秦汉冶金产业的发展与进步

在西汉冶金业发展的基础上，东汉时代冶金业的生产技术又有重要的进步。特别是由于铁制农具的普及，促进了钢铁生产的发展，促使生产力显著提高。

水排的发明　冶金工业中鼓风设备是关键，东汉时出现用水利为动力的鼓风设备——水排。这是我国冶金史上的一件大事。据《三国志》卷24《魏书·韩暨传》载：三国时，魏国监冶谒者韩暨在冶铁手工业中推广使用水排，使生产率提高三倍。“旧时冶，作马排，每一熟石，用马百匹，更作人排，又费功力，（韩）暨乃因长流为水排，计其利益，三倍于前。”这里记载着韩暨用水排代替马排的情形。其实，水排并非始自韩暨，早在二百年前的东汉初杜诗任南阳太守时，就“造作水排，铸为农器，用力少，见功多，百姓便之”（《后汉书·郭杜孔张廉王苏羊贾陆列传》）。《东观汉记》卷15，谢承《后汉书》（汪文台《七家后汉书》辑本卷1）也记载杜诗“善于计略，省爱民役”，制造水排，铸造农具之事。可见，水排是在东汉时代发明、逐渐推广的。据研究，杜诗所发明的水排是应用水力激动机械轮轴打动鼓风囊，使皮囊不断伸缩，给冶金高炉加氧。关于水排的构造，元代的王祯在所著的《农书》中有深入的研究。在叙述水排之后，王祯还写了一首诗，盛赞水排及其发明者：

尝闻古循吏，官为铸农器。

欲免力役繁，排冶资水利。

轮轴既旋转，机梮互牵掣。

深存橐籥功，呼吸唯一气。

遂致巽离用，立见风火炽。

熟石既不劳，熔金亦何易。

国工倍常资，农用知省费。

谁无兴利心，愿言述此制。

水排鼓动不断伸缩的鼓风皮囊——橐，在东汉时也有改进。根据东汉画像石所见的形象，有的专家推测皮囊的“容积约近四分之一立方米，每分钟的鼓风量可达二至三立方米”（刘云彩《中国古代高炉的起源和演变》，载《文物》1978年第2期）随着高炉的加高和容积的扩大，对鼓风量的要求越来越高，使用水力鼓风，就可带动更多、更大的皮囊，从而提高炉温。这是冶炼史上的重大进步，在欧洲，直到公元12世纪才开始利用水力鼓风。

秦和西汉时，冶金所用的燃料只有木炭。西汉人贡禹曾说，由于“攻山取铜铁”而造成“斩伐林木亡有时禁”（《汉书·王贡两龚鲍传》）说明当时冶金生产耗费木材的数量是相当大的。在东汉时期，煤（石炭）已被做为燃料用来炼铁。考古发掘在今河南巩县冶铁遗址中曾发现羼杂了泥土、草茎制成的煤饼（见《巩县铁生沟》文物出版社1962年版），虽然用煤炼铁在当时的普遍程度如何尚值得研究，但在东汉时它已经被使用则是可以肯定的。

铸造技术的提高　东汉的铸造铁器技术，在秦和西汉的基础上，又有很大提高。其中最重要的是叠铸技术的显著进步。所谓“叠铸”就是把多层铸范叠起来，装配成套，一次就能铸造几个或几十个铸件。它最适用小型同类铸件的大量生产，这种技术早在战国时就已经发明，但东汉的叠铸技术又有进一步发展。如1974年9月，在河南温县发现的东汉时代烘范窑中，就出土了五百多套铸造车马零件的叠铸泥范，约36种器形。浇铸时，共用一个总浇口，一次即可铸造几个或几十个铸件（见《河南省温县汉代烘范窑发掘简报》，载《文物》1976年第9期），这比以前用双孔的浇铸技术大大提高了一步。

从温县出土的叠铸陶范来看，东汉叠铸范浇注系统最显著的特点，就是采用了很薄的内浇口。现在发现的土陶范内浇道出口的厚度，小铸件仅2毫米（如革带扣、圆环等范），较厚重的铸件也只有3.5毫米（如车销、六角承轴套等范）。这种设计很富于创造性。这样薄的浇口，铸范必须经过预热，才能使铁水流得进去。因为用预热的铸范浇注，能提高金属液在范中的流通性。东汉采用这种薄浇口，预热浇注的叠铸范，不仅用来大量生产小型铸件，而且用来大量浇铸制造钱币。河南南阳瓦房庄汉代冶铁遗址还发现东汉时期多堆式叠铸车軎范，两堆铸范共用一个直浇道，使浇注的效率更高，金属的实收率更增加（见杨宽《中国古代冶铁技术发展史》，上海人民出版社1982年出版，第125页）。在其他方面的技术也都有不同程度的提高，不一一赘述。

由于冶铸水平的提高，东汉时代不仅能按一定规格制作成批的小型生铁铸件，而且能锻造大型钢铁兵器和工具，在出土的武器和工具中有长达84厘米的长矛（郭中立《四川焦山魏家冲发现汉代崖墓》，见《考古》1959年第8期）和长16.3厘米，连柄也是铁制的铁斧（《洛阳烧沟汉墓》，科学出版社1959年出版）。西汉中期以后出现的铁制日常生活用具，如灯、釜、炉、锁、剪、家用刀、书刀，等等，到东汉时已逐渐普遍，反映了当时冶金生产水平的提高。

东汉铜奔马——马踏飞燕（甘肃武威出土）(www.xing528.com)

炼钢技术的新成就　东汉时代，我国炼钢技术也有不少重要的发明，取得很大的成就。其中以铸铁脱碳制钢工艺和炒钢技术尤为突出。

以含碳量高的生铁为原料，采用脱碳的办法炼制成钢铁，这是我国古代炼钢的一种重要方法。东汉时代我国固体脱碳制钢技术已经广泛应用，而且在冶铸工艺上已经实行一定程度的规格化。如在河南渑池发现的汉、魏窖藏大批铁器中，就有许多铸铁脱碳钢的钢件，包括斧、镰等工具和兵器，从外形看是铸件，从化学成分和金相组织看基本是钢，而且夹杂物极少。据研究报告所公布的资料列表如下：

从上表看出：这几件器物的产地不同，254、528两件是“新安”产品，新安在汉代属弘农郡（见《汉书·地理志》），当时铁官驻渑池，当兼管新安作坊，在新安县西北的孤灯地发现有汉代冶铁作坊。277、299两件产自渑池，这里自西汉时就设有铁官，后到后赵时还有官营冶铁业（见《晋书》卷106《石季龙载记》）东汉时在这里制造钢铁工具和武器当毫无疑问，表中第257号之“陵右”不知在今何地。总之，如表中所示尽管此七件汉魏时的器物产自不同作坊，但其化学成分和金相组织却大体相近，尤其是碳的含量基本统一，表明东汉时期固体脱碳技术已达到一定规格化的程度（参见《文物》1976年第8期，北京钢铁学院金属材料系中心化验室《河南渑池窖藏铁器检验报告》）。

在郑州市博物馆中，收藏有六件东汉铁剪。经研究，证明它们是用铸件脱碳淬火而成，金相检验的结果表明：剪刀整个断面都是含碳量为1%的碳钢，组织均匀，渗碳体成良好的球状，和现代工业中所使用的碳素滚珠钢相似，而质地非常纯净。其硬度和弹性都达到很高的标准，突出地反映了东汉时代铸铁脱碳制钢工艺的成就。

西汉末期创造的“炒钢”技术，在东汉也有进一步提高，并推广应用。“炒钢”是把生铁加热后加以炒炼，使之脱碳成钢。“炒钢时，首先把生铁在空气中加热，使处于半融熔状态。加热到1200度时，含碳总量3%的生铁，由约60%的含碳量1.7%的奥氏体和40%的含碳量3.7%左右的液体组成，通过不断地搅拌，增加氧气和铁的接触面，使液体中的碳氧化；随着温度升高，奥氏体中含碳量逐渐下降；铁中硅锰氧化后与氧化铁生成硅酸盐夹杂，如果在半固体下继续搅拌，借助空气中的氧把所含的碳再氧化掉，就可以成为低碳熟铁。也可以在它不完全脱碳时，控制所需要的含碳量，终止炒炼过程，就可以成为中碳钢或高碳钢。这种钢由于含碳较高，氧化程度较低，与低碳熟铁相比所夹杂物应较小较少，经反复锻打，即成优质钢材”（《中国古代冶铁技术发展史》第219-220页）。这种技术比起块炼法（即块炼铁渗碳制钢）是当时炼钢技术的进步。铁工具已多用钢刀，《考工纪·车人》郑玄注“首六寸，谓今刚关头斧”。贾公彦疏：“汉时斧近刃，皆以钢铁为之。”由于炒钢技术的推广，钢和熟铁产量大增，东汉时已出现熟铁的专用词——“鍒”。《说文解字》：“鍒，铁之耎也。”目前已发现汉代几座炒钢炉和为数不少的以炒钢锻制的器物，如河南南阳东郊出土的一件铁刀，宽11.2厘米，长约17厘米，刀背厚约0.5厘米，形制较特殊，刀身有一道平行于刃部的锻接痕迹，其刃部就是用高质量的炒钢锻接而成（见《考古学报》1978年第1期，河南省博物馆等《河南汉代冶铁技术初探》）。炒钢技术的出现，标志着炼钢技术新阶段，它可以使社会上得到大量的廉价的熟铁和钢，对于生产工具的改进，起着重要作用，欧洲用炒钢方法把生铁炒炼成熟铁，是18世纪中叶始于英国。而我国在东汉时代就已达到相当高的水平，比欧洲要早一千八百年之久。

“百炼钢”的出现　由于炒钢技术的提高，东汉时代出现了“百炼钢”。所谓“百炼钢”者，即将炒钢反复锻打，每加热锻打一次称为一“炼”，以炼制成含碳量高，含杂质少而组织均匀的优质钢（见《考古学报》1975年第2期，北京钢铁学院李众《中国封建社会前期钢铁冶炼技术发展的探讨》）。在魏、晋的诗文中，就把精良的钢称为“百炼精钢”或“百炼钢”，如陈琳的赋中就有这方面记载，百炼不仅省时省力而且可提高生产效率。这是炼钢技术史上的重要革新，直到现代，生铁仍为炼钢的主要原料。但这种炼钢技术的困难很大，主要是难于控制含碳量，在古代缺乏化学分析的条件下，只能靠熟练的技巧和丰富的经验。东汉炒钢技术已积累了相当丰富的经验，而且应用得十分普遍，一般的过程是，先寻求矿石，冶炼成生铁水，然后炒炼成钢，再反复锻打，制成较为名贵的器物（主要用于武器）。在《太平经》中有这样的记载“今军师兵，不祥之器也，君子本不当有也……不贵用之也。但备不然，有急乃后使工师击治石，求其中铁，烧冶之使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫耶”（《太平经》卷72《不用大言无效诀》第一百一十）。“莫耶”是古代有名的钢剑。可见，东汉时炒钢技术的应用，特别在制造武器方面，已经十分普遍。东汉的王充在所著的《论衡·率性篇》中也说：

世称利剑有千金之价。棠溪、鱼肠之属，龙泉、太阿之辈，其本铤，山中之恒铁也，冶工锻炼，成为铦利。岂利剑之锻与炼乃异质哉？工良师巧，炼一数至也。

这里说明炼成利剑的钢，关键在于“工良师巧”。由于“精钢”（《北堂书钞》卷121引），晋刘琨《重赋卢谌诗》中有“何意百炼钢，化为绕指柔”（《昭明文选》卷25）。可见，“百炼钢”在东汉时代就已为人尽知。

在东汉时代“百炼钢”已经有一定工艺标准，因而有“三十炼”“五十炼”“百炼”的区别。在炼制刀剑时，用生铁炒成的钢为原料，可以用同一种钢料反复折叠锻打，也可用数层成分略有不同的原料叠打，然后加热折叠再锻，反复多次（见《中国古代的百炼钢》载《自然科学史研究》1984年第4期）。所谓“卅炼”即加热锻打折叠三十次；“五十炼”即加热、锻打、折叠五十次。“百炼”当然就是百次了。罗振玉《贞松堂吉金图》卷下著录有四件“书刀”，其中三件有铭文都注明“卅炼”：

永元十六年（104年）广汉郡工官卅湅（炼）□□□□□□□□□史成，长荆、守丞熹主。

永元十□年，广汉郡工官，卅湅（炼）书刀，工冯武……。

……广汉（郡工官）卅（湅）□□□秋造，护工卒史克、长不、丞奉主。

（以上三把书刀，除《贞松堂吉金图》卷下有著录外，尚见于《贞松堂集古遗文》卷15，容庚《汉金文录》卷6，黄濬《衡斋金石识小录》卷下，刘体智《小校经阁金文》卷14）

1974年在山东苍山县（今名兰陵县）汉墓中出土的一把环首钢刀，刀身即有隶书铭文“永初六年（112年）五月丙午造卅湅（炼）大刀，吉羊（祥）宜子孙”（见《文物》1974年第12期刘心健、陈自经《山东苍山发现东汉永初纪年铁刀》），说明这把刀也是以“卅炼”工艺制成的。用“五十炼”工艺制成的钢制品也有发现：1978年江苏徐州铜山县驼龙山汉墓出土的一把钢剑，剑把正面就有铭文：“建初二年（77年）蜀郡西工官王愔造五十湅（炼）△△△孙剑△。”内侧上阴刻铭文“直千五百”（《文物》1979年第7期徐州博物馆《徐州发现东汉建初二年五十炼钢剑》）。铭文不仅告诉我们此剑为“五十炼”工艺制品，而且标明价钱“千五百”，是极可贵的资料。以“百炼”工艺制成的钢制品，在日本保存一件，即1961年日本奈良县古墓中出土的钢刀，上有错金铭文：“中平△（年）五月丙午，造作（支刀），百炼清（刚），上应星宿，（下）辟（不祥）。”（日本《考古学杂志》48卷2号、1962年出版，梅原末治《奈良县栎本东大寺古坟出土汉中平纪年铁刀》）“中平”是汉灵帝年号，时间为公元184-189年，说明这是中国东汉时期制造的一把“百炼”钢刀，但不知何故流传到了日本。

东汉时代的“百炼钢”代表了当时炼钢工艺的最高水平。如东汉末建安年间，曹操令人造五把宝刀，三年才造成。这五把刀称“百辟刀”，是百炼利器，曹植还专门为此作贼，盛赞其锋利和炼制之不易[287]，可见其刀之贵重。东汉末建安二十四年（219年）曹丕也曾令“国工”选“良金”，炼成三把宝剑、两把匕首和一把陌露刀，它们也是“至于百辟”才炼成的。他在《典论·剑铭》中说：炼钢的时候“五色充（或作‘跃’）炉，巨囊自鼓，灵物仿佛，飞鸟翔舞”。炼成的宝剑，有“光似流星”而名为“飞景”的，有“色似采虹”而名为“流采”的，还有名为“华锋”的。宝刀中有的“文似灵龟”，有的“采似丹霞”，有的“似霜”；匕首有的“理似坚冰”，有的“曜似朝日”，露刀则“状如龙文”（严可均辑《全三国文》卷8曹丕《典论·剑铭》）。这些花纹和色泽究竟是什么样，虽然今天无法得知，但也可推测其精美、锋利绝非一般刀剑可比。