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古代東西方冶鐵誰(shuí)更強(qiáng),?為何中國(guó)癡迷的生鐵,歐洲16世紀(jì)才擁有

 冷兵器研究所 2023-02-22 發(fā)布于浙江

作者|冷研作者團(tuán)隊(duì)-微漫煙葉

字?jǐn)?shù):3191,,閱讀時(shí)間:約8分鐘

編者按:自網(wǎng)絡(luò)誕生以來(lái),,斗獸就是網(wǎng)友們熱衷的話題,東西對(duì)決更是保留項(xiàng)目,,由此也催生了許多的思考,,如冶金技術(shù)的差異,便是眾多熱議點(diǎn)中比較有意思的一點(diǎn),。今天就讓我們摒棄立場(chǎng),,談一談東西技術(shù)的發(fā)展和走向。


對(duì)噴是網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)藝能,,不得不品




遍地開花的青銅冶煉 





在談這個(gè)話題前,,我們必須明確概念,先明白什么是冶金,?根據(jù)科普中國(guó)·科學(xué)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(guò)程和工藝,。”而在眾多金屬中,,人類最早冶煉也最常見(jiàn)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(jìn)行探討。

▲銅鐵被用于劃分人類文明的發(fā)展階段

煉銅比冶鐵要早得多,,大約在公元前4500年左右,。彼時(shí)人們會(huì)挖掘出一個(gè)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(dāng)工匠通過(guò)鼓風(fēng)將爐中的溫度提升至1084℃時(shí),,銅礦中的銅元素便會(huì)融化脫離礦石,,進(jìn)而凝結(jié)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(shí)間的推移,煉銅技術(shù)從近東地區(qū)向四周迅速擴(kuò)散開來(lái),,在公元前3000-2600年間,,埃及的煉銅技術(shù)經(jīng)愛(ài)琴海向西擴(kuò)散;公元前2200年伏爾加河下游的居民學(xué)會(huì)了煉銅,;而公元前2000-1500年之間,,遠(yuǎn)東地區(qū)開始出現(xiàn)銅基合金,至此人類開始普遍進(jìn)入青銅時(shí)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(guò)程中加入含砷的礦石或者直接選擇用高砷銅礦進(jìn)行冶煉獲得了砷銅,,但由于砷銅制品只能通過(guò)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(yōu)越的青銅(無(wú)論鑄造還是鍛造就能提高硬度)。對(duì)于冶煉青銅的探索,,為日后的冶鐵提供了基礎(chǔ),,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(shù)路徑差異 




鐵的冶煉與青銅原理一致,,只是熔點(diǎn)更高,,達(dá)到1540℃,雖然青銅時(shí)代盛期與早期鐵器時(shí)代的人類對(duì)爐型進(jìn)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(fēng)進(jìn)行抽風(fēng)的豎爐添加鼓風(fēng)器,;甚至還有與燃料層隔絕的坩堝爐,,卻仍沒(méi)能徹底解決爐溫的問(wèn)題,。
碗式爐最高溫度僅只能達(dá)到1150℃,大多數(shù)情況下保持在800-1000℃,,因而在這些爐內(nèi)進(jìn)行冶煉的鐵并不能完全融化,,只能形成海綿狀的鐵團(tuán),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(fēng)技術(shù)的發(fā)展,,中國(guó)率先解決了爐溫低的問(wèn)題,因而在冶煉鐵礦時(shí)能產(chǎn)生更接近液態(tài)的鐵水,,從而獲得了可以鑄造的鐵,。

但也正因?yàn)楣娘L(fēng)充分,爐內(nèi)保持氣氛的能力不如碗式爐等塊煉法用爐,,導(dǎo)致脫碳的速度沒(méi)有超過(guò)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(diǎn),只能用于鑄造,,無(wú)法鍛制,。

生鐵冶煉法

無(wú)論鑄造還是鍛制,均是一種金屬塑性的方法,,前者通過(guò)融化灌入模范冷卻成型,,后者通過(guò)鐵錘敲打成型。這兩類方法的成品有著很大的區(qū)別,,鑄造成型更簡(jiǎn)單,,但沒(méi)有經(jīng)過(guò)擠壓,內(nèi)部的結(jié)晶組織不夠緊密,,鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔也會(huì)破壞鑄鐵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,,故而鑄鐵通常沒(méi)有良好的機(jī)械性能;而鍛造產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)晶組織嚴(yán)密,,機(jī)械性能較好,,但因應(yīng)力等問(wèn)題很難由人力加工成形狀復(fù)雜的大型產(chǎn)品。

鐵水澆筑

從上述鑄鐵的特點(diǎn)不難看出,,在火器時(shí)代以前鑄鐵的應(yīng)用范圍有限,,無(wú)論是農(nóng)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(duì)大型鐵器的需求還要等到火炮,、鋼鐵裝甲載具的出現(xiàn)才夠充足(此前的機(jī)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(shí)代的需求,成為了所有文明通用的冶鐵法,。

船只直到火器時(shí)代都還是木質(zhì)

當(dāng)然,,中國(guó)人并不滿意單單使用塊煉法,即便生鐵冶煉法的產(chǎn)物太脆只能鑄造,,也沒(méi)有擋住他們進(jìn)一步發(fā)展生鐵冶煉的熱情,,為了解決生鐵脆硬的問(wèn)題,在戰(zhàn)國(guó)時(shí)代開始了柔化鑄鐵的發(fā)展,,這是一種通過(guò)再加熱并使其在氧化性氣氛中充分反應(yīng),,從而脫去生鐵內(nèi)的碳的辦法,通過(guò)這種技術(shù),,中國(guó)先民做出了白心韌性鑄鐵和鑄鐵脫碳鋼,,在漢代,甚至通過(guò)退火的方式創(chuàng)造出了球化石墨鑄鐵,。

然而無(wú)論是柔化的鑄鐵還是球狀石墨鑄鐵,,都保留了鑄造時(shí)產(chǎn)生的孔洞缺陷,不能滿足盔甲武器這種需要高強(qiáng)度機(jī)械性能的需求,,鍛制仍然是高強(qiáng)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(yōu)于任何鑄鐵)。

▲鑄鐵氣孔

于是在西漢中期,,進(jìn)一步發(fā)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(tài),,而后對(duì)其進(jìn)行翻炒,,使其氧化脫碳得更充分,,更均勻,,產(chǎn)出疏松柔軟的鋼鐵團(tuán)塊,進(jìn)而便可以進(jìn)行鍛打加工。

這種技術(shù)開啟了生鐵冶煉的新路徑,,然而炒鋼法本身也有很大的問(wèn)題,,在缺乏檢測(cè)手段、科學(xué)體系,,全憑經(jīng)驗(yàn)加工的古代,,氧化脫碳很難被控制好,往往在過(guò)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(fā)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(dāng)然,受限于經(jīng)驗(yàn)的掣肘,,無(wú)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(shù)的發(fā)展,,無(wú)疑拓展了冶鐵的技術(shù)思路,,為人類冶金工藝的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

▲因其翻炒動(dòng)作而得名的炒鋼法




古代中國(guó)人選擇生鐵冶煉的成本考慮 




我們不難看出,,中國(guó)人癡迷于生鐵冶煉并不是喜歡使用鑄鐵,,而是想要通過(guò)脫碳的辦法制造出鋼鐵。但這顯然不是中國(guó)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(jié)省礦石的巨大優(yōu)勢(shì)。塊煉法因?yàn)闋t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(duì)歐洲各地使用塊煉法冶鐵產(chǎn)生的礦渣檢測(cè)后,,發(fā)現(xiàn)其氧化亞鐵和三氧化二鐵在礦渣中的比例高達(dá)40%-70%,而漢代的礦渣中則低至3.74%,,足見(jiàn)其對(duì)鐵礦的利用效率之高,。

泰勒對(duì)歐洲和中國(guó)的礦渣進(jìn)行了檢測(cè)

其次是塊煉法需要?dú)t取鐵,這就導(dǎo)致連續(xù)生產(chǎn)的效率不足,,而生鐵冶煉則不需要如此,,流動(dòng)的鐵水可以自動(dòng)與礦渣分離并離開爐身,,為連續(xù)生產(chǎn)提供了便利。

▲扒開爐身取鐵

而炒鋼,、灌鋼法在攪拌脫碳時(shí),,會(huì)促使鋼鐵內(nèi)的夾雜比較細(xì)碎,分布相對(duì)均勻,,雖仍須鍛打去渣,、成型,但排渣,、碎渣所需的鍛打次數(shù)也相應(yīng)的減少了,,節(jié)省了制作低端制品時(shí)的人力成本(高級(jí)貨仍需要多次反復(fù)鍛打,如百煉鋼制品),。綜上所述,,可見(jiàn)在成本方面,生鐵冶煉也有著不小的吸引力,。

▲反復(fù)折疊鍛打有利于排渣,,使夾雜更細(xì)更均勻




未來(lái) 





中國(guó)在生鐵冶煉上的探索,為人類的未來(lái)提供了可能,,也因?yàn)樯a(chǎn)出來(lái)的大量鐵質(zhì)工具,,帶來(lái)漢代中國(guó)在生產(chǎn)力上的飛躍,使得中國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)總值,,直到明清時(shí)代依然冠絕全世界,。而歐洲在16世紀(jì)后,也開始普及生鐵冶煉,,促成了大型鋼鐵制品的蓬勃發(fā)展,,并為日后成熟的高爐冶鐵技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),是不折不扣影響人類未來(lái)結(jié)束發(fā)展的一項(xiàng)偉大嘗試,。

參考書目:

《世界冶金發(fā)展史》

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

《滿城漢墓發(fā)掘報(bào)告·上冊(cè)》

《徐州獅子山西漢楚王陵出土鐵器的金相實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)城戍所遺址出土鐵器的實(shí)驗(yàn)研究———兼論炒鋼工藝的一種判據(jù)》

《鹽鐵論·卷六·水旱》

《武庫(kù)永始四年兵車器集簿》

《漢代鐵質(zhì)農(nóng)具研究》

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