论古代冶铁技术

论古代冶铁技术 郑清清 222013313011058【摘要】本论文主要介绍古代冶铁的起源和发展历程，讨论了块铁渗碳法，炒钢法，灌钢法，百炼钢法等几种主要冶铁方法。我国的铁器则最早见于西周晚期，对当时的社会发展起到了重要的作用。中国古代钢铁发展的特点与其他各国不同。世界上长期采用固态还原的块炼铁和固体渗碳钢，而中国铸铁和生铁炼钢一直是主要方法。由于铸铁和生铁炼钢法的发明与发展，中国的冶金技术在明代中叶以前一直居世界先进水平。而我国古代炼钢技术至迟发明于春秋晚期，且最初的冶铁方法是块铁渗碳法，此后，随着社会的不断发展，又有了更多更先进的冶铁方法，生产力的提高，为我国社会的发展起来巨大的推动作用。关键字：冶铁 块冶铁技术 百炼钢法 炒钢法 灌钢法铁器作为一种重要的生产工具，对我国古代的社会发展以及生产力的提高有着十分重要的意义。虽然铁矿石是地壳主要组成部分之一，铁在自然界也分布的十分广泛，但是人类冶铁或者说使用铁器的历史却比铜，金等器具晚，这主要是因为天然纯铁在地球上很难发现而且铁很容易氧化生锈，所以，人类最开始使用的是从天上掉下来的铁“陨铁”在我国历代文献中，有关陨铁的记载可谓不绝如缕。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。”这些文献反映了我国使用陨铁的记录，而我国真正开始的冶铁技术大致可追溯到公元前6世纪的春秋时代的中后期，在古书中可以找到零星的有关铁的记载。如管子地数篇中说过：“凡天下名山五千三百九十一，出铁之山三千六百有九”，亦即出铁之山的数目占总山数的66.9。到现在还没有弄清楚他这一数据的来源，但由此说明，当时人们已经知道开采铁矿了。而后随着时代的进步与发展，中国古代的冶铁技术也日益取得巨大进步。有了许多先进的冶铁方法。块冶铁技术块炼铁也称为锻铁，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。我国古代的内热式陶尊炼铜炉很适于冶炼块炼铁，中国历史上最早的人工冶铁产品当然也非块炼铁莫属。虽然这种冶铁方法效率较低，但是设备比较简陋，便于随地取材且生产的快炼铁性能柔软，便于锻造器物，含碳量低，是古代锻造铁器和渗碳钢铁的主要原料。百炼钢法中国古代将炒钢经反复折叠锻打变形而制成的钢及其工艺。其特点是反复加热锻打。多次反复锻打可排除钢中夹杂物，减少残留夹杂物的尺寸 ，从而使其成分趋于均匀，组织趋于致密，细化晶粒，改善钢的性能。古代工匠把“精铁”加热锻打一百多次，一锻一称一轻，直到斤两不减，即成百炼钢。魏晋时期是百炼钢的鼎盛时期。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。炒钢法炒钢的原料是生铁，操作要点是把生铁加热到液态或半液态，利用鼓风或撒入精矿粉等方法，令硅、锰、碳氧化，把含碳量降低到钢和熟铁的成分范围。炒钢的产品多是低碳钢和熟铁，但是如果控制得好，也可以得到中碳钢和高碳钢。迄今世界上年代最早的炒钢冶金技术，我国在西汉早期就已发明和广泛应用了。我国文献上关于炒钢的记载最早见于东汉太平经卷七十二，书中说：“使工师击治石，求其铁，烧冶之，使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪耶。”这“水”应指生铁水。“万锻”应指生铁脱碳成钢后的反覆锻打。与现代意义上以含碳量划分生铁和熟铁的方法所不同的是，在明代“生铁”和“熟铁”的区分是根据铁是否经过炒炼，如关于明代炼钢术的两个问题中提到的：古人是把炒炼产品称为“熟铁” 的。天工开物卷十四“五金铁” 条云: “铁分生熟, 出炉未炒则生, 既炒则熟”“若造熟铁，则生铁流出時相连数尺內，低下数寸筑一方塘，短墙抵之。其铁流入塘內，数人执持柳木棍排立墙上，先以污潮泥晒干，舂筛細罗如面，一人疾手撒，众人柳棍疾搅，即時炒成熟铁。其柳棍每炒一次，烧折二三寸，再用则又更之。炒过稍冷之時，或有就塘內斩画成方块者，或有提出挥椎打圆后货者。若济阳诸冶，不知出此也。”方以智物理小识卷七也有类似说法, 云“ 出炉未炒为生铁, 既炒则熟” 。所以，炒钢法在一定意义上是区分古代生熟铁的方式。灌钢法灌钢法，又名团炼法，是中国早期炼钢技术一项最突出的成就，至少在南北朝时期，已经出现了技术为先进的灌钢法，而在宋代又把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间，用泥巴把炼钢炉密封起来，进行烧炼，效果更好。明代又有改进，把生铁片盖在捆紧的若干熟铁薄片上，使生铁液可以更好均匀地渗入熟铁之中。不用泥封而用涂泥的草鞋遮盖炉口，使生铁可从空气中得到氧气而更易熔化，从而提高冶炼的效率。明中期以后，灌钢法更进一步发展为苏钢法以熟铁为料铁，置于炉中，而将生铁板放在炉口，当炉温升高到1300左右，生铁板开始熔化时，既用火钳夹住生铁板左右移动，并不断翻动料铁，使料铁均匀地淋到生铁液；这样，既可产生很好的渗碳作用，又可产生剧烈的氧化作用，使铁和渣分离，生产出含渣少而成份均匀的钢材。这种更为先进的方法对比之前的技术来说有许多突出的优点，比如（1）生铁作为1种渗碳剂，因熔化后温度高，加速向熟铁中渗碳的速度，缩短冶炼时间，提高生产率。(2)熟铁因为碳的渗入而成为钢，生铁由于脱碳也可以变成钢，增加了钢的产量。(3)在高温下，液态生铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物夹杂发生反应，去除杂质，纯化金属组织，提高金属品质。(4)灌钢法操作简便，容易掌握。要想得到不同含碳量的钢，只要把生铁和熟铁按一定比例配合好，加以熔炼，就可获得。结束语冶铁技术的发展与进步推动了社会的发展，各种冶铁技术的出现为我国的铁农具和冷兵器