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遍地開花的青銅冶煉

根據科普中國·科學百科所審核的百科資料顯示，冶金意指“ 從礦物中提取金屬或金屬化合物，用各種加工方法將金屬制成具有一定性能的金屬材料的過程和工藝。 ”而在眾多金屬中，人類最早冶煉也最常見的便是金銀銅鐵。其中銅鐵因多用于制作工具器械而具有特殊的意義，甚至用于命名人類的文明階段。因而本文將從銅開始，以鐵為主進行探討。

▲銅鐵被用于劃分人類文明的發展階段

煉銅比冶鐵要早得多，大約在公元前4500年左右。彼時人們會挖掘出一個坑，在底層鋪上木炭等燃料，再在其上鋪上銅礦，便形成了原始的碗式爐。當工匠通過鼓風將爐中的溫度提升至1084℃時，銅礦中的銅元素便會融化脫離礦石，進而凝結成顆粒，接著只需要扒開礦渣，便可以從中找出顆粒狀的銅。

隨著時間的推移，煉銅技術從近東地區向四周迅速擴散開來，在公元前3000-2600年間，埃及的煉銅技術經愛琴海向西擴散；公元前2200年伏爾加河下游的居民學會了煉銅；而公元前2000-1500年之間，遠東地區開始出現銅基合金，至此人類開始普遍進入青銅時代。

▲純銅太軟做工具不夠好

由于銅的硬度很低，不能滿足撞擊和耐磨的工具需求。人們便開始添加其他元素改善其性能，一開始工匠在冶煉過程中加入含砷的礦石或者直接選擇用高砷銅礦進行冶煉獲得了砷銅，但由于砷銅制品只能通過鍛打提高硬度，于是人們開始嘗試添加錫，從而獲得了更為優越的青銅（無論鑄造還是鍛造就能提高硬度）。對于冶煉青銅的探索，為日后的冶鐵提供了基礎，也開啟了東西冶金路徑的差異。

▲因生銹后銹呈青色而得名青銅

從鐵開始的技術路徑差異

鐵的冶煉與青銅原理一致，只是熔點更高，達到1540℃，雖然青銅時代盛期與早期鐵器時代的人類對爐型進行了不斷的改良，如給碗式爐添加了黏土拱頂、出渣口和渣坑或代以拱式爐；給利用自然風進行抽風的豎爐添加鼓風器；甚至還有與燃料層隔絕的坩堝爐，卻仍沒能徹底解決爐溫的問題。

碗式爐最高溫度僅只能達到1150℃，大多數情況下保持在800-1000℃，因而在這些爐內進行冶煉的鐵并不能完全融化，只能形成海綿狀的鐵團，這種冶鐵方法被稱之為塊煉法。

▲取出的海綿鐵塊

除了塊煉法外，還有一類冶煉鐵的方法，被稱為生鐵冶煉法。得益于鼓風技術的發展，中國率先解決了爐溫低的問題，因而在冶煉鐵礦時能產生更接近液態的鐵水，從而獲得了可以鑄造的鐵。

但也正因為鼓風充分，爐內保持氣氛的能力不如碗式爐等塊煉法用爐，導致脫碳的速度沒有超過氧化速度，脫碳不夠充分，故而成品并非塊煉法所取得的熟鐵或低碳鋼，而是含碳量高于2%的生鐵。生鐵因其較高的含碳量而具有脆硬的特點，只能用于鑄造，無法鍛制。

▲生鐵冶煉法

無論鑄造還是鍛制，均是一種金屬塑性的方法，前者通過融化灌入模范冷卻成型，后者通過鐵錘敲打成型。這兩類方法的成品有著很大的區別，鑄造成型更簡單，但沒有經過擠壓，內部的結晶組織不夠緊密，鑄造過程中產生的氣孔也會破壞鑄鐵的結構強度，故而鑄鐵通常沒有良好的機械性能；而鍛造產品的內部結晶組織嚴密，機械性能較好，但因應力等問題很難由人力加工成形狀復雜的大型產品。

▲鐵水澆筑

從上述鑄鐵的特點不難看出，在火器時代以前鑄鐵的應用范圍有限，無論是農具還是武器鎧甲，都不適合組織疏松且通常更厚的鑄鐵。

而對大型鐵器的需求還要等到火炮、鋼鐵裝甲載具的出現才夠充足（此前的機械、船只、大型雕塑等均以木材、石料或青銅為主，金屬零件要么不大，要么可以用青銅代替，且就船只、雕塑所需求的防水性而言，青銅更加適合）。因此雖然塊煉法難以制造大型鐵器，但已能滿足冷兵器時代的需求，成為了所有文明通用的冶鐵法。

▲船只直到火器時代都還是木質

當然，中國人并不滿意單單使用塊煉法，即便生鐵冶煉法的產物太脆只能鑄造，也沒有擋住他們進一步發展生鐵冶煉的熱情，為了解決生鐵脆硬的問題，在戰國時代開始了柔化鑄鐵的發展，這是一種通過再加熱并使其在氧化性氣氛中充分反應，從而脫去生鐵內的碳的辦法，通過這種技術，中國先民做出了白心韌性鑄鐵和鑄鐵脫碳鋼，在漢代，甚至通過退火的方式創造出了球化石墨鑄鐵。

然而無論是柔化的鑄鐵還是球狀石墨鑄鐵，都保留了鑄造時產生的孔洞缺陷，不能滿足盔甲武器這種需要高強度機械性能的需求，鍛制仍然是高強度鋼鐵器具的首選加工方法（至今都是如此，冷軋鋼性能要優于任何鑄鐵）。

▲鑄鐵氣孔

于是在西漢中期，進一步發明了炒鋼法：先將生鐵錘成碎片，再丟入加熱的爐中，形成半熔融狀態，而后對其進行翻炒，使其氧化脫碳得更充分，更均勻，產出疏松柔軟的鋼鐵團塊，進而便可以進行鍛打加工。

這種技術開啟了生鐵冶煉的新路徑，然而炒鋼法本身也有很大的問題，在缺乏檢測手段、科學體系，全憑經驗加工的古代，氧化脫碳很難被控制好，往往在過分的攪拌中損失了大量的碳，一下炒成了柔軟的熟鐵，還需要再滲碳才能成為性能更好的鋼，徒增加工工序。

于是在魏晉南北朝又發明了灌鋼法，在生鐵中加入熟鐵攪拌，使二者的含碳量均勻，從而更容易獲得鋼。當然，受限于經驗的掣肘，無論采用什么方法都很難一次性作出需要的成品，重新滲碳加工仍是常事。但這些技術的發展，無疑拓展了冶鐵的技術思路，為人類冶金工藝的發展做出了不可磨滅的貢獻。

▲因其翻炒動作而得名的炒鋼法

古代中國人選擇生鐵冶煉的成本考慮

我們不難看出，中國人癡迷于生鐵冶煉并不是喜歡使用鑄鐵，而是想要通過脫碳的辦法制造出鋼鐵。但這顯然不是中國人選擇生鐵冶煉的唯一原因，其背后還有成本因素的考量。

首先是生鐵冶煉有節省礦石的巨大優勢。 塊煉法因為爐溫較低，鐵元素融化程度不足，因而礦渣中殘存有大量的鐵元素，如氧化亞鐵和三氧化二鐵。 在對歐洲各地使用塊煉法冶鐵產生的礦渣檢測后，發現其氧化亞鐵和三氧化二鐵在礦渣中的比例高達40%-70%，而漢代的礦渣中則低至3.74%，足見其對鐵礦的利用效率之高。

▲泰勒對歐洲和中國的礦渣進行了檢測

其次是塊煉法需要毀爐取鐵，這就導致連續生產的效率不足，而生鐵冶煉則不需要如此，流動的鐵水可以自動與礦渣分離并離開爐身，為連續生產提供了便利。

▲扒開爐身取鐵

而炒鋼、灌鋼法在攪拌脫碳時，會促使鋼鐵內的夾雜比較細碎，分布相對均勻，雖仍須鍛打去渣、成型，但排渣、碎渣所需的鍛打次數也相應的減少了，節省了制作低端制品時的人力成本（高級貨仍需要多次反復鍛打，如百煉鋼制品）。綜上所述，可見在成本方面，生鐵冶煉也有著不小的吸引力。

▲反復折疊鍛打有利于排渣，使夾雜更細更均勻

未來

中國在生鐵冶煉上的探索，為人類的未來提供了可能，也因為生產出來的大量鐵質工具，帶來漢代中國在生產力上的飛躍，使得中國的國民生產總值，直到明清時代依然冠絕全世界。而歐洲在16世紀后，也開始普及生鐵冶煉，促成了大型鋼鐵制品的蓬勃發展，并為日后成熟的高爐冶鐵技術的發展提供了寶貴的經驗，是不折不扣影響人類未來結束發展的一項偉大嘗試。

參考書目：

《世界冶金發展史》

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

《滿城漢墓發掘報告·上冊》

《徐州獅子山西漢楚王陵出土鐵器的金相實驗研究》

《呼和浩特二十家子古城出土的西漢鐵甲》

《北京昌平馬刨泉長城戍所遺址出土鐵器的實驗研究———兼論炒鋼工藝的一種判據》

《鹽鐵論·卷六·水旱》

《武庫永始四年兵車器集簿》

《漢代鐵質農具研究》

（本文僅代表作者觀點，不代表本號立場）