冶铁工艺什么时候出现(冶铁)

古代东西方冶铁谁更强？为何中国痴迷的生铁，欧洲16世纪才拥有

作者｜冷研作者团队-微漫烟叶

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编者按：自网络诞生以来，斗兽就是网友们热衷的话题，东西对决更是保留项目，由此也催生了许多的思考，如冶金技术的差异，便是众多热议点中比较有意思的一点。今天就让我们摒弃立场，谈一谈东西技术的发展和走向。

▲对喷是网络的传统艺能，不得不品

在谈这个话题前，我们必须明确概念，先明白什么是冶金？根据科普中国·科学百科所审核的百科资料显示，冶金意指“从矿物中提取金属或金属化合物，用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。”而在众多金属中，人类最早冶炼也最常见的便是金银铜铁。其中铜铁因多用于制作工具器械而具有特殊的意义，甚至用于命名人类的文明阶段。因而本文将从铜开始，以铁为主进行探讨。

▲铜铁被用于划分人类文明的发展阶段

炼铜比冶铁要早得多，大约在公元前4500年左右。彼时人们会挖掘出一个坑，在底层铺上木炭等燃料，再在其上铺上铜矿，便形成了原始的碗式炉。当工匠通过鼓风将炉中的温度提升至1084℃时，铜矿中的铜元素便会融化脱离矿石，进而凝结成颗粒，接着只需要扒开矿渣，便可以从中找出颗粒状的铜。

随着时间的推移，炼铜技术从近东地区向四周迅速扩散开来，在公元前3000-2600年间，埃及的炼铜技术经爱琴海向西扩散；公元前2200年伏尔加河下游的居民学会了炼铜；而公元前2000-1500年之间，远东地区开始出现铜基合金，至此人类开始普遍进入青铜时代。

▲纯铜太软做工具不够好

由于铜的硬度很低，不能满足撞击和耐磨的工具需求。人们便开始添加其他元素改善其性能，一开始工匠在冶炼过程中加入含砷的矿石或者直接选择用高砷铜矿进行冶炼获得了砷铜，但由于砷铜制品只能通过锻打提高硬度，于是人们开始尝试添加锡，从而获得了更为优越的青铜（无论铸造还是锻造就能提高硬度）。对于冶炼青铜的探索，为日后的冶铁提供了基础，也开启了东西冶金路径的差异。

▲因生锈后锈呈青色而得名青铜

铁的冶炼与青铜原理一致，只是熔点更高，达到1540℃，虽然青铜时代盛期与早期铁器时代的人类对炉型进行了不断的改良，如给碗式炉添加了黏土拱顶、出渣口和渣坑或代以拱式炉；给利用自然风进行抽风的竖炉添加鼓风器；甚至还有与燃料层隔绝的坩埚炉，却仍没能彻底解决炉温的问题。

碗式炉最高温度仅只能达到1150℃，大多数情况下保持在800-1000℃，因而在这些炉内进行冶炼的铁并不能完全融化，只能形成海绵状的铁团，这种冶铁方法被称之为块炼法。

▲取出的海绵铁块

除了块炼法外，还有一类冶炼铁的方法，被称为生铁冶炼法。得益于鼓风技术的发展，中国率先解决了炉温低的问题，因而在冶炼铁矿时能产生更接近液态的铁水，从而获得了可以铸造的铁。

但也正因为鼓风充分，炉内保持气氛的能力不如碗式炉等块炼法用炉，导致脱碳的速度没有超过氧化速度，脱碳不够充分，故而成品并非块炼法所取得的熟铁或低碳钢，而是含碳量高于2%的生铁。生铁因其较高的含碳量而具有脆硬的特点，只能用于铸造，无法锻制。

▲生铁冶炼法

无论铸造还是锻制，均是一种金属塑性的方法，前者通过融化灌入模范冷却成型，后者通过铁锤敲打成型。这两类方法的成品有着很大的区别，铸造成型更简单，但没有经过挤压，内部的结晶组织不够紧密，铸造过程中产生的气孔也会破坏铸铁的结构强度，故而铸铁通常没有良好的机械性能；而锻造产品的内部结晶组织严密，机械性能较好，但因应力等问题很难由人力加工成形状复杂的大型产品。

▲铁水浇筑

从上述铸铁的特点不难看出，在火器时代以前铸铁的应用范围有限，无论是农具还是武器铠甲，都不适合组织疏松且通常更厚的铸铁。

而对大型铁器的需求还要等到火炮、钢铁装甲载具的出现才够充足（此前的机械、船只、大型雕塑等均以木材、石料或青铜为主，金属零件要么不大，要么可以用青铜代替，且就船只、雕塑所需求的防水性而言，青铜更加适合）。因此虽然块炼法难以制造大型铁器，但已能满足冷兵器时代的需求，成为了所有文明通用的冶铁法。

▲船只直到火器时代都还是木质

当然，中国人并不满意单单使用块炼法，即便生铁冶炼法的产物太脆只能铸造，也没有挡住他们进一步发展生铁冶炼的热情，为了解决生铁脆硬的问题，在战国时始了柔化铸铁的发展，这是一种通过再加热并使其在氧化性气氛中充分反应，从而脱去生铁内的碳的办法，通过这种技术，中国先民做出了白心韧性铸铁和铸铁脱碳钢，在汉代，甚至通过退火的方式创造出了球化石墨铸铁。

然而无论是柔化的铸铁还是球状石墨铸铁，都保留了铸造时产生的孔洞缺陷，不能满足盔甲武器这种需要高强度机械性能的需求，锻制仍然是高强度钢铁器具的首选加工方法（至今都是如此，冷轧钢性能要优于任何铸铁）。

▲铸铁气孔

于是在西汉中期，进一步发明了炒钢法：先将生铁锤成碎片，再丢入加热的炉中，形成半熔融状态，而后对其进行翻炒，使其氧化脱碳得更充分，更均匀，产出疏松柔软的钢铁团块，进而便可以进行锻打加工。

这种技术开启了生铁冶炼的新路径，然而炒钢法本身也有很大的问题，在缺乏检测手段、科学体系，全凭经验加工的古代，氧化脱碳很难被控制好，往往在过分的搅拌中损失了大量的碳，一下炒成了柔软的熟铁，还需要再渗碳才能成为性能更好的钢，徒增加工工序。

于是在魏晋南北朝又发明了灌钢法，在生铁中加入熟铁搅拌，使二者的含碳量均匀，从而更容易获得钢。当然，受限于经验的掣肘，无论采用什么方法都很难一次性作出需要的成品，重新渗碳加工仍是常事。但这些技术的发展，无疑拓展了冶铁的技术思路，为人类冶金工艺的发展做出了不可磨灭的贡献。

▲因其翻炒动作而得名的炒钢法

我们不难看出，中国人痴迷于生铁冶炼并不是喜欢使用铸铁，而是想要通过脱碳的办法制造出钢铁。但这显然不是中国人选择生铁冶炼的唯一原因，其背后还有成本因素的考量。

首先是生铁冶炼有节省矿石的巨大优势。块炼法因为炉温较低，铁元素融化程度不足，因而矿渣中残存有大量的铁元素，如氧化亚铁和三氧化二铁。在对欧洲各地使用块炼法冶铁产生的矿渣检测后，发现其氧化亚铁和三氧化二铁在矿渣中的比例高达40%-70%，而汉代的矿渣中则低至3.74%，足见其对铁矿的利用效率之高。

▲泰勒对欧洲和中国的矿渣进行了检测

其次是块炼法需要毁炉取铁，这就导致连续生产的效率不足，而生铁冶炼则不需要如此，流动的铁水可以自动与矿渣分离并离开炉身，为连续生产提供了便利。

▲扒开炉身取铁

而炒钢、灌钢法在搅拌脱碳时，会促使钢铁内的夹杂比较细碎，分布相对均匀，虽仍须锻打去渣、成型，但排渣、碎渣所需的锻打次数也相应的减少了，节省了制作低端制品时的人力成本（高级货仍需要多次反复锻打，如百炼钢制品）。综上所述，可见在成本方面，生铁冶炼也有着不小的吸引力。

▲反复折叠锻打有利于排渣，使夹杂更细更均匀

中国在生铁冶炼上的探索，为人类的未来提供了可能，也因为生产出来的大量铁质工具，带来汉代中国在生产力上的飞跃，使得中国的国民生产总值，直到明清时代依然冠绝全世界。而欧洲在16世纪后，也开始普及生铁冶炼，促成了大型钢铁制品的蓬勃发展，并为日后成熟的高炉冶铁技术的发展提供了宝贵的经验，是不折不扣影响人类未来结束发展的一项伟大尝试。

参考书目：

《世界冶金发展史》

《A History of Metallurgy》by R·F·Tylecote

《满城汉墓发掘报告·上册》

《徐州狮子山西汉楚王陵出土铁器的金相实验研究》

《呼和浩特二十家子古城出土的西汉铁甲》

《北京昌平马刨泉长城戍所遗址出土铁器的实验研究———兼论炒钢工艺的一种判据》

《盐铁论·卷六·水旱》

《武库永始四年兵车器集簿》

《汉代铁质农具研究》

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