在古代中国,铁的使用时间晚于金和铜;在古代世界,中国冶铁技术的起步晚于赫梯王国(小亚细亚东部的国家)和两河文明(底格里斯河和幼发拉底河之间的西亚文明)。所以,无论是在中国古代科技的语境里,还是在世界冶铁史的发展中,中国的“铁器文明”都属后起之秀。但是,铁的优良性能一旦被中国古人破晓,便使“铜”不得不望其项背,走下了“唯我独尊”的神坛;而冶铁技术一旦被中国古人掌握,便不断被创新升级,科技含量一路扶摇直上,在整个冶金史中独领风骚。

铁自身的化学性质命中注定它只能做后来者,因为在自然界中,铁难以单质的形式存在,相对于金和铜而言,自然不易被发现。但是铁在自然界中分布广泛的潜在优势,又致使它蕴含有不可估量的生产力因素。

在中国科技馆“华夏之光”展厅里,便有仿制的汉代冶铁炉,此展项依托河南郑州古荥镇冶铁遗址出土的冶炉复原缩小而成,用于模拟古人冶炼熟铁和生铁的过程。

生铁和熟铁的区别主要在含碳量的不同,生铁含碳量高,熟铁含碳量低。生铁与熟铁的冶炼技术迟至春秋中期便日臻成熟,二者在原料、燃料选择,以及冶炼工艺等方面均无大异,不同的关键在于对炉温的要求。如果炉温只能满足1000℃的环境,则形成块状的熟铁;如果炉温能够达到1200℃,便形成液态的生铁,从炉底流出。

铁矿石在入炉前要利用铁砧进行打碎,通过筛选后与木炭一层夹一层地叠放入炉中,然后鼓风冶炼即可。提高炉温是冶铁技术的关键所在,因此,冶炉与鼓风设备的技术改良,是古之匠人毕生努力的方向。

古人对冶炉进行改造时,一方面增大炉缸的体积,另一方面,则是把炉膛设计成椭圆形,如此便可以把空气轻松地送达炉缸的中心位置,为碳的充分燃烧提供有利条件。

对鼓风装置进行改造时,一方面增加鼓风器及入风口的数量,另一方面则是创新动力来源,加强风压。

西汉时期竖炉所用的鼓风皮囊,学名叫“橐(tuó)”,又称“冶橐”或“炉橐”。山东滕县宏道院画像石有此形象,橐的内部装有撑环,两端装有挡板,用风管与炉连接。西汉时期的竖炉通常装有四个通风口,每个通风口又可使用四个皮橐鼓风,这样炉膛内部便会有四面来风的效果,把炉温提高至1200℃便不再是难题。

鼓风皮橐的动力方式,最开始为人力,随后出现畜力,至东汉初期开始使用水力。在最初的“人力”和“畜力”阶段,只能靠增加人畜数量来满足工作效率的需求。从上述画像石中所传达的信息来看,一个皮橐至少需要两人同时操作,一人负责推拉皮橐进行鼓风,另一个人卧于皮橐下面负责皮橐的复位,因此不难得知,使用皮橐的数量越多,占用的人力也就越大。

如果采用“畜力”的方式,一般会选用马匹来担当主角,所以此种鼓风设备又常被称作“马排”。《三国志.魏书.韩暨传》中有:“旧时冶作马排,每一熟石用马百匹”的记载,虽然“百匹”之说不免有些夸张,但也可间接得知所用畜力不在少数。

至东汉初年利用水力的水排出现,人力和畜力便逐渐从鼓风劳动环节中解放出来,使冶铁机械化程度进一步加深,提高冶铁效率的同时,铁的质量也有了质的飞跃。看来,《后汉书.杜诗》中:“建武七年(公元31年),南阳太守杜诗造水排,铸为农器,用力少而见功多,百姓便之”的记载并非虚言。

汉代冶铁技术

图文简介

在古代中国,铁的使用时间晚于金和铜;在古代世界,中国冶铁技术的起步晚于赫梯王国(小亚细亚东部的国家)和两河文明(底格里斯河和幼发拉底河之间的西亚文明)。