鼓風(fēng)應(yīng)用于冶金，在我國(guó)有悠久的歷史。我國(guó)古代先民發(fā)明的鼓風(fēng)設(shè)備主要有皮橐、木扇式風(fēng)箱和活塞式風(fēng)箱。皮橐出現(xiàn)應(yīng)不晚于春秋時(shí)代，是唐宋以前主要的鼓風(fēng)設(shè)備，也是我國(guó)古代社會(huì)使用時(shí)間最長(zhǎng)的鼓風(fēng)機(jī)械，對(duì)我國(guó)冶金業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。因此，對(duì)皮橐的源流、原理、結(jié)構(gòu)及原動(dòng)力的演變等相關(guān)問題加以探討很有必要。

皮橐源流

我國(guó)至遲在夏代已將鼓風(fēng)技術(shù)應(yīng)用于冶金業(yè)。夏代早期主要是通過鼓風(fēng)管用口吹氣的方式向煉爐內(nèi)吹風(fēng)，從而達(dá)到提高冶煉溫度的效果。遼寧凌源縣牛河梁夏家店下層文化（前1900～前1600年）遺址中發(fā)現(xiàn)粘有煉渣的帶有鼓風(fēng)孔的煉銅坩堝爐殘片，是目前所知鼓風(fēng)應(yīng)用于冶金的最早實(shí)物，殘片上的鼓風(fēng)孔內(nèi)壁表面光滑，沒有磨損痕跡，表明鼓風(fēng)器具并未通過鼓風(fēng)孔與坩堝爐相連，推測(cè)其鼓風(fēng)方式可能是用人力吹管鼓風(fēng)（李延祥等：《牛河梁冶銅爐壁殘片研究》，《文物》，1999年第12期）。北京科技大學(xué)冶金與材料研究所對(duì)冶爐上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了復(fù)原，鼓風(fēng)孔分上下兩排交錯(cuò)排列，兩排孔中心間距為8cm，上排兩相鄰孔中心距為12cm，每排有6個(gè)，共12個(gè)，說明當(dāng)時(shí)應(yīng)該是一爐多人同時(shí)向爐內(nèi)吹風(fēng)以進(jìn)行鼓風(fēng)作業(yè)的。略晚于夏家店文化的古埃及古墓的壁畫（約前1500年）上有人力吹管鼓風(fēng)來熔化金屬的場(chǎng)景圖，該圖形象地再現(xiàn)了早期人們利用陶管口吹鼓風(fēng)工作的情景。這是目前發(fā)現(xiàn)的最原始的冶金鼓風(fēng)方式。

到夏代中后期，我國(guó)應(yīng)已出現(xiàn)了早期的鼓風(fēng)設(shè)備。內(nèi)蒙古赤峰市林西縣的大井古銅礦（距今約2700～2900年，時(shí)間為夏家店上層文化）是青銅時(shí)代晚期一處較典型的冶煉遺址。經(jīng)考古發(fā)掘的部分遺址中出土有陶質(zhì)獸首鼓風(fēng)管1個(gè)，管長(zhǎng)33cm，首部?jī)?nèi)徑7cm，中部外徑6cm，尾部稍殘，管首外部結(jié)有爐渣（孫淑云主編：《中國(guó)古代冶金技術(shù)專論》，中國(guó)科學(xué)文化出版社，2003年版）。這一發(fā)現(xiàn)表明，這一時(shí)期的鼓風(fēng)方式應(yīng)是將鼓風(fēng)管通過鼓風(fēng)管孔插入冶爐內(nèi)進(jìn)行鼓風(fēng)。發(fā)掘的冶爐中的橢圓形豎爐，爐口殘存部分長(zhǎng)軸120cm，短軸80 cm，說明這一時(shí)期的煉爐容積較早期有明顯的增大，靠人力吹管鼓風(fēng)顯然不能滿足生產(chǎn)的需要。此外，鼓風(fēng)管插入爐內(nèi)，因爐內(nèi)高溫使氣體膨脹，在通常狀態(tài)下，爐內(nèi)高溫氣流可能通過鼓風(fēng)管外竄，若仍為人力吹管鼓風(fēng)，高溫氣體則會(huì)灼傷鼓風(fēng)者，所以，當(dāng)時(shí)應(yīng)已發(fā)明并使用了原始的鼓風(fēng)設(shè)備來代替人口吹鼓風(fēng)。只是當(dāng)時(shí)用來鼓風(fēng)的設(shè)備實(shí)物，還有待考古學(xué)的進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。

皮橐應(yīng)是在原始鼓風(fēng)設(shè)備的基礎(chǔ)上逐步改進(jìn)而成的，至遲在春秋時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)。春秋及以后的文獻(xiàn)中有較多的關(guān)于皮橐的記載，在古文獻(xiàn)中皮橐被稱為橐、爐橐、韋囊、鞴囊等。如《老子·道德經(jīng)》載：“天地之間其猶橐乎”，這是目前所見關(guān)于皮橐最早的文獻(xiàn)記載?！豆茏印ま穸取罚骸皳u爐橐而立黃金也?！薄赌印溲ā泛?jiǎn)單記述了皮橐的制作材料及工作方式：“具爐橐，橐以牛皮，爐有兩，以橋鼓之?！薄霸钣盟拈遥ㄇ矣?，以桔槔沖之，疾鼓橐熏之。”《墨子·備城門》載：“救池者，以火與爭(zhēng)，鼓橐，馮外內(nèi)，以柴為燔。”西漢淮南王劉安《淮南子·本經(jīng)訓(xùn)》載：“鼓橐吹，以銷銅鐵?！睎|漢趙曄《吳越春秋·闔閭內(nèi)傳》：“使童男童女三百人鼓橐裝炭，金鐵刀濡，遂以成劍?！薄肮拈已b炭”需三百人，反映了當(dāng)時(shí)冶金規(guī)模之大。以上記載表明，春秋戰(zhàn)國(guó)以來，皮橐不僅被廣泛應(yīng)用，而且成為一種用途廣泛的鼓風(fēng)機(jī)械，被應(yīng)用于冶金、戰(zhàn)爭(zhēng)等領(lǐng)域。到了唐宋時(shí)期，皮橐逐漸被相繼出現(xiàn)的更為先進(jìn)的木扇式風(fēng)箱和活塞式風(fēng)箱所取代。

皮橐的原理及結(jié)構(gòu)

1930年山東滕縣出土的漢畫像石刻中，有一幅冶鐵圖，其中左側(cè)部分為應(yīng)用鼓風(fēng)設(shè)備進(jìn)行冶煉作業(yè)的場(chǎng)景。經(jīng)我國(guó)考古界、史學(xué)界的許多專家學(xué)者的研究，一致認(rèn)為圖中由兩人操作的橢圓形物是鼓風(fēng)機(jī)械—皮橐。

1959年中國(guó)歷史博物館王振鐸根據(jù)畫像石刻及有關(guān)的文獻(xiàn)記載，成功復(fù)原了皮橐。材料以木、皮為主。氣囊部分有三個(gè)木環(huán)、兩塊圓板，外敷以皮革制成，由四根木制吊桿懸掛于橫木上；一端圓板設(shè)手柄及進(jìn)氣活門，另一端圓板設(shè)出氣活門及通風(fēng)管道。工作時(shí)，人推拉與圓板相連的吊桿及裝于圓板上的手柄，往復(fù)拉壓皮橐，即可進(jìn)行鼓風(fēng)作業(yè)。

皮橐的出現(xiàn)，奠定了我國(guó)古代冶金鼓風(fēng)設(shè)備的基本原理—即通過進(jìn)出氣門實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)設(shè)備箱體內(nèi)外氣體的流通，靠壓縮箱體內(nèi)的空氣產(chǎn)生一定氣壓的氣流實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)作業(yè)；并且也確定了古代鼓風(fēng)設(shè)備的發(fā)展方向——即通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)來壓縮空氣實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)作業(yè)。同時(shí)，它也在其他領(lǐng)域得到利用，甚至其小型化的皮橐在現(xiàn)代清除精密儀器中的灰塵等作業(yè)時(shí)還在沿用。皮橐是整體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以后出現(xiàn)的木扇式風(fēng)箱采用門扇近似往復(fù)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，到活塞式風(fēng)箱則實(shí)現(xiàn)了活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)雙沖程做功，其技術(shù)發(fā)展的軌跡與皮橐的原理一脈相承。我國(guó)鼓風(fēng)設(shè)備技術(shù)及結(jié)構(gòu)至此日臻成熟。

皮橐對(duì)冶金技術(shù)的提高起到了重要作用，但其缺點(diǎn)是只能單沖程間歇鼓風(fēng)，效率較低。為保證冶煉的效率，克服皮橐僅能單沖程鼓風(fēng)的不足，當(dāng)時(shí)的煉爐應(yīng)是采用一爐多橐同時(shí)鼓風(fēng)作業(yè)，這也許是后來稱之為“人排”、“馬排”、“水排”的原因。

皮橐鼓風(fēng)的自動(dòng)化—馬排、水排

《吳越春秋》記述當(dāng)時(shí)冶煉一爐需要300人“鼓橐裝炭”，勞作極為辛苦?！坝饬σ鄯薄?，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高功效，以適應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需要，人們將畜力、水力應(yīng)用于鼓風(fēng)作業(yè)，發(fā)明了自動(dòng)化的鼓風(fēng)機(jī)械—馬排、水排?！度龂?guó)志·魏書·韓暨傳》記載了馬排、水排的演變過程：“舊時(shí)冶，作馬排，每一熟石用馬百匹；更作人排，又費(fèi)功力；暨乃因長(zhǎng)流為水排，計(jì)其利益，三倍于前?！?/p>

馬排的結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)少有記載，根據(jù)后世文獻(xiàn)關(guān)于以畜力為動(dòng)力的機(jī)械的記載，可推知馬排的原理及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?！吨袊?guó)科學(xué)技術(shù)史·機(jī)械工程卷》中繪制了結(jié)構(gòu)示意圖。豎立一圓木為立軸，在立軸上裝橫桿和大繩輪，由馬拉著橫桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大繩輪，通過繩套帶動(dòng)小繩輪；然后通過安裝在小繩輪上的曲柄，再由連桿和另一曲柄將動(dòng)力傳到臥軸，使其發(fā)生擺動(dòng)；再通過臥軸上的曲柄和另一連桿推動(dòng)皮橐，使其往復(fù)擺動(dòng)，達(dá)到鼓風(fēng)的目的。

水排是通過原動(dòng)機(jī)—水輪將水流的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為鼓風(fēng)所用的機(jī)械能，以推拉皮橐鼓風(fēng)作業(yè)。元代《王禎農(nóng)書》對(duì)我國(guó)古代的立輪式和臥輪式兩種水排的結(jié)構(gòu)有詳細(xì)的記載。

關(guān)于立輪式水排的結(jié)構(gòu)，《王禎農(nóng)書》載：“先于排前直出木，約長(zhǎng)三尺，頭豎直偃木，形如初月，上用秋千索懸之。復(fù)于排前置一勁竹，上帶索，以控排扇。然后卻假水輪、臥輪所列拐木，自然打動(dòng)排前偃木，排即隨入。其拐木既落，引排復(fù)回。如此間，打一軸可供數(shù)排，宛若水碓之制，亦甚便捷?！睏顚捪壬凇蛾P(guān)于水力冶鐵鼓風(fēng)機(jī)“水排”復(fù)原的討論》中繪有末端為木扇式風(fēng)箱的立輪式水排示意圖，即以“秋千索”控制“木”，用“勁竹”以控制“門扇”，使門扇開合作業(yè)，達(dá)到鼓風(fēng)的目的。

對(duì)臥輪式水排，《王禎農(nóng)書》載：“其制當(dāng)選湍流之側(cè)，架木立軸，作二臥輪。用水激轉(zhuǎn)下輪，則上輪所周弦索，通繳輪前旋鼓，掉枝一例隨轉(zhuǎn)，其掉枝所貫行桄，因而推挽臥輪左右攀耳以及排前直木，則排隨來去，冶甚速，過于人力?！崩畛缰菹壬鷮?duì)其進(jìn)行了復(fù)原。

水輪作為原動(dòng)機(jī)最早應(yīng)用于水力糧食加工機(jī)械—水碓。中國(guó)最早出現(xiàn)的應(yīng)是立式水輪（譚徐明：《中國(guó)水力機(jī)械的起源、發(fā)展及其中西比較研究》，《自然科學(xué)史研究》，1995年第1期），最早見于西漢人桓譚的《新論》，用水碓“役水而舂”。水排出現(xiàn)于公元31年，晚于水碓。根據(jù)立輪式水排的結(jié)構(gòu)及相關(guān)文獻(xiàn)記載可知，立輪式水排的出現(xiàn)應(yīng)源于立輪式水碓，是我國(guó)最早出現(xiàn)的水排，東漢杜詩(shī)發(fā)明的水排應(yīng)為立輪式水排。立輪式水排鼓風(fēng)作業(yè)時(shí)，其空回行程是利用“勁竹”的彈力，使皮橐恢復(fù)到初始狀態(tài)，“勁竹”的彈力很難持久保證，所以其運(yùn)行的穩(wěn)定性較差；另外，以“秋千索”控制“木”，結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性不高，效率較低，因此，推測(cè)立輪式水排未能得到很好的使用。到曹魏時(shí)，人們?cè)隈R排的基礎(chǔ)上，改進(jìn)而發(fā)明臥輪式水排。臥輪式水排結(jié)構(gòu)上更為成熟，效率也較立輪式高。水排發(fā)明改進(jìn)后，為后世冶金業(yè)長(zhǎng)期沿用，到唐宋時(shí)期仍有使用。但唐宋時(shí)期的水排，其末端的皮橐已被木扇式風(fēng)箱所取代。

畜力、水力的使用，實(shí)現(xiàn)了皮橐鼓風(fēng)作業(yè)的自動(dòng)化，不僅使人得以從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來，也促進(jìn)了冶金業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。特別是水排的發(fā)明，較早地將水能與風(fēng)能結(jié)合起來，充分反映了我國(guó)勞動(dòng)人民的勤勞和智慧，也反映了我國(guó)古代利用自然能的先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)水平。歐洲直到13～14世紀(jì)才開始將水力用于鼓風(fēng)，到15世紀(jì)水力鼓風(fēng)才得到普及。

（作者單位：鄭州大學(xué)歷史學(xué)院）

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