成為鋼，含碳量＜0.1%時為熟鐵，通過調節(jié)碳在鐵中的含量，就可以制造出不同用途的工件。將鑄造生鐵加熱到半熔化狀態(tài)，通過不斷翻滾生鐵和加大鼓風量，使空氣中的氧氣和生鐵充分接觸，氧和碳結合過程是放熱并實現(xiàn)脫碳的過程，而鑄造生鐵中的碳也不再以石墨形態(tài)析出。通過控制鼓風量和攪拌時間可以得到不同含碳量的鋼材。這個先煉鐵后煉鋼的生產過程奠定了現(xiàn)代煉鋼技術的基礎。另外，通過退火處理也可以得到鋼，鑄件在退火爐中以氧化氣氛加熱，氧和碳結合達到脫碳的目的。

在“炒鋼”基礎上進一步發(fā)明出“灌鋼技術”。最早記載此項技術的是南北朝時期陶弘景“雜煉生钅柔以作刀鐮”，其原理是將生鐵和熟鐵按一定比例配合后，加熱到生鐵熔點以上，得到所需性能的鋼的技術。據(jù)《北齊書.綦母懷文傳》記載，生活在東魏、北齊的冶金大師綦母懷文造出“宿鐵刀”，“其法燒生鐵精，以重柔鋌，數(shù)宿則成剛”，然后“以柔鐵為刀脊，浴以5牲之溺，淬以5牲之脂”，這種刀能“斬甲過三十札”。首先，綦母懷文選用品位比較高的鐵礦石，冶煉出優(yōu)質生鐵，然后，把液態(tài)生鐵澆注在熟鐵上，經過幾次熔煉，使熟鐵滲碳成為鋼，由于是讓生鐵和熟鐵“宿”在一起，所以煉出的鋼被成為“宿鐵”，這采用的就是“灌鋼技術”。而“浴以5牲之溺，淬以5牲之脂”說明綦母懷文已經熟練使用淬火熱處理技術。中國早在戰(zhàn)國時代就使用了淬火技術，但是長期以來，人們一般都是用水作為淬火的冷卻介質。雖然三國時的制刀能手蒲元等人已經認識到：用不同的水作淬火的冷卻介質，可以得到不同性能的刀，但仍沒有突破水的范圍。而綦母懷文則實現(xiàn)了這一突破，他在制作“宿鐵刀”時使用了雙液淬火法，即先在冷卻速度大的動物尿中淬火，然后再在冷卻速度小的動物油脂中淬火，這樣可以得到性能比較好的鋼。雙液淬火法，即在工件的溫度比較高（400～650℃）的時候，選用冷卻速度比較快的淬火介質，以保證工件的硬度；而在溫度比較低（200～300℃）的時候，則選用冷卻速度比較小的淬火介質，以防止工件開裂和變形，使其有一定的韌性。雙液淬火法是一種比較復雜的淬火工藝，這在當時沒有測溫、控溫設備的條件下，完全依賴經驗操作，是一項了不起的成就。最重要的是，制作寶刀不再通過“百煉鋼”這種耗時費力的方法而獲得，提高了高質量武器的制造效率。

4 結語

古代西方國家在偶然的情況下也會得到高溫熔化的鐵水，可冷卻后的生鐵脆、硬，不好利用，于是放棄了進一步的探索。而我國工匠鍥而不舍，細心探索，不斷改進鑄造設備的同時，發(fā)展出一系列熱處理工藝，以及“炒鋼”、“灌鋼”技術，使得生鐵成為鐵器時代最富有競爭力的材料。先秦時期，中國鐵制工具、農具、武器便傲居世界頂峰。生鐵技術的西傳，促進了中世紀后期歐洲的經濟發(fā)展，奠定了工業(yè)革命的物質基礎。而工業(yè)革命之后，我國鑄造及鋼鐵工業(yè)反而落后于西方，不得不令人感嘆。通過回顧歷史，學習古人的智慧，重拾文化自信，堅定實現(xiàn)鑄造強國之信念。