冶金技术史

浅谈中国冶铁术起源
2012-07-06 08:38

  在早期的文明国度和地区中,中国使用铜、铁等金属的年代相对说来是较晚的。但是,由于中国在冶铸技术方面的发明和创新,使中国的冶金业很快就后来居上,跃升于世界的前列,并为中国古代文明的高度发达奠定了坚实的物质基础。从这里我们可以看到一个技术进步带动生产发展,并进而促进社会文明进步的典型范例。

  河北藁城台西村商代遗址中发现一件铁刃铜钺,其年代相当于公元前十四世纪前后;北京平谷刘家河商代中期的墓葬中发现一件铁刃铜钺;现存于美国弗里尔美术馆的二件铁器,一件是铁刃铜钺,一件是铁援铜戈,这二件铁器传说出自河南浚县商末周初的墓葬。

  经研究鉴定,这些铁器是用陨铁制成。河南三门峡上村岭虢国贵族墓地M2001出土一件玉柄铁剑,经鉴定,其铁剑是目前中原地区发现的年代最早的人工冶铁制品,同一墓地还发现了三件用陨铁做刃的铜器。山西天马曲村的晋文化遗址中发现3件铁器,出自遗址第四层的一件铁器残片,时代早到春秋早期偏晚,约为公元前8世纪;出自第三层的一件较为完整的铁条和一件铁片,时代定在春秋中期,约为公元前7世纪。这三件铁器经过金相学研究,两件残铁片,金相组织均显示的是铸铁的过共晶白口铁,是迄今为止中国最早的铸铁器,铁条则显示的是块炼铁。春秋时期中原铁器仍十分罕见,只在陕西凤翔、甘肃灵台、甘肃永昌、江苏六合、河南淅川、长沙杨家山、长沙识字岭、长沙龙洞坡、湖南常德、山东临淄发现过这一时期的铁器。进入战国时期,中原冶铁业发展迅速,已作为生产工具、武器等消费品广泛使用。近年来在晋中、晋南和晋东南多处战国时代的大型平民墓地中出土了700多件铁器,在对包括三晋地区在内的全国二十多个省市出土的属于公元前3世纪的约4000件铁器的制作技术进行研究,三晋地区是出土公元前3—5世纪铁器最多的地区,这里成为战国时期中国冶铁的一个中心。

  考古资料表明,商周时期中原地区青铜冶炼术已达到相当水平,但是从商代中期到周末数百年间,人工冶铁术并未在高超的冶铜技术的影响下发展起来,西周末偶见人工冶炼的铁器时,仍使用陨铁。铁陨石主要由铁镍合金组成,一般含镍4~10%,极少数陨铁中的镍含量可以高达60%。陨铁的绝大部分都是可锻的。

  1972年冬,在河北省藁城县台西村商代遗址(碳-14测定年代为公元前1520±160年),发现了一件铁刃铜钺。全钺残长111mm,阑宽85mm。铁刃宽60mm,在铜外部分已经断失,铜身夹住的部分厚2mm,深 10mm。对这件古兵器进行的科学考查表明,“铁刃中没有人工冶铁所含的大量夹杂物,原材料镍含量在6%以上,钴含量在4%以上。更为重要的是,尽管经过锻造和长期风化,铁刃中仍保留有高低镍、钴层状分布”,研究者据此断定,这件铜钺的铁刃系由陨铁制成,而整个铜钺的制作过程是:先将陨铁锻造成薄刃,然后再浇铸青铜柄部。

  在我国历代文献中,有关陨铁的记载也可谓不绝如缕。最早记录陨铁堕落现象的是《史记》:“秦献公十七年(公元前368 年),栎阳雨金四月至八月。”所谓“雨金”是指许多铁陨石同时堕落,也即现代人所谓的“陨石雨”,而栎阳是秦献公的都城,其地在今陕西临潼东北。其后,唐代樊绰《蛮书》中记载云南南诏王备有“天降铎鞘”。段成式《酉阳杂俎》中说“南番有毒槊……言从天而下,入地丈余”。北宋治平元年(公元1064年)某日,沈括在常州宜兴县曾亲见陨铁堕落并作了详细记载:“是时火息,视地中只有一窍如杯大,极深,下视之,星在其中,荧荧然。良久渐暗,尚热不可近。又久之,发其窍,深三尺余,乃得一圆石,犹热,其大如拳,一头微锐,色如铁,重亦如之。”此后,在《元史•五行志》中也有一段清楚的记载:“元至正十年(公元 1350年)十一月冬至夜,陕西耀州有星堕于西原,光耀烛地,声如雷鸣者三,化为石,形如斧。一面如铁,一面如锡,削之有屑,击之有声。”

  建国以后,许多陨铁实物也已被陆续发现。如1958年在广西南丹发现了早期降落的铁陨石雨,经现场勘查,已发现的十九块南丹铁陨石中,最小者为1.3kg,最重者为1.9吨,含镍量在7%左右。而不知何时落在我国新疆准葛尔地区的一块重约二十吨的铁陨石,则是目前世界上收集到的第三大铁陨石。

  以上事实说明,至迟在商代中期,中华民族的先祖们已经掌握了一定水平的锻铁技术,熟悉铁的加工性能,认识铁与青铜在性质上的差别。显然,中国人对铁的最初认识只能更早。

  铁很易被氧化,除陨铁外,自然界中的铁都呈氧化物或其它化合物的形态存在。纯铁的熔点为1537℃,直接熔铁在新石器时代根本就不可能。铁矿石的还原温度虽然并不需要这么高,但温度低时还原速度很慢,对实际生产没有意义。同时,低温还原出来的铁在冷却时很容易被重新氧化,又变成了铁锈。因此,尽管铜、铁矿总是共生,在炼铜术诞生之后,冶铁术的诞生仍须时日,需要一场深刻的技术革命为其准备足够的条件。事实是,这场技术革命果然发生了,时间是公元前3500年至公元前2600年。

  中国历史上最早的人工冶铁产品是冶炼块炼铁。块炼铁也称为锻铁,是在较低的冶炼温度下由铁矿石固态还原得到的铁块。冶炼块炼铁,一般是在平地或山麓挖穴为炉,装入高品位的铁矿石和木炭,点燃后,鼓风加热。当温度达到1000℃左右时,矿石中的氧化铁就会还原成金属铁,而脉石成为渣子。由于矿石中其它未还原的氧化物和杂质不能除去,只能趁热锻打挤出一部或大部,仍然会有较多的大块夹杂物留在铁里。由于冶炼温度不高,化学反应较慢,加之取出固体产品需要扒炉,所以产量低,费工多,劳动强度也大。与生铁不同,块炼铁含碳极低,质地柔软,适于锻造成形。由于块炼铁在锻打前疏松多孔,故也被称为海绵铁。

  由于块炼铁产量低、费工多、劳动强度大,人们为了提高产量,就要强化鼓风和加高炉身,炉子必将逐渐从地坑式向竖炉发展。炉身加高以后,炉内上升的煤气流与矿石接触的时间延长,能量利用率有了提高。鼓风强化则有两方面的效果:一方面使气体压力加大,穿透炉内料层的能力增强,因而允许增加炉身高度;另一方面是燃烧强度提高,直接提高了炉内温度。这些都促使产量提高,同时使得到液体产品的可能出现了。最早的液态生铁是白口铸铁。在这种白口铸铁中,几乎全部的碳都与铁化合形成了碳化三铁,其断口呈暗白色,晶粒粗大,具有很大的硬度和脆性,因此被称为“刚铁”,既不能承受冷加工,也不能承受热加工。

  上述材料表明,中国原始冶铁术至少在公元前2070年前后即已诞生。块炼铁(柔铁)首先出现,白口生铁(刚铁)紧随其后。

  常理来说,有高度发达的青铜冶铸技术作为背景,冶铁术的发展不应如此缓慢。在这个问题上,我认为郭沫若先生的分析是令人信服的:铸铁技术在齐桓公时已接近成熟,因此才引起了当权者(管仲)的注意。反过来,由于当权者的大力提倡,铸铁技术的发展也就大大加快了速度。

  编辑: 张明       来源: