汉代钢铁冶铸技术及其西传

  中国，是世界上最早开始冶铸钢铁的国家之一。从考古资料看，商代伊始，我国先民们已经懂得利用天然陨铁锻造铁器。至迟到春秋中晚期，我国古代工匠已开始冶铸钢铁。这是中国钢铁冶铸业的创始时期。到了汉代，西汉文帝时实行放任政策，钢铁冶铸业得到迅速发展。由于钢铁器具比其他材质（如石、木、铜等）的器具具有更明显的优越性，社会的需求量因之大增。钢铁冶铸业也就成为一门可以牟取暴利的职业。冶铸之家无不暴富，财或累致万金。汉武帝时，由于对匈奴征战，边防用度不足，乃推行盐铁官营政策。国家投入大量资本，集中各地能工巧匠，从事钢铁冶铸。为了加强对冶铸业的管理，汉朝在中央设大农丞或盐铁丞，在全国各产铁地置铁官或小铁官。据《通考》所考，西汉置铁官五十，其所在地，以今日地理按之，遍及陕西、四川、河南、山西、河北、山东、安徽、江苏，乃至甘肃、辽宁等边远地区。每一铁官管辖一个到几个大作业点，每个作业点，设置督员，谓之“吏”；吏下有工头，谓之“卒”；卒下是工人，谓之“徒”。管理组织十分严密。由于政府的重视，由于各地先进经验、技术的交流、推广，汉代的钢铁冶铸业取得了辉煌的成就。

  与前期相比，汉代钢铁冶铸业有着非常明显的特点：一、钢铁冶铸业分布面广。在黄河两岸、长江南北、长城内外；在东北、新疆、四川、云南、两广等沿边地区，都发现有汉代的钢铁冶铸遗址。其中西汉有六十多处，东汉有一百多处。二、钢铁冶铸作坊规模宏大。汉武帝以前，一些官营冶铸作坊就“一岁功十万人以上”（《汉书·贡禹传》）；私营冶铸作坊也常常“一家聚众或至千人”（《盐铁论·复古篇》）。河南南阳瓦房庄遗址，原是汉代重要的铁官所在地，其生产作业区的面积达十二万平方米，共有大炼炉十七座。三、产品品种类型齐全，应用广泛。武帝以后，钢铁器具取代了青铜器具。辽宁辽阳三道壕所发掘的西汉八座居民房址中，每一户都有铁制农具，包括犁铧、耧、钁、锸、耙、镰等，从耕播到收获的全套工具几乎都已齐备。此外，钢铁质材的生活用品如灯、釜（锅）、炉、剪、刀等；武器如剑、戟、矛、盾、刀、钺、箭镞等，在南北各地汉代遗址中均有出土。四、钢铁冶铸技术高超，在世界冶金技术史上占有重要地位。

  汉代，中国钢铁工匠在总结前代实践经验的基础上，对过去已发明的一些生产技术作了改进，并且有多项技术新发明，使我国古代钢铁冶铸业达到了一个新的发展高度，不仅对我国封建社会的农业、手工业、水利、交通以及人们的物质生活有着重要影响，而且在中外钢铁冶铸史上具有划时代的意义。这时期，令人瞩目的钢铁冶铸新技术，主要有：

  钢与铁，都是纯铁与碳的合金。冶金学上，一般把含碳量小于０．５％的合金称为熟铁，含碳量在０．５％—２％之间的称为钢，含碳量大于２％的称为生铁。生铁又称铸铁。它是在摄氏一千一百五十度到一千三百度的温度下冶炼而得，出炉时呈液态，可以浇铸成型，其质地脆硬，夹物较少。生铁经高温退火后，可得到一种高强度展性铸铁（称可锻铸铁）。西方在１７２２年以后才懂得这项技术，而中国在两千多年前的东周时期已掌握这项技术。可锻铸铁中，有一种性能优良，还可以代替铸钢的球墨铸铁。现代冶炼球墨铸铁技术是在１９４８年左右发明的。但是，令人惊诧的是，我国考古工作者在河南铁生沟汉代冶铁遗址中出土的铁镬，以及在河南渑池出土的汉魏时期的铁斧，经北京钢铁学院金属材料系中心化验室化验，证明其中有十分良好的球状石墨，有明显的石墨核心和放射性结构，与现代球墨铸铁国家标准一类Ａ级石墨相当（《河南汉代冶铁技术初探》，《考古学报》１９７８年第１期）。可见我国早在汉代已经在制造球墨铸铁了。遗憾的是，这项技术却不见于任何古文献记载，因而其主要内容我们尚不太清楚；但是，汉代球墨铸铁的生产这一事实，却是世界冶金史上一大奇迹，是我国古代钢铁冶铸史上一项重大发明。

  钢毕竟比铁具有更多的优越性。因而，古代工匠总在想方设法把铁制造成钢。最初的时候，工匠们在摄氏八百至一千度较低温度下，用木炭还原铁矿石，得到一种含夹物较多，呈海绵状的块炼铁。因为块炼铁含碳量很低，相当软，只能锻，不能铸，因此不是理想的造器材料。铁匠们以块炼铁为原料，对它反复加热，折叠锻打，挤出杂物，并在与炭火接触中使之增碳变硬，就成了块炼渗碳钢（简称块炼钢）。这是最原始的钢。这种钢在制作的完整过程中，需要反复加热锻打，故又称“百炼钢”。这种制钢法，劳动量大，效率低。西汉中后期以后，铁匠们发明了“炒钢”技术。即将生铁加热到摄氏一千二百度时，撒入矿石粉，并不断搅拌，使生铁的含碳量降低（碳氧化）而成钢。这是一种制钢简便快捷的工艺。炒钢技术的出现，标志着炼钢技术发展到一个新阶段。它可以使社会得到大量廉价的熟铁和钢，对于生产工具的改进，起着及其重要的作用。河南南阳东郊出土的一把铁刀，刀身有一道平行于刃部的锻接痕迹，刃部就是用高质量的炒钢锻接而成的。欧洲是在十八世纪中叶才开始运用炒钢技术，比我国落后了一千八百年。炒钢再经锻打，钢的成分就会更均匀，组织更密致，强度更高。这种以炒钢为原料的“百炼钢”，比前述“百炼钢”工序简化，劳动量减少，产品质量更好。１９７４年在山东苍山出土的东汉永初六年（１１２）环首错金铭文“卅湅（炼）大刀”，１９７８年江苏徐州铜山县驼龙山汉墓出土一把五十炼钢剑，就是用炒钢作原料制作的百炼钢件。这是高级阶段的百炼钢。

  但是，炒钢时，如果火候掌握不好，炒过了火，钢的含碳量就会偏低，炒钢便炒成了熟铁。后来，工匠们发现，加入生铁，即可弥补这一缺陷。这就导致一种新的炼钢技术——灌钢法的产生。从现代冶金原理分析，这种技术，是利用生铁含碳量高，熟铁含碳量低的特点，将熔化的生铁液灌入熟铁液中去，使成碳含量合乎要求的钢。

  所谓叠铸，就是将多层铸范叠合起来，装配成套，一次就能铸造几个、十几个甚至上百个铸件。叠铸技术早在战国时期已经发明。到汉代，叠铸技术较过去有了很大进步，由原来多孔改为单孔。这样，冶铸效率更加高，质量更好，材料更省，成本更低。河南温县发掘的一座汉代烘范窑，在约九平方米的长方形窑里，发现五百多套叠铸范。这些范，大部分仍保存完好。范的总浇口只有八至十毫米；范与范之间的分浇口则只有一至三毫米；范的结构十分严谨，范腔轮廓清晰，每层之间合拢严密，保证了产品的规格化，连仅三毫米的薄壁铸件也能铸造。可见汉代叠铸工艺已经相当细致相当精巧了。

  追溯世界冶金史，在西方，如地中海东岸及两河流域上游一些地区，开始冶铁的时间比中国早，但中国古代的钢铁冶铸技术，却一直处在领先的地位，这是什么原因呢？英国科学技术史家李约瑟在他的《中国科学技术史》第一册“总论”中说，“中国文化的某些成就，例如铸铁技术较早，很可能是由于所得到的铁矿的性质，使它能在比别处的矿石为低的熔点下熔化”。这一论断未免主观。我们大家都认为，中国古代的钢铁冶铸技术，之所以领先于世界，有几个方面的原因：首先，我国商周时期青铜冶铸业高度发达，形成了一整套冶铸工艺传统，使我国早期的钢铁冶铸业有多方面的技术借鉴；其次，我国在世界上最早采用高炉冶炼钢铁，产量大幅度提高。在河南、江苏、北京及新疆等地，均发现有汉代的冶铁高炉遗址。其中结构最先进的一座是河南郑州古荥镇一号高炉。复原后的炉高４．５米，容积约为４４立方米，日产量约为０．５—１吨。再次，高温技术的掌握，包括鼓风设备的改良，燃料的更新。钢铁冶炼，温度是一个重要的条件。《汉书·五行志》载成帝河平二年（公元前２８年）正月，“沛郡铁官铸铁，铁不下，隆隆如雷声，又如鼓音，工十三人惊走。音止，还视地，地陷数尺，炉分为十，一炉中销铁散如流星”。这就是温度不够导致的一次失败的冶铸。我国在战国时期已采用人力压动皮囊鼓风，但风量有限。随着炼炉的加高扩大，对鼓风量的要求更高。西汉，代之以牛力、马力，出现牛排、马排；东汉，工匠们更发明了利用水力激动木轮，从而带动成排皮囊鼓风的水排，将自然力引入冶铸生产。这一技术，中国比欧洲早了一千二三百年！河南巩县铁生沟遗址，发现有大量煤和羼杂了泥土、草茎制成的煤饼，估计是作为冶铸燃料使用的。我国煤的资源丰富，取用十分方便。鼓风技术的先进及煤的使用，大幅度的提升了炼炉温度，为大规模发展钢铁冶铸事业，创造了必备的条件。第四，设备齐全，分工细致。从河南巩县铁生沟遗址看，当时冶铸有一套完整的生产设备，有藏铁坑、配料池、铸铁坑、淬火坑等，仅其冶铸炉就有炼炉、排炉、反射炉和锻炉（炒钢炉）等２０余座；而且有了选矿、配料、入炉、熔铁、出铁、铸造锻打等工序之分。这就使得技术的精益求精有了可能。

  综上所述，可知汉代是我国古代的钢铁冶铸技术发展史上的一个重要时期。公元一世纪时，罗马博物学家普林尼在其名著《自然史》中说，就全球范围而言，“虽然铁的种类很多，但没有一种能与中国（汉朝）来的钢相媲美”。日本学者汤浅光朝《科学文化史年表》赞曰，“古代的中国人是伟大的创造者”。这些都是笃实之言。汉代钢铁冶铸业取得辉煌的成就，不仅促进了汉代农业、手工业等领域的发展，对统一的多民族国家的强大和巩固，起着及其重要的作用，而且，如同我国古代的四大发明及其他发明一样，对世界的文明与人类社会的进步，都起着及其重要的作用。 汉代，中国先进的钢铁冶铸技术，连同中国的钢铁产品，以中原为中心，向四周扩散传播。考古资料表明，西汉时期冶铁业尚未发达的江南地区，如南京、杭州、绍兴和江西的南昌等地，在东汉的墓葬中，都发现了不少铁器。西汉吕后时，因“禁南越关市铁器”（《史记·南越列传》），引起南越王赵佗的举兵反抗。东北地区，以畜牧业为主的乌桓人，也学会了以钢铁铸造兵器。在汉代乌桓人墓葬中，出土有铜柄铁剑、汉式环首小铁刀、小铁锥等器物。

  汉代的钢铁产品、技术，还通过种种途径流传到国外。例如，司马迁《史记》卷１２３，叙述大宛以西直到安息地区历史时说，“其地皆无丝漆，不知铸钱器”（按，“钱”为“铁”之误。《汉书》述及同一内容时即改“钱”为“铁”）。公元前３６年，西域副校尉陈汤在西域也看见胡兵武器不如汉兵，“矢刃朴钝，弓弩不利”。后来，汉朝的使者和逃亡士兵，将汉代钢铁冶铸技术传授给大宛、康居和安息的铁工。陈汤在西域看到的就是另一番景象，当地人已“颇得汉巧”，掌握并运用汉代先进的钢铁冶铸技术进行生产了。苏联学者罗布卓夫的《“铸”一词的来源》（载《铸造》杂志１９５７年第８期）一文，从语言学角度考察了汉代钢铁冶铸技术对西方的影响，指出，现在乌兹别克境内的费尔干纳人从中国人那里学会了铸铁技术，后来再传到俄国；安息王朝也从中国输入钢铁兵器，木鹿是中国钢铁兵器的集散地，故罗马史学家普鲁塔克将安息骑兵所使用的以中国钢铁锻造、以犀利著称的武器称为“木鹿武器”；中国钢铁还通过安息传入罗马。

  此外，印度梵文中的钢，有一词作“Ｃｉｎａｊａ”，意为“秦地生”，秦指中国，显示了中国钢铁对印度的影响。１９６１年，日本奈良县古墓中出土一把钢刀，铭文注明造于东汉中平年间（１８４一１８９）。崔连仲主编的《世界史》，认为东汉以后，中国钢铁冶铸技术传入日本，大致路线是，经朝鲜半岛南部和对马岛，传入九州；再以九州为中心，从西向东传到日本大部分地区。

  英国科学史家贝尔纳说，中国“许多世纪以来，一直是人类文明和科学的巨大中心之一”（《历史上的科学·为中文译本写的序》，科学出版社１９８１年重印）。事实也是如此。

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