中国古代冶铁技术的演进与外传
在地球表层，铁矿分布广泛。铁的优点是强度大和延展性好。随其碳含量的增多，铁呈现从柔韧到脆硬的物理性能，钢的强度远远胜过其他常见金属。与黄金和青铜相比，铁是上帝赐给人类神奇的礼物。《古兰经》：“上帝把铁送至人间，在那里它为人类提供强大的力量和诸多的用途。”恩格斯指出：“铁已在为人类服务，它是历史上起过革命作用的各种原料中，最后和最重要的一种学科。……它给手工业工人提供了一种坚固锐利的、非石头的、或当时所知道的其它金属所能抵挡的工具。”他将铁器时代称为“英雄时代”。摩尔根在《古代社会》中曾说，“铁一旦成为生产中最重要的原料，这意味着人类进化史上发生了最重大的事件。”中国是世界上文明发展最早的国家，钢铁生产的历史非常悠久，钢铁产品的质量上乘。罗马帝国博物学家老普林尼曾在其著作《自然史》中写道：“在所有的各种铁之中，以中国铁为最好。中国人把它连同各种织品和皮货输送给我们。”中国的钢铁冶炼技术一直走在前列。17世纪以前，中国至少有10项冶铁技术处于世界领先地位，对人类文明进程作出巨大贡献。有些“学者”或别有用心，或罔顾事实，断言中国冶铁术源自西方，从西亚经新疆，过河西走廊传入中国内地，鼓吹“中国冶铁技术西来说”。因此，梳理中国钢铁冶炼技术发展历史，还原事实真相，驳斥西方伪史，对于增强文化自信，促进中国式现代化建设，具有积极意义。人类的冶炼技术萌始于原始社会的陶器烧制，最早是青铜冶炼。殷商时期，炉温已提高到1200度，青铜铸造业发达，一次铸造成型的司母戊方鼎被誉为“世界出土青铜器之冠”。中国的青铜冶炼技术领先于世界，为原始制瓷和冶铁业的发展奠定基础。但将铁从矿石中提炼出来，需要高温烧化。铁的熔点是1535℃，比铜1083℃的熔点高得多，这使得冶铁难于冶铜。根据含碳量的多少，铁可分为生铁、熟铁和钢三种。生铁含碳量高于2%，坚硬，耐磨，铸造性好，但脆而不能锻压。熟铁含碳量低于0.05%，柔软，塑性好，可以拉成丝，但硬度不大。钢含碳量介于0.05-2%之间，又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，硬度强，韧性好，是古代铸造兵器的最佳材料。人们最初冶炼自然界中的熟铁。熟铁最早来自天上掉下来的陨铁。天空中的流星包含陨铁，正飞向地球时，小的在大气层燃烧没，大的掉落于地面。我国古代文献记载秦献公十七年（公元前368年）、北宋治平元年（1064）有陨铁降落事件。新疆地质博物馆藏有清代降落的全世界第三大陨铁。我国多处考古遗址发现陨铁制品。1972 年，河北藁城台西村商代遗址出土1件3400多年前以天然陨铁制作的铁刃铜钺，这可是我国目前发现最早的铁兵器。陨铁大都是硬度极高的铁镍合金，比纯铁的硬度、耐腐蚀性更高。《尚书•禹贡》记载，铁是仅次于金的贡品。因其稀贵，最初仅被用于小件的珠宝上。除了利用天然熟铁外，人们在长期的用火生活中认识了铁矿石。在新石器时代晚期，我们先民已用赤铁矿制造手斧。西周时期，炉温已提高到1300度，就可能用赤铁矿炼出生铁。春秋时期已有冶铁高炉，人们将铁矿石和木炭一层夹一层地放在炼炉中焙烧，在650度至1000度温度间，利用炭的不完全燃烧产生一氧化碳，使铁矿中的氧化铁还原成铁。因工艺所限，炉温低，铁块不能完全熔化，形成海绵状的块炼铁，也是含碳量高于2%的生铁。在春秋时期，铁器极为贵重。考古发现的铁器往往镶嵌于其他材质中出现在贵族墓葬。河南三门峡虢国大墓中出土的玉柄铜芯铁剑，河南淅川下寺楚墓发现玉柄铁匕，陕西宝鸡益门出土的金柄铁剑，可见当时铁器的奢华昂贵。在生铁冶炼过程中，炉温较高，铁会吸收碳、硫和磷，熔点随之降低，当含碳量达到2.0%时，熔点降至1380度，当含碳量达到4.3%时，熔点最低，仅1146度。因此，当炉温达到1200度时，能使铁充分熔化，成为液态生铁，可直接注入模具中冷却成型，采用这种生铁冶炼技术，炼炉得以连续使用，降耗增效，使大量提炼铁矿石和铸造复杂铁器成为可能。据《左传·昭公二十九年》记载，公元前513年，晋国铸造铁质刑鼎，将范宣子制定的《刑书》铸在鼎上。铸刑鼎用的铁是从民间以军赋的名目征收来的。这说明春秋末期，民间已有炼铁作坊，掌握了生铁冶铸技术。相传，干将为楚王铸剑，“采五山之金精，六合之石英”，烧炼三月，矿石不能熔化。其妻莫邪是铸剑大师欧冶子之女，亦会铸剑，她“断发剪爪，投于炉中，使童男童女三百人鼓橐装炭，金铁乃濡，遂以成剑。阳曰干将，阴曰莫邪，阳作龟文，阴作漫理。”干将采集的金精石英是一种需要高温才能熔化的铁矿石，趾甲头发含磷含氮，可降低铁矿石熔点，也能增加温度，有利于铁矿石熔化。公元前5世纪，中国发明的铸铁技术，是社会生产力提高和社会进步的主要标志，人类从此由木石时代进入铁器时代。中国从块炼铁到铸铁的技术演进仅一个世纪，其进展神速。新疆及以西地区，因缺乏冶炉高温技术，一直处于块炼铁阶段，直到张骞通西域，当地仍“不知铸铁器”。英国著名科学史家贝尔纳说，这是世界炼铁史上的唯一的例外。铸铁术的发明，对社会产生深刻影响，各行各业都离不开铁制工具。《管子·海王》记载：“一女必有一鍼一刀，若其事立；耕者必有一耒一耜一銚，若其事立；行服连軺辇者必有一斤一锯一锥一鑿，若其事立。不尔而成事者，天下无有。”齐国宰相管仲推行“官山海”，盐铁税成为国家财政基础。《管子·地数》记载：“出铜之山四百六十七山，出铁之山三千六百九山。”“山上有赭者其下有铁，上有铅者其下有银。”当时铁矿点已是铜矿点的8倍。《管子·轻重乙》载：“请以令断山木，鼓山铁，是可以毋籍而用尽。”在自然界中没有现成的钢，钢需要人工炼制。与炼铁相比，炼钢需要更高的技术。炼钢有两种工艺，一是以熟铁为原料，增加碳的成分，叫渗碳处理；二是以生铁为原料，减少碳的成分，叫脱碳处理。早期的炼炉小，鼓风弱，炉温低，尚不能使矿石完全熔化，只能炼成海绵状的熟铁块，称为“块炼铁”。块炼铁质地较软，杂质含量大，须经过反复煅打才能得到较纯的铁块。块炼铁和熟铁经反复加热锻打，吸收碳分，减少夹杂物，成为组织紧密、碳分均匀的钢，这就是“块炼渗碳钢”工艺。这种经过经过千捶百炼的钢材变得坚韧，适合制作兵器和刀具，这也是“百炼钢”的起源。1976年，湖南长沙市杨家山春秋晚期墓葬（M65）出土一把经反复锻打而成的铜格铁剑。通过金相检验，证明这是迄今为止发现的最早的钢制实物。这说明，我国在春秋晚期已掌握了块炼渗碳钢及淬火工艺。战国时代，战争频繁，刺激钢铁生产和技术进步。铁制农具使大量林地被开垦为耕地。木犁装上铁铧后，耕地效率大幅提高。铁錾钢锉的使用，使都江堰、郑国渠、灵渠、鸿沟等大型水利工程的修筑更加容易。铁制农具的广泛应用，农业耕作效率大大提升。据魏国宰相李悝估计，一个农民耕作所产粮食够5人食用。《荀子》提到“中农食七人”。《战国策》记载，当时耕地的收成已是种子的10倍。铁制工具使木匠如虎添翼，方便了房屋和和舰船的修造。铁制轮箍让车轮更加结实，使战车成为战争利器。钢铁冶炼技术的进步，推动冷兵器由青铜时代进入铁器时代。江淹《铜剑赞序》记载：“古者以铜为兵。春秋迄于战国，战国迄于秦时，攻争纷乱，兵革互兴，铜既不克给，故以铁足之。铸铜既难，求铁甚易，故铜兵转少，铁兵转多。铸铜难， 求铁甚易， 故铜兵转多。 二汉之世，见甚微。”中山国最早将铁兵器应用于战争。据《吕氏春秋·贵卒篇》记载：“赵氏攻中山。中山之人多力者曰吾丘鴪，衣铁甲、操铁杖以战，而所击无不碎，所冲无不陷……”中山国的战士身着铁甲，手持铁杖，抵抗赵武灵王的进攻。但此时的冶铁工艺不够先进，铁兵器只制作铁甲铁杖护身捶击，还未制作刀剑刺杀敌人。青铜因其熔点低、硬度大，仍是制造兵器的主材。在战场上，长兵器刺的杀伤力远远大于短兵器的砍削。铁制兵器韧性好，即使长一点也不易折断，遭遇猛力冲击虽会弯曲，也能很快恢复原状。青铜兵器质地脆硬，如果太长，在受外力冲击时容易折断。铁制兵器取代青铜武器是迟早的事。战国时代，出土的铁制兵器已达到同期出土兵器总量的52%。铁兵器在诸侯争霸以及秦灭六国实现统一大业的战争中发挥了重要作用。当时有一种“镶”兵器，是用优质钢铁制造的环首刀剑，一米多长，可攻可守，威力无比。《商周青铜器铭文暨图像集成三编》收录3件上郡守匽氏在秦惠文王十四年（前311年）监造的钢刀，1把剑式长刀，2把环首长刀，装饰精美瑰丽的错金花纹，刀柄缠裹金箔，纪年明确，保存完好，是迄今所见年代最早、等级最高的古代钢刀。汉武帝时期，桑弘羊主持国家财经事务，实施“盐铁专卖”制度，置铁官，采取官采、官炼、官运、官销模式，冶铁业迅速发展。汉代，全国有铁矿68处，年产铁500万斤。考古发现20多处汉代冶铸遗址。河南巩县铁生沟遗址出土大型冶铁遗址，有炼铁炉18座、熔炉1座、锻炉1座、藏铁坑7处、矿石坑1个、配料池1个，还有各种铁器和铸范。河南郑州出土冶铁作坊，面积12万平方米，包括炉基2座，竖炉高6米，容积50立方米，日产生铁1吨。冶铁业的发展离不开鼓风技术的进步。高炉的鼓风不够，也会引发安全事故。公元前91年、公元前27年曾发生两次高炉爆炸事故。《汉书·五行志》记载：“成帝河平二年正月，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散如流星，皆上去，与征和二年同象。”为避免安全事故，一是不断改造高炉，将其从圆形改为椭圆形，并将高炉下部炉墙往外倾斜，扩大高炉内部容积，增加煤气与炉料的接触面。二是增加氧化剂。因炉渣中的二氧化硅粘性高，又在炉料中配入石灰石，使二氧化硅和氧化钙起化学反应，降低炉渣熔点，减少生铁含硫量，提高生铁质量。三是增强鼓风。在两侧鼓风，使风力到达高炉中心，提高燃烧温度和冶炼效率。西汉的冶铁高炉使用皮橐鼓风。皮橐两端细，中间鼓起，通过推拉拉杆使其压缩和鼓起，将强劲的风吹送到冶铁高炉中，增加含氧量。河南荥阳出土一座高炉，容积达44立方米，需要12人同时鼓风。如果采用轮班制，全天需要36名鼓风工人。
西汉早期的诸侯王墓中陪葬兵器大多是青铜制造，西汉中期长安武库出土兵器大多是铁制。《考工纪·车人》郑玄注：“首六寸，谓今刚关头斧。”贾公彦疏：“汉时斧近刃，皆以钢铁为之。”钢铁冶炼技术的进步，为汉武帝反击匈奴提供了强大的物质基础。汉将陈汤率骑兵千里奔袭北匈奴，斩杀郅支单于，大获全胜。他向皇帝报捷时指出铁制武器的重要性。“夫胡兵五而当汉兵一，何者？兵刃朴钝，弓弩不利。今闻颇得汉巧，然犹三而当一。”出土文物表明，匈奴早期大多使用60厘米以下容易折断的青铜刀剑，在学会冶铁后，其刀剑也不过70厘米，仍处于劣势。汉军使用钢铁武器，向宿敌匈奴发起一次次降维打击，杀出大汉王朝“一汉当五胡”的铁血辉煌！日本学者宫崎市定在《中国的铁》一文中指出：“自战国时代中国即盛行使用铁器，到汉代就形成一个高峰。”“汉代所以能给匈奴打击，使它向西方逃窜，就是因为使用了铁质的武器。”公元前81年，代表豪强地主势力的大将军霍光以年仅13岁的汉昭帝名义颁旨，在京城长安召开由政府与社会两方面人士参与的“盐铁会议”，讨论汉武帝盐铁政策引发的治乱得失，桓宽编篡会议记录《盐铁论》，指出御史大夫桑弘羊主张的“盐铁国有”政策具有弊端。官办铸铁局垄断铁器的制造。“盐铁贾贵，百姓不便。贫民或木耕手耨，土櫌淡食。铁官卖器不售，或颇赋与民。”这次盐铁会议既体现了古代民主制度，也是一场新兴豪强地方与政府争夺利益与权力的博弈。后来允许民间采矿炼铁，但需向官府缴纳铁税，政府可优先采购民间铁器，从而控制钢铁的流向，既增加政府的财政收入，也可预防民间私造武器，避免民众造反。盐铁政策宽松，冶炼技术进步，钢铁产量大增，铁器得到广泛应用。《盐铁论·水旱篇》记载：“农，天下之大业也；铁器，民之大用也。器用使得，则用力少而得作多，农夫乐事劝功。”在农业领域，牛耕采用铁犁铧，提高了翻地效率。辽宁辽阳出土1件40厘米宽的汉代铁质犁铧。东汉时期，南阳太守发明了水利鼓风设备“水排”，应用水力激动机械轮轴带动鼓风囊，使皮囊靠水力而不是人力不断伸缩，给高炉持续供氧，既节省了人力，降低了劳动强度，也提高了炉温和冶炼效率。西方国家直到12世纪才出现水利鼓风设备。因为鼓风技术进步，工匠发明了新的炒钢工艺。炒钢法是通过鼓风，使炭燃烧得更旺，将生铁加热至1200度，使之成为半熔化状态，再撒入适量矿粉，像炒菜一样不断搅拌铁水，增加碳与氧气的接触，并向炉内鼓风，使铁水中的硅、锰、碳充分氧化，当生铁中的碳含量降至2%时，就成为钢。如果继续加温拌炒，就可以将其炼成熟铁。东汉于吉在《太平经》卷七十二记载炒钢新工艺：“使工师击冶石，求其铁烧冶之，使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪耶。”这段话描述了从铁矿石炼成生铁水再炒出钢的工艺流程。炒钢技术是人类炼钢史上一次重大革命。英国在18世纪才掌握炒钢技术，比中国晚1600多年。东汉时期，固体脱碳制钢技术得到广泛应用。生铁制品或铸铁制品有一种韧化技术，就是使里边的渗碳体发生分解，从而改善产品性能。器物的模具浇铸成型比手工锻造成型效率高得多，做好陶范，一炉铁水可一次性浇铸多件器具，省时省力。1979年，在河南省洛阳吉利区挖掘一座汉墓，出土11个坩埚，其耐火度为1580度至1610度，内外壁均烧流，属于铸态钢。这是迄今所知我国古代第一块铸态钢。在河南渑池发现大批汉、魏时期窖藏的斧、镰等铁器及兵器，外形看是铸件，其内在却是钢。河南南阳东郊出土一件铁刀，宽11.2厘米，长约17厘米，刀背厚约0.5厘米，刀身有一道平行于刃部的锻接痕迹，其刃部就是用高质量的炒钢锻接而成。郑州市博物馆收藏6件东汉铁剪，也是用铸件脱碳淬火而成，剪刀断面是含碳量1%的碳钢，组织均匀，硬度高，富有弹性。当世界其他地区的冶铁工艺尚处在固态或半液态冶炼状态，我国东汉时期就能冶炼铸钢，这是罕见的工艺。东汉还发明了百炼钢。当时的熟铁称为“镖”。《说文解字》：“镖，铁之页也。”王充《论衡·率性篇》记载：“世称利剑有千金之价，棠溪、鱼肠之属，龙泉、太阿之辈，其本铤，山中之恒铁也，冶工锻炼，成为铦利。岂利剑之锻与炼乃异质哉？工良师巧，炼一数至也。”1974年，山东临沂地区苍山县汉墓中出土一把东汉永初六年（112）造的“卅炼”环首钢刀，全长111．5厘米，刀身隶书错金铭文：“永初六年五月丙午造卅湅大刀吉羊宜子孙。”这是目前出土的最早的以炒钢为原料的百炼钢制品。1978年，江苏徐州铜山县驼龙山汉墓出土一把公元77年打造的“五十炼”钢剑，剑把正面有铭文“建初二年蜀郡西工官王情造五十凍△△△孙剑△。”内侧上阴刻铭文“直千五百”，极其珍贵。1964年，日本奈良县大和栋本东大寺山古墓中出土1件“百炼”钢刀，上有错金铭文：“中平△五月丙午，造作，百炼清，上应星宿，辟。”中平是汉灵帝年号，公元184—189年。汉剑是中国铁剑的高峰。东汉的灌辟刀剑已退出军事实战领域，只作为皇帝、贵族的佩剑，强调其制作工艺复杂精湛，是一种身份标志，韩信因为佩剑被恶少刁难戏弄，被迫忍受“胯下之辱”。东汉后期，工匠们发明了灌钢法，又叫团钢法，或生熟法。利用生铁含碳量较高、熟铁含氧化杂质较多的特点，将熔化的液态生铁浇注在熟铁上，经几次熔炼，生铁中的碳向熟铁中扩散，两者碳含量趋于均匀分布，并减少部分杂质，成为优质钢材。这种“杂炼生煣”的炼钢方法简单易行，是中国古代冶金技术的一项杰出创造。据《全后汉文》卷九十一王粲（177—217）《刀铭》记载：“相时阴阳，制兹利兵，和诸色剂，考诸浊清；灌襞已数，质象已呈。附反载颖，舒中错形。”这是以灌钢法制作宝刀的整个工艺流程。其中的“灌”即灌炼，“襞”原指衣服上的褶裥，在此指钢铁材料的多层积叠反复锤打。“灌襞已数”即是多次灌炼。在此之前，制作锋利的刀剑武器主要采用反复锤打的“百炼钢”技术，费工费时，价格昂贵。灌钢工艺将液态生铁作为渗碳剂，碳的流动性增强，大大节省了人力物力。魏晋南北朝时期，政治动乱，社会经济凋敝，炼铁业受到影响。南方相对稳定，钢铁冶炼也有进步。据《魏书·地理志》记载，魏国开采铁矿，燃煤炼钢，制造兵器。据《魏书》记载：石崇“又尝置铁于洛水，以取铁。”《晋书》记载：石崇“烧一石炭，四壁皆热如汤沐。”刘昭《汉晋春秋》记载：石崇“以白炭烧之，热不可近。”《南齐书》记载：石崇“以铁铸钱，号曰铁钱。”煤炭广泛应用于冶炼，大大提高钢铁产能和效率。据《南史》记载，梁代炼铁专家陶弘景曾制造巨型炼铁炉，高2.16米，宽2.19米，长3.14米，高炉内增加“火墙”，设有加热的风口，提高炉温，减少烟尘污染。晋代夏侯阳《算经》记载：“生铁炼黄铁，黄铁炼钢铁。”黄铁是由生铁炒炼而成的熟铁或低碳钢，表明当时已普遍应用炒铁技术。三国时期，百炼钢工艺广泛应用。文献有大量关于百辟刀的记载。曹操令工匠费时三年打造5把“百辟刀”，锻炼上100次，成为“百炼利器”。曹丕在《典论·剑铭》中记载，建安二十四年(219)，令国工选“良金”炼钢，“五色充炉，巨囊自鼓，灵物仿佛，飞鸟翔舞”，“至于百辟”，终于炼成3把宝剑、2把匕首和1把陌露刀，或光似流星，或色似彩虹，非常精美，锋利无比。孙权也有1口百炼宝刀。《古今注·舆服》记载：“吴大帝有宝剑三，……一曰百炼，二曰青犊，三曰漏景”。晋代刘琨《重赋卢谌诗》中有“何意百炼钢，化为绕指柔”。刘备曾令“蒲元造刀五千口，皆连环，及刃口刻七十二湅。”蒲元是兵器制造家，其“镕金造器，特异常法”，他在陕西周至西南的斜谷口以炒钢法为诸葛亮锻制三千口铸刀，使用独特的淬火工艺。淬火就是将打制好的钢刀放在炉火上烧红，立刻放入冷水中适当蘸浸，让其骤然冷却。如此反复几次，钢刀就会变得坚韧而有弹性。淬火看似容易，但其火候、冷却、水质很讲究。淬火不够，则刀锋不硬，容易卷刃；淬火过头，则刀锋变脆，容易折断；淬火适当，需要匠人有极其丰富的经验。蒲元对淬火用的水质尤其讲究。他认为“蜀江爽烈”，适宜淬刀，“汉水钝弱”，不能用。他在斜谷口造刀，专门派士兵去成都取江水。因山路崎岖，坎坷难行，所取江水在半途打翻，士兵不愿再回去取水，偷偷掺入一些河水以充数。水运到后，被蒲元当场识破其作伪，“于是咸其惊服，称为神妙。”为检验每柄刀的质量，蒲元让士兵用竹筒灌满铁珠，举刀猛砍，如截刍草，竹筒断而铁珠裂，人们交口称赞蒲元铸造的钢刀是“斩金断玉，削铁如泥”的“神刀”。在1700年前，蒲元就发现水质影响淬火的效果，这是了不起的成就。欧洲到近代才开始研究这个课题。南北朝时，灌钢冶炼术在全国推广，广泛用于农具制作。《重修政和经史证类备用本草》卷四“玉石部”引梁医学家兼炼丹家陶弘景（约452-536）云：“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者。”生指生铁，鍒指熟铁，杂炼生煣就是灌钢工艺。北齐的冶金专家兼道士綦毋怀文将灌钢工艺作了重大改进。他曾任北齐的信州刺史，善于制作灌钢刀。《北齐书·方伎传·綦毋怀文》记载：“又造宿铁刀，其法烧生铁精以重柔鋌，数宿则成刚。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斩甲过三十札。”这是一种与铸铁脱碳、生铁炒炼不同的制钢新工艺，先将生铁熔化，灌到熟铁上，使碳渗入熟铁，增加熟铁的含碳量，然后分别用牲尿和牲脂淬火成钢。牲畜尿中含有盐分，淬火用水冷却快，钢质坚硬；淬火用牲畜脂肪冷却慢，钢质柔韧。经过这两道淬火工艺处理后，钢质柔韧，刀刃刚柔兼得，可以“斩甲过三十扎”。这种将生铁和熟铁“宿”在一起炼出来的钢叫“宿铁”。在17 世纪以前，世界各国一般采取熟铁低温冶炼方法，钢铁不能完全熔化，铁和渣不易分离，碳不能迅速渗入。中国发明的灌钢法，成功解决这一难题，为世界冶炼技术的发展做出划时代贡献。隋代存续时间不长，实行官营冶炼，生产大量优质钢铁工具，完成了令世人瞩目的大运河工程，造福后世。唐代吸取隋朝官营垄断冶铁的教训，允许民间私营冶铁，按20%的税率课税，铁矿数量从前期的42处，增加到中期的104处。唐代，东北渤海地区有铁器生产。《新唐书·渤海传》有“铁州”地名，以产铁著称。元和年间（806至810年），全国铁业总收入为207万斤。唐代，钢制农具得以广泛应用，农业生产效率大大提高。隋唐时期，冶炼和打铁分道扬镳，炉匠研究冶炼，铁匠专注工艺。铁匠发明了夹钢、包钢、贴钢等工艺，还发明可复合折叠锻打工艺、百炼复合旋焊工艺，制作了唐刀、横刀、障刀、仪刀鸦九剑等绝世神器。陌刀的破甲能力极其恐怖，能达到“人马俱碎”的效果。唐代刘禹锡《砥石赋》：“彼屠者之刃兮，猎者之铤；不灌不淬兮，糅锡衔铅。”日本收藏唐刀，视其为国宝。灌钢术适合造刃钢，已成为冶坊中的常规工艺。唐代中叶，终于形成以蒸石取铁，炒生为熟，生熟相和，炼铁成钢为主干，辅以渗碳制钢、夹钢、贴钢、包钢等钢铁冶炼加工技术体系，被后世长期沿用，成为定式。现代的钢铁冶炼由矿石炼生铁，由生铁炼得钢和熟铁，或用生铁和废钢合炼成钢的工艺路线，在唐代即已定型。日本遣唐使来华学习夹钢和包钢技术，制作武士刀。日本因铁矿资源匮乏，日本武士刀做工精致，其刀刃用钢经过反复折叠煅打淬火，多至32768层，每层厚0.00025毫米，工匠常常根据早晨阳光折射煅铁的色彩来控制温度，如此打造的刀刃柔韧如带，且锋利无比。倭刀也是日本重要的出口商品。从唐末到宋初，中国发生燃料革命，燃烧煤炭炼铁，解决传统木炭短缺的问题，提高炉温和冶炼效率，产铁量大增。灌钢技术得以推广和改进，减少了灌炼次数，可一次炼成。北宋沈括《梦溪笔谈》卷三记载：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，封泥炼之。锻令相入，谓之团钢，亦谓之灌钢”，“二三炼则生铁自熟，仍是柔铁。”“柔铁”即熟铁，将生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间，可增加生铁和熟铁的接触面，使碳分布更均匀，提高灌钢效率；用泥巴密封炼钢炉，烧炼矿石，可促进造渣，去除杂质。宋承唐制，钢铁冶炼，官营、官民合营、民营三者并存，政府对民营铁矿课税20%。王安石变法后，民营铁矿增加至194处，炼铁厂77处。公元1000年至1100年间，铁的总收入量550万斤，最高总收入量为824万斤。北宋的铁产量激增，农具、武器甚至钱币都用铁铸造。南宋，制度不变，丢掉了河北磁州和邢州两个大型铁矿，铁的收入量下降到216万斤。辽初，耶律阿保机征服渤海地区，在铁州“置采炼者三百户”，获得冶铁技术。北京延庆区大庄科辽代矿冶遗址群，发现了采矿、冶炼等作业区以及工匠生活区。5处矿山以磁铁矿为主，夹杂着赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿等，开采方式则是矿洞式和露天式。矿石通过怀九河、铁炉河运到冶炼区。水泉沟的冶铁炉用石头垒砌，耐高温，外形类似啤酒瓶的上部，细脖，大肚，有利于炼渣下沉。其炼铁炉容积较小，更加安全。据专家们判断，这处炼铁炉已能实现渣铁分离。铁矿石炼成生铁块或钢块后，可进一步加工成各种铁器。在距离水泉沟冶铁炉100米外有占地20000平方米的生活、作坊遗址。元代，冶铁业一路高歌猛进，官营铁矿49处，仅腹里地区就设铁冶所26处，每地冶户多达760～6000户，规模庞大。钢铁税以“江浙、湖广之课为最多”。政府设局生产花纹钢刀剑。据《元史》卷八十五“百官志”载，工部诸色人匠总管府下设“镔铁局，秩从八品，大使一员，掌镂铁之工，至元十二年始设”。工部另设提举右八作司，“在都局院造作镔铁、铜、钢、鍮石、东南简铁。”蒙古骑兵依托先进的钢铁兵器和火药武器，大规模征伐四方，迫使突厥族西迁，并将中国先进的钢铁冶炼技术传往欧洲。此前，欧洲只能在800度低温用富铁矿冶炼熟铁，制作短剑，很少制作铁农具，农业生产效率低。在南方，中国的钢铁产品沿着海上丝绸之路，销往东南亚和阿拉伯半岛。在18世纪欧洲工业革命之前，中国的钢铁业始终执世界之牛耳。1720年英国的铁产量尚不足2万吨。明代，炼钢冶铁业继续发展，处于世界先进水平。明洪武六年，全国置铁冶所13处，南方设6所，北方设7所，官办铁矿产量达到1850万斤。后因贮铁太多，便关停部分官营铁矿。洪武二十五年，又大规模开放官营冶炼。据洪武二十八年九月《明实录》记载：“各处续开炉冶，今已三年，而内库见贮铁凡三千七百四十三万余斤。上以库内储铁已多，诏罢各处铁冶，令民得自采炼。而岁输课税每三十分取其二。”明代中后期，官办遵化铁冶，工匠高达2500人。除官冶外，还有私营冶炼。朱元璋诏曰： “利不在官，则在民。民得其利，则利源通，而有益于官。”官冶关闭后，冶铁工匠多转业民冶场所，在利益驱动下，铁产量持续增长。永乐初年（1403），民营铁矿课税量为8万斤，铁产量约120万斤。宣德九年（1434），民营铁矿课税量为56万斤，铁产量约833万斤。天顺五年（1457），山西阳城民营课铁五六十万斤，折算成铁产量约八百万斤；洪武时期给山西的定额是1146917斤，仅阳城一地的民营铁产量就已是洪武时期山西全省定额的7倍以上。成化年间（1465-1487），云南永平县的澜沧江上最早用铁索修造了霁虹桥，被李约瑟誉为“世界现存唯一最古老的铁索桥”。明成化、弘治年间，广东佛山镇成为一座典型的钢铁工业城市，钢铁冶铸从业者多达两三万人。嘉靖年间，北直隶蓟州之西聚集采矿冶铁工匠近万人。明嘉靖十年（1531），广东省按照税银换算的民营冶铁产量为2764万斤，是明初全国定额总和1847万斤的1.5倍。万历年间，山西夏县温峪山聚集开采铁矿者六七千人。明代，煤炭冶铁得到推广。宋应星《天工开物》记载：“凡炉中炽铁用炭，煤炭居十七，木炭居十三。”土高炉有重大改进，民间使用的瓶形高炉体形比官炉大，平常日产生铁3600斤，最高可日产生铁6000余斤。民间冶铁使用活塞式鼓风机，其结构功能与近代鼓风设备一致。欧洲的鼓风冶铁技术落后，16世纪才发明简陋的三角形木风箱，18世纪后期才有活塞推动压缩空气的鼓风器。明代发明了生铁熟铁串联冶炼工艺，大大提高生产效率。方以智在《物理小识》写道：“凡铁炉用盐和泥造成，出炉未炒为生铁……熔流时又作方塘留之，洒干泥灰，而持柳棍疾搅，则熟矣。”这种冶铁技术缩短了炒炼熟铁时再熔化的过程，降低成本，是冶铁史上一项重要的工艺革新。明中期以后，灌钢法发展为苏钢法，以熟铁为料铁，置于炉中，将生铁板放在炉口，当炉温升至1300℃，生铁板开始熔化，即用火钳夹住生铁板左右移动，并不断翻动料铁，使料铁均匀地淋到生铁液。这样可促进渗碳，并产生剧烈的氧化作用，使铁和渣分离，生产出含渣少而成份均匀的钢材。宋应星《天工开物》卷一四记载：“凡钢铁炼法，用熟铁打成薄片，如指头阔，长寸半许，以铁片束包夹紧，生铁安置其上。又用破草履盖，泥涂其底下。烘炉鼓鞴，火力到时，生铁先化，渗淋熟铁之中，两情投合。取出加锤，再炼再锤，不一而足。俗名团钢，亦曰灌钢者是也。”冶炼专家周志宏指出：“苏钢冶炼法在国外还没有类似发明，显然是一种创造性的发明……整个过程适合现代的冶金原理，不用坩埚而创造出一种淋铁氧化的方法，而使渣铁分开，成为比较纯的工具钢。这是中国古代先进炼钢工人的智慧结晶。”直到今日，芜湖、湘潭、重庆、威远等地还有人使用此法，可见其影响深远。明代还发明生铁淋口技术，用生铁淋灌若干夹紧的熟铁薄片，比宋代以前用生铁淋灌盘绕的熟铁条更为先进。杨宽在《中国古代冶铁技术发展史》中论述：“在明代锻制工具和兵器的锋刃时，采用生铁淋口的方法，使锋刃具有钢铁组织的表面层。”张显清在《明代后期社会转型研究》一书中记载：“明代的炼钢技术在当时世界处于遥遥领先的地位。欧洲直至18世纪才发明把熟铁和生铁放在坩埚中炼钢的方法。”生铁淋口擦渗也是今天农民修理农具的常用方法。明代还有嵌钢工艺，既节省材料，又操作简单，适合批量生产，堪称性价比最高的金属复合冶炼工艺。明朝军队曾大批装备嵌钢刀剑，提高了战斗力。嵌钢工艺也有其不足，即主体材料强度不够，整体性能比应用夹钢、包钢工艺的武器差，尤其是在双方对砍时，采用嵌钢工艺的刀剑处于劣势。在元明抗倭战争中，倭寇人数虽少，却靠锋利的武士刀将中国将士的刀剑砍断，以少胜多。为对付日本倭刀，戚继光想方设法，除了采用鸳鸯阵、狼铣外，还专门定制包钢工艺的戚家刀。清代，全国共有135处铁矿产地，冶炼作坊不计其数，著名的冶炼重镇北有汉中，南有佛山。乡村普遍存在土法冶铁。清朝中期，官营铁矿全面落后，民营铁矿快速发展。清嘉靖年间，民营铁矿课税用白银抵交，折算生铁课税500万斤，相当于全国铁产量7500万斤。广东成为南国铁都，铁矿产地从明代的29个县增加到45个县。产铁矿各县均设有多处民营炼铁炉进行采矿冶铁生产。据史料记载，仅潮州、 惠州、梅州的民营冶铁所就有43处。清代雍正年间，全省冶铁所已达到150多处。佛山作为铸铁中心，人口已达到34万人。据《佛山镇众行捐款筹办某公事残碑》记载，清乾隆年间，佛山铸铁业已分行业铸造铁器，铸镬行分为大镬分庄行、大镬车下行、大锅搭炭行,炒炼熟铁行分为炒炼头庄行、炒炼钳手行、炒炼二庄行、炒炼催铁行等。此后，大多数铸造铁器以铸造单一铁器成行，如打刀行、打剪刀行、土针行、铁砧行、折铁行、铁钟行、铁针行等。直到近代，佛山市仍保留明清时期留下的铁砧巷、铁犂巷、铁香炉巷、铁门链巷、铁锒巷、铁针巷、铁钉巷、铁丝巷、铁线巷等铸铁行名称。佛山铁锅畅销海外。雍正九年（1731），广东布政使杨永斌奏称：夷船“所买铁锅，少者自一百连至二三百连不等，多者买至五百连并有一千连者。其不买铁锅之船，才不过一二。查得铁锅一连，大者二个，小者四五六个不等。每连重二十斤。若带至千连，则重二万斤。”到广东贸易的外国商人甚至官员也将购买中国铁器当作重要商品。《明宣宗实录》记载：“爪哇国使臣亚烈麻抹等将还国，诉于行在礼部云：来时舟为海风所坏，乞今广东都司、布政司造船与归。又欲以所赍之物于广东易铁锅。”在英国，冶铁业曾是燃料黑洞，森林被大量砍伐用于冶铁，造成严重的生态环境破坏，遭到全社会的指责：“都是炼铁厂把英国的树木吞掉了。”英国产铁矿石，但木材资源枯竭，伊丽莎白时代被迫限制高炉数量，冶铁业步入穷途末路。1720年，英国只剩下60座高炉，被迫从国外大量进口生铁。1750年，英国有80%的铁来自森林资源丰富的瑞典。18世纪末期，英国森林覆盖率下降到5%到10%。森林的砍伐，使沉睡地下亿万年的煤出现了，英国开始引进中国先进的煤炭冶铁技术。1755年萨穆尔约翰逊编写第一部《英语词典》，钢和铁的英语单词分别是STEEL和IRON，根据“糯文糯语”英汉同文原理，英语单词的每个字母代表一个独特的音、意相通的汉字，STEEL即“铄铤冶銕链”，IRON即“銕鎔鏂镍”。这也从某个角度说明英国的钢铁冶炼技术源自中国。18世纪60年代，英格兰中部地区出现工业革命，从手工劳动向动力机器生产转变，近代高炉炼铁迅速取代原有生产方式，现代冶铁工业萌芽。1762年，斯米顿引进中国的风箱和采煤技术，大大提高炉温；“取之不尽用之不竭”的煤炭和丰富的铁矿石相结合，使英国从木器时代快速进入钢铁时代。新创的搅铁法大大缩短了生产时间，提高铁的产量，以前12小时只能生产1吨棒铁，现在可生产15吨，效率提高15倍。随着坩埚炼钢法的广泛采用，英国迅速由钢铁进口国崛起成为全球最大的钢铁出口国。英国生铁产量，1770年5万吨，1800年13万吨，1806年25万吨，1840年140万吨，1850年250万吨，1861年380万吨。铸铁和锻铁的产量大增，价格暴跌。1801年每吨熟铁22英镑，1815年只有13英磅，钢铁丰富而便宜，可大量用于修建基础设施。1825年英国建造世界上第一条铁路；1840年，全世界铁路总里程达9000公里。1845年，为了改进钢铁冶炼工艺，美国人威廉·凯利（William Kelly）聘请4名中国炼钢技师前往美国肯塔基州埃迪维尔传授炼钢技术。1852年，英国人亨利·贝西默（Henry Bessemer）模仿中国冶铁技术，推出转炉炼钢法，在融化的生铁中鼓入空气，通过氧化除去杂质，并放出热量，使铁保持液态，并于1856年在英国和美国抢注专利。1863年，马丁和西门子采用铸铁和锻铁合熔的炼钢工艺。法国历史学家布罗代尔（ Braudel）指出，在19世纪前几十年，许多西方科学家热衷于研究大马士革钢的秘密。他们的研究成为英国金属结构学的起源。英国生产商在科比钢厂作实验，其目的就是模仿验证中国古代的炼钢技术。随着标准钢（uniform steel）的产生，证明这些实验是成功的。在现代社会之前，中国人在钢铁技术方面一直处于领先地位。他们最先从铸铁中脱碳制钢。除了中国，任何其它国家都不能做到，因其它地方根本就没有铸铁。二次鸦片战争后，中国兴起洋务运动，以曾国藩、李鸿章、左宗棠为代表的洋务派，先后兴建了安庆军械所、上海江南制造局、福州船政局、兰州机器局，大多附设钢铁冶炼厂。湖广总督张之洞热衷于引进西洋冶炼技术。他向慈禧奏称：“查洋铁畅销之故，以其向用机器，锻炼精良，工省价廉。察华民习用之物，按其长短大小厚薄，预制各种料件，如铁板、铁条、铁片、铁针之类，凡有所需，各适其用。若土铁则工本既重，熔铸欠精。生铁价值虽轻，一经炼为熟铁，反形昂贵。是以民间竞用洋铁，而土铁遂至滞销。”光绪十六年（1890），在张之洞主持下，由英国人约翰逊设计的汉阳铁厂动工，1893年9月建成投产，标志着中国近代钢铁企业的诞生。汉阳铁厂设有生铁厂、贝色麻钢厂、西门士钢厂、钢轨厂、铁货厂、熟铁厂等6个大厂和机器厂、铸铁厂、打铁厂、造鱼片钩钉厂等4个小厂。至1895年10月，汉阳铁厂共出生铁5660余吨，本厂用2700余吨，枪炮厂等处用200余吨，外售1199余吨，存1600余吨。此外，炼成熟铁110吨，生产贝色麻钢料940余吨，马丁钢料450余吨。该厂所产生铁除供应本国外，还大量销往美、日等国。洋人为之“寝不安席”，毁之为“黄祸”。汉阳铁厂引进的“西门子平炉炼钢法”实际上是源自中国古代的共熔炼钢法。“大约在公元5世纪，中国人就创造了‘共熔’炼钢法。采用这种方法炼钢时，生铁合熟铁一起熔化，产生一种介于二者之间的物质，这就是钢。从本质上说，这就是公元1863年的马丁—西门子平炉炼钢法，不过这种方法早在1400年以前就已经在中国采用了。”1949年新中国诞生，国家领导人对钢铁尤为重视，国徽上有齿轮，人民币上有汽车、轮船、车床、钢炉和铁桥。1958年，兴起大跃进，以钢为纲，数不清的土高炉拔地而起，遍及中国城乡，乃至中南海。为了完成钢铁翻番的指标，人们将各种铁器投入高炉，包括锄犁刀锤等生产工具、锅鼎等炊具甚至女人的发卡、老年人的眼镜架、小孩玩的铁环。安徽还创造出世界上最大的“炼钢炉”：他们用土石封住一条山沟，将山上的树全部砍倒后推下山沟，与矿石、破锅烂铁混在一起，点火冶铁。在欧美列强技术封锁、国家积贫积弱的特殊时期，民众自力更生迫不得已的非常之举，令人敬畏！经数十年积累，在新世纪，中国钢铁产业重登世界巅峰，成为钢铁产业大国和钢铁技术强国。2011年，河北钢铁集团产钢4400万吨，宝钢集团产钢4300万吨，分别为全球第二、第三大钢铁企业。2019年，中国粗钢产量达9.96亿吨，创历史新高。近年来，中国兴建了数不清的摩天大楼、四通八达的高铁网、跨山越海的高架桥，取得了诸如天眼、巨型水坝、远程高压输电网、新能源汽车、巨轮航母、大飞机、航空航天器等高科技成就，世人瞩目，被誉为“基建狂魔”。这些成绩的取得，离不开发达的钢铁产业，先民创造的钢铁冶炼术亦功不可没！作者简介：王佩良，男，湖南工商大学数字媒体工程与人文学院副院长，教授，博士，硕士生导师；湖南省伏羲文化研究会副会长，湖南省食文化研究会副会长，糯文糯语英汉同文馆创始人；世界智慧科学院成员。
张若彤，湖南工商大学数字媒体工程与人文学院新闻与传播专业23级硕士生。柏莲花，女，湖南工商大学数字媒体工程与人文学院新闻与传播专业24级硕士生。黎钰琳，女，湖南工商大学数字媒体工程与人文学院新闻与传播专业24级硕士生。
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