炼铁的方法

【专家解说】：一、 生产工具的铁器化与冶铁业的发展 战国以后，由于冶铁技术的进步，社会经济制度的变革，社会上对于铁器需要量的增加，铁矿的开采，铁的冶炼和铸造成为关系国计民生的重要手工业，因此，冶铁业开始发展起来。在战国时代开发的铁矿已经不少，战国时代的著作《山海经·五藏山经》所载产铁之山就有37处，记录属南阳的就有“帝?NF9A5?之山 ‘其阴多铁’”，约在今河南省泌阳县和南阳县之间；另一处即“兔床之山，‘其阳多铁’”，约在今嵩县和南阳县之间。战国时代各国都有冶铁手工业，其中韩、楚两国的冶铁手工业最为发达，著名的冶铁手工业地点也最多，当时的南阳已经成为战国时代闻名的冶铁中心。《荀子·议兵篇》记载：“宛钜铁（钅也），惨如蜂虿。”至秦汉时期，铁器和冶铁技术在广大地区已经得到了广泛的传播和使用。从考古中发现，西汉初年铁制农具和工具已取代了铜、骨、石、木器，到西汉中期，随着冶铁技术的发展，锻铁工具增多，铁兵器也逐步占据了主要地位，直至东汉，主要的兵器全部为钢铁所制，从而完成了兵器和生产工具的铁器化进程。?西汉初年，冶铁业可听任商人经营。魏国的孔氏原经营冶铁业，秦灭魏后，被强行迁到南阳，靠冶铁成为巨富。西汉武帝时，武帝任用南阳的大冶铁商孔仅为“大农丞，领盐、铁事”，管理全国的盐铁业，南阳成为全国设立铁官的手工业基地之一。在南阳瓦房庄发掘的汉代冶铁遗址中，就曾发现西汉时期的冶铁遗物(熔炉基、耐火砖、鼓风管、铸造用的模具及铁器，包括铁犁铧、铁耧铧、铁锸、锛、斧等)。至东汉，南阳的冶铁业在西汉基础上，冶铁作坊数量增多，规模空前扩大，技术显著提高。建国后在南阳附近发现的冶铁遗址就有：南阳市北关瓦房庄铸铁作坊遗址，桐柏张陂村的大张陂冶铁遗址，桐柏县铁炉村遗址，南召县太山庙、草店冶铁遗址，方城县赵河村冶铁遗址，镇平县安国城铁范、铁铸件遗址，西峡县白石尖冶铁石等。1959～1960年南阳市北关瓦房庄发掘的汉代冶铁遗址，主要遗址面积达2800m?2，发现了大量的冶铁遗迹和遗物，其中熔炉9座，炒钢炉8座，锻炉1座。发现在当时的生产条件下冶铁过程中使用了热鼓风炉，这是我国早期使用的节约热能的熔炉。铸造使用的模和范近40种。由文物考古发掘的遗物可见，在当时南阳已经成为全国的冶铸中心。 二、 冶铁技术、工艺的发展 冶铁技术在秦汉时期得到进一步的发展。高炉炼铁已成为一种经济而有效的炼铁方法。高炉炼铁从上边装料，下部鼓风，形成炉料下降和煤气上升的相对运动。燃料产生的高温煤气穿过料层上升，把热量传给炉料，其中所含一氧化碳同时对氧化铁起还原作用。这样燃料的热能和化学能同时得到比较充分的利用，下层的炉料被逐渐还原以至熔化，上层的炉料便从炉顶徐徐下降，燃料被预热而能达到更高的燃烧温度。这确是一种比较合理的冶炼方法，因而具有强大的生命力而长期流传。其冶炼水平的发展表现在以下几个方面： ?第一，高炉炼铁中的筑炉技术达到了较高的水平。有的用含三氧化硅较高的黄色或红色耐火粘土烧成的长方形或弧形的耐火砖砌筑。南阳瓦房庄遗址出土的耐火砖，在不同部位耐火砖所用的材料、厚度、形状均不相同。有的用直径0.3～0.5cm的白色石英砂粒并掺有少量的细砂。有的用草拌泥、黄粘土及大量的石英砂混合而成，所用石英砂不仅有天然的，而且还有经过加工破碎的。这些耐火砖耐火强度达到1463℃～1469℃之间，这显然是耐火土中掺入了含有二氧化硅相当高的砂石的结果。这种含二氧化硅相当高的酸性耐火材料，从我国古代高炉所出大都是酸性炉渣来看，是合适的。 ?第二，高炉炼铁所用原料大部分已进行了加工。冶炼工人从长期的实践经验中发现，炉料的粒度整齐可以减少对煤气的阻力。因此，在冶炼之前，就要对原料进行加工，在桐柏县张畈村遗址中，曾挖出数以千吨计的矿石粉末，说明当时已十分注意对矿石的加工。 ? 除了高炉炼铁外，在西汉时期还发现有坩埚炼铁技术。南阳市北关瓦房庄遗址中，就发现坩埚炼炉17座，其中3座较完整，都近似长方形。其中一座长3.6米，宽1.82米，深度残存0.82米。炉的建筑方法是，就地面挖出长方坑，留下炉门，周壁经过夯打后再涂薄泥一层。炉顶用弧形的耐火砖砌成，砖的大小不同，砖的内面敷有一层厚约1厘米的耐火泥，泥的表面还留有很薄的灰白色岩浆，砖的背面涂有较厚(约5厘米)的草拌泥。有一部分是用土坯和草拌泥券成。炉由门、池、窑膛、烟囱四部分组成。门在炉的最前端，当是用来装炉和通风的，左右两壁都经火烧，已成砖灰色。池在门内，周壁也烧成砖灰色，池底留有厚约1厘米的细砂，当是用作燃烧时的“风窝”的。炉膛为长方形，周壁糊有草拌泥，火烧较轻，当是盛放成行排列的坩埚和木柴、木炭等燃料的，炉的后部设有3个烟囱，当是排出炉烟用的。有的炉内填满木柴灰，有的炉底堆有很多烧土块和砖瓦碎片。发现坩埚3件，都是椭圆形的圜底陶罐，罐外敷有草拌泥厚约3～4厘米，泥的内部烧成红砖色，表面则成光亮的深黑色，并存有一层灰白色光亮岩浆。另在一坩埚的内壁还粘有铁渣的碎块。从炼炉的结构以及流传到后世的坩埚炼铁法，可以推知当时的炼铁方法是：先用碎块矿石和木炭以及助溶剂混合配好，装入坩埚，装炉前，先在炉底铺上一层适当数量的砖瓦碎片，使炉底通风；并留出许多“火口”放进易燃物，以便点火，接着就铺上一层木炭，在木炭上安装成行坩埚；然后在这层坩埚之上再铺上一层木炭，在木炭上再安装成行坩埚，待炉装满，便可以从“火口”点火，并加以鼓风，使坩埚中矿石还原溶化成生铁。?第三，鼓风技术的发展。高炉炼铁和冶铁技术的发展，与鼓风技术的改进是分不开的。我国古代炼铁高炉是用皮制的“橐”作为鼓风器的。随着时间的推移以及经验的积累，人们逐步改变了鼓风的方法。在大型的冶炼炉中不止有一个鼓风器，而是增加鼓风器和鼓风管，使得炉中燃料充分燃烧，提高炉子的温度，加速冶炼的进程。在瓦房庄的冶铁遗址中，有大量的鼓风管出土，其中有一部分带有弯头的陶制鼓风管，粗端内径约 100mm，细端内径为50mm，长约400mm。由于陶胎鼓风管下测泥层被烧琉，经测定，其烧琉温度当为1250℃～1280℃之间。从此温度及挖掘出的实物可判断，汉代南阳冶铁炉装有热鼓风装置(《南阳汉代冶铁》，中州古籍出版社，1995年12月，第23页。）。这种装置利用炉口余热把风管内冷风变成热风鼓进熔炉，既提高了熔炉温度，又缩短了冶炼时间，提高了铁水质量。就鼓风动力而言，出现了“人排”鼓风动力，畜力鼓风，如“马排”、“牛排”等。东汉建武七年(31)，杜诗任南阳太守，创造了用水力鼓风的“水排”，并进行了推广。利用水排鼓风，铸造农具，比用人力鼓风要“用力少，见功多”，并取得良好的效果。现今发掘的桐柏县张畈村的冶铁遗址距矿山较远，而是建在河流旁，很可能就是利用“水排”来鼓风的缘故。水排的发明和应用，不仅提高了鼓风能力，而且大大降低了成本，因而长期被冶铁工业所沿用。像这样以水为动力的鼓风机械，欧州在1100多年后才出现。? 鼓风技术的改进，促进了冶铁技术的发展。除了冶铸生铁技术的快速发展之外，还创造了铸铁柔化工艺，出现了灰口铸铁及球墨铸铁。在南阳市北关瓦房庄汉代冶铁遗址出土的铁器中，经分析检验，可以看到汉代的农具主要采用可锻铸铁。在其中检验的12件农具中，有9件是可锻铸铁，2件是铸铁脱碳钢，1件是白口铁。这表明在铸铁中已经采用了柔化技术。从质量上看，当时的铸铁柔化技术已相当稳定。在瓦房庄冶铁遗址的东汉地层中出土的135号铁钁，它的石墨组织虽不是出自铸态，而是在高温退火时形成的，但形状规则接近球状，边缘也很光滑，从而提高了工件的机械性能。 三、 炒钢、铸铁脱碳钢及铸造技术 为了适应社会对钢铁制品的需要，到西汉后期已创造了“炒钢”技术。这种技术把生铁加热到熔化或基本熔化的状态下加以炒炼，使铁脱碳成钢或熟铁。? 在南阳市方城县赵河村汉代冶铁遗址中也曾发现与巩县铁生沟汉代冶铁遗址中相同的炉型6座。这种炒铁炉容积小，呈缶形，温度可以集中；挖入地下成为地炉，散热少，有利于温度升高；炉下部作“缶底”状，是为了便于装料搅拌。此外，在南阳市北关瓦房庄冶铁遗址中也发现几座炒钢炉，形制和构筑方法大同小异，炉底还有铁块。从这个遗址发掘内容看，南阳瓦房庄的冶铁作坊中，不仅铸造铁器，而且还用生铁炒钢或熟铁，以此锻制工具和其他构件。在此遗址中还出土有凿、钁等，当是该作坊自制的凿、钁等。通过考古资料证明，到东汉时期，炒钢技术已很普及。南阳东郊曾出土一件东汉铁刀，形制较特殊，类似炊事用刀，刀身有一道平行于刃部的锻接痕迹，刀宽11?2厘米，长约17厘米，刀背厚约0?5厘米，保存较完好，是用炒钢锻制而成(河南省博物馆等：《河南汉代冶铁技术初探》，《考古学报》1978年第1期。)。? 西汉后期已经创造了简便的炒钢炉，将生铁炒炼成熟铁或钢的技术发展，标志着炼钢技术 发展到了一个新的阶段，使得钢材的产量大大提高，这对于当时生产工具的改进，钢制品的 推广均具有重要的意义。 ? 古代炼钢以含碳量低的块炼铁或熟铁为原料，采用渗碳的方法炼制成钢(现在仍然使用此法) ，一种即以含碳量高的生铁为原料，在固体状态下脱碳制钢。战国时代已经采用了柔化处理工艺，将生铁进行脱碳退火，得到了脱碳不完全的铸铁脱碳钢件(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。)，至汉代仍然使用这一工艺。如，南阳瓦房庄冶铁遗址所出土的铁斧，中心是白口组织，表层是钢的成份。类似这样的铁器在其他遗址里也有发现。它们都是用白口铁坯件，在氧化气氛下退火，使外层脱碳，由表及里依次成为纯铁素体、亚共析、共析组织，由于脱碳不完全，内部仍然是铁，实际上是一种由钢和铁组成的复合材料。另一种情况是脱碳比较完全，已全部清除白口组织，但内层析出部分石墨。如南阳瓦房庄出土的一件铁凿，从外形看是铸件，表面金相分析是钢的组织，很容易误认为是钢铸件。在汉代当时的技术条件下，没有高于1500℃的高温和相应的耐火材料，是不可能出现液态铸钢的。南阳瓦房庄出土的另一件铁凿，经检验，基体为过共析钢，内层残留石墨，证明它是经脱碳而成的钢质工具。另外，在南阳瓦房庄冶铁遗址中还有成形的薄铁板出土，这些铁板实际是经过脱碳热处理的已成为含碳较低的钢板，可以锻打成器，实际上是创造了一种新的制钢工艺。这样就扩大了生铁的使用范围，增加了优质钢材的来源，对于钢铁生产有重大的作用。? 铸铁的热处理技术在汉代有很大的发展，并臻于成熟。在南阳瓦房庄冶铁遗址中所发掘的9件 农具，经检验8件为黑心韧性铸铁，质量良好，有一些与现代黑心韧性铸铁已无大的差别。还有一部分白心韧性铸铁，白心韧性铸铁可制作耐冲击、性能良好的手工工具，黑心韧性铸铁可制作耐磨的农具。在铸制的铁器中有一部分铁锸、铁耧铧、铁钁即为白心韧性铸铁。? 从发现的汉代冶铁遗址来看，当时的作坊有以炼铁为主而兼铸铁器的，也有专门铸造铁器的 。而最初的铁铸件，是由炼铁炉的铁水直接浇铸。在汉代，出现了专门的化铁炉，这对于提高熔铁的质量，获得优质铸件，有很大的好处。从南阳瓦房庄遗址看，化铁炉的结构和筑炉材料与炼铁炉有明显的区别，说明当时的炼铁与化铁的分工已很明确。? 南阳瓦房庄冶铁遗址出土化铁炉7座，它的构筑方法是：在平整的地面上，铺筑直径约2.6m、厚50mm的草拌泥，烧成橙黄色，作为炉基。炉底是空心的，由整体基底、束腰式支柱、周壁与 炉缸底部组成。基底约厚45mm，用羼有大量大颗粒砂的耐火粘土铺成，砂的粒度在10mm左右。周壁和支柱的筑炉材料与基底稍有不同。羼有大量小颗粒砂。周壁厚40～50mm，支柱直径70～120mm，高70cm，根据遗址所出土的长方形耐火砖的尺寸来估算，支柱可能有15个左右，基上砌筑炉缸底部。? 炉体全用弧形耐火砖建造，从砖的内表面不同的熔融程度看，炉体可分为3个区域：炉口及其下三、四层砖(砖长36cm，宽17cm，厚6～9cm不等)，炉衬略现熔融，有许多龟裂纹道，温度最低，为预热区。炉体中部的三、四层砖，炉衬均有烧琉，说明温度较高，应是还原区。再往下三、四层砖，炉衬普遍烧琉，甚至全部流下，露出砖体，这里温度最高，当是靠近风口的氧化区。依照耐火砖的高度及上述炉壁烧琉情况来推算，化铁炉的炉体高度约为3～4m。 ? 化铁炉的炉壁分3层，弧形耐火砖是特制的成形砖块，外敷草拌泥，厚约15～50mm，内搪炉衬，厚约40mm。根据出土时较完整的14块耐火砖的弧度来看，化铁炉最小外径为1.16m，内径为0.92m，最大外径为2.3m，内径为2.14m，其平均内径有1.5m左右。经鉴定，耐火砖均有砂粒和粘土配制，从石英砂的颗粒组成看，有浑圆状的和棱角状的白石英和少量长石，说明除天然砂外，已使用了人工破碎的砂粒。石英颗粒有裂纹出现，玻璃相中析出针状莫来石晶体，有流动结构，均说明当时化铁炉能够达到相当高的温度。?从遗址中出土的大量鼓风管的情况推测，化铁时有可能已试用换热式热风装置，有一种陶质鼓风管，外敷厚约45mm的草拌泥，下层泥料表层烧熔下滴，靠近拐角处的泥料熔融顺角流下，据测定温度，烧琉温度当在1250℃～1280℃之间。风管的这种烧琉状态，有一种解释认为，它可能是架设在炉顶上，作为预热管道使用的。? 此外，在出土的大量碎铁块和熔渣中，有不少梯形铁板和铧、锸、锛、钁、锄、斧等铁器残片(厚度约40～70mm)。这些遗物可能是化铁炉所用原料，方形的铁砧和铁锤，既是锻造工具，又是用来破碎原料的工具。大量的木炭渣表明所用燃料为木炭，炉中残留木炭凝块，有的与表面微熔的铁块凝结在一起，某些器形尚能辨认。由这种现象推测可能是分层装料的结果。从出土的炉衬看，断面明显分成三层，至少已经过两次停炉和补炉，补炉的材料与耐火砖所用材料相同。根据出土的遗物推测，对于这样大的熔炉，当是半连续操作的，每过一定时间，出一次铁水，浇注一批铸范。当熔炼过久或铸范已毕需适时停炉。这说明汉代工匠已很好地掌握了熔炉的操作程序。汉代铸造技术，在战国时代铸造铁器和铜器的技术上又有所发展。这时铸造所用的范有泥范、陶范和铁范，特别是铁范的使用，使铸造铁器的质量及效率均有不同程度的提高。从南阳瓦房庄发掘出的各种模及范来看，其工艺过程大致如下：制模工人就地选取黄粘土，羼入35%左右的细砂，加水调泥，制成模版，然后精工细雕地挖模面，按照严格的尺寸要求，塑制不同模面上的各个部位的形体。模面制妥后，涂上涂料凉干，这是首先的必要的制模工序。在浇铸之前，先合模，糊加固泥，再将铸模送入窑中烘烤，到一定温度之后停烘出窑，乘热浇铸铁汁，在浇注时将浇口、冒口注满铁汁，以适应模腔收缩的需要。待铁汁在模腔中凝固到一定程度之后，打开加固泥，脱去泥模，再打掉浇口铁，即可获得铁质的铸范。然后把铸出的铁上范、铁下范进行合范，再将铁范芯插入范腔中，并用某种铁工具将铁范捆扎夹固，以免浇注时铁汁的热涨作用而开裂。合范后，也可能入窑烘烤，乘热浇注铁汁，待铁汁凝固到一定程度之后，打开铁范，并打掉浇口、冒口铁，便获得产品。?铸造技术方法的发展还表现在叠铸技术方面。叠铸技术就是把许多范片或范块层层叠合起来，用统一的直浇道，一次浇铸出多个铸件。这种方法在战国时已经发明（梓溪：《谈几种古器物的范》，《文物参考资料》1957年8期。)，它主要适用于小型铸件的大量生产。到汉代叠铸技术又有了进一步发展，如河南温县发掘的一处汉代烘范窑，出土有500多套叠铸范，有16种铸件，36种规格，一套范有4～14层不等，每层有1～6个铸件，最多的一次可铸84件，这样就大大提高了生产效率。南阳瓦房庄冶铁遗址出土有几件叠堆微熔遗物和三至五个“V”字形铁犁铧套叠遗物等，充分证明南阳是最早采用双堆叠铸技术的冶铁大郡。?铸范的设计也相当科学，范腔之间的泥层很薄，为使范面紧凑尽可能减少吃泥量，有些范的直浇口制成扁圆形，合范用的榫卯定位结构也按此原则予以布置。范的外形与范腔相吻合，不少铸范削去角部，使边厚尽可能一致，不但可以减少范的体积和用泥量，而且使散热更加均匀，提高铸件质量。?范芯的制造，除自带泥芯外，形状简单的用泥条捺入芯座内。复杂的，如车（车口）泥芯，用泥质对开式芯盒制成。南阳瓦房庄发现的东汉时期多堆式叠铸（车口）范，范块采用对开式垂直分型面，两堆铸范共用一个直浇道，使金属实收率更高，浇注时间更少，说明叠铸技术有了进一步的发展。