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东北大学&冶金工程钢铁冶金与秦汉时期中华文明的发展

更新时间:2021-11-20 08:26:10点击:

东北大学&冶金工程

导读

钢铁冶金与秦汉时期中华文明的发展

李延祥 北京科技大学科技史与文化遗产研究院教授、博士生导师,现任国家文物局金属与矿冶文化遗产研究重点科研基地主任、中国考古学会理事、中国科技史学会理事,研究方向为中国冶金考古和冶金史。发表论文数百篇,先后主持国家自然科学基金项目4项,参加国家自然科学基金项目4项、国家重大科技项目3项及教育部、科技部课题多项。

READING GUIDE

学校:东北大学

代表专业:冶金工程

钢铁冶金与秦汉时期中华文明的发展

泉州安溪青阳下草埔冶铁遗址(2019年摄)。新华社发

院校层次:教育部直属高校、“211工程”高校、“985工程”高校、“世界一流大学”建设高校

钢铁冶金与秦汉时期中华文明的发展

郑州古荥汉代冶铁遗址博物馆的冶铁遗址复原。图片来源:郑州广电

地理位置:辽宁省沈阳市

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钢铁冶金与秦汉时期中华文明的发展

8月19日,工人在鞍钢新4号高炉进行高炉出铁作业。专家认为,中国古代生铁冶炼技术的基本原理和现在的高炉炼铁是一样的。新华社发

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钢铁冶金与秦汉时期中华文明的发展

河北藁城台西商代遗址出土的铁刃铜钺。图片来源:河北博物院

历史沿革:

东北大学始建于1923年4月。1928年8月至1937年1月,张学良将军任校长。1949年3月,在东北大学工学院、理学院(部分)基础上成立沈阳工学院;1950年8月,定名为东北工学院。1960年10月,学校被中央确定为全国重点大学。1993年3月,复名为东北大学。1997年1月,原沈阳黄金学院并入东北大学。 学校在河北省的秦皇岛市设有东北大学秦皇岛分校。

学科建设:

我们这个讲座,主要是介绍战国至秦汉时期我国钢铁冶金技术的发展,以及它对我国古代文明在这个时期的发展壮大的推动作用等问题。

我们为什么要讲秦汉时期的钢铁冶金技术呢?主要是在这个时期,中国以生铁为基础的钢铁冶金技术体系基本形成,开始对中华文明的发展壮大产生重大作用,特别是在中原的汉王朝与边疆新兴起的一些势力的斗争过程当中,钢铁冶金技术起到了非常重要的作用。

以前,由于各个学科的一些隔阂和研究的不充分,这个问题没有得到应有的阐释,所以现在我们把它作为单独的内容来讲解它,以便更好地总结历史经验教训。

学校拥有3个一级学科国家重点学科,4个二级学科国家重点学科,1个国家重点(培育)学科;24个一级学科博士点,121个二级学科博士点,35个一级学科硕士点,182个二级学科硕士点, 19个博士后流动站。

品牌专业:

冶金工程、自动化、公共事业管理、软件工程、安全工程、计算机科学与技术、材料成型及控制工程

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陨铁之源

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说起钢铁,古代最早使用的铁,是从天上掉下来的陨铁。现在我们人类经常能够观察到天空中的流星,流星就是陨星,它其中的一部分就是陨铁。陨铁在太空的飞行过程中,以大约每百万年降低1~100摄氏度这么一个缓慢的速度来冷却,因而形成了陨铁非常独特的粗大的晶格组织。晶格有时候能达到几厘米,人类不需要用显微镜就能看得很清楚,而且陨铁往往还有特别的成分,比如都要含镍,一般是5%~10%的镍含量。陨铁降落在地球表面的过程中,小一些的就在大气层阶段就燃烧没了,但是那些大一点的会掉落在地表被人类所发现。目前世界上最大的陨铁是在南非发现的“霍巴陨铁”,重60吨,已经入选世界自然文化遗产。我国有清代降落的全世界第三大的陨铁,目前展示在新疆地质博物馆。

在历史上,人类很早就知道陨铁是从天上来的,并对它加以利用。古代两河流域文明的苏美尔人就把陨铁称为“天上的铜”。曾经生活在如今土耳其北部的古代赫梯人,也说这铁是采自天上,古埃及纸草书中也有相关记录。我国古代文献记载了多次陨铁降落事件,比如公元前368年(秦献公十七年),公元1064年(北宋治平元年)等。截至20世纪80年代,全世界发现了许多陨铁制品,其中在西亚一带,年代在公元前1200年以前的陨铁制品就有28件。我国到目前为止也发现了一些古代陨铁制品,有名的包括1972年河北藁城出土的商代的铁刃铜钺和1977年北京出土的铁刃铜钺,以及河南三门峡出土的西周铁援铜戈等。经过科学检测,这些铁器的年代都是在历史上正规铁器出现之前,成分属于陨铁。名列世界三大名剑之一的克力士剑,因为产自马来半岛而被我国称之为“马来刃”,也是用陨铁制造的。

在历史上,人类在使用陨铁之后,渐渐就认识到,还存在着这样一种与铜不一样的金属,于是人类就开始想办法冶炼并获得陨铁这样的金属。

寻找钢铁

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工学-材料类-冶金工程

学制:4年

学位:工学学士

专业概况:

冶金工程专业培养具有较扎实的冶金工程专业基础理论和专业知识,能够在钢铁冶金及有色金属冶金领域从事产品开发及工艺设计、生产组织与管理、技术开发、科学研究等方面工作的高级工程技术人才。

核心专业课:

冶金工程概论、传输原理、金属学原理、金属材料及热处理、冶金物理化学、钢铁冶金学、有色金属冶金学、材料现代分析方法、耐火材料等。

学科要求:

该专业对物理、化学科目要求较高,适合对金属研究、制造有兴趣的学生就读。

接下来我们简单介绍一下钢铁的种类和它的基本知识。简单来说,钢和铁不是一回事,不过钢铁的最基本特征是它是碳和铁这两种元素的合金。钢铁的最基本组织或者按照化合物角度来说,主要包含铁素体和渗碳体,有的时候还有石墨碳,这三个要素的互相组合搭配,形成不同的组织,最终形成不同性能的钢或者铁。我们通常以4.3%含碳量为界,再以2.14%含碳量为界来划分钢铁组织。不含碳或者含碳非常少,在0.022%以下的,称之为熟铁。含碳量在2.14%~4.3%这附近的叫生铁或者铸铁。在0.05%~2.14%区间的称之为钢。生铁分为三种,其中的共精白口铁,含碳量正好是4.3%这个位置,低于这个含量的叫作亚共晶白口铁,高于这个含量的叫作过共晶白口铁,它们有不同的组织。

处于含碳量中间位置的钢,又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢等等。我们平时常用的钢基本停留在0.76%含碳量这个位置附近,含碳量1%以上、0.8%以上的使用都比较少。钢在不同的温度下处理就会有不同的组织。这些组织在钢铁冶金里又分成许多的体,比如奥氏体、珠光体等等。钢铁的热处理包括淬火、退火、回火、正火,都是在一定的条件下通过缓慢或者快速冷凝,然后再加热,目的是获得更好的组织,然后让里边出现一些应力释放,使钢铁的产品具备良好的机械性能,能够经久耐用。

从钢铁的分类来看,最好用的是钢,但是钢是不能直接提炼出来的,人类必须通过铁来炼钢,相应的就有两种炼铁方法,一个是从含碳量低的地方开炼,即所谓的块炼铁技术。这个技术在历史上也发明得比较早,根据学者的研究,最早可能出现在距今三千四五百年前的西亚一带。块炼铁技术是在较低温度下,在碗式炉中冶炼熟铁,它能够排除液态的炉渣,但是这个方法不能把铁彻底融化,只能形成一种半融化的海绵状态的铁,叫作海绵铁。在古代,这种方法是在中国文明圈以外的国家通行的。这种技术的炉子不会很大,外形像碗一样,直径通常在七八十厘米左右,直径达到一米的就算比较大的了,炉的高度也就是1米到1米5左右。我国也发现过一些早期的块炼铁法制品,比如陕西宝鸡益门出土的春秋时期金柄铁剑,以及河南三门峡虢国墓地出土的玉柄铁剑,还有内蒙古鄂尔多斯出土的春秋铁器等等。

就业方向:

毕业生适合到大中型冶金企业、冶金相关设备制造、冶金原辅材料生产销售等行业从事产品设计、生产、技术开发、生产组织和管理、产品销售、科学研究等方面的工作。

那么另一种冶炼的方法就是从碳高的那边炼,即生铁冶炼技术。这个方法在古代是中国所独有的,生铁冶炼技术是在几米高的高炉中形成一定的温度、气氛、物料分布带,让生成的铁吸收足够的碳,降低它的熔点,最后在炉底下形成液态的生铁,同时上边会形成含钙高的炉渣,它的基本原理和现在的高炉炼铁是一样的。

比较来看,生铁冶炼技术和块炼铁冶炼技术显然是不同的体系。块炼铁是几个人进行的小规模操作,生产时间短,生产效率低,而且生产出来的铁块,如果体积太大的话,由于古代没有充分的切割条件,古人对这种大块铁甚至都处理不了,这些限制导致了块炼铁法不能炼出太大的铁块,产量也就是几公斤至上百公斤,就算相当不错了。而古代中国采用的生铁冶炼技术,炉子弄个五六米或者七八米高(这都是我国古代采用过的高度),那么一天可以生产出一两吨的生铁,因此生铁冶炼技术的产量优势很明显。另外生铁冶炼技术的效率也比较高,对铁矿石的利用率比较高,其炉渣里的残留铁大约是3%~6%,相比之下块炼铁法的炉渣里边含铁量高达70%~80%。另外生铁冶炼的燃料利用率也是很高的。

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不过,古代的生铁冶炼技术在优点突出的同时,也有自己的局限。所用的炉子的高度在古代都属于比较高的,一两个人是无法完成全部操作的,一般来说需要十几个人才能操作好一个炉子,再加上给冶炼加工配套等等的人力,计算下来,一个炉子的运转恐怕需要几十个人。所以生铁冶炼技术的人力物力消耗也是比较大的。另外它生产出来的生铁制品是可以直接使用的,做生活中所需要的锅碗瓢盆都是可以的,但是生铁的性能还不足以支持做精良的兵器或者耐用的工具,生铁要想做这些还需要后处理,需要一整套的后处理工艺跟着,它才能够得到广泛利用。

北京科技大学、中南大学、东北大学、昆明理工大学、上海大学、武汉科技大学、内蒙古科技大学




所以,与块炼铁冶炼技术相比,生铁冶炼技术是不同的体系,技术上非常先进,相对而言更适合于大型工业化、产业化生产。

古代中国之所以出现了生铁冶炼技术,是有很多技术原因和社会需求因素的。第一个因素是,我国的青铜时代留下了出色的遗产之一,青铜时代的中国先民就拥有很好的冶炼炉子,这种炉子可以直接拿来炼铁。湖北大冶铜绿山古铜矿遗址出土的炼铜炉,经过整体复原之后将近4米高,考察它的结构,证明其完全符合现在高炉冶炼的要求。所以古人把铁矿石装到这种炉子里面冶炼是能出生铁的。长江中下游的遗址中也多次出现古人所炼的半铜半铁金属锭,也证明当时古人使用的炉子还原能力很强。因为铜矿石天然伴生铁矿石,所以古人在炼铜的时候也会把铁炼出来。这种金属锭炼出来之后还需要再处理才能得到铜,不过如果矿里边含铜很少,可能直接炼出来铁了。

第二个因素仍旧来自青铜时代留下的优秀遗产。我国先民在青铜时代发明了一整套的陶范铸造技术,古人用这套技术平移过来之后就能够迅速拥有铸铁能力。秦汉时期古人把这些陶范技术直接平移过来铸铁,能铸成各种锅碗瓢盆、铁罐之类的铁器。目前我国发现的最早的生铁制品,是公元前8世纪在山西曲沃天马—曲村遗址发现的两件铸铁器残片,以及江苏六合程桥出土的铁丸(公元前6世纪—5世纪)。到了春秋末年战国初期,更多的生铁冶炼制品出现了,分布的地点则是中原以及中原周边地区。

第三个因素属于社会因素,在古代,以生铁为基础的钢铁冶金技术体系工艺复杂,规模宏大,必须有强大的社会组织才能支撑,只有战国至秦汉时期开始形成并不断强化的大一统中央集权才能为这一技术体系提供充足的保障。

古代钢铁冶金技术体系

在生铁基础上古人后来建立了一整套早期的技术体系。古人制钢有两种方法,一种是从竖炉出来生铁之后,直接铸造成型,取其铸造的高效率,然后把铸造的东西脱碳成钢,再后来就发展成把出炉的生铁直接炒炼,就像炒菜一样,使它脱碳成钢。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一定的分解,从而改善产品的性能,这都是在铸造基础上进行处理的,所以铸造这个东西要比锻造成型效率高,做好了陶范,一炉铁水下来,一天就能够一次浇成几百个甚至几千把锤子之类的工具,而要使用手工锻造的话,可能一天也就只能打造一把锤子,效率的差距非常大。

从战国时期开始到东汉时期,中原地区以生铁为基础的钢铁冶金技术体系基本成形了。

接下来我们看一看一些特别的产品。生铁韧化也叫展性铸铁,它是在900摄氏度的稍高温度下较长时间的退火处理,生铁中的渗碳体分解成的石墨聚集成团絮状,得到了韧性铸铁。根据分解不同的形状又有不同的称呼,对铸件性能有所改变,不会像以前生铁铸件那么脆。这个技术是我国先民在公元前5世纪发明的,一直使用到公元9世纪以后,延续了1300多年,之后这个方法在中国就不太用了,采用了其他的制钢技术。而到了工业革命前后,西方又重新发明了这个技术。关于这个技术,现在也有一些出土文物,比如有出土的战国时代铁锄经过检测,里面石墨成球状,不过古人确实不知道这里边石墨变成了球状。

另一个技术是生铁固体脱碳,虽然生铁含碳量高,太脆,质量不好,但是生铁易于铸造。于是在生铁铸造成型之后,在高温下氧化气氛炉中退火,只要时间和温度控制合适,能够避免里边的石墨析出,使铸件脱碳成为钢或熟铁制品。比如洛阳水泥厂出土的铁锛,它里边还是原来生铁的组织,而表面已经脱碳成钢了,这个铁锛就具有某些钢的质量,用起来就非常好用了。所以铸造成型,用这个方法脱碳,既取铸造的高效率,又取脱碳方法的高质量,这个非常巧妙的方法,也是古代中国独有的。

还有一项重大的技术就是炒钢技术。我们通过做的文物检测和分析一些文献,认为这个技术至迟在公元前2世纪就出现了,不过我们怀疑这个技术可能出现得更早。因为现在还有一些文献和文物的线索。这种技术是以液态生铁为原料在炒炼炉中进行搅拌翻炒,在这个过程中空气里的氧把铁水表面上的碳氧化成二氧化碳而脱除,碳含量逐渐减少,生铁就向钢的方向转移了。这样生产出来的钢就叫作炒钢,如果脱碳脱得多了那么出来的产品就是低碳钢甚至熟铁,再对其进行锻造,就能用来制作精良的兵器或者农具、工具。这个技术发展到后来,发展成联合化生产,也就是这边高炉刚炼出铁水,那边就直接进行炒钢了,不用再把生铁拿到别处去重新融化、浪费燃料和时间。这套工艺在明代宋英星的记载里就有了。不过文献记载我们还可以追溯更早,东汉于吉在《太平经》里有一段描写铸名剑莫邪的记载,其中就提到铁烧冶成水,然后就是良工万锻之。我们推测,这中间有个环节,如果不进行炒钢的话,后面的良工万锻是无法进行的。虽然这是一个间接记载,但是我们还可以通过出土文物来判断,炒钢技术是很早就出现了的,比如我们在临淄故城遗址中就发现了炒钢渣等等。

炒钢技术的出现,在世界历史上都是很重要的一件事情。英国17世纪开始发明了用生铁冶炼熟铁,后来用反射炉来炒,一直用到1930年左右,炒钢被称为是“震撼大地”的发明,近代工业革命中的一些基础内容,比如制钢等都是来源于此。炒钢中有一种非常有名的制品叫百炼钢,百炼钢不是一个单独的钢种,它最早出现于公元前2世纪,是用炒钢甚至用熟铁折叠锻打形成的一种“宝刀”,百炼钢锻打之后,会成一层高碳一层低碳的结构,既有一定的柔韧度又非常锋利,是我国古代钢铁材料中质量最高的产品。文物方面,有山东临沂出土的东汉三十炼环首钢刀,以及江苏徐州出土的东汉五十炼钢剑。关于这类产品的记载在三国以后就逐渐减少了,文献记载中曹操曾经在建安年间命有司制作“百辟钢刀”,其子曹植曾写《宝刀赋》。值得注意的是,百炼钢工艺对我国古代文化也产生了一定影响,比如成语中的千锤百炼、百炼成钢等等。百炼钢也曾传到国外,公元1世纪的罗马博物学家普林尼在其名著《自然史》中提到,虽然铁的种类很多,但没有一种能和中国的钢相媲美。

战国及秦汉时期钢铁技术的重大作用

刚才我们给大家介绍了中国古代建立在生铁之上的钢铁冶金技术体系,以及一些重要发明的实物及文献记载。这套钢铁冶金技术在战国至汉代这一时期起到过重大作用,促进了我国在这一时期的文明大发展。

战国时期冶铁技术已经非常发达,文献中有关于当时几大冶铁富豪的记载。当时各诸侯国诸如齐国、燕国、赵国、楚国、韩国等都有自己的炼铁中心,秦国在商鞅变法之后就开始设铁官,司马迁的先祖就担任过这个职务。陕西韩城至今还留有当年秦国冶铁的遗迹。

到了西汉武帝统治时期,文献记载全国设置了49处铁官,现在发现的是汉代冶铁遗址有36处,分布于中原内地及边疆地区,简而言之,我们现在有大钢铁厂的地方,其附近几乎都会有秦汉时期的钢铁冶炼遗迹,比如说邯钢、舞钢、莱钢等等附近都有,东北的鞍钢附近也有汉代的冶铁遗迹。从考古发现来看,汉代铁官实际上不止49家,我们后来发现内蒙古长城沿线还有大片的冶铁遗址,这些可能是当年在当地屯垦的汉军搞的,司马迁可能没看过相关记录,或者这些地方是在司马迁去世之后形成的。河南郑州发现的河南郡第一冶铁作坊,面积12万平方米,包括炉基2座,竖炉有效高度6米,容积50立方米,根据估算,日产生铁约1吨。另外汉代史料还记载了两次高炉事故。比如《汉书·五行志》就记载:“成帝河平二年(公元前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散如流星,皆上去,与征和二年(公元前91年)同象。”这个记载是说当时化铁的高炉发生爆炸,13个伺候炉子的工人吓跑了。这也侧面证明当时高炉的运行是需要很多人力的。

在这个时期钢铁技术的第一个作用,就是推动农业手工业的全面铁器化。当时各地都开始出现铁农工具取代木石工具的现象。成书于战国时期的《管子》一书记载:“一农之事,必有一耜、一铫、一镰、一耨、一椎、一铚,然后成为农。一车必有一斤、一锯、一釭、一钻、一凿、一銶、一轲,然后成为车。一女必有一刀、一锥、一箴、一鉥,然后成为女。”这些生产工具指的全是铁工具。当时出现了重要的农业生产技术——牛耕,用牛拉着铁制大犁铧进行耕地,大大提高了农业效率。很多汉代画像石表现了这样的牛耕方式,辽宁辽阳出土的汉代铁质犁铧达到40厘米宽。铁制工具的推广还推动了当时的水利工程建设。战国至秦汉时期出现的众多著名工程,比如都江堰、郑国渠、灵渠、鸿沟等等,其背后都有铁工具的贡献。

铁制农具的广泛使用和水利工程的修建,促使战国中晚期以后农业发生了重要变革。战国时期魏国李悝估计,一个农民耕种产出的粮食可够五人食用。《荀子》一书也谈到,“中农食七人”,《战国策》记载当时耕作的收获量大约是种子的10倍,而欧洲到了13世纪时候平均也只有3到5倍。

这个时期钢铁技术的第二个作用,就是推动兵器的全面铁器化。以往青铜时代主要是青铜兵器,铁器时代到来后就开始全面地铁器化。战国时代出土的铁兵器总量已经达到了同时期总兵器数量的52%,铁兵器的推广在战国时代的诸侯争霸以及秦统一战争中都发挥了重要作用。比如说当时的一种兵器“镶”,属于用优质钢铁制造的可攻可守的兵器,长度超过一米的钢制环首刀、剑更是威力强大的兵器。

钢铁技术的发展优势,在西汉武帝与匈奴的战争中充分表现。经过西汉初年60多年的休养生息,到了汉武帝时期经济和军事实力大大提升,汉武帝开始对匈奴展开大规模反击。当时汉军与匈奴交战,打仗的优势之一就是兵器。汉武帝之后的汉元帝时期,汉将陈汤率领部下千里奔袭北匈奴成功,斩杀郅支单于,陈汤回来之后向皇帝报告说,“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”。陈汤说匈奴兵5人才能匹敌汉军1人,后来获得了一些汉朝技术得以改进,但是仍旧需要3人才能匹敌汉军1人。从考古发现来看,最初匈奴的刀剑大约是以鄂尔多斯青铜剑为代表的青铜兵器,最多不能超过60厘米上下,如果再想铸长,因为质地和工艺问题,就要折断了。后来匈奴也学会了冶铁制兵,但是效果也不是很好,刀剑的长度最多也就是60~70厘米,对比汉代铁制兵器还是有劣势的。

所以我们总结战国到汉代这一时期,我国出现的当时世界上独一无二的生铁冶炼技术,以及建立在其基础之上的钢铁技术体系,可以说是中华民族历史上最伟大的发明之一。这套钢铁冶金技术,以其相对较高的生产效率,为我国古代先民在农业、手工业、军事等等方面的发展都提供了充分的技术保障。

来源:光明日报