中國古代煉鋼技術
我國古代煉鋼技術至遲發明於春秋晚期。由先秦到西漢中晚期﹐主要制鋼工藝是塊鐵滲碳法﹔由漢代到明清﹐主要又是炒鋼法和灌鋼法﹐其次還有百煉鋼法和炒鐵滲碳法﹐漢魏南北朝時還有“鑄鐵脫碳鋼”﹐漢代還有坩堝煉鋼法。炒鋼工藝主要生產一般的可鍛鐵（包括鋼和熟鐵）﹐灌鋼工藝主要生產含碳較高的刃鋼﹐百煉鋼是對普通炒鋼的再加工。“鑄鐵脫碳鋼”和炒鐵滲碳鋼工藝將在第五章介紹﹐這裡主要討論其他五種。
一、煉鋼術的發明和塊鐵滲碳鋼之使用
今在考古發掘中所見我國最早的鋼制器物是1976年長沙楊家山出土的春秋晚期鋼劍﹐劍全長38.4厘米﹐身長30.6厘米。經分析﹐含碳量約與中碳鋼相當﹐組織均勻致密。長沙鐵路東站建設工程文物發掘隊﹕《長沙新發現春秋晚期的鋼劍和鐵器》﹐《文物》1978年第10期。可知我國古代制鋼術至遲在春秋晚期便已發明。戰國中晚期後﹐煉鋼術在我國南北許多地方都迅速發展起來﹐並首先在南方的楚國達到較高水平。《史記﹖范雎列傳》雲﹕秦昭王臨朝嘆息曰﹕“吾聞楚之鐵劍利而倡優拙。”《荀子﹖議兵》亦雲﹕“宛鉅鐵□﹐慘如□蠆。”“宛”治所在今南陽。“鉅”即鋼﹐“□”即矛。《荀子﹖議兵》楊倞注。此鋒利的“鐵劍”、“鐵矛”﹐顯然由鋼制成。中原的韓國也制作了許多鋒利兵器﹐《戰國策﹖韓策一》說﹕“韓卒之劍戟﹐皆出於冥山、棠溪、墨陽、合伯（膊）、鄧師、宛馮、龍淵、太阿。皆陸斷馬牛﹐水擊鵠雁﹐當敵即斬。”這些鋒利的劍戟﹐後世學者一般都認為是鋼鐵所制。其中的冥山（今信縣境）、棠溪（西平縣境）、合伯（西平縣境）、馮池（滎陽縣境）《史記﹖蘇秦列傳》引“徐廣曰﹕滎陽有馮池”。索隱﹕“宛人於馮池鑄劍故號宛馮”﹐“鄧國有工鑄劍﹐因名鄧師。”鄧國在今河南漯河市東南。、龍泉、太阿（均在西平縣境﹐今為舞陽鋼鐵廠管轄）等處都發現了古代冶鐵遺址。董文安﹕《韓國十大寶劍產地初考》﹐全國金屬學史學術討論會論文﹐1989年﹐舞陽。墨陽在今河南淅川縣。1965年﹐河北易縣燕下都第44號墓出土鋼鐵劍15枚、矛19枚、戟12枚等﹔人們分析了其中的6枚兵刃器﹐除1枚為塊煉鐵外﹐其余5枚皆由鋼制成。北京鋼鐵學院壓力加工專業﹕《易縣燕下都44號墓葬鐵器金相考察初步報告》。《考古》1975年第4期﹐發掘報告見同刊同期《河北易縣燕下都44號墓發掘簡報》。說明當時北方的燕國制鋼術亦已發展起來。
人類早期冶煉的鋼一般都是在低溫還原冶煉後再經滲碳而成﹐整個過程約分兩步﹕第一步先由礦石煉取塊煉鐵﹐第二步再由塊煉鐵滲碳成鋼。此滲碳過程中要不斷地折疊鍛打﹐以幫助碳的擴散。這樣得到的鋼便叫塊鐵滲碳鋼。燕下都鋼劍等兵器就是由這種鋼制成的。如若控制得當﹐也有不經第二步﹐而一次還原冶煉成鋼的﹐這種鋼便叫塊煉鋼或自然鋼。這兩種鋼的強度和硬度均較塊煉鐵為高。其缺點是﹕（1）含碳量一般較低。（2）碳分布往往不夠均勻。（3）鋼中所含夾雜往往較多。（4）生產率較低。在中原文化區﹐這種制鋼工藝一直沿用到西漢中期﹐之後由於炒鋼的發明和發展而漸被取代。滿城漢墓出土的劉勝鱔r﹕痛斫鶚櫚兜冉雜煽樘□□幾種瞥桑□浼性右呀涎□露幾紙Ｎ□□□櫓□嘟現□□戎旅堋Ｕ庵指種饕□美粗譜韉督５缺□舋鰨□┬島褪止□抵惺褂蒙跎佟?
二、炒鋼及其工藝操作
炒鋼工藝是一種半液態冶煉。它以生鐵為原料﹐把生鐵加熱到液態半液態後﹐利用鼓風中的氧使生鐵脫碳到鋼和熟鐵的成分范圍。冶煉過程中要不斷地炒動金屬。古謂之“擣剛”﹐本世紀五十年代以前﹐習謂之炒鐵、炒“熟鐵”。
（一）炒鋼的發明和發展
我國古代炒鋼技術約發明於西漢中晚期﹐今見較早的遺物有﹕鞏縣鐵生溝、南陽瓦房莊、新安孤燈村等冶鑄鐵遺址出土的漢代炒鋼爐﹐以及鐵生溝出土的鐵塊、殘鐵鋤、鐵臿等14件炒煉產品。鐵生溝炒鋼爐系向地下挖出的缶形小坑﹐內塗耐火泥﹐長0.37米﹐寬0.28米﹐殘高0.15米﹐爐壁已被燒成黑色﹐內中殘存一鐵塊。河南省文化局文物工作隊﹕《鞏縣鐵生溝》﹐文物出版社1962年版﹐趙青雲等﹕《鞏縣鐵生溝漢代冶鑄遺址再探討》﹐《考古學報》1985年第2期。我國古代關於炒鋼的記載始見於東漢中晚期。《太平經》卷七十二雲﹕“今軍師兵﹐不祥之器也……有急乃後使工師擊治石﹐求其中鐵﹐燒冶之﹐使成水﹐乃後使良工萬鍛之﹐乃成莫邪耶﹖”此“莫邪”指鋒利兵器。“燒冶之”等三句所指即是炒煉及其制器的全過程。《太平經》系道家著作﹐基本上保持了東漢中晚期的原貌。
炒鋼的發明﹐迅速地改變了我國社會可鍛鐵的使用情況。1952-1953年﹐洛陽燒溝發掘了225座西漢中期至東漢晚期墓葬﹐出土鋼鐵刀116枚、劍33枚、矛5枚、斧4枚﹔而在青銅兵器刃器中﹐隻有銅刀7枚（儀仗器）﹐矛1枚﹐無劍。中國科學院考古研究所﹕《洛陽燒溝漢墓》﹐科學出版社1959年版。1957-1958年﹐洛陽西郊發掘217座同一時期的漢墓﹐出土鋼鐵刀52枚﹐劍58枚﹐1枚﹐斧1枚﹔青銅兵刃器隻有刀1枚。中國科學院考古研究所洛陽發掘隊﹕《洛陽西郊漢墓發掘報告》﹐《考古學報》1963年第2期。西漢中期以後﹐除了弩機和鏃仍然較多地使用青銅外﹐其他兵器刃器已多用鋼鐵制作﹐其原料顯然是炒鋼。這樣﹐鋼鐵器物便在農業、手工業、軍事三方面完全取代了青銅和木石的主導地位。
炒鋼工藝在我國由漢代一直沿用到明清。有關記載在唐《夏侯陽算經》、宋蘇頌《圖經本草》、明唐順之《武編前編》、趙常吉《神器譜》、朱國楨《湧幢小品》、清屈大均《廣東新語》等書中都可看到。《廣東新語》卷一五“貨語﹖鐵”條說﹕“其炒鐵則以生鐵團之入爐﹐火燒透紅乃出而置砧上﹐一人鉗之﹐二三人錘之﹐旁十余童子扇之﹐童子必唱歌不輟﹐然後可煉熟而為鑊也。”1920年出版的耿步蟾《山西礦務志略》卷五說﹕“將煉出之生鐵加煤末燒之﹐使化為鐵汁﹐冷後復置於炒鐵爐內炒之﹐即成熟鐵。”二十世紀八十年代﹐湖南攸縣等地仍用此法生產。
炒鋼工藝的優點是﹕（1）用作原料的生鐵易於獲得﹐就擴大了原料來源。（2）冶煉在半液態下進行﹐脫碳反映較為迅速﹐生產率較高。（3）成分范圍較寬。據分析﹐鐵生溝所出一件炒鋼料含碳1.288%、硅0.231%、錳0.017%、磷0.024%、硫0.022%﹐與過共析高碳鋼相當﹔另一件成分為﹕碳0.048%、硅2.35%、錳微量、磷0.154%、硫0.012%﹐與今之熟鐵相當。李眾﹕《中國封建社會前期鋼鐵冶煉技術發展的探討》﹐《考古學報》1975年第2期。今世學者常把先煉生鐵﹐後再由生鐵煉鋼的工藝叫兩步冶煉﹐那麼炒鋼的出現便是兩步冶煉的起點﹐在世界冶金史上佔有重要地位。在歐洲﹐與炒鋼相類似的工藝大約在十六、十七世紀才出現﹐整個中世紀佔主導地位的是自然鋼法和塊鐵滲碳法。因此其可鍛鐵供應長時期不夠充分﹐這對社會的進步自然是有影響的。
炒鋼法是我國古代可鍛鐵生產的基本工藝﹐其主要用途有三﹕（1）制作一般鍛件。由漢到明清﹐我國一般鍛件﹐包括生產工具、生活用具和兵刃器中的鍛件大約都是炒鋼及其再加工的產品制成的。（2）用作百煉鋼的原料。（3）用作灌鋼的原料。
（二）炒鋼的工藝操作
我國炒鋼主要有三種不同的工藝類型﹕
（1）單室式炒煉。基本特點是金屬熔煉與燃料燃燒同在一個爐膛中進行。此法發明較早﹐沿用時間較長﹐前述鞏縣鐵生溝、南陽瓦房莊、新安孤燈村漢代炒煉法皆屬此類。本世紀五十年代﹐河南、山西等地都曾流行過一種“地爐”﹐築爐於地面以下﹐狀如缶形或直筒形﹐爐口與地面平直。冶煉時先放木炭（煤炭）﹐後放生鐵﹐生鐵需擊碎﹐上面再蓋以煤末。之後再點火、送風、封閉爐口。生鐵接近熔化時﹐啟開爐口﹐用鐵棍或木棍不斷地攪動金屬。隨著炒煉之進行﹐碳分不斷降低﹐金屬熔點升高﹐便粘結成一個海綿狀固體塊﹐之後夾出錘擊﹐排除夾雜﹐並賦予一定形狀﹐便是炒煉產品。南方一些省分又流行過一種“台爐”﹐築爐於專門的爐台上﹐並有一個較大的加熱兼炒煉空間。溫州地區的炒爐以磚砌成﹐狀如雞籠﹐爐底接近地平面﹐炒煉室是一個不規則的長方形空間﹐爐子正面設一爐口﹐在此進料、操作、出鋼﹐並由此逸出廢氣﹔鼓風從爐底進入﹐並正對爐底正中﹔操作法與地爐大同小異。湖南攸縣也有類似的爐子溫州炒煉工藝系1977年調查﹐攸縣炒鋼系1980年調查﹐當年皆在生產。單室式炒煉的優點是設備簡單﹐缺點是因金屬與燃料直接接觸﹐所含有害夾雜往往較多。
（2）雙室式炒煉﹐或叫反射爐（倒燄爐）炒煉。基本特點是燃料燃燒與金屬熔煉各佔一個獨立的空間。燃料燃燒產生的高溫火燄流越過火牆（火道）進入熔煉室﹐並加熱金屬ㄐ慼撢洢i□嘔蜃□派柚玫難檀雅懦觥Ｒ蚱浣鶚舨揮肴劑現苯詠喲□□圖跎倭擻瀉υ又柿住17蚪□肫渲械目贍芐浴Ｕ庵至陡址ｕ姆19魘奔浯□肌?1935年出版的《中國實業志（湖南省）》第七編說﹕“湘省邵陽、武岡、新寧、湘潭縣之土法煉鋼﹐由來已久。邵陽原名寶慶﹐所產之鋼﹐稱曰‘寶慶大條鋼’。邵陽附近之武岡、新寧出品﹐均集中於邵陽﹐業中人亦以‘寶慶大條鋼’名之。前清初葉﹐寶慶大條鋼﹐極負盛名﹐而產之多﹐首推邵陽南鄉。”因寶慶大條鋼系倒燄爐所煉﹐由這段記載看﹐反射爐發明年代應在清代初葉以前。今在考古發掘中所見最早的倒燄窯是南京眼香廟發現的明洪武初年所建一排六座琉璃窯。南京博物院﹕《明代南京聚寶山琉璃窯》﹐《文物》1960年第2期。1958年﹐這種倒燄爐煉鋼在我國南北許多地方都使用過。河南魯山的爐子較為簡單﹐兩室左右相近﹐皆築於地面以下﹐鼓風從燃燒室下部進入﹐後從炒煉室頂部進入炒煉室。西安的爐子又另是一個樣﹐炒煉室築於地面以下﹐燃燒室築於地面以上﹐兩室上下疊加﹐燃燒室底部正對炒煉室中心﹐風從燃燒室上部鼓入﹐再經由燃燒室底部火口直射到炒煉室中。燃燒室頂口用蓋板封閉。科技衛生出版社編﹕《土法低溫煉鋼》第六編《最簡單的反射爐煉鋼》﹐1958年版。
（3）串聯式炒煉。有關記載唯見於明代宋應星《天工開物》卷一四“鐵”條﹕“若造熟鐵﹐則生鐵流出時﹐相連數尺內﹐低下數寸﹐築一方塘﹐短牆抵之。其鐵流入塘內﹐數人執持柳木棍排立牆上。先以污潮泥曬幹。舂篩細羅如面﹐一人疾手撒﹖﹐眾人柳棍疾攪﹐即時炒成熟鐵。其柳棍每炒一次燒折二三寸﹐再用則又更之。炒過稍冷之時﹐或有就塘內斬劃成方塊者﹐或有提出揮椎打圓後貨者。若瀏陽諸冶﹐不知出此也。”（圖2-3）此“污潮泥”很可能是造渣熔劑。這裡談到了串聯式炒煉的全過程。此法的優點是生鐵出爐後直接流入方塘炒煉﹐省去了生鐵再加熱的工序﹐從而節省了工時﹐降低了成本。
需要特別注意的是古代“熟鐵”一詞﹐宋應星在上述引文中曾兩次提及﹐在其他古代文獻中也經常看到﹐其含義與現代熟鐵是不同的。古人沒有含碳量的概念﹐區別生鐵、鋼、熟鐵的主要依據是它的使用性能﹐硬且脆者為“生”﹐可鍛者為“熟”﹐其性剛強者為鋼。因炒煉過程是在半液態下進行的﹐渣鐵分離較難﹐產品所含夾雜往往較多﹐即使含碳量較高﹐但其性不剛﹐也隻能稱作“熟鐵”。元人偽撰《格物粗談》卷下“偶記”條雲﹕“地溲油又如泥﹐色黃金﹐氣腥烈﹐柔鐵燒赤投之二三次﹐剛可切玉。”此“柔鐵”即“熟鐵”。蘇恭《唐本草》雲﹕“柔鐵也﹐即熟鐵。”這是以材料性能來區分鋼和“熟鐵”的。蘇頌《圖經本草》雲﹕“初煉去礦﹐用以鑄瀉器物者為生鐵﹐再三銷拍﹐可以作鍱者為鑐鐵﹐亦謂之熟鐵。”蘇恭《唐本草》、蘇頌《圖經本草》皆引自《本草綱目》卷八“金石﹖鐵”。這是以材料性能和冶煉工藝來區分鋼、鐵的。《天工開物》卷十四“鐵”條﹕“凡鐵分生熟﹐出爐未炒為生﹐既炒則熟。”這裡單以冶煉工藝作為區分鋼、鐵的標準。有學者視古代“熟鐵”與現代熟鐵等同﹐把《天工開物》卷十四所載炒煉“熟鐵”的工藝列入煉鐵工藝中﹐這是欠妥的。我們以為﹐從含碳量上看﹐古代“熟鐵”應與今可鍛鐵相當﹐即它應指含碳量為2%以下的所有可以鍛打的鐵碳合金。何堂坤﹕《關於明代煉鋼技術的兩個問題》﹐《自然科學史研究》1988年第1期。
三、百煉鋼及其工藝實質
（一）百煉鋼的產生和發展
如前所述﹐炒鋼冶煉是在半液態下進行的﹐所以渣鐵分離依然較難﹐隻有通過反復鍛打﹐才能進一步排除夾雜。在一定條件下﹐反復鍛打的次數越多﹐夾雜排除越充分﹐鋼的質量就越好﹐於是便產生出一種以“煉數”來標明鋼鐵質量的工藝。何堂坤﹕《百煉鋼及其工藝》﹐《科技史文集》第13輯﹐上海科學技術出版社1985年版。
我國古代標以煉數的鋼鐵加工工藝約始見於東漢早、中期﹐最初有“卅湅”、“五十湅”等。1978年﹐徐州市銅山縣收集到一枚五十湅鋼劍。全長109厘米﹐劍把正面有21字錯金銘文﹕“建初二年蜀郡西工官王愔造五十湅□□□孫劍口。”“徐州市博物館﹕《徐州發現東漢建初二年五十湅鋼劍》﹐《文物》1979年第7期。建初”（76-84年）系東漢章帝年號﹐“湅”同“煉”。1974年山東蒼山縣收集到一枚三十煉鋼刀﹐全長111.5厘米﹐刀背上有18字錯金銘文﹕“永初六年五月丙午造卅湅大刀吉羊宜子孫。”“劉心健等﹕《山東蒼山發現東漢永初紀年鐵刀》﹐《文物》1974年第12期。永初”（107-113年）系東漢安帝年號。此外﹐《貞鬆堂集古遺文》卷十五錄有三把三十湅金馬書刀﹐皆東漢和帝永元（89-105年）年間廣漢郡工官主制。其中一件的銘文為﹕“永元十六年廣漢郡工官卅湅□□□□□□□□□史成長荊守丞熹主。”這“卅湅”和“五十湅”實是“百煉”的早期形式。
從現有資料看﹐“百煉鋼”說約出現於東漢晚期﹐至魏晉南北朝﹐這工藝便達到了比較繁盛的階段。1961年﹐日本奈良縣櫟本東大寺山古墓出土百煉鋼刀一枚﹐全長103厘米﹐背部有24字錯金銘文﹕“中平□五月丙午造作支刀百練清剛上應星宿辟不。”中平（184-189年）系東漢靈帝年號。梅原末治﹕《奈良縣櫟本樂大寺山古墳出土□漢中平紀年□鐵刀（口繪載說）》﹐《考古學雜志》48卷2號。這是今知最早的百煉鋼實物。此時有關記載也多了起來。《藝文類聚》卷五十九引陳琳《武軍賦》說﹕“鎧則東胡闕鞏﹐百煉精鋼。”闕鞏是甲名。《太平御覽》卷龰憬`逡□懿佟賭誚肓睢匪擔□懿僭□鰲鞍倭獨□鰨□員儼幌欏薄＝□薇□豆漚褡Ⅲ坑叻□諞弧吩疲骸拔獯□塾斜Φ度□□□□輝話倭叮□□磺嘍濬□□宦╜啊薄﹗短□接□饋肪砣□牧□□蘸刖啊兜督Ｂ肌吩疲骸笆裰髁醣噶釔言□斕段邇□塚□粵□罰□叭鋅誑唐呤□嗪嫛﹗笨杉□骸６瘛10餿□□賈譜□□鞍倭丁被蟣暌雲淥□妒□拿□獨□﹗﹗督□欏肪硪蝗□查擔□模?407-431年）赫連勃勃稱王時﹐亦曾“造百煉鋼刀﹐為龍雀大環”。《太平御覽》卷六六五引陶弘景說﹕南朝有一種“橫法剛”﹐也是“百煉”而成的。文人學士們也常以“百煉鋼”作喻﹐其中最為膾炙人口的是劉琨《重贈盧諶詩》﹕“何意百煉鋼﹐化為繞指柔。”
唐宋之後﹐因灌鋼工藝的發展等原因﹐百煉鋼有所減少﹐但這工藝形式卻一直沿用下來。《冊府元龜》卷一六九“帝王部”說五代有一種“九煉純鋼”﹐沈括《夢溪筆談》說北宋磁州有百煉鋼﹐宋周去非《嶺外代答》卷六“蠻刀”條說到一種“卅湅”鋼﹐明宋應星《天工開物》卷十“錘鍛﹖斤斧”條、清黃冕《飛炸彈炮說》都談到過“百煉”鋼。百煉鋼工藝還傳到朝鮮和日本。日本奈良縣石上神宮有傳世七支刀﹐刀形如樹枝狀﹐單支均作劍形﹐是百濟王為倭王制作的一種武器﹐劍身有鏤金銘文33字﹕“泰四年五月十六日丙午﹐正陽造百練鐵七支刀﹐世辟百兵﹐宜供侯王□□□□作。”“泰和”（366-371年）為東晉廢帝年號。熊本縣船山古墓出土一把大鋼刀﹐背上有嵌銀銘文和馬形圖案﹐稱“八十湅”﹐可能是公元五世紀之物。《世界考古學大系》第三冊“日本”。百煉鋼工藝對日本刀曾產生許多重要的影響。
（二）百煉鋼的工藝操作
沈括《夢溪筆談》卷三雲﹕“予出使至磁州﹐鍛坊觀煉鐵﹐方識真鋼。凡鐵之有鋼者﹐如面中有筋﹐濯盡柔面﹐則面筋乃見﹐煉鋼亦然。但取精鐵鍛之百余火﹐每鍛稱之﹐一鍛一輕﹐至累鍛而斤兩不減﹐則純鋼也﹐雖百煉﹐不耗矣。此乃鐵之精純者﹐其色清明﹐磨瑩之﹐則黯然青且黑﹐與常鐵迥異。亦有煉之至盡而全無鋼者﹐皆系地之所產。”此“精鐵”指百煉鋼原料﹐應是含碳量稍高﹐所含夾雜不十分多的鐵碳合金。“一鍛一輕”﹐應是不斷去除夾雜﹐氧化鐵皮不斷產生並脫落之故。“累鍛而斤兩不減”應是相對而言的。“煉之至盡而全無鋼”可能是含硫較多、產生熱脆的緣故。這是我國古代文獻中對百煉鋼工藝和原理記述得最為詳細的一段文字。可見“百煉”即是百鍛﹐其中心環節是反復鍛打﹐“百煉鋼”就是去除夾雜後的一種“純鋼”。從現代技術原理看﹐反復鍛打除了排除夾雜外﹐還可均勻成分、致密組織﹐有時亦可細化晶粒﹐從而極大地提高材料質量。許慎《說文解字》雲﹕“鍛﹐小冶也。”這是很有道理的。有學者認為“百煉”的中心環節是滲碳﹐百煉鋼是一種滲碳鋼﹔又有學者認為“百煉”的中心環節是脫碳﹐百煉鋼是一種生鐵脫碳煉鋼﹐這都是一種誤解。我們以為百煉過程中﹐金屬含碳量雖可能有些變化﹐但此非百煉的目的。
關於“百煉”的具體操作﹐從多方面的資料來看﹐至少應包括三種類型﹕
（1）多層積疊鍛合法﹐即把許多塊料積疊並鍛合在一起。這些原料的成分可以相同﹐也可以不同﹔積疊鍛合後也可再次折疊。這有三方面資料可為佐証。
一是文獻記載。據曹植《寶刀賦》雲﹐建安中﹐曹操作寶刀五枚﹐曹操在《內誡令》中稱此刀為“百煉利器”﹐在《百辟刀令》中又謂之“百辟刀”。“辟”者﹐襞也﹐多層積疊、反復折疊也。說明此“百辟”是“百煉”的一種具體方式。
二是實物資料。科學分析表明﹐永初六年“卅湅刀”和建初二年“五十湅”長劍金相組織都明顯分層﹐前者在刃部取樣含碳量約0.6-0.7%﹐夾雜物細薄分散﹐變形量較大﹐分布均勻﹐大體為30層左右。後者刃部組織分為三部分﹐中心部分約可分為15層﹐含碳量0.7-0.8%﹐組織均勻﹔兩個邊部對稱﹐各有20層左右﹐含碳量不甚均勻﹐高碳部分為0.6-0.7%﹐低碳部分為0.3-0.4%﹐總計為50余層。柯俊等﹕《中國古代的百煉鋼》﹐《自然科學史研究》1984年第4期。可見在早期百煉鋼工藝中﹐煉數與組織層數之間存在一定關系。當然﹐未必所有百煉鋼皆是如此﹐“百”當言多﹐而非嚴格的數字指數。
三是日本刀工藝。據研究﹐日本刀的皮部、心部往往都由多層積疊的材料鍛合而成。皮部常用含碳量1.3%左右的“玉鋼”制作﹐先把玉鋼鍛成許多小塊﹐後將其積疊鍛合﹐再橫向、縱向折疊﹐據說要反復折疊23次。心部常用含碳量稍低的“庖丁鐵”與“玉鋼”混合鍛打﹐比例為2：1.鍛合後還要折疊10次以上。內田天夫﹕《大日本刀劍新考》﹐1934年﹐第297、298頁。
（2）單料反復折疊鍛合。未折疊前若材料為一層時﹐經`次折疊後﹐便會出現2n 層。現代龍泉寶劍曾有“九煉”之說﹐“九”亦含“久”意﹐但實際鍛打次數取決於原料質量和對產品性能的要求﹐通常要鍛打半天。日本刀也有類似的操作﹐有人說新刀期要折疊15次﹐得到32768層組織﹔又有人說近世之日本刀不過折疊7-8次﹐得到128或256層組織本間順治﹕《日本刀》﹐巖波書店1939年﹐第34-36頁。﹔在金相顯微鏡下﹐此組織有時能夠分解﹐有時不能分辨。
（3）旋繞鍛合法。魏源《海國圖志》引黃冕《飛炸彈炮說》雲﹕“用鐵條燒熔百煉﹐逐漸旋繞成團﹐每五斤方能煉成一斤。”據調查﹐二十世紀三十年代以前﹐北京寶刀工藝中也有一種類似的操作﹐但其旋繞鍛合的次數視情況而定。
百煉鋼因制作艱難﹐金屬收得率低﹐所以主要用作寶刀寶劍一類名嘀w魑錚□脹ㄈ舋骱蛻□□□哂τ蒙跎佟?
四、灌鋼及其工藝原理
灌鋼工藝是我國古代刃鋼生產的主要方法。它以生鐵和“熟鐵”（一種含碳量較高的炒煉產品）為原料﹐將它們加熱到生鐵熔點以上﹐合煉而成鋼。
（一）灌鋼工藝的發明和發展
我國古代關於灌鋼的記載始見於東漢晚期。《全後漢文》卷九十一王粲（177─217年）《刀銘》雲﹕“相時陰陽﹐制茲利兵﹐和諸色劑﹐考諸濁清﹔灌襞已數﹐質象已呈。附反載穎﹐舒中錯形。”此文所述為制作寶刀的全過程。其中的“灌”即灌煉﹐“襞”原指衣服上的褶襉﹐在此應指鋼鐵材料的多層積疊、反復折疊。“灌襞已數”即是多次灌煉。可見東漢末年﹐人們便用灌鋼制作刀劍﹐其發明年代至遲在東漢晚期。何堂坤﹕《關於灌鋼的幾個問題》﹐《科技史文集》第15輯﹐上海科技出版社1989年版。
稍後﹐晉張協《七命》也談到過與王粲《刀銘》所雲相似的工藝﹕“銷踰羊頭﹐鏷（鍱）越鍛成﹐乃煉乃鑠﹐萬辟千灌﹔豐隆奮椎﹐飛廉扇炭。”此“銷”﹐唐李善引許慎說為“生鐵也”。鍱﹐《廣雅》釋為鋌。李善注雲﹕“辟謂疊之﹐灌謂鑄之”。《六臣注文選》卷三五張協《七命》注。所以﹐此“萬辟千灌”便是指多層積疊﹐多次灌煉﹐即是灌鋼工藝。
南北朝時﹐灌鋼在我國南北各地推廣開來﹐且用於農具制作中。《重修政和經史証類備用本草》卷四“玉石部”引樑陶弘景雲﹕“鋼鐵是雜煉生鍒作刀鐮者”。北齊綦毋懷文亦制作過灌鋼刀。及宋﹐各種記載更多。張君房《雲笈七簽》卷七十八載﹕“灌剛之時﹐必須林栗等炭﹐余皆不堪用。”又雲﹕“取自然成剛鐵上﹐次取擣剛五灌已上者佳。”《重修政和經史証類備用本草》卷四又引北宋蘇頌《圖經本草》雲﹕“以生柔相雜和﹐用以作刀劍鋒刃者為鋼鐵。”灌鋼在我國一直沿用到明清﹐本世紀三十年代還在四川等地流行。
李時珍《本草綱目》卷八“鋼鐵”條﹕“鋼鐵有三種﹐有生鐵夾熟鐵煉成者﹐有精鐵百煉出鋼者﹐有西南海山中生成狀如紫石英者。”前者即是灌鋼﹐次者百煉鋼﹐後者系金剛石之誤。可見在古人心目中﹐灌鋼是我國古代鋼的主要品種之一。因其含碳量較高﹐通常主要用來制作刀、劍、鐮等兵器、生產工具的鋒刃部﹐對我國古代社會生產的發展起到了重要的作用。
（二）灌鋼的工藝操作
宋代以前這方面的記載很少﹐宋以後至少有三種不同的工藝類型。
第一種﹐生鐵陷入法。沈括《夢溪筆談》卷三雲﹕“世間鍛鐵所謂鋼鐵者﹐用柔鐵屈盤之﹐乃以生鐵陷其間﹐封泥煉之。鍛令相入﹐謂之團鋼﹐亦謂之灌鋼。”此“柔鐵”即古代“熟鐵”。此“封泥”的作用有三﹕（1）使鐵料各部分均勻受熱﹐讓生鐵緩慢熔化。（2）防止生鐵熔化後的流失﹐使之更好地與柔鐵作用。（3）防止和減少碳在爐氣中的燒損。
第二種﹐生鐵覆蓋法。宋應星《天工開物》卷一四雲﹕“凡鋼鐵煉法﹐用熟鐵打成薄片﹐如指頭闊﹐長寸半許﹐以鐵片束包尖（夾）緊﹐生鐵安置其土（上）（原注﹕廣南生鐵名墮子生鋼者妙甚）。又用破草履蓋其上（原注﹕粘帶泥土者﹐故不速化）﹐泥塗其底下。洪爐鼓□﹐火力到時﹐生鋼先化﹐滲淋熟鐵之中﹐兩情投合。取出加錘﹐再煉再錘﹐不一而足。俗名團鋼﹐亦曰灌鋼者是也。”此操作比生鐵陷入法又有了一些進步﹕（1）生鐵置於“熟鐵”上﹐熔化後向下滲淋﹐就增加了生、“熟”鐵接觸反應的機會﹐減少了生鐵流失的機率。（2）不需封泥﹐而是上蓋破草履﹐下塗泥﹐簡化了操作。（3）“熟鐵”為薄片狀﹐增加了反應面﹐提高了生產率。
第三種﹐生鐵澆淋法。約始創於明代中期﹐清時在安徽蕪湖﹐湖南湘潭等地都較興盛﹐因傳為江蘇工匠始創﹐又名之為“蘇鋼”。
明代唐順之《武編前編》卷五“鐵”條說﹕“熟鋼無出處﹐以生鐵合熟鐵煉成﹐或以熟鐵片夾廣鐵﹐鍋塗泥入火而團之﹐或以生鐵與‘熟鐵’並鑄﹐待其極熟﹐生鐵欲流﹐則以生鐵於‘熟鐵’上﹐擦而入之。”此“熟鋼”即灌鋼﹐這裡談到兩種操作﹐前者與沈括所雲相類似﹐後者即是蘇鋼工藝。
陳春華《嘉慶蕪湖縣志》卷一也有蘇鋼的記載﹕“居於廛治鋼業者數十家﹐每日須工作不啻數百人。初鍛‘熟鐵’於爐﹐徐以生鏷下之﹐名曰餧鐵﹐餧飽則鏷不入也。於時渣滓盡去﹐錘而條之﹐乃成鋼。”《光緒湘潭縣志》卷十一、1935年出版的《中國實業志（湖南）》第七篇都說到湘潭蘇鋼是乾隆年間從蕪湖傳去的。可知蕪湖蘇鋼應在清代早中期便較發達。
與前二法相比﹐蘇鋼操作的優點是﹕（1）其“熟鐵”僅僅是初鍛過的﹐組織較為疏鬆﹐便增大了生、“熟”鐵接觸反應面﹐所含氧化夾雜亦較多﹐可提高碳氧反應的強度﹐增強去渣能力。並且﹐部分氧化亞鐵可被還原﹐就提高了金屬收得率。（2）生鐵不是直接覆蓋於“熟鐵”之上﹐亦非夾於“熟鐵”間﹐從“以生鐵於‘熟鐵’上﹐擦而入之”、“徐以生鏷下之”兩句來看﹐生鐵、“熟”鐵是保持一定距離的﹐便可有控制地進行灌淋。據周志宏先生1938年調查﹐周志宏﹕《中國早期鋼鐵冶煉技術上創造性的成就》﹐《科學通報》1956年2月。重慶北碚蘇鋼亦采用類似的操作。無需封泥、塗泥﹐以及覆蓋破草履﹐亦簡化了工序。
此三種操作反映了灌鋼技術不斷發展和人們認識逐漸深化的過程。
（三）灌鋼的工藝原理何堂坤﹕《中國古代煉鋼技術初論》﹐《關於灌鋼的幾個問題》﹐分別見《科技史文集》第14輯（1985年）、第15輯（1989年）﹐上海科學技術出版社。
因灌鋼以生鐵和“熟鐵”為原料﹐有學者認為它是一種利用生鐵向熟鐵滲碳的工藝﹐這是一種誤解。灌鋼冶煉的主要目的並不是調劑含碳量﹐而是排除夾雜。實際上百煉法和灌煉法都是在炒鋼的基礎上﹐為了進一步去除夾雜而發明出來的。依據是﹕
（1）前面談到﹐古代“熟鐵”的含碳量是與可鍛鐵相當的。因灌鋼以“熟鐵”為原料﹐灌煉之後﹐其含碳量便有可能增加﹐也有可能減少﹐或者變化不大的。
（2）1938年周志宏先生對重慶北碚金剛碑蘇鋼作坊的原料和產品都進行了成分分析﹐結果列如表2─6.
可見其產品含碳量與原料“熟鐵”含碳量是一樣的。它們之間的主要區別是﹕成品鋼中的硅、錳、磷、硫含量稍較原料“熟鐵”為低。這顯然是排除了夾雜之故。在其他地方的冶煉實例中﹐其蘇鋼產品含碳量也可能存在高於或低於原料“熟鐵”含碳量的現象﹐但這不是灌煉的主要目的。
灌鋼是我國古代冶金技術的一項傑出創造﹐它利用生鐵含碳量較高、“熟鐵”含氧化夾雜較多的特點﹐用“熟鐵”中的氧來氧化生鐵中的硅、錳、碳﹐造成激烈的“沸騰”﹐而達到去除夾雜的目的。雖操作簡單﹐效果卻十分明顯﹐這是人類古代制鋼工藝中所獲得的最高成就。唐順之《武編前編》卷五說﹕“此鋼合二鐵﹐兩經鑄煉之手﹐復合為一﹐少沙土糞滓﹐故凡工煉之為易也。”陳春華說“於時渣滓盡去”﹐都是毫無夸張的評價。約翰﹖德（John Day）在《史前鋼鐵使用》一書中譽灌鋼為“後世平爐方法的先聲”﹐也並不過分。轉引自李恆德《中國歷史上的鋼鐵冶金技術》﹐《自然科學》第1卷第7期﹐1951年12月。
五、坩堝鋼
我國古代坩堝鋼的資料目前僅見一例﹐何堂坤等﹕《洛陽坩堝附著鋼的初步研究》﹐《自然科學史研究》1985年第1期。但卻是十分確鑿的。我國漢代曾冶煉過坩堝鋼無疑。
1979年﹐洛陽市文物工作隊在黃河北岸的吉利工區發掘了一批漢墓﹐其中一座出土了11個坩堝。坩堝皆直筒形﹐口沿稍稍外卷﹐底圓﹐外徑一般為14-15厘米﹐外高35-36厘米﹐壁厚2厘米。內外壁均有燒流﹐外表粘有煤塊、熔渣等物﹐內表面較為平滑﹐有的地方粘有一層薄薄的鐵渣。其中一個坩堝內壁的中段粘附一鋼塊﹐鋼塊整體作戟形﹐表面黃褐色﹐長10厘米、寬15厘米、厚0.4厘米。伴出物有五銖錢五枚﹐分別與《滿城漢墓發掘報告》的Ⅱ、Ⅲ型（西漢中期）相當。經坩堝熱釋光斷代試驗﹐距今為1832±147年。故墓葬年代大體定為西漢中晚期至東漢中期。
經化學分析﹐鋼塊含碳量為1.21%﹐屬過共析高碳鋼。掃描電鏡（能譜）成分分析結果為﹕鐵98.637%、磷0.277%、硫0.584%、硅0.117%、鋁0.383%.可見其含磷、硫較高。從金相分析看﹐金屬基體為珠光體﹐晶粒間界上分布著許多網狀滲碳體﹐磷共晶和氧化物。碳分布較為均勻﹐基本上是等軸晶﹐未見明顯的柱狀晶﹐磷共晶以不規則的星形分布於晶粒間界上。經掃描電鏡分析﹐共晶區含磷9%-12%.不管金屬晶粒還是非金屬夾雜﹐均無拉伸和破碎現象﹐說明鋼塊冷凝後並未進行過任何壓力加工。
經分析﹐坩堝成分為﹕SiO2 43.57%、Al2 O3 37.28%、Fe2 O3 3.46%、K2 O0.63%、Na2 O0.26%、C13.66%﹐可見其三氧化鋁量和碳量都較高﹐這顯然是有意選擇配制的。優點是耐火度較高、熱穩定性較好。經測定﹐坩堝耐火度為1580-1610℃。依Fe-C平衡圖﹐並考慮到其他夾雜元素的影響﹐坩堝附著鋼完全熔化的溫度約低於1470℃﹐故坩堝耐火度是能夠滿足冶煉要求的。這也體現了我國古代耐火材料技術的高超。
關於坩堝附著鋼的冶煉工藝﹐目前尚無更多的資料可尋﹐我們推測很可能是一種直接冶煉﹐即以鐵礦石為原料﹐以木炭、煤炭作還原劑和滲碳劑﹐在坩堝中直接還原滲碳。一般而言﹐這樣冶煉得到的產品應當是生鐵﹐但控制得當﹐也可以得到鋼。據說古印度的坩堝鋼便是這樣直接冶煉得到的。但古印度坩堝鋼多未達到液態﹐而是一種膠融狀的半液態﹐其出爐產品往往是一種組織和成分極不均勻的固體塊。洛陽坩堝鋼卻是充分熔化了的。在西方﹐液態坩堝鋼在1740年才出現﹐我國在漢代就煉出了液態坩堝鋼﹐實在難能可貴。
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如此多的島嶼﹐相隔又千萬裡﹐不被淹死就不錯了。
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