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我國(guó)人工冶煉鐵較西亞兩河流域和埃及要晚。據(jù)現(xiàn)存記載和對(duì)出土文物的考察，大致可追溯到春秋時(shí)期，再早的傳說(shuō)和推測(cè)就不大可靠了?！蹲髠鳌酚涊d，春秋時(shí)晉國(guó)人趙鞅曾率軍隊(duì)到汝濱，在那兒征收生鐵，鑄造了一個(gè)刑鼎，上面鑄書(shū)了范宣子的刑書(shū)?！豆茏印芬粫?shū)(雖為后人托名管仲所撰，成書(shū)較晚，但內(nèi)容多取材于春秋時(shí)齊國(guó)官府的檔案)曾記載：“凡天下名山五千三百七十一，……出鐵之山三千六百有九”。東漢時(shí)人趙曄的《吳越春秋》說(shuō)：春秋時(shí)吳王闔閭命工匠干將“采五山之鐵精”進(jìn)行鼓冶，鍛造寶劍，他在妻子莫邪的協(xié)助下終于煉成兩把鋒利無(wú)比的名劍。這些記載都是有較大參考價(jià)值的。從出土文物看，迄今最早由人工冶煉的鐵器可舉出這些：在甘肅靈臺(tái)出土了春秋晚期的鐵柄銅劍；在江蘇六合縣程橋出土了春秋晚期的塊煉鐵鐵條和生鐵丸；在長(zhǎng)沙識(shí)字嶺楚墓出土了生鐵臿(鍬)；在長(zhǎng)沙窯嶺山出土了楚國(guó)鑄造的鐵鼎。從時(shí)間上看與文獻(xiàn)記載大體一致。當(dāng)然，在更早的時(shí)候，我國(guó)先民還曾接觸過(guò)隕鐵，不過(guò)那不是人工冶煉的。例如，1972年在河北藁城縣臺(tái)西村商代中期遺址中出土過(guò)一件銅鉞，其上鑲有鐵刃，經(jīng)過(guò)科學(xué)鑒定，那是用隕鐵嵌鑄到銅鉞上去的。那么怎樣鑒別人工冶煉的鐵和隕鐵呢？主要根據(jù)是兩條：其一是古代的人工冶鐵中必然含較多的硅酸鹽類(lèi)夾雜物，而隕鐵中不會(huì)有。其二，隕鐵中總含有較高含量的鎳(大約5%)和一些鈷，而且鎳、鈷在鐵中的含量呈高低相間的分布。 在古代，煉鐵的原料主要是富鐵礦石(赤鐵礦)。把它與木炭混合后，放在煉爐中點(diǎn)火鼓風(fēng)，進(jìn)行冶煉。木炭燃燒，既造成高溫，又生成還原氧化鐵的一氧化碳。實(shí)際上需要的冶煉溫度要在1000℃以上。按照一般的發(fā)展規(guī)律，原始的冶鐵可能只是利用自然通風(fēng)或用皮橐鼓風(fēng)，溫度不會(huì)太高。生成的鐵不致液化，所以產(chǎn)品是半熔融狀態(tài)的鐵塊，礦石中的其他未還原物質(zhì)和巖石類(lèi)雜質(zhì)(礦渣)不能離析出來(lái)，便與鐵形成一個(gè)熔塊，因此得趁熱反復(fù)鍛打，擠出其中大部分的夾雜物。這種鐵就叫做塊煉鐵。生產(chǎn)這種鐵費(fèi)工多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率也低。但它含炭極低，接近于純鐵，熔點(diǎn)雖高，但質(zhì)地柔韌，易于鍛造加工。隨著冶煉技術(shù)的提高，人們不斷加高煉鐵爐的身高，強(qiáng)化鼓風(fēng)，煉鐵爐逐步從地坑式發(fā)展成豎爐式，燃燒強(qiáng)度就會(huì)加大，產(chǎn)率就會(huì)提高。但也引起新的問(wèn)題，隨著冶煉溫度的升高，鐵中滲入的炭量也會(huì)增加，礦石中的硅、硫、磷經(jīng)過(guò)還原后也會(huì)滲入鐵中，這樣便會(huì)得到另一品種的鐵，即生鐵。因含硅、硫、磷等雜質(zhì)，熔點(diǎn)會(huì)降到1150℃左右。固然容易獲得鐵水，與爐渣可以較好地分離，也便于鑄造，而且生鐵質(zhì)地堅(jiān)硬耐磨。但也出現(xiàn)了嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即非常脆，幾乎完全失去了鍛造的性能。 從冶鐵進(jìn)步史的角度來(lái)看，值得重視的是我國(guó)生鐵與塊煉鐵居然同時(shí)出現(xiàn)，而在歐洲，雖然很早就掌握了塊煉鐵技術(shù)，但到14世紀(jì)才利用生鐵。我國(guó)所以能在較早的時(shí)期就煉出了生鐵，大概與我國(guó)青銅冶煉技術(shù)的高度發(fā)展有關(guān)。因?yàn)橄胥~綠山冶銅遺址中所發(fā)現(xiàn)的那種鼓風(fēng)式豎爐如果強(qiáng)化鼓風(fēng)，那么在加入鐵礦石的情況下就有可能煉出生鐵來(lái)。 我國(guó)這兩種冶鐵工藝在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里是共存的。塊煉鐵雖然工效低，但工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，產(chǎn)品又有優(yōu)良的鍛造性能，在炭火中進(jìn)行滲炭，即可成鋼，因而是古代鍛造鐵和鋼的重要原料，它適應(yīng)了當(dāng)時(shí)社會(huì)鍛制兵器和工具的需要。自春秋晚期以后，歷代的以塊煉鐵或以它為原料的滲炭鋼所鍛造的器物幾乎都發(fā)現(xiàn)了。例如大冶銅綠山古礦井出土了鍛制鐵工具；西安半坡戰(zhàn)國(guó)中晚期墓葬出土了鐵鑿；河北易縣燕下都出土了各類(lèi)鍛造兵器；河北滿(mǎn)城漢墓出土了鐵兵器，包括中山靖王劉勝的鎧甲(由2859片鍛鐵甲片綴成)，它們都是塊煉鐵的制品。即使在西漢末期發(fā)展出了炒鋼技術(shù)以后，塊煉鐵仍然流行，例如北京順義縣東漢磚石墓出土的鐵器、陜西唐代懿德太子墓出土的鐵剪、北京元大都順承門(mén)外(今宣武門(mén)內(nèi))出土的長(zhǎng)鐵刀，還都是用塊煉鐵(或夾炒鋼)鍛制的。 我國(guó)古代的生鐵則先后發(fā)展出了四個(gè)品種。白口鐵出現(xiàn)最早，前述六合縣程橋出土的鐵丸和長(zhǎng)沙出土的鐵鼎都是典型的白口生鐵制品。其中所含的碳以碳化鐵狀態(tài)存在，這種生鐵質(zhì)硬而脆，斷口呈銀白色。它的優(yōu)點(diǎn)是耐磨，所以適合制作犁鏵之類(lèi)的農(nóng)具。我們的祖先很快就給它找到了恰當(dāng)?shù)挠梦渲?。第二種生鐵是灰口鐵，因?yàn)槠渲泻栎^多，而它能促使鐵中的碳石墨化。因此小片的石墨使這種鐵的斷面呈灰色，而基體變成了含碳低的鐵，所以其脆性減小。這種鐵的鑄造性能好，凝固收縮小，適用于鑄造較精巧的物品。目前最早的灰口鐵出自滿(mǎn)城漢墓，是用來(lái)制作車(chē)上的锏(軸承)。由于灰口鐵中含有石墨片，有一定的潤(rùn)滑作用，所以制作軸承正是它的專(zhuān)長(zhǎng)。第三種是麻口鐵，其性能介于上述兩種生鐵之間，在銅綠山和滿(mǎn)城漢墓都出土了麻口鐵制品。第四種是韌性鑄鐵。當(dāng)把白口鐵加熱、保溫，緩慢冷卻時(shí)，其中的碳便會(huì)以團(tuán)絮狀石墨析出，而基體相當(dāng)于低碳鋼或中碳鋼，這種過(guò)程現(xiàn)在叫“退火”，我國(guó)古代把這種工藝叫做“柔化處理”，所得的生鐵就是韌性鑄鐵，這是冶金史上的一項(xiàng)重大發(fā)明。這種處理技術(shù)，我國(guó)先民早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就開(kāi)始摸索，在兩漢至南北朝期間得到了廣泛的發(fā)展。出土的韌性鑄鐵器物則不勝枚舉。 歷來(lái)的生鐵主要消耗在鑄造各種農(nóng)具、車(chē)具上。另外還有一些別的利用，說(shuō)來(lái)饒有趣味。南宋以后曾用生鐵大量鑄造炮身，有的炮身長(zhǎng)達(dá)數(shù)米，重量從數(shù)百到數(shù)千斤；西漢中山靖王墓的夾墻里、唐代乾陵墓道的砌石間、著名的隋代趙州橋的石塊間原來(lái)都澆灌了生鐵水，難怪堅(jiān)固無(wú)比，這種工藝叫做“冶金固隙”；河北滄州后周所造的鐵獅子是用10余萬(wàn)斤生鐵鑄造的；山西晉祠的四個(gè)大鐵人則是趙宋時(shí)的大型生鐵鑄件；浙江雁蕩山能仁寺的大鐵鍋，直徑達(dá)2.2米，注明宋代元祐七年(公元1092年)造，重達(dá)27000斤。此外，古代鑄造的鐵塔很多，泰山有一座明代嘉靖間鑄造的鐵塔，13層，全高竟達(dá)10多米。 如果說(shuō)我們的祖先在生產(chǎn)和利用生鐵方面總結(jié)出過(guò)豐富的經(jīng)驗(yàn)，那么他們?cè)诿鞫喾N多樣的煉鋼工藝上，則貢獻(xiàn)出了更多的聰明智慧，發(fā)揮出了更大的創(chuàng)造才能?？梢哉f(shuō)，我國(guó)是世界上最早生產(chǎn)鋼的國(guó)家之一，如果拋開(kāi)那些不大可靠的傳說(shuō)和揣測(cè)，比較確鑿的記載和出土文物可以證實(shí)，早在春秋晚期，即冶鐵誕生不久，就已向煉鋼過(guò)渡。 從長(zhǎng)沙楊家山65號(hào)楚墓(春秋晚期)中曾出土一把銅格鐵劍，經(jīng)金相檢驗(yàn)，證明它是鋼制的，這是目前發(fā)現(xiàn)最早的鋼器。在易縣戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的燕下都也出土過(guò)鋼劍，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，揭開(kāi)了戰(zhàn)國(guó)時(shí)期煉鋼技術(shù)的奧秘。它是以塊煉鐵為原料的，把它放在炭火上加以鍛打，在排擠出其中夾雜物的同時(shí)，炭從表面滲進(jìn)去，所以形成表面炭多，內(nèi)部炭少的現(xiàn)象。鍛打后鐵片延伸，工匠便折疊起來(lái)繼續(xù)鍛打，并打制若干片鍛接成劍身。因此在劍的橫截面上就形成了含炭高低相間的分層結(jié)構(gòu)。這就是中國(guó)最古老的所謂滲炭鋼的煉鋼方法。工藝比較簡(jiǎn)易，所需溫度也比較低，當(dāng)然生產(chǎn)效率也較差，質(zhì)量也不大好。還值得一提的是，燕下都出土的滲炭鋼有的業(yè)經(jīng)淬火?？赡艹鯐r(shí)是工匠們?yōu)榱耸瑰懗傻牡秳鋮s得快些，便趁熱把它浸到冷水中，后來(lái)發(fā)現(xiàn)這樣做可使鋼變得堅(jiān)硬，于是便逐步形成了一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)的淬火工藝過(guò)程。 工匠們?cè)跓捴茲B炭鋼的過(guò)程中，當(dāng)然會(huì)發(fā)現(xiàn)反復(fù)加熱鍛打，次數(shù)越多鋼件就越堅(jiān)韌，于是便發(fā)展出了百煉鋼工藝?！鞍贌挕笨梢允逛摰某煞志鶆蚧?，夾雜物減少和細(xì)化，使鋼的質(zhì)量顯著提高。這種鋼可算是我國(guó)古代鋼鐵材料中質(zhì)量最高的品種。冶金史家們?cè)鴻z驗(yàn)了滿(mǎn)城漢墓中的劉勝佩劍，就是百煉鋼制品，而且刃部經(jīng)過(guò)局部淬火，所以背部柔韌而刃部堅(jiān)硬、鋒利，可謂柔剛結(jié)合。這正是《漢書(shū)·王褒傳》中所說(shuō)：“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒?！边@表明淬火工藝在西漢時(shí)已達(dá)到成熟階段。這種鋼質(zhì)量固然很高，但可以想象，“千錘百煉”是十分艱辛的勞動(dòng)。據(jù)說(shuō)，曹操曾請(qǐng)名匠為他煉制五把寶刀，竟費(fèi)了三年之久。他把這種刀稱(chēng)為“百辟刀”，意思是說(shuō)它極為鋒利，連妖魔鬼怪都會(huì)被它嚇跑。也正因?yàn)檫@類(lèi)制品鍛造辛苦，手藝精湛，所以備受后人稱(chēng)頌。浙江省龍泉縣相傳是歐冶子曾經(jīng)造劍的地方，后人建有歐冶廟，至今仍是“龍泉寶劍”的產(chǎn)地，享譽(yù)中外，也正因?yàn)槟抢锏慕硯焸兝^承和發(fā)揚(yáng)著我國(guó)兩千多年來(lái)的百煉鋼傳統(tǒng)工藝。 西漢后期，在我國(guó)煉鋼史上出現(xiàn)了一次重大的技術(shù)革新，創(chuàng)造了以生鐵煉鋼的新工藝，那就是“炒鋼”。炒鋼是把生鐵加熱到熔化或基本熔化以后，放在陶質(zhì)熔池中繼續(xù)加熱并不斷攪拌，借助空氣中的氧把生鐵中的碳及硫、磷等部分地氧化掉而成為鋼(圖2-4)。當(dāng)然，在古代的技術(shù)條件和知識(shí)水平上，炒鋼中的碳含量很難控制在理想的狀況，而往往是一炒到底，把生鐵炒成了熟鐵，所以炒熟鐵與炒鋼實(shí)質(zhì)上是一回事，熟鐵就是含碳已極少的炒鋼。在東漢以后，隨著炒鋼一熟鐵這種新工藝的出現(xiàn)，有些百煉鋼就轉(zhuǎn)而改用熟鐵為原料了。在山東臨沂地區(qū)蒼山出土過(guò)一把東漢永初六年(公元112年)造的“三十煉”大刀，是目前發(fā)掘到的最早的以炒鋼為原料的百煉鋼類(lèi)型制品。這種百煉鋼質(zhì)量極高，東漢后歷代名劍寶刀多是用這種工藝鍛造的?！稌x書(shū)》記載，有一種名叫“大夏龍雀”的百煉鋼刀，被譽(yù)為“名冠神州”、“威服九區(qū)”，大約就是以炒鋼為原料鍛造的。 大約在晉一南北朝時(shí)期，又有一種別開(kāi)生面的“灌鋼”技術(shù)問(wèn)世。這種煉鋼工藝的科學(xué)原理是根據(jù)生鐵含碳分過(guò)高，質(zhì)硬而脆，熟鐵含碳又過(guò)低，質(zhì)柔不堅(jiān)。而生鐵較熟鐵相對(duì)來(lái)說(shuō)熔點(diǎn)相當(dāng)?shù)?，如果把生鐵與熟鐵相互配合，放在一起加熱，則生鐵熔化，滲入熟鐵中，兩者性質(zhì)便會(huì)折中起來(lái)，所以“生熟相加，煉成則鋼”(宋應(yīng)星語(yǔ))。這種煉鋼工藝到了南北朝時(shí)期就有了明確的記載，當(dāng)時(shí)南朝的一位醫(yī)藥與煉丹大師陶弘景就說(shuō)過(guò)：“鋼鐵是雜煉生鍒〔rou柔，指柔軟的鐵，即熟鐵〕作刀鐮者?！睎|魏的一位道士綦〔qi其〕毋懷文曾用這種鋼鍛造了一把寶刀，稱(chēng)之為“宿鐵刀”，據(jù)說(shuō)極為鋒利，他作過(guò)一次表演，把鐵甲疊成30札，手起刀落，竟截為兩半。那么又為什么叫“宿鐵”刀呢？《北齊書(shū)·方伎列傳》有所說(shuō)明：這種刀所用的鋼是使生鐵與熟鐵同宿一起，如兩性交配一樣，把生鐵精燒熔后灌注到熟鐵中去，連宿數(shù)次，于是成鋼。當(dāng)時(shí)的匠師們對(duì)鋼和鐵還沒(méi)有多少科學(xué)知識(shí)，居然能從祖祖輩輩的長(zhǎng)期煉鋼經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出這種巧妙的方法，實(shí)在令人驚嘆佩服。到了宋代，灌鋼工藝更趨成熟，北宋學(xué)者沈括的名著《夢(mèng)溪筆談》對(duì)它的介紹就更清楚了。那時(shí)是把熟鐵條屈繞成盤(pán)，把生鐵塊嵌陷在盤(pán)條間，用泥封固起來(lái)，入爐燒煉，煉成后取出鍛錘成鋼。他說(shuō)這種鋼也叫“團(tuán)鋼”。這種工藝一直到明代仍很流行。宋應(yīng)星的《天工開(kāi)物》中也有翔實(shí)的介紹。 |
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