熟鐵的冶煉技術始于何時?

【專家解說】：在春秋戰(zhàn)國時期
在很長的一段時間里我們的鋼鐵冶煉技術是一度領先于世界的，中國冶煉塊鐵的起始年代在公元前6世紀，古代冶煉技術的演進春秋以前,中國的冶煉技術處于比較原始的階段,當時使用的冶煉方法稱為“塊煉法”。當時煉鐵使用木炭作燃料,熱量少,加上爐體小,鼓風設備差,因此爐溫比較低,不能達到鐵的熔煉溫度,所以煉出的鐵是海綿狀的固體塊,稱為“塊煉鐵”。塊煉鐵冶煉比較費時,質地比較軟,含雜質多,經(jīng)過鍛打成為可以使用的熟鐵。鋼鐵冶煉技術的進一步發(fā)展到“塊煉滲碳鋼”。出土文物表明,中國最遲在戰(zhàn)國晚期已經(jīng)掌握這種最初期的煉鋼技術。人們在鍛打塊煉鐵和熟鐵的過程中,需要不斷地反復加熱,鐵吸收木炭中的碳份,提高了含碳量,減少夾雜物后成為鋼。這種鋼組織緊密、碳分均勻,適用于制作兵器和刀具。進一步發(fā)展到“百煉鋼”技術。人們在打制器物的時候,有意識地增加折疊、鍛打次數(shù),一塊鋼往往需要燒燒打打、打打燒燒,重復很多次,甚至上百次,所以稱之為百煉鋼。百煉鋼碳分比較多,組織更加細密,成份更加均勻,所以鋼的品質提高,主要用于制作寶刀、寶劍。
冶煉鑄鐵的技術比歐洲早。中國鑄鐵的發(fā)明出現(xiàn)在公元前5世紀，而歐洲則遲至公元后的15世紀。由于鑄鐵的性能遠高于塊鐵，所以真正的鐵器時代是從鑄鐵誕生后開始的。社會發(fā)展的歷史表明，鑄鐵的出現(xiàn)是社會生產(chǎn)力提高和社會進步的主要標志。中國從塊鐵到鑄鐵發(fā)明的過渡只用了約一個世紀的時間，而西方則花費了近三千年的漫長路程。中國古代煉鐵技術發(fā)展得如此迅速是世界上絕無僅有的。英國著名科學史家貝爾納說，這是世界煉鐵史上的一個唯一的例外。
另一杰出的生鐵加工技術是炒鋼，它是中國古代由生鐵變成鋼或熟鐵的主要方法，大約發(fā)明于西漢后期。其法是把生鐵加熱成液態(tài)或半液態(tài)，并不斷攪拌，使生鐵中的碳份和雜質不斷氧化，從而得到鋼或熟鐵。河南鞏縣鐵生溝和南陽瓦房莊漢代冶鐵遺址，都提供了漢代應用炒鋼工藝的實物證據(jù)。東漢時成書的《太平經(jīng)》中也說:“有急乃后使工師擊治石，求其中鐵，燒冶之使成水，乃后使良工萬鍛之，乃成莫耶?！薄澳蹦斯糯鷮殑χQ。這段文字雖失之疏簡，但不難看出，它敘述的是由礦石冶煉得到生鐵，再由生鐵水經(jīng)過炒煉，鍛打成器的工藝過程。炒鋼工藝操作簡便，原料易得，可以連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，效率高，所得鋼材或熟鐵的質量高，對中國古代鋼鐵生產(chǎn)和社會發(fā)展都有重要的意義。類似的技術，在歐洲直至十八世紀中葉方由英國人發(fā)明。
中國古代的煉鋼技術主要是百煉鋼。自從西晉劉琨寫下“何意百煉鋼，化為繞指柔”這一膾炙人口的詩句后，“千錘百煉”、“百煉成鋼”便成為人們常用的成語。百煉鋼肇始于西漢早期的塊煉滲碳鋼，其后不斷增加鍛打次數(shù)而成定型的加工工藝。到東漢、三國時，百煉鋼工藝已相當成熟。上引《太平經(jīng)》中的“萬鍛之，乃成莫邪”，即是其生動的寫照。曹操曾令工師制作“百辟利器”，曹丕的《典論·劍銘》中說:“選茲良金(指鐵)，命彼國工，精而煉之，至于百辟”。劉備曾令“蒲元造刀五千口，皆連環(huán)，及刃口刻七十二湅”?！豆沤褡ⅰぽ浄芬嗾f:“吳大帝有寶劍三，……一曰百煉，二曰青犢，三曰漏景”。后世這一工藝一直被繼承，并不斷得到發(fā)展。 但是炒鋼和百煉鋼技術還存在一定缺陷,如炒鋼工藝復雜,不容易掌握;百煉鋼費工費時。
此外，在1981年經(jīng)中國學者關洪野等人對513件出土的漢魏時期鐵器研究后表明，中國早在兩千多年前的漢代就已經(jīng)發(fā)明了球墨鑄鐵，遠遠早于發(fā)達的歐洲國家。目前，中國學者所做的結論已經(jīng)得到了國際學術界的承認。
創(chuàng)始于魏晉南北朝時期的灌鋼技術，是中國冶金史上的一項獨創(chuàng)性發(fā)明。陶弘景說:“鋼鐵是雜煉生柔作刀鐮者”，北齊的綦母懷文“造宿鐵刀，其法燒生鐵精以重柔鋌，數(shù)宿則成剛”，說的就是灌鋼技術。灌鋼的工藝過程大致為，將熔化的生鐵與熟鐵合煉，生鐵中的碳份會向熟鐵中擴散，并趨于均勻分布，且可去除部分雜質，而成優(yōu)質鋼材。
綦毋懷文發(fā)展灌鋼法大約在東漢末,可能出現(xiàn)煉鋼新工藝“灌鋼”法的初始形式。南北朝時,綦毋懷文對這一煉鋼工藝進行了重大改進和完善。南朝齊、梁時的陶弘景首先記載了灌鋼法,北朝魏、齊間的綦毋懷文曾用這種方法制成十分鋒利的“宿鐵刀”。綦毋懷文,姓綦毋,名懷文,是中國南北朝時期著名冶金家。他生活在公元6世紀北朝的東魏、北齊間,具體生卒年代歷史上缺乏記載,只知道他好“道術”,曾經(jīng)作過北齊的信州(今四川省奉節(jié)縣一帶)刺史。據(jù)史書記載,綦毋懷文的煉鋼方法是:“燒生鐵精,以重柔鋌,數(shù)宿則成鋼”,就是說,選用品位比較高的鐵礦石,冶煉出優(yōu)質生鐵,然后,把液態(tài)生鐵澆注在熟鐵上,經(jīng)過幾度熔煉,使鐵滲碳成為鋼。由于是讓生鐵和熟鐵“宿”在一起,所以煉出的鋼被成為“宿鐵”。灌鋼法是中國古代煉鋼技術上一個了不起的成就。同百煉法或炒煉法比較,其優(yōu)點1)生鐵作為1種滲碳劑,因熔化后溫度高,加速向熟鐵中滲碳的速度,縮短冶煉時間,提高生產(chǎn)率。(2)熟鐵因為碳的滲入而成為鋼,生鐵由于脫碳也可以變成鋼,增加了鋼的產(chǎn)量。(3)在高溫下,液態(tài)生鐵中的碳、硅、錳等與熟鐵中的氧化物夾雜發(fā)生反應,去除雜質,純化金屬組織,提高金屬品質。(4)灌鋼法操作簡便,容易掌握。要想得到不同含碳量的鋼,只要把生鐵和熟鐵按一定比例配合好,加以熔煉,就可獲得。3 推動中國古代刀劍技術的發(fā)展綦毋懷文是一位出色的制刀專家,對前人造刀經(jīng)驗進行研究、比較,經(jīng)過不斷實踐,創(chuàng)造一套新的制刀工藝和熱處理技術。
綦毋懷文造刀的方法是:先把生鐵和熟鐵以灌鋼法燒煉成鋼,做成刃口,然后“以柔鐵為刀脊,浴以5牲之溺,淬以5牲之脂”這樣做出來的刀稱為“宿鐵刀”,極其鋒利,能夠一下子斬斷鐵甲30札。對于含碳量比較高的鋼,理想的淬火介質應該是:當工件在比較高的溫度650~400℃,具有較大的冷卻速度,在低溫300~200℃,具有較慢的冷卻速度。這就需要采用雙液淬火法。綦毋懷文先用動物尿、后用動物油進行雙液淬火,能夠造出品質很高的“宿鐵刀”。中國早在戰(zhàn)國時代就使用了淬火技術,但是長期以來,人們一般都是用水作為淬火的冷卻介質。雖然三國時的制刀能手蒲元等人已經(jīng)認識到:用不同的水作淬火的冷卻介質,可以得到不同性能的刀,但仍沒有突破水的范圍。而綦毋懷文則實現(xiàn)了這一突破,他在制作“宿鐵刀”時使用了雙液淬火法,即先在冷卻速度大的動物尿中淬火,然后再在冷卻速度小的動物油脂中淬火,這樣可以得到性能比較好的鋼,避免單純使用1種淬火(即單液淬火)的局限。雙液淬火法,即在工件的溫度比較高的時候,選用冷卻速度比較快的淬火介質,以保證工件的硬度;而在溫度比較低的時候,則選用冷卻速度比較小的淬火介質,以防止工件開裂和變形,使其有一定的韌性。雙液淬火法是1種比較復雜的淬火工藝,這在當時沒有測溫、控溫設備的條件下,完全依賴操作及經(jīng)驗,是一個了不起的成就。在綦毋懷文之前,中國古代的鋼刀大都用百煉鋼制成,這樣制作的刀劍雖然性能優(yōu)異鋒利,但也存在不少缺陷,整把刀全部用百煉鋼制成,價格昂貴;如一把東漢時期的名鋼劍的價錢可以購買當時供7個人吃2年9個月的糧食。
而且百煉鋼制作刀劍費時費力。三國時,曹操命有司制作寶刀5把,用了3年時間。為此,綦毋懷文對制刀工藝進行了重大更新。這表明綦毋懷文對鋼鐵的性能有比較深刻的認識,而且能根據(jù)不同的用途合理選擇材質,發(fā)揮各種材質的優(yōu)點,節(jié)省某些貴重材料,降低成本和費用。1把刀的背部、刃口實際起著不同的作用,因而要求具有不同的性能。
一般來說,刃口主要起刺殺作用,因而要求有比較高的硬度,這樣才能保證刀的鋒利,所以應該選擇含碳量較高、硬度較大的鋼來制造。而刀背主要起1種支撐作用,要求有比較好的韌性,使刀在受到比較大的沖擊時不致折斷,這樣就要選擇含碳量較低、韌性較大的熟鐵。綦毋懷文正是有了上述類似的認識,在制作刀具時才能夠將熟鐵和鋼巧妙的結合起來,將2者恰到好處地用在合適的地方,既滿足了鋼刀的不同部分的不同要求,又節(jié)省大量昂貴鋼材,利于鋼刀的推廣和普及。這種制刀工藝,今天還在沿用。
灌鋼技術在宋以后不斷被改進，減少了灌煉次數(shù)，以至一次煉成。沈括在《夢溪筆談》卷三說:“世間鍛鐵所謂鋼鐵者，用柔鐵屈盤之，乃以生鐵陷其間，泥封煉之，鍛令相入，謂之‘團鋼’，亦謂之‘灌鋼’”，并說“二三煉則生鐵自熟，仍是柔鐵”，正反映了灌煉次數(shù)的減少。其中把柔鐵屈盤起來是為了增加生熟鐵的接觸面，提高灌鋼的效率，并促使碳份分布更均勻;封泥則可以促進造渣，去除雜質，并起保護作用。明代灌鋼技術又進一步發(fā)展，據(jù)《天工開物》卷十四記載，已把柔鐵屈盤改為薄熟鐵片，進一步增加了生熟鐵的接觸面，加速“生熟相和，煉成則鋼”的進程，泥封亦改為草泥混封。灌鋼又稱“抹鋼”、“蘇鋼”，其工藝自清至近代仍很盛行。在坩堝煉鋼法發(fā)明之前，灌鋼法是一種最先進的煉鋼技術。
由于綦毋懷文和千百萬工匠的辛勤勞動,使中國古代冶金技術自立于世界之林。因此,當我們研究和總結古代科學技術成就的時候,不應該忘記綦毋懷文的功績。這是中國冶金史上的一項杰出成就和偉大創(chuàng)新,在世界煉鋼史上占有一定地位。4 灌鋼法的進一步革新灌鋼法的出現(xiàn),使鋼的產(chǎn)量和品質大大提高,為隋唐以后生產(chǎn)力的大幅度增長提供了條件。后來,灌鋼法又不斷發(fā)展。宋代又把生鐵片嵌在盤繞的熟鐵條中間,用泥巴把煉鋼爐密封起來,進行燒煉,效果更好。明代又有改進,把生鐵片蓋在捆緊的若干熟鐵薄片上,使生鐵液可以更好均勻地滲入熟鐵之中。不用泥封而用涂泥的草鞋遮蓋爐口,使生鐵可從空氣中得到氧氣而更易熔化,從而提高冶煉的效率。明中期以后,灌鋼法更進一步發(fā)展為蘇鋼法以熟鐵為料鐵,置于爐中,而將生鐵板放在爐口,當爐溫升高到1300℃左右,生鐵板開始熔化時,既用火鉗夾住生鐵板左右移動,并不斷翻動料鐵,使料鐵均勻地淋到生鐵液;這樣,既可產(chǎn)生很好的滲碳作用,又可產(chǎn)生劇烈的氧化作用,使鐵和渣分離,生產(chǎn)出含渣少而成份均勻的鋼材。直到現(xiàn)今,在蕪湖、湘潭、重慶、威遠等地人們還在使用;可見其影響的深遠。在17世紀以前,中國的煉鋼技術長期居于世界領先地位,受到各國地普遍贊揚。公元1世紀時,羅馬博物學家在其名著《自然史》中說:“雖然鐵的種類很多,但沒有一種能和中國來的鋼相媲美?！?/div>