第十七章 钢铁冶炼术

    建立在皇藏峪和芒砀山区域中的三座为糜氏家族所有之冶炼工坊，和萧县境内的煤铁矿区，均未在官府中登记。实为糜氏家族之私矿。其实萧县和芒砀山区域所属之芒县境内冶铁官员，几乎都为徐州糜氏家族所收买，均在糜氏家族之掌控之中。糜氏家族所用之手段并不新鲜，无非就是金钱收买外加武力威胁。实在不行就直接干掉再换一个重新收买。自从司马家族当政以来，朝堂、官场风气败坏、上上下下贪腐成性。九品中正制也被这些贪得无厌之司马们搞得是面目全非。一大批的庸碌无德，无才无能之辈充斥官场。稍有些品格高尚才华横溢之士大夫，大都聚集山林，不愿为司马朝堂所用。时常做些吟诗作对，空谈哲理，不务实际。清谈误国一词就是来源于此。

    既然官府之中大都是庸人贪官，徐州糜氏家族自然是上下打点，每年定期美名其曰：“入股吸红”奉上好大一笔年资。所以官府中人对糜氏家族所行之事，向来都是眼睁眼闭。即使官府中出现了几个另类之人，也不用糜氏家族出手，自会有人代劳解决。

    中国古代金属冶炼发源很早。商周时期青铜铸造就是就已经很成熟了，商代流传至今的几座大型青铜鼎就是明证，到了春秋战国时期。青铜武器和战车已经被广泛用于诸侯争霸战场。一般诸侯都有战车千乘铜戈数万，足见当时听筒冶炼、兵器制造之规模。中国铁器制作在西周中晚期已有发现，战国时期就已经发展出铸铁柔化技术。将铸铁加热锻打脱碳，得到白心可锻铸铁，或者采用长时间加热退火得到韧性更佳的黑心可锻铸铁。如果脱碳不完全，仅仅只有外层成为钢而内心依旧是铸铁，就可以获得一种钢铁的复合体，使得铸铁的质量更佳。战国中期发展出来的块炼渗碳钢以及淬火技术，为战国后期大量使用铁器打下了基础。

    生铁、钢、熟铁的区别就在于含碳量的不同，生铁中含碳量高于2，熟铁低于004而钢介乎于两者之间。炼钢可以通过生铁脱碳制成。也可以通过熟铁渗碳获得。块炼渗碳钢就是将熟铁块长时间用炭火加热使其表层渗碳，再经过反复多次对折锻打，不断地加热渗碳又不停的反复锻打，就可以获得质量上乘的百炼钢。到了汉代这种技法已经很成熟了。在西汉中晚期，发展出用生铁炒成熟铁或钢材的新技术，就是将生铁加热介于固态和液态之间的的形态时再进行搅拌，利用空气和氧化铁矿粉中的氧生成二氧化碳使得半液态的生铁脱碳成钢。这种方法可以准确的控制炒制出的钢材中的含碳比例，再加热锻打出品质更佳的钢材。汉代发明的炒钢法是以生铁为原料，既可炒炼出纯净的熟铁（低碳钢），再经锻打渗碳成钢，又可有控制地把生铁炒到需要的含碳量，生产出适用的高碳钢或中碳钢，以供不同需求使用。

    从考古发现中得知。汉代冶铁和制造铁器的技术，已经发展到一个非常成熟的程度，各种冶炼钢铁的遗址，共发现了30余处，这些冶炼钢铁的遗址，遍及现今的河南、陕西、山西、河北、山东、江苏、内蒙古等省区。其中发现于河南境内的汉代冶炼遗址约占半数。一般普通的冶炼遗址的面积大致在1万平方米以上，有一些大型官营的工场的面积高达10余万平方米。

    遗址中出土的铁器还带有所在地区铁官和所属作坊标志的铭文，据考证，这些已经通过铁器上的铭文印记被发现的汉代设置的铁官，在河南郡、颖川郡、南阳郡、河东郡、渔阳郡、山阳郡（巨野郡）、临淮郡（淮平郡）、卢江郡、蜀郡临邛、中山国北平县、弘农郡宜阳县都有分布。

    在已发现的冶铁遗址中，河南省的巩县铁生沟遗址、郑州古荥镇遗址、南阳瓦房庄遗址、温县招贤村遗址和江苏省徐州利国驿遗址是具有代表性的5处遗址。

    其中铁生沟遗址位于河南省巩县城（孝义）南20公里处。遗址总面积 2万多平方米。共发掘出炼炉8座,锻炉1座，炒铜炉1座,退火脱碳炉1座，烘范窑11座，多种用途的长方形排窑5座,大量的熔炉耐火砖、各种耐火材料残块和建筑材料1000多件。此外有废铁坑8个,配料池1个，房基4座。大量的炼渣、陶鼓风管残段、铁范、泥范、燃料(木炭、木柴、煤)，冶铸工具（石杆、石砧、铁锤、铁锲），生铁铸成的梯形铁板，以及凿、锛、锥、削、釜、钩、（钅矍）、双齿（钅矍）、锄、v形铧冠，铲、剑、镞等铁产品160多件,是已知的汉代冶铁遗址中,发现最丰富的一处。遗址西南的罗汉寺,西边的金牛山，东北边的青龙山，都是铁矿石的产地，并有多处古矿坑道遗存。

    发掘和研究表明，这里是一处冶炼生铁、铸铁、退火脱碳的综合性工场，它的整个生产过程基本上可以复原。除了采矿以及矿石加工、燃料和耐火材料的准备以外，基本环节是：炼铁、铸造、脱碳退火（柔化处理）；或炼铁、铸锭、炒钢、锻造。而关键是脱碳退火和炒钢。从出土的铁器上的铁官标志铭文推定，铁生沟遗址属汉代河南郡所辖的第3号制铁作坊,其使用年代约自西汉中晚期至东汉，主要生产期在东汉初期。

    古荥镇遗址位于河南省郑州西北20多公里的汉荥阳县城西墙外。遗址面积约12万平方米，从出土铁器上的铁官标志铭文推定，这里属西汉河南郡所辖的第 1号制铁作坊。使用年代约自西汉中晚期至东汉。

    在遗址中发现炼炉炉基2座,断面呈椭圆形,其中1号炉是已知的汉代炼炉中保存最好又是最大的一座。炉基周围有20余吨炼炉积铁块,成堆的矿石、炼渣,还有耐火砖、陶风管残段、煤饼、栎木炭、铸铁范用的陶模（母范）、生铁铸成的梯形铁板。与冶炼有关的附属设备有水井、水池、“船形坑”、四角柱坑，以及供烘范和其他用途的窑13座。产品有铧、 v形铧冠、、双齿、锄、、铲、锛、凿、齿轮、六角承和矛等 300多件。

    瓦房庄遗址：位于河南省南阳北关外瓦房庄的汉代的宛城城内。遗址面积约为十二万平方米，这是一处以铸锻铁器为主的作坊。使用年代大约从西汉中晚期至东汉晚期。

    在遗址内发现熔炉炉基5座、锻炉9座、炒钢炉数座和烘范窑残迹。炉基附近有水井2座、火烧槽4座、范坑3座,大量的铁渣、渣坑、耐火砖、陶风管残段、泥范、木炭、梯形铁板。铸制的铁器有砧、锤、 v形铧冠、铧、、锄、、斧、锛、各种齿轮、六角承、鼎、釜、炉、灯等，锻制铁器有矛、剑、镞、镰、凿、削、钩、各种车马器饰。在这里发现的齿轮，将足以证明汉代时期，中国对于一些机械工业的雏形各种机关设施的使用已经发展到相当精深的地步。而这些精巧机关设置所需要用到的各种齿轮相互间的配合，也将促进中国古代机械工业的进一步发展。

    另外还有两个规模稍小一点的冶炼遗址中的招贤村遗址：位于河南省温县招贤村汉河内郡温县故城外。遗址面积约 1万平方米，遗址北部有东汉前期的烘范窑一座。窑内整齐放置叠铸泥范500余套,以车马器泥范为主，有革带扣、车、马衔、连接链、各种轴承等36种器形。铸范都用金属模盒翻制成范块或范片，然后叠合成套。由一个垂直的总浇口把各层空腔串连起来，金属液自上而下逐层流灌型腔。一般一次可铸6～10层,每层2～6件。最多的是革带扣，有14层，每层6件，一次可铸84件。而在这一处遗址中发现的轴承、齿轮等零部件，足以证明这些具有划时代意义的产品，在中国的汉代就已经被成熟的运用在各种车辆之上。

    利国驿遗址：位于江苏省徐州北部利国驿铁矿场。遗址内有东汉炼炉1座，作半地穴式,炉身用石英砂与粘土混合夯筑。炉基用粘土夯筑。以石灰石作熔剂。炼炉附近有铁钎、铁锤、铁三齿耙等炼铁工具。距遗址 400米处的峒山顶上有矿井和露天矿坑遗迹各一处。

    炼炉在铁生沟、古荥镇、利国驿和鹤壁鹤鹿村、鲁山望城岗、西平冶炉城等遗址都有发现。炉形有断面圆形和椭圆形两种。铁生沟发现的 6座圆炉、炉缸直径08～18米，容积较小。椭圆炉应是圆炉发展而来。椭圆炉容积增大，结构严密,最大的一座是古荥镇遗址1号炉。炉缸长轴4米，短轴28米,面积约85平方米，复原高56米。炉身呈直筒状,有效容积约50立方米左右。长轴两侧各设2个风口。鼓风器虽未发现,但陶制通风管发现不少。据山东滕县宏道院出土画像石上的冶铁图，可知汉代仍沿用革橐鼓风，每个风口设一个革橐，每分钟风量约8立方米左右。燃料用木炭。炼渣经检定分析,证实用石灰石作助熔剂。推测当时已经知道按比例配料。根据对古荥镇遗址的调查研究，古荥 1号炼炉每生产一吨生铁，约需铁矿石2吨,石灰石130公斤,木炭7吨左右,渣量600多公斤,日产生铁约05～1吨。这在2000年前，是很杰出的技术成就。比美英等国迟至1850年才出现椭圆形高炉，提早约2000年。

    熔炉在铁生沟、古荥镇、瓦房庄、鲁山望城岗、登封告成等遗址中都有发现。根据对瓦房庄熔炉的复原研究，汉代熔炉是建筑在地面上的竖式立炉。高约3～4米,熔炉内径约15米左右。炉壁分3层，从炉内壁的熔融程度看，自上至下分为预热区、还原区、氧化区。进风管和鼓风器相接，使用人力鼓风。以栗木为燃料。从已发现的熔炉结构和修筑熔炉的材料来看，它与炼炉显然有别，说明炼铁与化铁的分工已明确。早期以炼铁炉的铁水直接浇铸铸件的做法，到汉代已被专用的熔炉所取代。

    烘范窑是铸范与熔炉直接相关的。烘范窑作半地穴式，平面略呈前部半圆形、后部方形，并在前面挖出窑道（工作场面），再在地面上砌出窑室。窑体分窑门、火膛、窑室、烟囟 4部分。窑门拱顶。门内为火膛，比窑室面低05米,火膛内有砖砌的炉箅。窑室方形，底部铺砖，四壁用土坯砌成，向上逐渐收拢成密封券顶。窑室后壁设烟囱。从温县烘范窑和其他遗址中发现的泥范可以看出,用泥范浇注铸铁件,在合范后浇注前要经过一道烘范（预热）工序。使用预热型浇注，能减低金属液在型腔中的冷却速度，有利于铁水畅流注满型腔，保证铸件有较高的精确度。对汉代铁器的金相检定表明，汉代使用金属范（主要是铁范），似乎比泥范更多更普及。铁范可多次使用，生产率高，铸造质量也较好。

    退火脱碳炉和铸铁柔化：退火脱碳炉在汉代冶铁遗址中时有发现，以铁生沟遗址所见最为科学。整体作长方形，内部结构似陶窑，周壁分内外两层。这种空壁式的炉型，可使炉内热空气分布均匀，通过加热速度和空气的调节，获得韧性铸铁、铸铁脱碳钢等优质钢铁器件。古荥镇、瓦房庄等遗址中，发现数以百计的梯形薄铁板，经检定，含碳量在01～07％之间，个别器件已具有球墨铸铁的组织。由此证明，汉代的铸铁脱碳钢件，不仅采用退火脱碳成钢，而且可以利用生铁铸成的板材直接进行固态脱碳成钢。以铁生沟退火脱碳炉现存炉内容积约1立方米计算，可容脱碳退火铁铲2000件左右,脱碳一炉约需3天，生产效率是比较高的。

    锻炉、炒钢炉和生铁炒钢：锻炉、炒钢炉在铁生沟、瓦房庄等遗址中都有发现，各地炉形基本相同。铁生沟锻炉用白色铝土夯筑炉基，是目前已知的最早的实例。炉基每层厚8厘米,并用红色耐火砖和土坯建炉墙。炒钢炉系在地面下挖成缶状坑作炉膛，膛内壁涂耐火泥。经检验的高碳钢和熟铁块，证明是就地用生铁炒炼的。有些熟铁器,即以炒钢工艺制成的熟铁为原料锻成。