西漢時(shí)期中原地區(qū)冶鐵技術(shù)的發(fā)展

葛瑤

摘 要：古代中原地區(qū)的冶鐵業(yè)在全國(guó)占有重要地位，是研究我國(guó)古代冶鐵史不可或缺的一部分，具有相當(dāng)重大的意義。河南省鄭州市古滎鎮(zhèn)冶鐵遺址是我國(guó)漢代主要的金屬冶鑄場(chǎng)所之一，代表了當(dāng)時(shí)鋼鐵冶鑄技術(shù)的最高水平。從該遺址的現(xiàn)有遺存出發(fā)，能夠透視整個(gè)時(shí)代冶鐵業(yè)的發(fā)展水平和發(fā)展?fàn)顩r。

關(guān)鍵詞：漢代;中原地區(qū);冶鐵技術(shù);古滎;冶鐵遺址

冶鐵技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展和鐵器的使用大大提高了我國(guó)古代的社會(huì)生產(chǎn)力，推動(dòng)了社會(huì)由奴隸制向封建制度轉(zhuǎn)化的過(guò)程。古代中原地區(qū)的冶鐵業(yè)在全國(guó)占有重要地位，是研究中國(guó)古代冶鐵史不可或缺的一部分，具有相當(dāng)重大的意義。河南省鄭州市古滎鎮(zhèn)冶鐵遺址是我國(guó)漢代主要的金屬冶鑄場(chǎng)所之一，代表了當(dāng)時(shí)鋼鐵冶鑄技術(shù)的最高水平。本文以古滎冶鐵遺址的考古遺存為例，對(duì)西漢中原地區(qū)鋼鐵冶鑄技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 西漢時(shí)期的冶鐵制度

自春秋時(shí)期以來(lái)，冶鐵業(yè)作為一項(xiàng)重要的手工業(yè)，便十分受統(tǒng)治者們重視。管仲開(kāi)創(chuàng)了一系列對(duì)鹽鐵的管控措施，可以稱(chēng)為“鹽鐵官營(yíng)”的開(kāi)山鼻祖;商鞅在秦設(shè)“鹽鐵市官及長(zhǎng)丞”，從而對(duì)鹽鐵市場(chǎng)進(jìn)行管理;秦漢時(shí)期，對(duì)鹽鐵的管制更加完善和系統(tǒng)化，形成了自上而下分級(jí)的管理體系。

《史書(shū)·平準(zhǔn)書(shū)》載：“山海，天地之藏也，皆宜屬少府，陛下不私，以屬大農(nóng)佐賦……敢私鑄鐵器煮鹽者，釱左趾，沒(méi)入其器物。郡不出鐵者，置小鐵官，便屬在所縣?！庇捎诖胧┑卯?dāng)，在最初幾年鹽鐵官營(yíng)取得了較為良好的效果，但隨著形勢(shì)的變化，這些措施無(wú)法進(jìn)一步滿足統(tǒng)治者的需求，甚至形成了吏治混亂的現(xiàn)象。最終，在元封元年（前110），漢武帝任命“桑弘羊?yàn)橹嗡诙嘉?，領(lǐng)大農(nóng)，盡代僅莞天下鹽鐵”，桑弘羊整頓了朝廷的財(cái)政措施，并逐步建立起了從上至下的鹽鐵官營(yíng)的綜合管理系統(tǒng)。

就冶鐵業(yè)而言，全國(guó)的最高機(jī)構(gòu)為少府和武庫(kù)，屬中央一級(jí)主管單位。在地方的行政機(jī)構(gòu)中，也分郡縣設(shè)鹽鐵市官及長(zhǎng)丞，分管鐵礦的開(kāi)采、冶煉和鐵器的鑄造。秦漢時(shí)期不僅在中央設(shè)置分工詳細(xì)的主管部門(mén)及官吏，在各級(jí)郡縣中，責(zé)任也明確到人，施行“物勒工名”，形成了“造者—主造者—監(jiān)造者”的三級(jí)監(jiān)造制度。①

據(jù)《漢書(shū)·地理志》記載，西漢時(shí)期在全國(guó)各郡縣置鐵官約48處。通過(guò)考古發(fā)掘，我們可以發(fā)現(xiàn)，在距礦石資源較近的冶鐵遺址中，通常兼有冶煉、鑄造和鐵器加工的痕跡，而在鐵礦石資源不甚豐富但經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，則出土有鑄造和進(jìn)一步加工的遺跡。這種區(qū)域間的分工與合作，表明至少在西漢時(shí)期我國(guó)已形成了較為系統(tǒng)且完備的全國(guó)性冶鐵工業(yè)管理組織。

2 西漢時(shí)期的主要冶鐵技術(shù)

在春秋時(shí)期我國(guó)人工冶鐵發(fā)展的初級(jí)階段，普遍采用的技術(shù)是塊煉鐵法和生鐵法。②在戰(zhàn)國(guó)到西漢時(shí)期還流行鑄鐵退火的工藝，除此之外，還有淬火、生鐵淋口等。

2.1 塊煉鐵法與生鐵法

塊煉鐵的主要原料為鐵礦石和木炭，木炭燃燒生成一氧化碳，在高溫條件下促使鐵礦石進(jìn)行還原反應(yīng)，使鐵礦石中的氧化鐵還原成金屬鐵。③但因?yàn)槟咎咳紵裏o(wú)法達(dá)到反應(yīng)發(fā)生的最佳溫度，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率不甚理想，生成較多雜質(zhì)，所以產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量皆較低，再加上產(chǎn)品取出時(shí)需要對(duì)爐體進(jìn)行破壞（俗稱(chēng)“扒爐”），進(jìn)一步增加了生產(chǎn)的人工成本。

塊煉鐵和生鐵的主要原料及冶煉所需燃料大體相同，主要的區(qū)別在于冶煉時(shí)溫度的高低不同。從產(chǎn)出來(lái)看，塊煉鐵所得產(chǎn)品含碳量較低，但結(jié)構(gòu)疏松，大量氧化鐵和氧化亞鐵—硅酸鹽的共晶夾雜于其結(jié)構(gòu)孔隙之中。生鐵的含碳量則較高，達(dá)到2%以上，是一種性脆而硬的鐵碳合金，即俗稱(chēng)的“白口鐵”。

2.2 鑄鐵退火

生鐵因其硬而耐磨的特性，很早就被用于生產(chǎn)工具的制造，但生鐵性脆，不耐磕碰，所以人們?cè)谏a(chǎn)生活中總結(jié)了使生鐵柔化的方法，促進(jìn)了鑄鐵退火技術(shù)的產(chǎn)生。鑄鐵退火技術(shù)即將鑄鐵件加熱至特定溫度并進(jìn)行保溫，使?jié)B碳體緩慢分解，逐漸脫碳或石墨化，進(jìn)而獲得一定的韌性。這是中國(guó)古代冶鐵技術(shù)發(fā)展的里程碑式成就。自戰(zhàn)國(guó)早期該技術(shù)發(fā)明以來(lái)，直至漢魏乃至唐代，鑄鐵退火技術(shù)都是冶鐵作坊的主要生產(chǎn)方式之一，得到了普遍的應(yīng)用。

3 古滎鎮(zhèn)冶鐵遺址概況

古滎鎮(zhèn)位于漢代滎陽(yáng)城舊址上，地處鄭州西北20多千米處，北依鄺山，山北臨黃河。冶鐵遺址在漢滎陽(yáng)城西墻外，是一處西漢中晚期到東漢時(shí)期的遺址。經(jīng)初步勘探與發(fā)掘，該遺址東西寬300米，南北長(zhǎng)400米，面積達(dá)12萬(wàn)平方米。①

公元前119年，出于政治和經(jīng)濟(jì)目的，漢武帝實(shí)行“鹽鐵官營(yíng)”制度，在各郡出鐵之縣設(shè)鐵官進(jìn)行開(kāi)采、冶煉和鑄造。河南郡鐵官所轄的第一冶鐵作坊，簡(jiǎn)稱(chēng)“河一”，即今古滎鎮(zhèn)冶鐵遺址，距今已有2000余年的歷史。遺址內(nèi)的主要遺跡為兩座煉鐵爐爐基及爐基周?chē)龃蠓e鐵塊、原料堆、爐渣堆積區(qū)與其他煉鐵有關(guān)設(shè)施及功能區(qū)等。

4 遺址內(nèi)主要遺跡及相關(guān)問(wèn)題

筆者擬對(duì)古滎冶鐵遺址的重要遺跡遺物及相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi)描述與分析，并嘗試對(duì)漢代中原地區(qū)冶鐵工業(yè)的發(fā)展情況做出初步的復(fù)原與探究。

4.1 煉鐵爐爐基

兩座煉鐵爐在遺址內(nèi)東西并列，相隔14.5米，深3米。其中一號(hào)爐基南北長(zhǎng)4米，東西寬2.7米，北壁厚1米，東壁殘厚0.45米;二號(hào)爐基南北長(zhǎng)9.2米，北寬2.6米，南寬3.75米。兩座爐基下部都與爐前操作面相連，平面呈“凸”字形，其爐缸創(chuàng)造性地建造成橢圓形，這與漢代冶鐵技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。

自春秋后半葉冶鐵技術(shù)傳入中原以來(lái)，煉鐵爐普遍采用圓形的形制。隨著鐵器需求量的不斷提高和煉鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)煉鐵和鼓風(fēng)設(shè)施的原理有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)原有的圓形煉爐做了改進(jìn)。古滎冶鐵遺址的煉爐都是夯筑的高爐，外形呈饅頭狀，爐腔的斷截面廣泛改為橢圓形，為是在當(dāng)時(shí)的鼓風(fēng)設(shè)備能力的條件下增加煉爐容積的新?tīng)t形。②冶鐵高爐橫截面的變化，標(biāo)志著我國(guó)筑爐及冶煉史上的重大技術(shù)進(jìn)步。這種橢圓形高爐的出現(xiàn)，克服了爐心溫度達(dá)不到要求的弊端，說(shuō)明漢代冶鐵工匠對(duì)鼓風(fēng)與爐徑的相互關(guān)系已經(jīng)有了深入的認(rèn)識(shí)，在我國(guó)冶金史上具有重要意義。

古滎冶鐵遺址內(nèi)的高爐還普遍采用耐火材料。耐火材料在漢代已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于冶鐵技術(shù)中，多使用黏土質(zhì)耐火泥或成型的耐火磚砌筑爐壁，并進(jìn)一步在耐火材料中加入石英、石砂粒等添加物，以期提高耐火度。耐火材料的使用與進(jìn)一步改進(jìn)，為冶煉高爐的建造尤其是冶煉溫度的提高提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

4.2 礦石的來(lái)源及加工處理

據(jù)《山海經(jīng)·中山經(jīng)》記載：“少室之山……其下多鐵”“大騩之山其陰多鐵”“役山多鐵”“后山上多白金多鐵”。③經(jīng)考證，少室山地處今河南省登封市境內(nèi)，大騩山約在今滎陽(yáng)、密縣之間，役山、后山位于今鄭州西。這些地方均位于古滎鎮(zhèn)附近，且根據(jù)調(diào)查至今仍有含鋁量較高的褐鐵礦，其成分與遺址內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一些礦石相一致，由此可以推斷，古滎冶鐵遺址的礦石來(lái)源于滎陽(yáng)、上街一帶礦山。

在古滎冶鐵遺址的生產(chǎn)流程中發(fā)現(xiàn)有礦石處理環(huán)節(jié)，這在一定程度上表明了當(dāng)時(shí)人們對(duì)冶鐵技術(shù)的進(jìn)一步認(rèn)知。礦石的體積過(guò)大會(huì)影響其熔化及還原速率與程度，而過(guò)小過(guò)細(xì)的粉末則會(huì)堵塞爐內(nèi)料層和爐腔。因此，對(duì)開(kāi)采出來(lái)的礦石進(jìn)行篩選或粉碎，以得到顆粒均勻的冶煉原料是必要且必需的。出土的礦石遺跡有塊狀和粉末狀兩種形態(tài)，礦粉做遺棄處理，塊狀礦石直徑為2～12厘米，大多長(zhǎng)6厘米，這種規(guī)格的礦石適宜于入爐冶煉，說(shuō)明當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)對(duì)礦石的冶煉有一定的經(jīng)驗(yàn)。

4.3 燃料的種類(lèi)

根據(jù)出土遺跡和遺物的成分分析判斷，木炭仍是當(dāng)時(shí)古滎冶鐵遺址主要的燃料來(lái)源之一。但在65號(hào)陶窯火池內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有許多餅狀燃料塊，其中包含有類(lèi)似于煤炭的物質(zhì)。古滎冶鐵遺址煤餅的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明我國(guó)最晚到西漢時(shí)期就已經(jīng)使用煤炭作為冶鐵的能源之一，但從發(fā)現(xiàn)的餅狀燃料塊的數(shù)量上來(lái)看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以支持整個(gè)冶鐵遺址生產(chǎn)的需要，所以整個(gè)冶鐵遺址的燃料來(lái)源應(yīng)該還是主要依賴于木炭，煤餅只是作為一種助燃劑或輔助性原料存在。

4.4 爐渣及爐內(nèi)積鐵

爐渣是冶煉產(chǎn)物之一，其中攜帶的冶煉反應(yīng)信息被永久封閉。對(duì)古礦渣的檢測(cè)與分析是研究和揭示古代冶煉技術(shù)、工藝類(lèi)型等方面的重要技術(shù)手段。①古滎漢代冶鐵遺址爐渣有很多呈玻璃質(zhì)，經(jīng)取樣化驗(yàn)分析，配料中曾加入適量的石灰石做堿性助熔劑②，這樣能夠促進(jìn)爐渣的熔化和流動(dòng)，促進(jìn)鐵水和爐渣分離并順利流出爐外。石灰石助熔技術(shù)在漢代已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煉鐵工業(yè)的生產(chǎn)，并在一定程度上起到了脫硫的效果，這說(shuō)明當(dāng)時(shí)的造渣經(jīng)驗(yàn)已較為豐富。能夠使渣鐵分流，從而生產(chǎn)出質(zhì)量較高的生鐵產(chǎn)品，是漢代冶鐵技術(shù)標(biāo)志性的進(jìn)步之一。

古滎冶鐵遺址中還出土有九個(gè)大積鐵塊，它們多分布于爐前坑附近。積鐵塊在爐內(nèi)所處的位置不同，其成分和包含物也會(huì)有相應(yīng)的變化，總體來(lái)說(shuō)積鐵塊由上至下含碳量逐步增高，這表明爐內(nèi)溫度自上而下是逐漸升高的，上部的還原鐵在下降過(guò)程中逐步滲碳，變?yōu)楹剂枯^高的生鐵。根據(jù)這些積鐵塊不同的分布位置和成分差異，我們可以大致推斷出煉爐的尺寸。

4.5 鼓風(fēng)設(shè)施

古滎鎮(zhèn)漢代冶鐵遺址中出土了大批量的直筒或彎頭的陶質(zhì)鼓風(fēng)管，兩端粗細(xì)不一，內(nèi)外都裝飾有繩紋，可以套接使用。外層糊有一層或多層草拌泥，起隔絕高溫的作用。關(guān)于古滎冶鐵遺址的鼓風(fēng)方式學(xué)術(shù)界也有不同的聲音，以李京華先生為代表的一些人認(rèn)為是采用機(jī)械鼓風(fēng)的方式，但有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這個(gè)假設(shè)并不可行，故而提出了采用多人操作的皮橐鼓風(fēng)方式的觀點(diǎn)。對(duì)古滎冶鐵遺址而言，皮橐鼓風(fēng)具有機(jī)械鼓風(fēng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，它占地面積較小且操作靈活，并且可充分釋放皮橐內(nèi)的氣體。在勞動(dòng)力較為充裕的情況下，可通過(guò)多人操作或輪流操作等方式降低個(gè)人的勞動(dòng)強(qiáng)度。③到東漢時(shí)期，南陽(yáng)太守杜詩(shī)發(fā)明水排鼓風(fēng)裝置，是鼓風(fēng)技術(shù)的又一大顯著進(jìn)步。

4.6 其他相關(guān)設(shè)施

除上述冶鐵裝置和設(shè)施外，在古滎冶鐵遺址發(fā)掘中還出土了一些相關(guān)的配套設(shè)施，如水井、水池、四角柱坑、船型坑、烘范窯等，從地層關(guān)系上看屬于同一時(shí)期，與冶煉爐應(yīng)有直接關(guān)系。

5 結(jié)語(yǔ)

自漢代起，我國(guó)正式邁入了“鐵器時(shí)代”，繼而迎來(lái)了一個(gè)又一個(gè)盛世，這其中，冶鐵技術(shù)是不容小覷的存在。古滎冶鐵遺址采用了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的橢圓形煉爐，從而達(dá)到增加煉爐容積的目的，同時(shí)在爐內(nèi)使用耐火材料來(lái)延長(zhǎng)煉爐的使用壽命;選擇合適大小的礦石，從而增加礦石的轉(zhuǎn)化率和利用率;使用煤餅作為木炭的助燃劑，增加燃料的利用效率;在冶煉過(guò)程中加入石灰石作為助熔劑，增加鐵水的流動(dòng)性并客觀地達(dá)到脫硫的效果;使用先進(jìn)的皮橐鼓風(fēng)來(lái)增加鼓風(fēng)量和鼓風(fēng)效率，從而提高爐溫?？偠灾谇按幕A(chǔ)上，漢代的冶鑄技術(shù)得到了進(jìn)一步的創(chuàng)新與發(fā)展，形成了一整套從礦石采取、篩選、冶煉、鑄造到后期加工等較為完備的工藝技術(shù)，這標(biāo)志著我國(guó)古代的冶鐵和鑄造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較高水平。漢代鐵器工業(yè)的發(fā)展依賴于冶鐵技術(shù)的發(fā)展，而其自身的發(fā)展又促進(jìn)了冶鑄技術(shù)的提高，二者互相作用，同時(shí)又促進(jìn)了社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)的繁榮。