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        漢代冶鐵技術(shù)

        2020-11-23 06:30:44李廣進(jìn)
        軍事文摘·科學(xué)少年 2020年11期
        關(guān)鍵詞:含碳量鼓風(fēng)生鐵

        李廣進(jìn)

        在古代中國(guó),鐵的使用時(shí)間晚于金和銅;在古代世界,中國(guó)冶鐵技術(shù)的起步晚于赫梯王國(guó)(小亞細(xì)亞?wèn)|部的國(guó)家)和兩河文明(底格里斯河和幼發(fā)拉底河之間的西亞文明)。所以,無(wú)論是在中國(guó)古代科技的語(yǔ)境里,還是在世界冶鐵史的發(fā)展中,中國(guó)的“鐵器文明”都屬后起之秀。但是,鐵的優(yōu)良性能一旦被中國(guó)古人破曉,便使“ 銅”不得不望其項(xiàng)背,走下了“唯我獨(dú)尊”的神壇;而冶鐵技術(shù)一旦被中國(guó)古人掌握,便不斷被創(chuàng)新升級(jí),科技含量一路扶搖直上,在整個(gè)冶金史中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

        鐵自身的化學(xué)性質(zhì)命中注定它只能做后來(lái)者,因?yàn)樵谧匀唤缰校F難以單質(zhì)的形式存在,相對(duì)于金和銅而言,自然不易被發(fā)現(xiàn)。但是鐵在自然界中分布廣泛的潛在優(yōu)勢(shì),又致使它蘊(yùn)含有不可估量的生產(chǎn)力因素。

        在中國(guó)科技館“華夏之光”展廳里,便有仿制的漢代冶鐵爐,此展項(xiàng)依托河南鄭州古滎鎮(zhèn)冶鐵遺址出土的冶爐復(fù)原縮小而成,用于模擬古人冶煉熟鐵和生鐵的過(guò)程。

        生鐵和熟鐵的區(qū)別主要在含碳量的不同,生鐵含碳量高,熟鐵含碳量低。生鐵與熟鐵的冶煉技術(shù)遲至春秋中期便日臻成熟,二者在原料、燃料選擇,以及冶煉工藝等方面均無(wú)大異,不同的關(guān)鍵在于對(duì)爐溫的要求。如果爐溫只能滿(mǎn)足1000℃的環(huán)境,則形成塊狀的熟鐵;如果爐溫能夠達(dá)到1200℃,便形成液態(tài)的生鐵,從爐底流出。

        鐵礦石在入爐前要利用鐵砧進(jìn)行打碎,通過(guò)篩選后與木炭一層夾一層地疊放入爐中,然后鼓風(fēng)冶煉即可。提高爐溫是冶鐵技術(shù)的關(guān)鍵所在,因此,冶爐與鼓風(fēng)設(shè)備的技術(shù)改良,是古之匠人畢生努力的方向。

        古人對(duì)冶爐進(jìn)行改造時(shí),一方面增大爐缸的體積,另一方面,則是把爐膛設(shè)計(jì)成橢圓形,如此便可以把空氣輕松地送達(dá)爐缸的中心位置,為碳的充分燃燒提供有利條件。

        對(duì)鼓風(fēng)裝置進(jìn)行改造時(shí),一方面增加鼓風(fēng)器及入風(fēng)口的數(shù)量,另一方面則是創(chuàng)新動(dòng)力來(lái)源,加強(qiáng)風(fēng)壓。

        西漢時(shí)期豎爐所用的鼓風(fēng)皮囊,學(xué)名叫“橐(tuó)”,又稱(chēng)“冶橐”或“爐橐”。山東滕縣宏道院畫(huà)像石有此形象,橐的內(nèi)部裝有撐環(huán),兩端裝有擋板,用風(fēng)管與爐連接。西漢時(shí)期的豎爐通常裝有四個(gè)通風(fēng)口,每個(gè)通風(fēng)口又可使用四個(gè)皮橐鼓風(fēng),這樣爐膛內(nèi)部便會(huì)有四面來(lái)風(fēng)的效果,把爐溫提高至1200℃便不再是難題。

        鼓風(fēng)皮橐的動(dòng)力方式,最開(kāi)始為人力,隨后出現(xiàn)畜力,至東漢初期開(kāi)始使用水力。在最初的“人力”和“畜力”階段,只能靠增加人畜數(shù)量來(lái)滿(mǎn)足工作效率的需求。從上述畫(huà)像石中所傳達(dá)的信息來(lái)看,一個(gè)皮橐至少需要兩人同時(shí)操作,一人負(fù)責(zé)推拉皮橐進(jìn)行鼓風(fēng),另一個(gè)人臥于皮橐下面負(fù)責(zé)皮橐的復(fù)位,因此不難得知,使用皮橐的數(shù)量越多,占用的人力也就越大。

        如果采用“畜力”的方式,一般會(huì)選用馬匹來(lái)?yè)?dān)當(dāng)主角,所以此種鼓風(fēng)設(shè)備又常被稱(chēng)作“馬排”?!度龂?guó)志.魏書(shū). 韓暨傳》中有:“舊時(shí)冶作馬排,每一熟石用馬百匹”的記載,雖然“百匹”之說(shuō)不免有些夸張,但也可間接得知所用畜力不在少數(shù)。

        至東漢初年利用水力的水排出現(xiàn),人力和畜力便逐漸從鼓風(fēng)勞動(dòng)環(huán)節(jié)中解放出來(lái),使冶鐵機(jī)械化程度進(jìn)一步加深,提高冶鐵效率的同時(shí),鐵的質(zhì)量也有了質(zhì)的飛躍??磥?lái),《后漢書(shū). 杜詩(shī)》中:“建武七年(公元31年),南陽(yáng)太守杜詩(shī)造水排,鑄為農(nóng)器,用力少而見(jiàn)功多,百姓便之”的記載并非虛言。

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