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大汉帝国和中国古代冶钢技术

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    大汉帝国的冶钢技术主要是以两步冶炼的炒钢为基础,融入大炉焦煤熔烧的基础,首先出产锻铁,锻铁卖给小户铁匠或者其他商社,采用百炼与灌钢技术进行军备生产,农用铁具则部分灌钢则可。液态坩埚钢的工艺在襄阳理工学府有系统的研究,但大规模推广不现实,仍然处于小范围生产和摸索阶段。

    中国古代炼钢技术

    Number897Date:2005-4-13

    我国古代炼钢技术至迟发明于春秋晚期。由先秦到西汉中晚期,主要制钢工艺是块铁渗碳法;由汉代到明清,主要又是炒钢法和灌钢法,其次还有百炼钢法和炒铁渗碳法,汉魏南北朝时还有“铸铁脱碳钢”,汉代还有坩埚炼钢法。炒钢工艺主要生产一般的可锻铁(包括钢和熟铁),灌钢工艺主要生产含碳较高的刃钢,百炼钢是对普通炒钢的再加工。“铸铁脱碳钢”和炒铁渗碳钢工艺将在第五章介绍,这里主要讨论其他五种。

    一、炼钢术的发明和块铁渗碳钢之使用

    今在考古发掘中所见我国最早的钢制器物是1976年长沙杨家山出土的春秋晚期钢剑,剑全长38.4厘米,身长30.6厘米。经分析,含碳量约与中碳钢相当,组织均匀致密。长沙铁路东站建设工程文物发掘队:《长沙新发现春秋晚期的钢剑和铁器》,《文物》1978年第10期。可知我国古代制钢术至迟在春秋晚期便已发明。战国中晚期后,炼钢术在我国南北许多地方都迅速发展起来,并首先在南方的楚国达到较高水平。《史记•范雎列传》云:秦昭王临朝叹息曰:“吾闻楚之铁剑利而倡优拙。”《荀子•议兵》亦云:“宛钜铁釶,惨如蠭蠆。”“宛”治所在今南阳。“钜”即钢,“釶”即矛。《荀子•议兵》杨倞注。此锋利的“铁剑”、“铁矛”,显然由钢制成。中原的韩国也制作了许多锋利兵器,《战国策•韩策一》说:“韩卒之剑戟,皆出于冥山、棠溪、墨阳、合伯(膊)、邓师、宛冯、龙渊、太阿。皆陆断马牛,水击鹄雁,当敌即斩。”这些锋利的剑戟,后世学者一般都认为是钢铁所制。其中的冥山(今信县境)、棠溪(西平县境)、合伯(西平县境)、冯池(荥阳县境)《史记•苏秦列传》引“徐广曰:荥阳有冯池”。索隐:“宛人于冯池铸剑故号宛冯”,“邓国有工铸剑,因名邓师。”邓国在今河南漯河市东南。、龙泉、太阿(均在西平县境,今为舞阳钢铁厂管辖)等处都发现了古代冶铁遗址。董文安:《韩国十大宝剑产地初考》,全国金属学史学术讨论会论文,1989年,舞阳。墨阳在今河南淅川县。1965年,河北易县燕下都第44号墓出土钢铁剑15枚、矛19枚、戟12枚等;人们分析了其中的6枚兵刃器,除1枚为块炼铁外,其余5枚皆由钢制成。北京钢铁学院压力加工专业:《易县燕下都44号墓葬铁器金相考察初步报告》。《考古》1975年第4期,发掘报告见同刊同期《河北易县燕下都44号墓发掘简报》。说明当时北方的燕国制钢术亦已发展起来。

    人类早期冶炼的钢一般都是在低温还原冶炼后再经渗碳而成,整个过程约分两步:第一步先由矿石炼取块炼铁,第二步再由块炼铁渗碳成钢。此渗碳过程中要不断地折叠锻打,以帮助碳的扩散。这样得到的钢便叫块铁渗碳钢。燕下都钢剑等兵器就是由这种钢制成的。如若控制得当,也有不经第二步,而一次还原冶炼成钢的,这种钢便叫块炼钢或自然钢。这两种钢的强度和硬度均较块炼铁为高。其缺点是:(1)含碳量一般较低。(2)碳分布往往不够均匀。(3)钢中所含夹杂往往较多。(4)生产率较低。在中原文化区,这种制钢工艺一直沿用到西汉中期,之后由于炒钢的发明和发展而渐被取代。满城汉墓出土的刘胜佩剑和错金书刀等皆由块铁渗碳钢制成,其夹杂已较燕下都钢剑为少,组织亦较之均匀致密。这种钢主要用来制作刀剑等兵刃器,农业和手工业中使用甚少。

    二、炒钢及其工艺操作

    炒钢工艺是一种半液态冶炼。它以生铁为原料,把生铁加热到液态半液态后,利用鼓风中的氧使生铁脱碳到钢和熟铁的成分范围。冶炼过程中要不断地炒动金属。古谓之“擣刚”,本世纪五十年代以前,习谓之炒铁、炒“熟铁”。

    (一)炒钢的发明和发展

    我国古代炒钢技术约发明于西汉中晚期,今见较早的遗物有:巩县铁生沟、南阳瓦房庄、新安孤灯村等冶铸铁遗址出土的汉代炒钢炉,以及铁生沟出土的铁块、残铁锄、铁臿等14件炒炼产品。铁生沟炒钢炉系向地下挖出的缶形小坑,内涂耐火泥,长0.37米,宽0.28米,残高0.15米,炉壁已被烧成黑色,内中残存一铁块。河南省文化局文物工作队:《巩县铁生沟》,文物出版社1962年版,赵青云等:《巩县铁生沟汉代冶铸遗址再探讨》,《考古学报》1985年第2期。我国古代关于炒钢的记载始见于东汉中晚期。《太平经》卷七十二云:“今军师兵,不祥之器也……有急乃后使工师击治石,求其中铁,烧冶之,使成水,乃后使良工万锻之,乃成莫邪耶?”此“莫邪”指锋利兵器。“烧冶之”等三句所指即是炒炼及其制器的全过程。《太平经》系道家著作,基本上保持了东汉中晚期的原貌。

    炒钢的发明,迅速地改变了我国社会可锻铁的使用情况。1952-1953年,洛阳烧沟发掘了225座西汉中期至东汉晚期墓葬,出土钢铁刀116枚、剑33枚、矛5枚、斧4枚;而在青铜兵器刃器中,只有铜刀7枚(仪仗器),矛1枚,无剑。中国科学院考古研究所:《洛阳烧沟汉墓》,科学出版社1959年版。1957-1958年,洛阳西郊发掘217座同一时期的汉墓,出土钢铁刀52枚,剑58枚,戟1枚,斧1枚;青铜兵刃器只有刀1枚。中国科学院考古研究所洛阳发掘队:《洛阳西郊汉墓发掘报告》,《考古学报》1963年第2期。西汉中期以后,除了弩机和镞仍然较多地使用青铜外,其他兵器刃器已多用钢铁制作,其原料显然是炒钢。这样,钢铁器物便在农业、手工业、军事三方面完全取代了青铜和木石的主导地位。

    炒钢工艺在我国由汉代一直沿用到明清。有关记载在唐《夏侯阳算经》、宋苏颂《图经本草》、明唐顺之《武编前编》、赵常吉《神器谱》、朱国桢《涌幢小品》、清屈大均《广东新语》等书中都可看到。《广东新语》卷一五“货语•铁”条说:“其炒铁则以生铁团之入炉,火烧透红乃出而置砧上,一人钳之,二三人锤之,旁十余童子扇之,童子必唱歌不辍,然后可炼熟而为镬也。”1920年出版的耿步蟾《山西矿务志略》卷五说:“将炼出之生铁加煤末烧之,使化为铁汁,冷后复置于炒铁炉内炒之,即成熟铁。”二十世纪八十年代,湖南攸县等地仍用此法生产。

    炒钢工艺的优点是:(1)用作原料的生铁易于获得,就扩大了原料来源。(2)冶炼在半液态下进行,脱碳反映较为迅速,生产率较高。(3)成分范围较宽。据分析,铁生沟所出一件炒钢料含碳1.288%、硅0.231%、锰0.017%、磷0.024%、硫0.022%,与过共析高碳钢相当;另一件成分为:碳0.048%、硅2.35%、锰微量、磷0.154%、硫0.012%,与今之熟铁相当。李众:《中国封建社会前期钢铁冶炼技术发展的探讨》,《考古学报》1975年第2期。今世学者常把先炼生铁,后再由生铁炼钢的工艺叫两步冶炼,那么炒钢的出现便是两步冶炼的起点,在世界冶金史上zhan有重要地位。在欧洲,与炒钢相类似的工艺大约在十六、十七世纪才出现,整个中世纪占主导地位的是自然钢法和块铁渗碳法。因此其可锻铁供应长时期不够充分,这对社会的进步自然是有影响的。

    炒钢法是我国古代可锻铁生产的基本工艺,其主要用途有三:(1)制作一般锻件。由汉到明清,我国一般锻件,包括生产工具、生活用具和兵刃器中的锻件大约都是炒钢及其再加工的产品制成的。(2)用作百炼钢的原料。(3)用作灌钢的原料。

    (二)炒钢的工艺操作

    我国炒钢主要有三种不同的工艺类型:

    (1)单室式炒炼。基本特点是金属熔炼与燃料燃烧同在一个炉膛中进行。此法发明较早,沿用时间较长,前述巩县铁生沟、南阳瓦房庄、新安孤灯村汉代炒炼法皆属此类。本世纪五十年代,河南、山西等地都曾流行过一种“地炉”,筑炉于地面以下,状如缶形或直筒形,炉口与地面平直。冶炼时先放木炭(煤炭),后放生铁,生铁需击碎,上面再盖以煤末。之后再点火、送风、封闭炉口。生铁接近熔化时,启开炉口,用铁棍或木棍不断地搅动金属。随着炒炼之进行,碳分不断降低,金属熔点升高,便粘结成一个海绵状固体块,之后夹出锤击,排除夹杂,并赋予一定形状,便是炒炼产品。南方一些省分又流行过一种“台炉”,筑炉于专门的炉台上,并有一个较大的加热兼炒炼空间。温州地区的炒炉以砖砌成,状如鸡笼,炉底接近地平面,炒炼室是一个不规则的长方形空间,炉子正面设一炉口,在此进料、操作、出钢,并由此逸出废气;鼓风从炉底进入,并正对炉底正中;操作法与地炉大同小异。湖南攸县也有类似的炉子温州炒炼工艺系1977年调查,攸县炒钢系1980年调查,当年皆在生产。单室式炒炼的优点是设备简单,缺点是因金属与燃料直接接触,所含有害夹杂往往较多。

    (2)双室式炒炼,或叫反射炉(倒焰炉)炒炼。基本特点是燃料燃烧与金属熔炼各占一个独立的空间。燃料燃烧产生的高温火焰流越过火墙(火道)进入熔炼室,并加热金属,之后从炉门或专门设置的烟囱排出。因其金属不与燃料直接接触,就减少了有害杂质磷、硫进入其中的可能性。这种炼钢法的发明时间待考。1935年出版的《中国实业志(湖南省)》第七编说:“湘省邵阳、武冈、新宁、湘潭县之土法炼钢,由来已久。邵阳原名宝庆,所产之钢,称曰‘宝庆大条钢’。邵阳附近之武冈、新宁出品,均集中于邵阳,业中人亦以‘宝庆大条钢’名之。前清初叶,宝庆大条钢,极负盛名,而产之多,首推邵阳南乡。”因宝庆大条钢系倒焰炉所炼,由这段记载看,反射炉发明年代应在清代初叶以前。今在考古发掘中所见最早的倒焰窑是南京眼香庙发现的明洪武初年所建一排六座琉璃窑。南京博物院:《明代南京聚宝山琉璃窑》,《文物》1960年第2期。1958年,这种倒焰炉炼钢在我国南北许多地方都使用过。河南鲁山的炉子较为简单,两室左右相近,皆筑于地面以下,鼓风从燃烧室下部进入,后从炒炼室顶部进入炒炼室。西安的炉子又另是一个样,炒炼室筑于地面以下,燃烧室筑于地面以上,两室上下叠加,燃烧室底部正对炒炼室中心,风从燃烧室上部鼓入,再经由燃烧室底部火口直射到炒炼室中。燃烧室顶口用盖板封闭。科技卫生出版社编:《土法低温炼钢》第六编《最简单的反射炉炼钢》,1958年版。

    (3)串联式炒炼。有关记载唯见于明代宋应星《天工开物》卷一四“铁”条:“若造熟铁,则生铁流出时,相连数尺内,低下数寸,筑一方塘,短墙抵之。其铁流入塘内,数人执持柳木棍排立墙上。先以污潮泥晒干。舂筛细罗如面,一人疾手撒,众人柳棍疾搅,即时炒成熟铁。其柳棍每炒一次烧折二三寸,再用则又更之。炒过稍冷之时,或有就塘内斩划成方块者,或有提出挥椎打圆后货者。若浏阳诸冶,不知出此也。”(图2-3)此“污潮泥”很可能是造渣熔剂。这里谈到了串联式炒炼的全过程。此法的优点是生铁出炉后直接流入方塘炒炼,省去了生铁再加热的工序,从而节省了工时,降低了成本。

    需要特别注意的是古代“熟铁”一词,宋应星在上述引文中曾两次提及,在其他古代文献中也经常看到,其含义与现代熟铁是不同的。古人没有含碳量的概念,区别生铁、钢、熟铁的主要依据是它的使用性能,硬且脆者为“生”,可锻者为“熟”,其性刚强者为钢。因炒炼过程是在半液态下进行的,渣铁分离较难,产品所含夹杂往往较多,即使含碳量较高,但其性不刚,也只能称作“熟铁”。元人伪撰《格物粗谈》卷下“偶记”条云:“地溲油又如泥,色黄金,气腥烈,柔铁烧赤投之二三次,刚可切玉。”此“柔铁”即“熟铁”。苏恭《唐本草》云:“柔铁也,即熟铁。”这是以材料性能来区分钢和“熟铁”的。苏颂《图经本草》云:“初炼去矿,用以铸泻器物者为生铁,再三销拍,可以作鍱者为鑐铁,亦谓之熟铁。”苏恭《唐本草》、苏颂《图经本草》皆引自《本草纲目》卷八“金石•铁”。这是以材料性能和冶炼工艺来区分钢、铁的。《天工开物》卷十四“铁”条:“凡铁分生熟,出炉未炒为生,既炒则熟。”这里单以冶炼工艺作为区分钢、铁的标准。有学者视古代“熟铁”与现代熟铁等同,把《天工开物》卷十四所载炒炼“熟铁”的工艺列入炼铁工艺中,这是欠妥的。我们以为,从含碳量上看,古代“熟铁”应与今可锻铁相当,即它应指含碳量为2%以下的所有可以锻打的铁碳合金。何堂坤:《关于明代炼钢技术的两个问题》,《自然科学史研究》1988年第1期——

    三、百炼钢及其工艺实质

    (一)百炼钢的产生和发展

    如前所述,炒钢冶炼是在半液态下进行的,所以渣铁分离依然较难,只有通过反复锻打,才能进一步排除夹杂。在一定条件下,反复锻打的次数越多,夹杂排除越充分,钢的质量就越好,于是便产生出一种以“炼数”来标明钢铁质量的工艺。何堂坤:《百炼钢及其工艺》,《科技史文集》第13辑,上海科学技术出版社1985年版。

    我国古代标以炼数的钢铁加工工艺约始见于东汉早、中期,最初有“卅湅”、“五十湅”等。1978年,徐州市铜山县收集到一枚五十湅钢剑。全长109厘米,剑把正面有21字错金铭文:“建初二年蜀郡西工官王愔造五十湅□□□孙剑口。”“徐州市博物馆:《徐州发现东汉建初二年五十湅钢剑》,《文物》1979年第7期。建初”(76-84年)系东汉章帝年号,“湅”同“炼”。1974年山东苍山县收集到一枚三十炼钢刀,全长111.5厘米,刀背上有18字错金铭文:“永初六年五月丙午造卅湅大刀吉羊宜子孙。”“刘心健等:《山东苍山发现东汉永初纪年铁刀》,《文物》1974年第12期。永初”(107-113年)系东汉安帝年号。此外,《贞松堂集古遗文》卷十五录有三把三十湅金马书刀,皆东汉和帝永元(89-105年)年间广汉郡工官主制。其中一件的铭文为:“永元十六年广汉郡工官卅湅□□□□□□□□□史成长荆守丞熹主。”这“卅湅”和“五十湅”实是“百炼”的早期形式。

    从现有资料看,“百炼钢”说约出现于东汉晚期,至魏晋南北朝,这工艺便达到了比较繁盛的阶段。1961年,日本奈良县栎本东大寺山古墓出土百炼钢刀一枚,全长103厘米,背部有24字错金铭文:“中平□五月丙午造作支刀百练清刚上应星宿辟不。”中平(184-189年)系东汉灵帝年号。梅原末治:《奈良县栎本乐大寺山古坟出土の汉中平纪年の铁刀(口绘载说)》,《考古学杂志》48卷2号。这是今知最早的百炼钢实物。此时有关记载也多了起来。《艺文类聚》卷五十九引陈琳《武军赋》说:“铠则东胡阙巩,百炼精钢。”阙巩是甲名。《太平御览》卷三四五引曹操《内诫令》说,曹操曾作“百炼利器,以辟不祥”。晋崔豹《古今注•舆服第一》云:“吴大帝有宝刀三,……一曰百炼,二曰青犊,三曰漏景”。《太平御览》卷三四六引陶弘景《刀剑录》云:“蜀主刘备令蒲元造刀五千口,皆连环,及刃口刻七十二湅。”可见魏、蜀、吴三国都制作过“百炼”或标以其他炼数的名刀利剑。《晋书》卷一三〇说,夏(407-431年)赫连勃勃称王时,亦曾“造百炼钢刀,为龙雀大环”。《太平御览》卷六六五引陶弘景说:南朝有一种“横法刚”,也是“百炼”而成的。文人学士们也常以“百炼钢”作喻,其中最为脍炙人口的是刘琨《重赠卢谌诗》:“何意百炼钢,化为绕指柔。”

    唐宋之后,因灌钢工艺的发展等原因,百炼钢有所减少,但这工艺形式却一直沿用下来。《册府元龟》卷一六九“帝王部”说五代有一种“九炼纯钢”,沈括《梦溪笔谈》说北宋磁州有百炼钢,宋周去非《岭外代答》卷六“蛮刀”条说到一种“卅湅”钢,明宋应星《天工开物》卷十“锤锻•斤斧”条、清黄冕《飞炸弹炮说》都谈到过“百炼”钢。百炼钢工艺还传到朝鲜和日本。日本奈良县石上神宫有传世七支刀,刀形如树枝状,单支均作剑形,是百济王为倭王制作的一种武器,剑身有镂金铭文33字:“泰四年五月十六日丙午,正阳造百练铁七支刀,世辟百兵,宜供侯王□□□□作。”“泰和”(366-371年)为东晋废帝年号。熊本县船山古墓出土一把大钢刀,背上有嵌银铭文和马形图案,称“八十湅”,可能是公元五世纪之物。《世界考古学大系》第三册“日本”。百炼钢工艺对日本刀曾产生许多重要的影响。

    (二)百炼钢的工艺操作

    沈括《梦溪笔谈》卷三云:“予出使至磁州,锻坊观炼铁,方识真钢。凡铁之有钢者,如面中有筋,濯尽柔面,则面筋乃见,炼钢亦然。但取精铁锻之百余火,每锻称之,一锻一轻,至累锻而斤两不减,则纯钢也,虽百炼,不耗矣。此乃铁之精纯者,其色清明,磨莹之,则黯然青且黑,与常铁迥异。亦有炼之至尽而全无钢者,皆系地之所产。”此“精铁”指百炼钢原料,应是含碳量稍高,所含夹杂不十分多的铁碳合金。“一锻一轻”,应是不断去除夹杂,氧化铁皮不断产生并脱落之故。“累锻而斤两不减”应是相对而言的。“炼之至尽而全无钢”可能是含硫较多、产生热脆的缘故。这是我国古代文献中对百炼钢工艺和原理记述得最为详细的一段文字。可见“百炼”即是百锻,其中心环节是反复锻打,“百炼钢”就是去除夹杂后的一种“纯钢”。从现代技术原理看,反复锻打除了排除夹杂外,还可均匀成分、致密组织,有时亦可细化晶粒,从而极大地提高材料质量。许慎《说文解字》云:“锻,小冶也。”这是很有道理的。有学者认为“百炼”的中心环节是渗碳,百炼钢是一种渗碳钢;又有学者认为“百炼”的中心环节是脱碳,百炼钢是一种生铁脱碳炼钢,这都是一种误解。我们以为百炼过程中,金属含碳量虽可能有些变化,但此非百炼的目的。

    关于“百炼”的具体操作,从多方面的资料来看,至少应包括三种类型:

    (1)多层积叠锻合法,即把许多块料积叠并锻合在一起。这些原料的成分可以相同,也可以不同;积叠锻合后也可再次折叠。这有三方面资料可为佐证。

    一是文献记载。据曹植《宝刀赋》云,建安中,曹操作宝刀五枚,曹操在《内诫令》中称此刀为“百炼利器”,在《百辟刀令》中又谓之“百辟刀”。“辟”者,襞也,多层积叠、反复折叠也。说明此“百辟”是“百炼”的一种具体方式。

    二是实物资料。科学分析表明,永初六年“卅湅刀”和建初二年“五十湅”长剑金相组织都明显分层,前者在刃部取样含碳量约0.6-0.7%,夹杂物细薄分散,变形量较大,分布均匀,大体为30层左右。后者刃部组织分为三部分,中心部分约可分为15层,含碳量0.7-0.8%,组织均匀;两个边部对称,各有20层左右,含碳量不甚均匀,高碳部分为0.6-0.7%,低碳部分为0.3-0.4%,总计为50余层。柯俊等:《中国古代的百炼钢》,《自然科学史研究》1984年第4期。可见在早期百炼钢工艺中,炼数与组织层数之间存在一定关系。当然,未必所有百炼钢皆是如此,“百”当言多,而非严格的数字指数。

    三是日本刀工艺。据研究,日本刀的皮部、心部往往都由多层积叠的材料锻合而成。皮部常用含碳量1.3%左右的“玉钢”制作,先把玉钢锻成许多小块,后将其积叠锻合,再横向、纵向折叠,据说要反复折叠23次。心部常用含碳量稍低的“庖丁铁”与“玉钢”混合锻打,比例为2∶1。锻合后还要折叠10次以上。内田天夫:《大日本刀剑新考》,1934年,第297、298页。

    (2)单料反复折叠锻合。未折叠前若材料为一层时,经`次折叠后,便会出现2n层。现代龙泉宝剑曾有“九炼”之说,“九”亦含“久”意,但实际锻打次数取决于原料质量和对产品性能的要求,通常要锻打半天。日本刀也有类似的操作,有人说新刀期要折叠15次,得到32768层组织;又有人说近世之日本刀不过折叠7-8次,得到128或256层组织本间顺治:《日本刀》,岩波书店1939年,第34-36页。;在金相显微镜下,此组织有时能够分解,有时不能分辨。

    (3)旋绕锻合法。魏源《海国图志》引黄冕《飞炸弹炮说》云:“用铁条烧熔百炼,逐渐旋绕成团,每五斤方能炼成一斤。”据调查,二十世纪三十年代以前,北京宝刀工艺中也有一种类似的操作,但其旋绕锻合的次数视情况而定。

    百炼钢因制作艰难,金属收得率低,所以主要用作宝刀宝剑一类名贵器物,普通刃器和生产工具应用甚少——

    四、灌钢及其工艺原理

    灌钢工艺是我国古代刃钢生产的主要方法。它以生铁和“熟铁”(一种含碳量较高的炒炼产品)为原料,将它们加热到生铁熔点以上,合炼而成钢。

    (一)灌钢工艺的发明和发展

    我国古代关于灌钢的记载始见于东汉晚期。《全后汉文》卷九十一王粲(177—217年)《刀铭》云:“相时阴阳,制兹利兵,和诸色剂,考诸浊清;灌襞已数,质象已呈。附反载颖,舒中错形。”此文所述为制作宝刀的全过程。其中的“灌”即灌炼,“襞”原指衣服上的褶裥,在此应指钢铁材料的多层积叠、反复折叠。“灌襞已数”即是多次灌炼。可见东汉末年,人们便用灌钢制作刀剑,其发明年代至迟在东汉晚期。何堂坤:《关于灌钢的几个问题》,《科技史文集》第15辑,上海科技出版社1989年版。

    稍后,晋张协《七命》也谈到过与王粲《刀铭》所云相似的工艺:“销踰羊头,镤(鍱)越锻成,乃炼乃铄,万辟千灌;丰隆奋椎,飞廉扇炭。”此“销”,唐李善引许慎说为“生铁也”。鍱,《广雅》释为铤。李善注云:“辟谓叠之,灌谓铸之”。《六臣注文选》卷三五张协《七命》注。所以,此“万辟千灌”便是指多层积叠,多次灌炼,即是灌钢工艺。

    南北朝时,灌钢在我国南北各地推广开来,且用于农具制作中。《重修政和经史证类备用本草》卷四“玉石部”引梁陶弘景云:“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者”。北齐綦毋怀文亦制作过灌钢刀。及宋,各种记载更多。张君房《云笈七签》卷七十八载:“灌刚之时,必须林栗等炭,余皆不堪用。”又云:“取自然成刚铁上,次取擣刚五灌已上者佳。”《重修政和经史证类备用本草》卷四又引北宋苏颂《图经本草》云:“以生柔相杂和,用以作刀剑锋刃者为钢铁。”灌钢在我国一直沿用到明清,本世纪三十年代还在四川等地流行。

    李时珍《本草纲目》卷八“钢铁”条:“钢铁有三种,有生铁夹熟铁炼成者,有精铁百炼出钢者,有西南海山中生成状如紫石英者。”前者即是灌钢,次者百炼钢,后者系金刚石之误。可见在古人心目中,灌钢是我国古代钢的主要品种之一。因其含碳量较高,通常主要用来制作刀、剑、镰等兵器、生产工具的锋刃部,对我国古代社会生产的发展起到了重要的作用。

    (二)灌钢的工艺操作

    宋代以前这方面的记载很少,宋以后至少有三种不同的工艺类型。

    第一种,生铁陷入法。沈括《梦溪笔谈》卷三云:“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,封泥炼之。锻令相入,谓之团钢,亦谓之灌钢。”此“柔铁”即古代“熟铁”。此“封泥”的作用有三:(1)使铁料各部分均匀受热,让生铁缓慢熔化。(2)防止生铁熔化后的流失,使之更好地与柔铁作用。(3)防止和减少碳在炉气中的烧损。

    第二种,生铁覆盖法。宋应星《天工开物》卷一四云:“凡钢铁炼法,用熟铁打成薄片,如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖(夹)紧,生铁安置其土(上)(原注:广南生铁名堕子生钢者妙甚)。又用破草履盖其上(原注:粘带泥土者,故不速化),泥涂其底下。洪炉鼓鞴,火力到时,生钢先化,渗淋熟铁之中,两情投合。取出加锤,再炼再锤,不一而足。俗名团钢,亦曰灌钢者是也。”此操作比生铁陷入法又有了一些进步:(1)生铁置于“熟铁”上,熔化后向下渗淋,就增加了生、“熟”铁接触反应的机会,减少了生铁流失的机率。(2)不需封泥,而是上盖破草履,下涂泥,简化了操作。(3)“熟铁”为薄片状,增加了反应面,提高了生产率。

    第三种,生铁浇淋法。约始创于明代中期,清时在安徽芜湖,湖南湘潭等地都较兴盛,因传为江苏工匠始创,又名之为“苏钢”。

    明代唐顺之《武编前编》卷五“铁”条说:“熟钢无出处,以生铁合熟铁炼成,或以熟铁片夹广铁,锅涂泥入火而团之,或以生铁与‘熟铁’并铸,待其极熟,生铁欲流,则以生铁于‘熟铁’上,擦而入之。”此“熟钢”即灌钢,这里谈到两种操作,前者与沈括所云相类似,后者即是苏钢工艺。

    陈春华《嘉庆芜湖县志》卷一也有苏钢的记载:“居于廛治钢业者数十家,每日须工作不啻数百人。初锻‘熟铁’于炉,徐以生镤下之,名曰餧铁,餧饱则镤不入也。于时渣滓尽去,锤而条之,乃成钢。”《光绪湘潭县志》卷十一、1935年出版的《中国实业志(湖南)》第七篇都说到湘潭苏钢是乾隆年间从芜湖传去的。可知芜湖苏钢应在清代早中期便较发达。

    与前二法相比,苏钢操作的优点是:(1)其“熟铁”仅仅是初锻过的,组织较为疏松,便增大了生、“熟”铁接触反应面,所含氧化夹杂亦较多,可提高碳氧反应的强度,增强去渣能力。并且,部分氧化亚铁可被还原,就提高了金属收得率。(2)生铁不是直接覆盖于“熟铁”之上,亦非夹于“熟铁”间,从“以生铁于‘熟铁’上,擦而入之”、“徐以生镤下之”两句来看,生铁、“熟”铁是保持一定距离的,便可有控制地进行灌淋。据周志宏先生1938年调查,周志宏:《中国早期钢铁冶炼技术上创造性的成就》,《科学通报》1956年2月。重庆北碚苏钢亦采用类似的操作。无需封泥、涂泥,以及覆盖破草履,亦简化了工序。

    此三种操作反映了灌钢技术不断发展和人们认识逐渐深化的过程。

    (三)灌钢的工艺原理何堂坤:《中国古代炼钢技术初论》,《关于灌钢的几个问题》,分别见《科技史文集》第14辑(1985年)、第15辑(1989年),上海科学技术出版社。

    因灌钢以生铁和“熟铁”为原料,有学者认为它是一种利用生铁向熟铁渗碳的工艺,这是一种误解。灌钢冶炼的主要目的并不是调剂含碳量,而是排除夹杂。实际上百炼法和灌炼法都是在炒钢的基础上,为了进一步去除夹杂而发明出来的。依据是:

    (1)前面谈到,古代“熟铁”的含碳量是与可锻铁相当的。因灌钢以“熟铁”为原料,灌炼之后,其含碳量便有可能增加,也有可能减少,或者变化不大的。

    (2)1938年周志宏先生对重庆北碚金刚碑苏钢作坊的原料和产品都进行了成分分析,结果列如表2—6。

    可见其产品含碳量与原料“熟铁”含碳量是一样的。它们之间的主要区别是:成品钢中的硅、锰、磷、硫含量稍较原料“熟铁”为低。这显然是排除了夹杂之故。在其他地方的冶炼实例中,其苏钢产品含碳量也可能存在高于或低于原料“熟铁”含碳量的现象,但这不是灌炼的主要目的。

    灌钢是我国古代冶金技术的一项杰出创造,它利用生铁含碳量较高、“熟铁”含氧化夹杂较多的特点,用“熟铁”中的氧来氧化生铁中的硅、锰、碳,造成激烈的“沸腾”,而达到去除夹杂的目的。虽操作简单,效果却十分明显,这是人类古代制钢工艺中所获得的最高成就。唐顺之《武编前编》卷五说:“此钢合二铁,两经铸炼之手,复合为一,少沙土粪滓,故凡工炼之为易也。”陈春华说“于时渣滓尽去”,都是毫无夸张的评价。约翰•德(JohnDay)在《史前钢铁使用》一书中誉灌钢为“后世平炉方法的先声”,也并不过分。转引自李恒德《中国历史上的钢铁冶金技术》,《自然科学》第1卷第7期,1951年12月。

    五、坩埚钢

    钢我国古代坩埚钢的资料目前仅见一例,何堂坤等:《洛阳坩埚附着钢的初步研究》,《自然科学史研究》1985年第1期。但却是十分确凿的。我国汉代曾冶炼过坩埚钢无疑。

    1979年,洛阳市文物工作队在黄河北岸的吉利工区发掘了一批汉墓,其中一座出土了11个坩埚。坩埚皆直筒形,口沿稍稍外卷,底圆,外径一般为14-15厘米,外高35-36厘米,壁厚2厘米。内外壁均有烧流,外表粘有煤块、熔渣等物,内表面较为平滑,有的地方粘有一层薄薄的铁渣。其中一个坩埚内壁的中段粘附一钢块,钢块整体作戟形,表面黄褐色,长10厘米、宽15厘米、厚0.4厘米。伴出物有五铢钱五枚,分别与《满城汉墓发掘报告》的Ⅱ、Ⅲ型(西汉中期)相当。经坩埚热释光断代试验,距今为1832-147年。故墓葬年代大体定为西汉中晚期至东汉中期。

    经化学分析,钢块含碳量为1.21%,属过共析高碳钢。扫描电镜(能谱)成分分析结果为:铁98.637%、磷0.277%、硫0.584%、硅0.117%、铝0.383%。可见其含磷、硫较高。从金相分析看,金属基体为珠光体,晶粒间界上分布着许多网状渗碳体,磷共晶和氧化物。碳分布较为均匀,基本上是等轴晶,未见明显的柱状晶,磷共晶以不规则的星形分布于晶粒间界上。经扫描电镜分析,共晶区含磷9%-12%。不管金属晶粒还是非金属夹杂,均无拉伸和破碎现象,说明钢块冷凝后并未进行过任何压力加工。

    经分析,坩埚成分为:SiO243.57%、Al2O337.28%、Fe2O33.46%、K2O0.63%、Na2O0.26%、C13.66%,可见其三氧化铝量和碳量都较高,这显然是有意选择配制的。优点是耐火度较高、热稳定性较好。经测定,坩埚耐火度为1580-1610℃。依Fe-C平衡图,并考虑到其他夹杂元素的影响,坩埚附着钢完全熔化的温度约低于1470℃,故坩埚耐火度是能够满足冶炼要求的。这也体现了我国古代耐火材料技术的高超。

    关于坩埚附着钢的冶炼工艺,目前尚无更多的资料可寻,我们推测很可能是一种直接冶炼,即以铁矿石为原料,以木炭、煤炭作还原剂和渗碳剂,在坩埚中直接还原渗碳。一般而言,这样冶炼得到的产品应当是生铁,但控制得当,也可以得到钢。据说古印度的坩埚钢便是这样直接冶炼得到的。但古印度坩埚钢多未达到液态,而是一种胶融状的半液态,其出炉产品往往是一种组织和成分极不均匀的固体块。洛阳坩埚钢却是充分熔化了的。在西方,液态坩埚钢在1740年才出现,我国在汉代就炼出了液态坩埚钢,实在难能可贵。