中国古代冶炼鼓风技术的演进与外传

王佩良 张若彤 柏莲花

（湖南工商大学数字媒体工程与人文学院）

中国古代劳动人民在长期的生产实践中不断革新鼓风技术，促进冶炼产业发展，使人类文明相继进入青铜时代和铁器时代。鼓风技术就是将气流鼓入冶炼炉内，使燃料充分燃烧，提高炉温和金属冶炼效率的专门技术。中国古代的鼓风设备作为鼓风技术的物质基础，经历从皮橐、水排、木扇、风箱的漫长演进过程。

早期冶金使用自然风，后来对炉温要求越来越高而发展为人工鼓风。最早的鼓风器具是扇和吹管（橐）。辽宁凌源县牛河梁夏家店文化遗址距今3900-3600年，出土了粘有炼渣的冶铜炉壁残片，上有鼓风孔，靠人力吹管鼓风，这是目前所知的最早的冶金鼓风实物发现。内蒙古赤峰市林西县有一处距今约2700年－2900年的大井古铜矿遗址，出土1个陶质兽首鼓风管。这表明中国先民在青铜时代早期就开始使用较原始的鼓风设备。据考古发掘，我国至迟在西周时就已使用一座炉配四具鼓风器的冶炼设备。春秋战国时期出现了“机械”的概念。《庄子·外篇·天地》记载子贡论述汲水工具：“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡，而见功多。”《韩非子·难二》说：“审于地形、舟车、机械之利，用力少致功大，则入多。”古人认为机械是一种“用力少而致功多”的器械。现代人认为机械包括动力装置、传动装置、工作机三部分。以此标准衡量鼓风装置，中国古代的皮橐、水排、木扇、风箱都是机械，并呈现由简单到复杂的发展路径。

一、先秦时期发明皮橐

春秋战国时期是我国科技发展史上一个重要的工艺积累期。经过殷商时期高度发达的青铜文明，铁器制作兴起，出现了块炼铁、退火、铸铁、生铁脱碳、生铁柔化等钢铁冶炼工艺，冶铁业的发展对鼓风技术提出新的要求，橐籥应运而生。

《老子·道经》记载：“天地之间，其犹橐龠乎，虚而不屈，动而愈出。”这是目前所见关于“橐龠”的最早记载。橐是用牛皮制成的大袋，两端收紧，中间鼓起。《墨子·备穴》记载：“具炉橐，橐以牛皮。炉有两缻，以桥鼓之。百十每，其重四十斤，然炭杜之。满炉而盖之，毋令气出。”皮橐是将牛皮蒙在两只缻上制成，采用双缻组合式鼓风。橐上有把手，来回拉动。桥是桔槔，具有杠杆作用，使两个皮囊交替鼓风。《管子·揆度》记载：“摇炉橐，而立黄金也。”说明当时冶炼金属已用皮橐鼓风。风通过皮橐小孔上安装的“籥管”压入冶铁炉，使燃料烧得更旺，提高炉温，冶铁亦称“鼓铁”。

《左传·昭公二十九年》：“遂赋晋国一鼓铁，以铸刑鼎。”孔颖达疏：“冶石为铁，用橐扇火，动橐谓之鼓，今时俗语犹然。”《淮南子·本经训》：“鼓橐吹埵，以销铜铁。”埵，即籥管。高诱注：“橐，冶炉排橐也。”郑州古荥镇发现一处汉代冶炼遗址，从中出土了一个完整的陶风管，粗端内径320毫米，细端内径100毫米，很可能是鼓风冶铁的皮橐接口。陆机《文赋》：“同橐籥之罔穷。”李善注：“橐，冶铸者用以吹火，使炎炽。”据赵晔《吴赵春秋阖闾内传》记载，吴王阖闾命干将铸造宝剑，曾使众人“鼓橐装炭，金铁乃濡”，其冶炼规模宏大，需要安装多个橐籥鼓风。此时，皮橐靠人力推动，操作者要躺在皮橐底下，将皮橐推回原位。在高温的炉旁这样操作，劳动环境恶劣。

东晋“竹林七贤”有嵇康，学问渊博，性情旷达，好黄老修身养性之说。据《世说新语·简傲》记载，贵公子钟会邀士拜会嵇康，嵇康“方大树下锻，向子期为佐鼓排，康槌不辍，旁若无人。”嵇康瞧不起钟会，故意怠慢他。“向子期为佐鼓排”，即嵇康打铁，向子期为其拉橐鼓风。

1930年，山东滕县出土一处汉画像石刻，其中有一幅冶铁图，绘有皮橐鼓风吹氧作业的场景。该图中靠左边由两人操作的椭圆形物件是吹氧机械皮橐。王振铎对其作过复原研究。这种橐由三个木环、两块圆板、外敷皮革制作而成，皮橐可以伸缩。其伸，空气通过进气阀入橐。其缩，橐中空气通过排气阀入冶炼炉。

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皮橐鼓风，携带方便，在古代战争中大有用途。春秋战国时期，用排橐吹火可灼烧地道里的敌军。《墨子·备穴》记载：“盆盖其口，毋令烟上泄，旁立橐，疾鼓之。”“灶用四橐，穴且遇，以桔槔冲之，疾鼓橐熏之。”为防备敌人从地道进攻，用4个皮橐鼓风，燃灶制烟。两汉时期，用排橐吹洒石灰可灼伤敌方眼睛。据《后汉书·杨琁传》记载，东汉灵帝时，苍梧、桂阳农民起义，攻打郡县，所向披靡。零陵大守杨琁“乃特制马车数十乘，以排橐盛石灰于车上，系布索于马尾。又为兵车，专彀弓弩，克期会战。乃令马车居前，顺风鼓灰，贼不得视。”李贤注：“排橐，即今橐袋也。”

魏晋陈隋唐时期，用排橐扇烟熏死地道中的敌人。据《周书·韦孝宽传》记载，公元546年，东魏高欢率大军安营扎寨数十里，将西魏晋州刺史韦孝宽包围在今山西稷山县南的玉壁。西魏军将领婴城死守这处战略要地，高欢下令在城南开凿十条地道，企图偷袭。韦孝宽在城内挖掘横沟，让士兵在地道口架起点燃的柴草，“以皮韛吹之”，以对付埋伏在地道中的敌人。《通典·兵五·守拒法》记载，当敌人围攻城池时，要善于对付其发动地道战。守军可在城内各方挖一些二丈深的井，井口放一个薄胎的罂，派战士伏在罂上监听。一旦发觉有凿地道的声音，就派兵迎着敌方的地道挖过去。挖通以后，把一担干艾放在洞口，“烧令烟出，以板于外密覆穴口，勿令烟出，仍用鞴袋鼓之，以烟熏之，敌立死。”

五代时期，还有用排橐扇火烧熔敌方铁索破坏浮桥的。五代时，朱梁与后晋争夺天下。后晋军在今河南濮阳境内的德胜口黄河两岸修建营垒，河上用铁索封锁，设浮桥通南北两城，相互呼应救援，号为“夹寨”，防守严密，固若金汤。梁招讨使王彥章奉命夺取德胜城，自期三日破敌。朝臣莫不嘲笑其口出狂言。王彥章疾行二日，至德胜上游的滑州，大摆宴席，招待同僚。又派人暗中寻觅经验丰富的冶锻工匠，在杨村准备船只。深夜，船头载着木炭、皮鞴，船舱内藏着工匠和勇士。船顺流而下，很快到达拦河铁索前。工匠们迅速点燃木炭，鼓动皮鞴，将铁索熔断。士兵们抡起大斧，将浮桥砍断。王彥章借故离席，率领梁军数千精兵沿南岸急行军至德胜南城下，发起猛烈进攻。驻守在北城的后晋军隔岸观火，无法过河救援，南城遂陷入王彥章之手。至此，正巧三日期满。

排橐流传甚广，今中原地区很难见到，但在藏区，牧民在野外用“火皮袋”鼓风生火炊饭。火皮袋是用一整张羔羊皮熟制而成，平时折迭存放，便于携带。使用时，一手持皮袋口部对准灶膛，另一手将皮袋反复张合，充气鼓风，能迅速吹炽柴薪或牛粪。藏族“火皮袋”是古代皮橐鼓风装置的遗存。在东北地区，鄂伦春猎人仍用狍皮风箱鼓风锻铁，称之为“库勒格”。黑龙江省博物馆收藏一件结构简单的狍皮橐，用两块长65、宽12公分的树叶形木板为两榜，中间以狍皮连接，可以象手风琴一样折叠。木板前端为送风口，中间镂刻进风孔，末端为把手。使用时，将皮风箱前端插入炉旁进风口，两手握住手把，一张一翕，即可将风送入炉内，助燃炉内木炭，可快速软化铁块，方便地打制修缮各种渔猎工具。

今新疆的维吾尔族、哈萨克族、柯乐克孜族仍用橐籥作为冶炼炉的鼓风工具，他们称之为“库瑞克”，用整张羊皮做成，形如面粉袋，一端束一弯曲的铁管或陶管，通往炼炉，另一端装上木制把手，可张可闭。一座冶炼炉一般装配两个库瑞克，一人跪在地上，两手各把一个，间互张闭，排风于炉中。

二、两汉时期发明水排

皮囊鼓风虽简便高效，但也有其不足，在折叠过程中机械损耗大，皮革需要经常润滑，耐用性较差，鼓风性能拓展空间有限。西汉末年，冶炼高炉因鼓风不够，经常发生事故。《汉书·五行志》记载：汉武帝征和二年（前91年）春，“琢郡铁官铸铁，皆飞上去，此火为变使之然也。”汉成帝河平二年（前27年）正月，“沛郡铁官铸铁，铁不下，隆隆如雷声，又如鼓音，工十三人惊走。音止，还视地，地陷数尺，炉分为十。一炉中销铁浓如流星，皆上去，与征和二年同象。”这说明人工鼓风皮橐已不能满足当时冶铁业发展对鼓风吹氧的需求。

在此情况下出现了水排和马排。《后汉书·杜诗传》记载：杜诗，字公君，河内汲县人，在东汉建武七年（31）至南阳任太守，“善于计略，省爱民役”，总结当地冶铁经验，“造作水排，铸为农具，用力少，建功多，百姓便之。”据同时期的水碓和翻车结构推测，汉代水排是一种轮轴拉杆传动装置，其水轮有立式和卧式两种，这是冶铁手工业技术史上一个重大革新。水排已具备机器的三要素，它利用水力冲动水轮作为发动机，有旋转的轮轴作为传动结构，有水排作为工具机。从此，机器便开始代替单纯的工具。

在汉代，水排的利用非常有限，其动力主要是人力和畜力，这从汉代铁官以及东汉近30处冶铁遗址大多分布在水力缺乏的矿山附近可以得知。《三国志·魏书·韩暨传》记载：韩暨“后选乐陵太守，徙监冶渴者。旧时冶作马排，每一熟石，用马百匹；更作人排，又费功力。暨乃因长流为水排计其利益，三倍于前。”韩暨安装的水排改自马排。马排是用马匹拖着大木轮旋转，利用机械装置将回转运动变为直线往复运动，以牵动鼓风器达到鼓风作用。马力拖动的大木轮肯定是卧轮，不可能是立轮。韩暨推行的水排也必然是卧轮式水排。

关于卧轮式水排，元代王祯所著《农书》卷19《农器图谱·利用门》记载：“其制，当选湍流之侧，架木立轴，作二卧轮。用水激转下轮，则上轮所周弦索，通缴轮前旋鼓，掉枝一例随转。其掉枝所贯行桄，因而推挽卧轮左右攀耳以及排前直木，则排随来去，搧冶甚速，过于人力。”《农书》中还有一幅卧轮式水排的图谱。

《农书》也最早记述立轮式水排结构：“又有一法，先于排前直出木簨，约长三尺，簨头竖直偃木，形如初月，上用秋千索悬之。复于排前置一劲竹，上带索，以控排扇。然后却假水轮、卧轴所列拐木，自然打动排前偃木，排即随入。其拐木即落，引排复回，如此间，打一轴可供数排，宛如水碓之制，亦甚便捷。”元代西北地区今宁夏、甘肃一带常用立轮式水排。

三国时期，随着冶金技术和机械技术的发展，水排逐步得到推广。北魏郦道元《水经注·谷水》载：“魏晋之日，引谷水为水冶，已经国用，遗迹尚存。” 《太平御览》卷八三三引《武昌记》：元嘉初年（424）在武昌建造冶塘湖，利用水排冶铁。宋代苏轼《东坡志林》卷4记载，四川冶炼用水排鼓风。自东汉至北宋，水排在全国各地得到推广应用。元代王祯在《农书》记述，对于水排，“去古已远，失其制度”，他“多方搜访 ”，才得其详。其实，元代冶铁业中仍在使用水排，直到近代，四川、云南、湖南、浙江等地仍有使用。河南安阳有水冶县，相传因古代引水鼓排冶铸而得名。

水排是我国古代冶金史上的一项重要发明，是世界上较早的将水能同风能相结合的机械，充分反映了我国劳动人民的智慧，也是我国古代科学技术发展水平的见证，在人类科学技术发展史有着重要地位。而欧洲直到13～14世纪才开始将水力应用于鼓风，到15世纪水力鼓风才得到普及。

三、唐宋时期发明木扇

隋唐之后，冶炼技术不断改进，钢铁产量增加，钢铁被广泛用于制造各种生产生活工具和兵器，对冶炼鼓风技术也提出新的要求。在水排的基础上产生了木扇，就是将鼓风设备的主体部分由皮橐改为木扇，木扇利用箱盖板的开闭来鼓风。这是中国冶炼吹氧设备的重要进步，也是木质风箱的雏型。

北宋康定元年（1040），宋仁宗令曾公亮编修兵书《武经总要》，庆历四年（1044）编竣。此书“前集”第十二卷中有一幅“行炉图”：“行炉熔铁汁，舁行于城上，以泼敌人。”该图中首次出现了梯形单门木扇鼓风装置。在炉旁有一风箱，熔铁炉和风箱放置在架子上，可以抬着行走，故称“行炉”。风箱上有一木扇，木扇上有拉杆，通过推拉木扇给熔铁炉鼓风。杨宽对此装置做过复原研究。扇门上装有两根推拉杆，并凿有进气阀门。木扇用推拉杆带动扇门的闭合摆动进行鼓风。

单门木扇虽然简单耐用，但送风量有限，需要改进，双扇式风箱应运而生。西夏安西榆林窟3窟壁画《千手观音变》的锻铁图中最早出现双扇式木风箱。风箱上有扇风板、推拉杆和活门等机件。其鼓风方式与行炉图中的风箱相同，唯其形制更高大，且有双木扇，通过交替推拉两木扇，连续鼓风，风力应比《武经总要》上绘的风箱要大。榆林窟中壁画多藏密风格，应为西夏中后期仁孝时期（1140-1193）所建造，这幅双木扇风箱图比《武经总要》“行炉图”中的木扇风箱图晚近百年。

元仁宗皇庆二年（1313），王桢在《农书》中绘有用水力推动的木扇风箱，并说：“此排古用韦橐，今用木扇。”意思是古时用水排推动的韦囊鼓风，其时已用水排推动木扇风箱鼓风。这也说明，元代已普及木扇的使用。王祯在《农书》中绘画的木扇为长方形。木扇有两块长方形箱盖板，每块箱盖板上安装一根推拉杆。操作者两手各执一根推拉杆的柄，当把箱盖板时，送风入炉内；反之，拉开时就无风。陈椿在《熬波图》中也记载用双木扇风箱为冶铁炉鼓风制作熬盐铁盘的图像。其风箱结构与形状与西夏壁画中的风箱一致，呈梯形，高度仅为其一半，但箱体体积明显增大。两面扇门上分别设有两根拉杆，需4人同时操作。清代《广东新语》及20世纪30年代周志宏调查资料都有木扇鼓风锻冶的图形或文字。木扇的设计思路很可能源自门，而非橐，如《广东新语》中即称之为“门扇”。

木扇风箱是古代冶炼吹氧设备的重要发明，其具有很多优点。一是其取材方便，体积不必像皮橐那样受限制。二是非常牢固，能承受更大风压。三是吹氧量大，有效减少漏风，人力操作方便，也可安装畜力和水力发动机。

四、宋元时期发明风箱

宋代单木扇风箱只能间歇鼓风，西夏创制的双木扇风箱可以连续鼓风，对活塞式风箱的发明有启示作用。扇风板发展为活塞板，推拉杆演变为活塞杆，呼之欲出。随着木工工具和加工工艺的进步，鼓风器演变成全木质封装，并在古代唧筒及木扇式风箱基础上成功创制了活塞式木风箱。从技术角度看，从橐、木扇到风箱，中间有一个极为重要的技术环节，即拉杆和活塞在鼓风器中的应用。

古代活塞式鼓风器的运行方式有摆动和平动两种。摆动活塞式鼓风器出现较早，面板的一端装有转轴，操纵面板另一端的推拉杆来回摆动面板做功，面板具有杠杆作用，有利于提高风压。摆动式风箱的发明受木扇启发。但其摆动角度不能太大，又要保证鼓风冲程、控制面板面积，摆动式鼓风器一般做得比较高、窄、薄。为克服其局限性，又发明了平动活塞式鼓风器。其鼓风冲程不受限制，往复次数减少，可大大提高效率，是现代压缩机装置的前身。

苏轼在《东坡志林》曾描述过四川盐井中吸卤唧筒：“《后汉书》有水鞴，此法惟蜀中铁冶用之，大略似盐井取水筒。1044年，曾公亮在《武经总要》中详细记载喷火枪“猛火油柜”：“以熟铜为柜，下施四足，上列四卷筒。卷筒上横施一巨筒，皆与柜中相通。横筒首大，细尾，开小竅。卷筒为口，口有盖，为注油处。横筒内有拶丝杖，杖前缠散麻，厚寸半，前后贯二铜束，约定。尾有横拐，拐前贯圆揜，入则闭筒口。放时以杓自沙罗中挹油注柜竅中，及三斤许。筒首施火楼，注火药于中使燃。发火用烙锥。入拶丝，放于横筒。令人自后抽杖，以力蹙之，油自火楼中出，皆成烈焰。”猛火油柜内盛放易燃的轻质石油，四个卷筒是抽油管，横筒装置类似唧筒，桚丝杖类似唧筒的拉杆和两个活塞。猛火油柜是一种单筒、单拉杆、双活塞的液体压力泵。受这其启发，将液泵改为气泵，就会诞生拉杆活塞式风箱。这种活塞装置通过推动空气开闭活门，产生连续的压缩空气，提高风压和风量，有助于冶炼。《武经总要》还有“行炉”的记载。

由此可见，中国传统活塞式风箱的活塞结构和双作用原理是沿着唧筒——盐井吸筒——猛火油柜——活塞式风箱的技术路径发展而来，其年代大约在宋代。

1280年刊印的《演禽斗数三世相书》绘有煅铁图和煅银图，首次出现了方形拉杆活塞式风箱图。这也是迄今为止能见到的世界上最古老的活塞式风箱。《演禽斗数三世相书》相传是隋唐时代占卜者袁天纲(？—635年)所著，活塞式风箱也许可以追溯至隋唐时期。但南宋后期已有活塞风箱是确定无疑的。在“锻铁图”中，两人正在打铁，冶炼炉中燃着火焰，炉旁有一风箱。箱侧设有一风道，风道侧端各设一个出风口，出风口上有活瓣。通过伸缩箱外拉杆，驱动活塞往复运动，促使活瓣一启一闭。活塞式风箱正逆行程都作有用功，用手拉动活动木箱，每行程中一端排气鼓风，一端同时吸取等量空气，能提供连续风流，提高鼓风效率，这是鼓风吹氧技术上的重大进步，标志着我国古代冶金鼓风技术的成熟。从此，小型冶炉快速发展。