揭秘中國古代冶鐵業 漢末發明"灌鋼法"節省人力

原標題：中國古代冶鐵業其實也曾蠻拼的

　　《天工開物》中的聯合炒鋼工藝

　　宋代採煤礦井模擬

　　鐵製品在農耕中的使用

　　宋代出土的大量鐵錢

　　虢國墓地銅柄鐵劍

　　◎呦呦

　　十七世紀以前，中國至少有十項冶鐵技術處於世界領先地位。

　　近日，一年一度的「全國十大考古新發現」評選活動落下了帷幕，各入選項目如同一幅幅生動的畫卷，向我們展示了或熟知或未知的歷史往事。

　　作為八大古都之一的北京，在沉寂了25年後憑藉延慶大莊科鄉的「遼代礦冶遺址群」，再次獲得這項殊榮。如此珍貴的獲選，不禁讓人想要去了解中國古代冶鐵技術是如何發展起來的，以及那些有關的歷史故事。

　　爭論

　　冶鐵技術源自中國還是西方？

　　鋼鐵冶煉技術是中國的傳統強項，公元一世紀羅馬帝國的博物學家老普林尼在其著作《自然史》中曾說「在所有的各種鐵之中，以中國鐵為最好。中國人把它連同各種織品和皮貨輸送給我們」。17世紀以前，中國至少有10項冶鐵技術處於世界領先地位，對世界文明作出了巨大貢獻。雖然取得了這些偉大成就，但中國鐵製品的出現較晚，迄今為止，公認中原地區最早的人工冶鐵製品發現於公元前8世紀的河南三門峽虢國墓地，比西亞西臺人的人工冶鐵要晚了1000多年。雖說西亞與中國遠隔千山萬水，但千年的時光似乎也夠這項技術伴著悠悠的駝鈴晃到黃土大地了。那麼冶鐵技術究竟是從西方傳入，還是本土起源的呢？

　　關於冶鐵技術起源問題的爭論在學界由來已久，支持本土起源的多是依據中國在春秋時期已知冶鑄生鐵，像楊寬先生80年代就提出，中國冶鐵技術的發明，同亞洲西南部、歐洲、非洲所有國家的冶鐵技術是毫無關聯的。《中國科學技術史·鋼鐵分冊》的著者華道安90年代也曾說道，冶鐵術是在公元前5世紀初在中國南方獨立發展起來的，最早使用鐵的地區是吳國，就是著名鑄劍大師幹將莫邪居住的地方。但隨著西北地區越來越多材料的發現，冶鐵術從西亞經新疆，過河西走廊傳入中國的路線逐步清晰，更多的人也開始支持冶鐵技術是從西方傳入的。不過，這時從西方傳入的僅僅是比較原始的塊煉法，也就是把鐵礦石煉成海綿狀的鐵塊，經過反覆捶打，塑造成型，這樣煉出的鐵產量低，費工多，勞動強度大，浪費原料多，還不夠堅固耐用，只有通過接下來中國工匠對冶鐵技術的改良，鐵器才得以大放異彩。

　　發展

　　戰國時期鐵器使用發生了翻天覆地的變化

　　雖說在鐵器出現的時間上中國遠遠落後了西亞一大截，但冶鐵技術一經傳入就進入了高速發展時期。春秋時期的鐵器還極為貴重，考古發現的鐵器往往鑲嵌於其他材質中出現在貴族墓葬，像前面提到的虢國墓地發現的就是一把銅柄鐵劍，河南淅川下寺的楚墓中更是發現了玉柄鐵匕，可見當時的鐵器奢華而昂貴。

　　而到了戰國時期，鐵器的使用已經發生了翻天覆地的變化，據《管子》記載，僅齊國一地「出鐵之山三千六百九」，齊國故城的勘探中就發現冶鐵遺址六處，證明了戰國時已進行大規模冶鐵生產。這一時期，各種製作和加工鐵器的技術迅猛發展，影響最大、意義最深遠的有鑄造技術和炒鋼法、可鍛鑄鐵的發明。前者將鐵礦石化為鐵水，注入先前準備好的模具中冷卻成型，能夠更方便地進行大規模生產，後者將生鐵轉化成韌性更強的鋼，使鐵的適用範圍進一步擴大。這些成就了中國一直領先於世界的技術，是我國最為鋼鐵大國的立身之本。

　　鑄造技術、可鍛鑄鐵的發明與中國先進的冶銅技術密不可分，古人很可能在冶銅中積累了很多經驗，先進的爐形、鼓風技術等能夠很容易使冶煉爐達到高溫，這些技術借用至冶鐵行業，便迅速改變了塊煉鐵一統天下的局面。經過這項技術，鐵的可塑性、韌性都得到極大加強，大規模批量生產使得鐵質農具、工具得以廣泛應用，對當時的農業和社會產生了革命性的影響。而鐵器出現較早的新疆及其以西地區，由於缺乏高溫技術，一直處在塊煉鐵的階段，直到張騫通西域時仍「不知鑄鐵器」。

　　到了漢代，政府對鐵業進行全面壟斷，鋼鐵成為了國家財政的重要支柱。漢代的冶鑄遺址已發現了二十多處，著名的像河南鞏縣鐵生溝，發現了煉鐵爐18座、熔爐1座、鍛爐1座、藏鐵坑7處、礦石坑1個、配料池1個，還有各種鐵器和鑄範等等，顯示了當時的冶鐵生產已經具備了很大的規模。

　　平穩

　　漢末「灌鋼法」的發明節省人力物力

　　漢末大亂，鐵的生產遭到很大破壞，接下來的南北朝時期，冶鐵生產主要是在恢復戰前的水平，自然難以發生像塊煉鐵到鑄鐵這樣革命性的變化，但技術的發展仍沒有停歇，其中就要提到一位名叫綦母懷文的人，他曾使用「灌鋼法」冶煉鋼刀，是目前所知灌鋼法最早的實踐者和革新者，為這項技術的發展作出了無與倫比的貢獻，也因如此，綦母懷文受到「中國人民的老朋友」李約瑟博士的高度肯定。

　　在綦毋懷文之前，刀劍等鋒利武器主要通過反覆捶打的「百鍊鋼」技術製成，費工費時，製成的刀劍價格昂貴，而灌鋼法通過將液態的生鐵澆注在熟鐵上，經幾次熔煉，使生鐵、熟鐵內碳含量平衡，成為鋼。由於將液態生鐵作為滲碳劑，碳的流動速度大大提升，節省了很多人力物力。

　　隋唐時期的冶鐵技術在之前的道路上繼續發展，沒有太大的突破，有些乏善可陳。不過這一時期有一個小片段可以和接下來遼代的冶鐵相銜接。鋼鐵冶鑄業最早只是在中原地區比較發達，南北朝時期長江流域的鐵器製造逐步發展起來，到了唐代，位於東北的渤海地區也有了鐵器生產，《新唐書·渤海傳》就記錄了「鐵州」的名字，肯定是因為當地產鐵著稱而取名。遼初耶律阿保機徵服渤海後，在鐵州「置採煉者三百戶」，這也是遼代冶鐵業一大技術淵源吧。

　　加速

　　宋代最大技術突破是燃料改進

　　說了這麼久終於來到了本次考古大發現的時代——遼宋。這一時期是鋼鐵冶金技術發展的另一個重要時期，北宋鐵產量激增，農具、武器甚至錢幣都用鐵鑄造，魏晉時期出現的灌鋼法、百鍊鋼等技術在宋代廣泛推廣，這些在沈括的《夢溪筆談》中都有詳細的記載。宋代最大的技術突破是開始大量用煤煉鐵，緩解了傳統木炭燃料短缺的問題，並能獲得更高的爐溫，提高冶煉效率。不過用煤作為燃料也有不好，那就是煤炭燃燒過程中釋放的硫會影響生鐵的質量。

　　對這一時期冶鑄行業發展的研究一直以來都以宋朝為主，對於佔據了半壁江山的遼代我們了解的尚不深入，遼的冶鐵業與宋相比都有什麼創新？孰高孰低？又有什麼差異？這次延慶大莊科遼代礦冶遺址群的發現，就為了解這些問題打開了一扇窗口。遺址群中，從採礦、冶煉，到工匠們工作、居住場所「一條龍」都有發現，就讓我們通過對遺址內方方面面的觀察，讓遼宋冶鐵業之間一爭高下吧。

　　燕山地帶有大量礦藏，遼代之前的奚人就利用燕山地區的礦藏進行車輛、兵器的生產，現在的河北平泉、寬城、灤平、隆化等縣曾多次發現大規模的遼代採礦和冶煉遺址。大莊科鄉的礦產資源也十分豐富，迄今共發現的5處礦山，分為礦洞式開採和露天式開採兩種，每處鐵礦的礦石種類略微不同，大多為磁鐵礦，有些夾雜赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦等。水泉溝煉鐵爐中鐵渣的測定顯示，這些遺址冶煉用的礦石極有可能就是就近的5座礦山運輸而來，證明了臨近礦區冶煉是遼代礦冶業的一大特點。與之相似，宋代的鋼鐵主要產區也都在鐵礦附近。

　　礦石通過懷抱遺址群的懷九河、鐵爐河運到冶煉區後，就是煉鐵爐大顯身手的時刻了。大莊科礦冶遺址內發現的煉鐵爐不僅是目前為止最為集中的，而且也是保存最為完好的。前文提到的漢代鞏縣鐵生溝遺址，那裡發現的煉鐵爐只遺留了基座部分，而水泉溝發現的煉鐵爐最多保留了高於地面4米左右。水泉溝的煉鐵爐與漢代相比有眾多改良，漢代的煉鐵爐用土夯築，呈饅頭形，而水泉溝的冶鐵爐用石頭壘砌，更加耐高溫，外形類似啤酒瓶的上部，細脖子，大肚子，更利於煉渣向下走。水泉溝的煉鐵爐與漢代有些煉鐵爐相比容積較小，這可不是退步的表現，而恰恰是古代鐵匠們在生產中經驗的總結。容積過大而又不能很好地散熱很容易造成爐內壓力過大而爆炸，《漢書》中就有公元前91年和27年煉鐵爐爆炸的記載，「地陷數尺，爐分為十」，聽起來就十分慘烈，在這樣的情況下只有適當減小煉爐容積才能保證安全。

　　煉鐵爐內至今仍能夠看到玻璃態的物質，那是鐵礦石化成鐵水後在爐內留下的痕跡，根據它的流動狀態，專家們判斷這處煉鐵爐已經能夠實現較好的渣鐵分離。通過對爐渣的成分分析可知，爐渣內含硫量較低，進一步可知煉鐵燃料並非煤炭而是木炭。前面說過，宋代冶煉業的一大發展就是燃料的改進，但大莊科遺址中仍用木炭作為原料，不知是由於遼的採煤能力不如宋，還是害怕煤炭產生的硫影響生鐵質量。

　　鐵礦石煉成生鐵塊或鋼塊後，就可以進行進一步的加工，製成我們熟悉的鐵製品了。在距離水泉溝冶鐵爐100米的地方，發現了佔地20000平方米的生活、作坊遺址。遺址區發現了南北向的道路，與水泉溝、漢家川的冶煉區相通。道路上至今可見10條清晰的車轍痕跡，那深深的轍溝，似乎讓我們覺得滿載著生鐵塊或鐵製品的牛車、馬車仍在這些道路上熙熙攘攘地穿行著。宋朝境內的礦冶遺址尚沒有這麼大的發現，也難以推斷鐵匠們的具體生活，不過神宗年間，蘇軾曾上書提及徐州附近鐵冶的情況，當時這一地區已有36個民營作坊，各有百餘名工人，似乎比大莊科礦冶遺址的生產規模更大。

　　衰落

　　元明清時期並無實質上的飛躍

　　解決燃料問題後，中國的冶鐵業一路高歌猛進，元代僅在腹裡地區，即今山東、山西、河北、河南就前後設鐵冶26所，每地冶戶多達760～6000戶，可見當時規模之龐大。此外，江浙、湖廣也有鐵器生產，除腹裡外，元代徵收的鋼鐵稅「獨江浙、湖廣之課為最多」。明洪武六年，在全國置鐵冶13所，為使南北平衡，南方設6所、北方設7所，但南方的產鐵量已遠遠超過了北方，不過為了鋼鐵生產的平衡，明朝中、後期在河北遵化開設了著名的「遵化鐵冶」，是當時最大的鋼鐵生產基地，工人最多時曾達2500多人。

　　清代的礦冶依然保持著很高的產量，全國共有135處鐵礦產地，製作作坊更是不計其數，著名的鐵廠北有漢中，南有佛山。土法冶鐵在鄉村得到了極大的普及，據不完全統計，在1920年，全國經土法冶鐵獲得的鐵產量仍在15萬噸以上，大量的普通農民都在農閒之時參與冶鐵。

　　元明清時期中國的冶鐵業看起來仍是一片欣欣向榮發展的景象，但實質上，與前代相比並無實質上的飛躍，依然是以人力和畜力為動力源的傳統手工業，某些私營鐵廠，產出效率不高，平均每人每天不足3斤，而且由於缺乏通風排水設備，鐵礦在夏秋兩季常不能生產。

　　與此同時，工業革命於十八世紀六十年代在英格蘭中部地區開始出現，一系列技術革命引起了從手工勞動向動力機器生產轉變的飛躍，近代高爐煉鐵迅速取代原有生產方式，依靠機器生產和科學技術的冶鐵工業開始萌芽，到1840年，英國的生鐵產量達到140萬噸，已是中國的數十倍，中國的冶鐵業在繁榮的表象下已經遠遠落後於世界水平。

　　最後的最後，當我們回顧完中國冶鐵業的發展歷程，李約瑟曾提出的問題不禁又縈繞在了耳邊，儘管中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻，但為什麼科學和工業革命沒有在近代的中國發生？中國近代科學為什麼落後？也許只有解決了這些問題中國才能在日益激烈的技術競爭中拔得頭籌，屹立於世界民族之林。

　　本版供圖/呦呦