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钢与铁中的辉煌文明:最早的中国铁器

90年代初,曾经热播过一部引进的动画片,名叫《降魔勇士》。在这部片子里,主角亚汉和他的战友们跟魔界展开殊死的战争,一般的钢铁武器对妖魔怪兽无效,必须用一种神奇的“星星铁”做成武器才可以。相信今天30岁左右的朋友们,一定对这个动画片还有印象。这里的星星铁,就是陨铁。其实,陨铁做的兵器,还真的存在过呢。

1977年,北京市平谷县出土了一件商代的青铜钺。这件器物看上去有些残破,样式也很普通,但器身上除了常见的青色铜锈外,还出现了另一种铜器上极少见的土色锈,经过详细检验,才发现它的刃部为铁,而且是稀有的陨铁(因为内含少量镍的成分,这是人工冶炼的铁所无的),也就是把铁陨石直接加工成了铁刃。

在其他古文明地区,也发现过陨铁制作的器物(古埃及的陨铁物件,美洲古文化多见的陨铁箭头、小刀等),两河流域的苏美尔人直接把陨铁称为“天降之火”,但这些器物大多属于单纯的铁器,而商代的铁刃铜钺以锻、铸工艺使铜和铁结合成型,较为特殊。在此之前,学者们一向认为中国到春秋时期才有铁器,而它的出现将中国用铁的历史推前近千年,意义非凡

陨铁毕竟是天外来客。1990年,一件玉柄铁剑在河南省三门峡市虢国墓地被考古学者们发掘,这柄西周晚期的宝剑虽已残断,甚至落魄得有点像废铁,但可以确定是目前我国出土的最早人工冶炼铁器物之一,比以前将中国冶铁技术定论为春秋晚期至战国早期(即公元前五世纪)的结论,也提前了近三个世纪,现为河南博物院镇院宝藏之一。

玉柄铁剑

中国冶铁技术的起源,很可能是受到了西方影响, 但是由于中国青铜冶炼技术的登峰造极,人们从中不断借鉴,触类旁通地点开了更多的冶铁炼钢的科技树分枝。到了春秋时期通过铁矿石冶炼铁的记载便已层出不穷:《孟子·许行章》中有“许子以铁耕乎”的问话;《吴越春秋·阖闾内传》中也有“采五山之铁精,六合之金英”,“鼓橐装炭”终于制作出干将和莫邪两把宝剑的描写……及至战国时代,块炼渗碳钢(百炼钢)、铸铁(生铁)、韧性铸铁均非罕见之物,为冶铁炼钢手工业在秦汉及后世的大发展打下了坚实基础。

干将莫邪雕像

化学小常识:

都知道熟铁、钢、生铁,其实就是材料中因为碳元素含量不同而出现的不同的形态。一般来说,含碳量超过2%的是生铁,含碳量低于0.05%的是熟铁,含碳量介于0.05%~2%之间的,就是钢。熟铁太软,生铁太脆,都不适合制作武器,做刀剑矛戟,还是得用钢材。根据科技工作者对出土古代铁兵器的检测,大多数也是钢。

最原始的冶铁法——块炼法

人类最早的冶炼法就是把铁矿石放进小而矮的炉子,用木炭做燃料,在较低温度(约1000℃)下,还原出固态铁。

铁矿石

但这个时候炼出的铁结构疏松,常和炼渣及未被还原的铁矿石混在一起,呈海绵状,故称海绵铁(经锻打、挤渣后成为熟铁)。不但如此,这种块炼法反应速度慢(炉子温度低,通风量不足),导致产量低,费工多(还得额外锻打,挤渣),为了取出产品,还得直接把炉子拆了。古代西方长期悲催地原地打转,处在低温炼铁的初级阶段,一呆就是2500多年,而中国很快通过炉膛改良,鼓风升级走进了生铁时代(比西方早1900多年)。

利用皮橐鼓风冶铁

水排示意图,水流带动水轮,进而通过连杆拉动或推进皮橐,向最左侧是高炉里鼓风

在汉代,已经出现非常接近现代冶炼的大型竖炉,由石块砌成,不断可以保证冶铁所需高温,更可以让铁矿石和还原剂木炭充分接触,得到质地匀净,杂质较少的液态生铁,用于直接浇铸铁器或者铸成锭块供再炼钢。同时,人们不再采用早期的皮橐鼓风,不但有牲畜发力的马排,更有使用水力的水排。先进的生产方式不再需要停炉毁炉,生产效率大增,使铁走进千家万户,在军用(兵器铠甲)和民用(农业,工业)大放异彩。

四川大学历史文化学院、成都文物考古研究联合举办的汉代冶铁实验,模仿汉代的高炉,再现汉代人冶铁的流程

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