主讲人：李彦祥
讲座地点：中国科学院大学人文学院
授课时间：2021年5月
李彦祥，北京科技大学科技史与文化遗产研究所教授、博士生导师。 现任国家文物局金属矿冶文化遗产研究重点研究基地主任、中国考古学会理事、中国科学技术史学会理事。 研究方向为中国冶金考古。 和冶金史。 发表论文数百篇，主持国家自然科学基金项目4项，参与国家自然科学基金项目4项，国家科技重大项目3项，以及教育部、科技部项目多项。
我们的讲座主要介绍了从战国到秦汉时期我国钢铁冶金技术的发展，以及其在这一时期对我国古代文明发展壮大的推动作用。
为什么要讲秦汉的钢铁冶金技术呢？ 主要是在这一时期，中国以生铁为基础的钢铁冶金技术体系基本形成，开始对中华文明的发展壮大发挥重大作用。 尤其是在中原汉朝与边疆一些新兴势力的斗争中，钢铁冶金技术发挥了非常重要的作用。
过去，由于各学科的一些障碍和研究不足，这个问题没有得到应有的解释，所以现在我们将其作为一个单独的内容进行解释，以便更好地总结历史经验和教训。
陨石的来源
说起钢铁，古代最早使用的铁就是从天上掉下来的陨石。 现在我们人类经常可以观察到天空中的流星。 流星就是陨石，一部分是陨石。 陨铁在太空飞行的过程中，以每百万年约1至100摄氏度的缓慢速度冷却，从而形成陨铁非常独特的粗晶格结构。 晶格有时可达数厘米，人类不用显微镜也能看得清楚。 而且陨石往往含有特殊成分，比如含有镍，通常镍含量为5%~10%。 当陨石落到地球表面时，较小的陨石在大气中燃烧，但较大的陨石落到地表并被人类发现。 目前，世界上最大的铁陨石是在南非发现的“霍巴陨石”，重达60吨，已入选世界自然和文化遗产。 我国有清朝时期降落的世界第三大铁陨石，目前陈列在新疆地质博物馆。
泉州安溪庆阳下草铺炼铁现场（2019年摄）新华社
历史上，人类很早就知道陨石来自天上，并加以利用。 古代美索不达米亚文明的苏美尔人称陨石为“天上来的铜”。 曾经居住在现在土耳其北部地区的古代赫梯人也说铁是从天上采集的，古埃及纸莎草纸中也有相关记载。 中国古代文献记载了许多陨石登陆事件，如公元前368年（秦献公十七年）、公元1064年（北宋治平元年）等。截至20世纪80年代，已发现许多陨石文物世界各地有 28 件公元前 1200 年之前的陨石文物，产于西亚。 迄今为止，我国已发现一些古代陨铁制品。 著名的有1972年河北藁城出土的商代铁刃铜斧、1977年北京出土的铁刃铜斧、河南三门峡出土的西周铁援铜斧等。 葛等人。 经过科学检测发现，这些铁器是历史上常规铁器出现之前的，其成分是陨铁。 克利斯剑，世界三大名剑之一，因产于马来半岛，在我国被称为“马来剑”。 它也是由陨铁制成的。
历史上，人类在使用陨石之后，逐渐意识到还有一种不同于铜的金属，于是人类开始想办法冶炼和获取陨石这样的金属。
寻找钢材
接下来我们简单介绍一下钢材的种类及其基础知识。 简单来说，钢和铁不是同一种东西，但钢最基本的特性是它是碳和铁两种元素的合金。 钢最基本的组织，或者从化合物的角度来看，主要含有铁素体、渗碳体，有时还含有石墨碳。 这三种元素结合形成不同的结构，最终形成不同性能的钢材。 或者铁。 我们通常以含碳量4.3%和含碳量2.14%为界来划分钢结构。 那些不含碳或含碳量极少（低于0.022%）的称为熟铁。 含碳量在2.14%～4.3%之间的称为生铁或铸铁。 0.05%～2.14%范围内的称为钢。 生铁分为三种类型。 其中，共晶白口铁的碳含量恰好为4.3%。 碳含量低于此的称为亚共晶白口铁，含量较高的称为过共晶白口铁。 ，他们有不同的组织。
含碳量中等的钢分为低碳钢、中碳钢、高碳钢等，我们日常生活中常用的钢基本停留在含碳量0.76%左右。 含碳量超过1%或超过0.8%的钢很少使用。 钢在不同温度下处理时会产生不同的组织。 这些组织在钢铁冶金中分为许多体，如奥氏体、珠光体等。钢的热处理包括淬火、退火、回火、正火等。 它是通过在一定条件下缓慢或快速冷凝然后再加热来完成的。 目的是获得更好的结构，然后释放内部的一些应力，使钢材具有良好的力学性能，经久耐用。
从钢材的分类来看，最好用的是钢材，但钢材不能直接提取。 人类必须以铁炼钢。 炼铁有两种方法。 一是来自低碳含量的地方。 露天冶炼就是所谓的块铁冶炼技术。 这项技术在历史上也发明得比较早。 据学者研究，它可能最早出现在距今3400至500年前的西亚。 块铁炼铁技术是在碗式炉中在较低温度下熔炼熟铁。 它可以去除液体熔渣。 但这种方法不能将铁完全熔化，只能形成半熔化的海绵状态的铁，称为制作海绵铁。 在古代，这种方法流行于中华文明圈以外的国家。 这种技术的炉子不是很大，形状像一个碗，直径通常在70或80厘米左右。 直径一米的炉子算比较大的了，炉子的高度大约是1米到1.5米。 我国也发现了一些早期的块铁制品，如陕西宝鸡易门出土的春秋时期金柄铁剑、三门峡郭氏墓地出土的玉柄铁剑等。河南，以及内蒙古鄂尔多斯等地出土的春秋铁剑。
那么另一种冶炼方法就是从含碳量高的一侧进行冶炼，即生铁冶炼技术。 这种方法在古代是中国独有的。 生铁冶炼技术是在数米高的高炉内形成一定的温度、气氛和物料分布区，使生成的铁吸收足够的碳并降低其熔点。 最后在炉下熔化。 形成液态生铁钢材切割 论文，同时顶部形成含钙量高的炉渣。 其基本原理与现行高炉炼铁相同。
8月19日，工人们在鞍钢新建4号高炉进行高炉出钢作业。 专家认为，中国古代生铁冶炼技术的基本原理与今天的高炉炼铁是一样的。新华社
相比之下，生铁冶炼技术和块铁冶炼技术显然是不同的系统。 块铁冶炼是由几个人进行的小规模操作。 生产时间短，生产效率低。 而且，如果生产出来的铁块体积太大，由于古代缺乏足够的切削条件，古人根本就不在乎这么大的铁块。 这些限制意味着块铁冶炼方法无法生产太大的铁块，产量也只有几公斤到几百公斤，已经算不错了。 至于中国古代使用的生铁冶炼技术，如果炉子高五六米或七八米（这些是我国古代使用的高度），一天可以生产一两吨生铁，所以生铁冶炼技术的产量优势是显而易见的。 另外，生铁冶炼技术的效率也比较高，铁矿石的利用率也比较高。 炉渣中的残铁约为3%～6%。 相比之下，块铁冶炼法炉渣中铁含量高达70%。 %~80%。 此外，生铁冶炼的燃料利用率也很高。
然而，古代生铁冶炼技术虽然具有突出优点，但也有其自身的局限性。 古代使用的炉子高度比较高。 一两个人无法完成所有操作。 一般来说，操作一座炉子需要十几个人，加上冶炼、加工等所需的人力，算下来，操作一座炉子可能需要几十人。 因此，生铁冶炼技术的人力、物力消耗也比较大。 另外，其生产的生铁制品可以直接使用，可以用来制作生活所需的锅碗瓢盆。 然而，生铁的性能不足以支持生产尖端武器或耐用工具。 如果生铁要用于这些用途的话，还需要进行后处理，并且需要一套完整的后处理工艺，然后才能广泛使用。
因此，与块铁冶炼技术相比，生铁冶炼技术是一个不同的体系，技术上非常先进，相对更适合大规模工业化和工业化生产。
河北省藁城市台西商代遗址出土的铁刃青铜斧。图片来源：河北博物院
中国古代之所以出现生铁冶炼技术，是由于诸多技术原因和社会需求因素造成的。 第一个因素是我国青铜时代留下了一项杰出的遗产。 青铜时代的中国先民就有非常好的冶炼炉，可以直接用来冶炼铁。 湖北大冶铜炉山古铜矿遗址出土的铜冶炼炉，完整修复后高近4米。 其结构检验证明，完全满足当今高炉冶炼的要求。 因此，古人将铁矿石放入这种熔炉中冶炼，生产生铁。 古人冶炼的半铜半铁金属锭在长江中下游的废墟中也多次出现，这也证明了古人当时使用的熔炉具有很强的还原能力。 由于铜矿与铁矿天然伴生，古人在冶炼铜的同时也冶炼了铁。 这种金属锭熔炼后，需要再次加工才能得到铜。 然而，如果矿山中铜含量很少，则可以直接冶炼铁。
第二个因素仍然来自青铜时代留下的优秀遗产。 我国的祖先在青铜时代就发明了一套完整的陶器模型铸造技术。 古人利用这套技术，很快就获得了铸铁的能力。 秦汉时期，古人将这些制陶技术直接转移到铸铁上，可以用来铸造各种锅、锅、壶等铁器。 我国发现的最早的生铁制品是公元前八世纪山西曲沃天马曲村遗址发现的两块铁铸残片和江苏六合城桥（公元前六至五世纪）出土的铁球团。 到了春秋末战国初期，出现了更多的生铁冶炼产品，分布于中原及周边地区。
第三个因素属于社会因素。 古代以生铁为基础的钢铁冶金技术体系复杂、规模庞大。 必须有强大的社会组织的支持。 只有从战国到秦汉时期开始形成并不断强化的中央集权，才能为这一技术体系提供充分的保障。
古代钢铁冶金技术体系
后来古人在生铁的基础上建立了一套完整的早期技术体系。 古人有两种炼钢方法。 一种是直接从竖炉铸造生铁，利用铸造效率高的优势。 然后将铸铁脱碳成钢。 后来发展到直接煎铸铁。 精炼就像炒菜一样，将其脱碳成钢。 对于生铁制品或铸铁制品有一种增韧技术，就是将内部的渗碳体进行一定程度的分解，从而提高制品的性能。 这是在铸造的基础上完成的，因此铸造比锻造效率更高。 制作完陶器模型后，一炉铁水一天之内就可以倒入数百甚至数千个锤子等工具。 但如果采用手工锻造，一天只能打出一把锤子，效率很低。 差距非常大。
战国至东汉时期，中原地区以生铁为基础的钢铁冶金技术体系基本形成。
接下来我们就来看看一些特色产品。 生铁增韧又称球墨铸铁。 它是在900摄氏度稍高的温度下进行长时间的退火处理。 生铁中的石墨分解成渗碳体聚集成絮状，形成球墨铸铁。 根据不同形状的分解有不同的名称，改变了铸件的性能，不会像以前的生铁铸件那样脆。 这项技术是我们的祖先在公元前5世纪发明的，一直沿用到公元9世纪，持续了1300多年。 此后，这种方法在中国就不再多用，而采用了其他炼钢技术。 在工业革命时期，西方重新发明了这项技术。 关于这项技术，也有一些出土文物。 例如，对一把出土的战国铁锄进行检测，发现里面的石墨是球形的。 然而古人并不知道里面的石墨是球形的。
另一种技术是生铁固体脱碳。 生铁虽然含碳量高、脆性大、质量差，但生铁易于铸造。 因此，生铁铸造成型后，要在氧化气氛炉中进行高温退火。 只要控制时间和温度适当，就可以防止内部石墨析出，使铸件脱碳成为钢或熟铁制品。 例如，洛阳水泥厂出土的铁锛，内部仍具有生铁的原始结构，但表面已脱碳成钢。 这种铁锛具有钢的某些品质，并且非常易于使用。 因此，铸造成型，并采用该方法进行脱碳，不仅实现了铸造的高效率，而且实现了脱碳方法的高质量。 这种非常巧妙的方法也是中国古代所独有的。
另一项重要技术是钢煎技术。 通过对文物的考察和一些文献的分析，我们认为这种技术最迟在公元前2世纪就出现了，但我们怀疑这种技术可能出现得更早。 因为文献和文物中还是有一些线索的。 该技术以液态生铁为原料，在油炸炉中搅拌。 在此过程中，空气中的氧气将铁水表面的碳氧化成二氧化碳并将其除去。 碳含量逐渐减少，生铁变得更像钢。 方向已经改变了。 用这种方法生产的钢称为炸钢。 如果脱碳过多，产品就会是低碳钢，甚至是熟铁。 锻造后可以用来制造精良的武器或者农具、工具。 这项技术后来发展为联合生产，即这里的高炉铁水一炼出来，直接在那里炼钢，不用把生铁拿到别处重新熔化，浪费燃料和时间。 这套手法在明代宋应星的记载中可以找到。 不过，我们还可以进一步追溯文献记载。 东汉《太平经》中，于吉写有名剑莫邪铸造的记述。 书中提到，铁被熔炼成水，然后经过精工锻造而成。 我们推测这中间有一个环节。 如果钢不炸的话，后续的良工和锻造就无法进行。 虽然这是间接记录，但从出土文物中我们也可以判断，煎钢技术很早就出现了。 例如，我们在临淄古城遗址中发现了炸钢渣。
钢煎技术的出现是世界历史上非常重要的事件。 英国人在17世纪发明了用生铁来冶炼熟铁，后来又用反射炉进行煎炸，一直使用到1930年左右。煎钢被称为“惊天动地”的发明。 现代工业革命的一些基本内容，比如炼钢等都是由此而来。 炒钢中有一种非常有名的产品叫白莲钢。 白莲钢不是一种单独的钢材。 它首次出现于公元前2世纪。 它是由炒钢甚至熟铁折叠锻造而成的“宝剑”。 “钢材经过锻打后，会形成一层高碳、一层低碳的结构，具有一定的柔韧性钢材切割 论文，而且非常锋利，是我国古代钢铁材料中品质最高的产品。文物方面，有山东临沂出土的30年东汉钢剑，江苏徐州出土的50年东汉钢剑。关于此类产品在三国之后逐渐减少，文献记载显示，曹操在建安年间曾命有司制作《百钢剑》，其子曹植曾写有《宝剑颂》。值得注意的是，数百次的炼钢过程也对中国古代文化产生了一定的影响，比如成语“千锤百炼，百炼成钢”等等。炼钢艺术也传播到了国外。 公元1世纪的罗马博物学家普林尼在他的名著《自然史》中提到，铁的种类虽然很多，但没有一种能与中国的钢相比。
钢铁技术在战国秦汉时期的重要作用
刚才我们给大家介绍了中国古代以生铁为基础的钢铁冶金技术体系，以及一些重要发明的实物和文献记载。 这套钢铁冶金技术从战国到汉代都发挥了重大作用，推动了这一时期我国文明的发展。
战国时期，炼铁技术已经非常发达，有当时几家富有的炼铁厂的记载。 当时齐、燕、赵、楚、朝鲜等诸侯国都有自己的炼铁中心。 秦在商鞅变法后开始设置铁官，司马迁的祖先就担任过这个职务。 陕西韩城至今仍留有秦代冶铁遗迹。
西汉武帝时期，文献记载，全国设立了49个铁府。 现已发现汉代炼铁遗址36处，分布于中原内陆和边疆地区。 总之，我们现在有大型钢铁厂的地方，附近几乎都有秦汉炼铁遗迹，如邯当、武钢、莱钢等。鞍钢附近也有汉代炼铁遗迹。东北钢铁。 从考古发现来看，汉代铁官实际上有49人以上。 后来我们发现内蒙古长城沿线有大型炼铁场。 这些可能是定居该地区的汉军所为。 司马迁可能没有读过相关记载。 或者说这些地方是司马迁死后形成的。 河南郑州发现的河南县一号炼铁车间，占地面积12万平方米，其中炉基2座，竖炉有效高度6米，容积50立方米。 预计日产铁量约1吨。 此外，汉代史料还记载了两起高炉事故。 例如，《汉书·五行志》记载：“成帝和平二年（公元前27年）正月，沛县铁官铸铁，铁不坠，轰隆如雷。又响起鼓声，十三名工人吓得四散奔逃，声音停了，一看地面，只见地面下陷了数丈，炉子分成十份，铁钉一分为二。炉如流星四散，皆升上来，与政和二年（公元前91年）相同。” 这个记录就是当时的意思。 炼铁高炉发生爆炸，守炉的13名工人被吓跑。 这也证明了当时高炉的操作需要大量的人力。
郑州古郢汉冶铁遗址博物馆复原的冶铁遗址。图片来源：郑州广播电视台
这一时期钢铁技术的第一个作用就是促进了农业手工业的全面铁化。 那时，铁质农具开始在各地取代木器、石器。 战国时期的《管子》一书记载：“农者必有锄头、锄头、镰刀、锄头、椎骨、锄，方为农夫。车必有斤”。 ，一把锯，一把锯。凿子，钻头，凿子，锤子，龙骨，然后就成了战车。女人必须有刀，锥子，谚语，锄头，然后她变成了一个女人。” 这些生产工具都是指铁制工具。 那时，出现了一项重要的农业生产技术——牛耕。 用牛拉动大铁犁头耕地，大大提高了农业效率。 许多汉代画像石都展示了这种牛耕方式。 辽宁辽阳出土的汉代铁犁头，宽40厘米。 铁工具的推广也促进了当时水利工程的建设。 战国至秦汉时期发生的许多著名工程，如都江堰、郑国渠、灵渠、红沟等，都有铁器的贡献。
铁制农具的广泛使用和水利工程的兴建，促使战国中后期以后农业发生重要变化。 战国时期，魏国李逵估计，一个农民的粮食可以养活五个人。 《荀子》一书中也谈到了“中农氏七人”。 《战国策》记载，当时农耕的收获约为种子的10倍，而在13世纪的欧洲，平均只有3至5倍。
这一时期钢铁技术的第二个作用是促进了武器的全面铁化。 过去青铜时代主要是青铜兵器，但铁器时代到来后，铁器开始全面融合。 战国时期出土的铁兵器总量已达到同期兵器总数的52%。 铁兵器的推广，在诸侯战争和秦统一战争中发挥了重要作用。 比如当时的一种武器“宰”，是一种用优质钢材制成的攻防武器。 长度超过一米的钢制环头刀和剑，更是威力更大的武器。
钢铁技术的发展优势在西汉武帝与匈奴的战争中得到了充分的体现。 西汉初期经过60多年的休养生息，汉武帝时期经济和军事实力得到了极大的提高，汉武帝开始对汉朝发动大规模反攻。匈奴。 当时，汉军正与匈奴交战。 战斗的优势之一是武器。 汉武帝以后的汉元帝时期，汉将陈汤率部千里进攻北匈奴，成功斩杀郅支单于。 陈汤回来后，向皇帝报告说：“胡虎有五名士兵，一名汉兵，哪一个？武器？” 简单又生硬，不利于弓弩。 现在听说汉人技术也不错，但还是三人合一。”陈汤说，匈奴人只有5人，才能抵得上1人汉军。后来，汉人的一些技术得到了提高，但还是3人。需要匹配1支汉军，从考古发现来看，匈奴最初的剑很可能是以鄂尔多斯青铜剑为代表的青铜兵器，最长不能超过60厘米，如果铸得更长，就会断裂。到质地和工艺问题，后来匈奴也学会了冶铁制造兵器，但效果不是很好，剑的长度最多只有60到70厘米，与汉代的铁兵器相比，还是处于劣势。
因此，我们概括从战国到汉代的时期。 我国出现的世界上独一无二的生铁冶炼技术，以及以此为基础的钢铁技术体系，可以说是中华民族历史上最伟大的发明之一。 这套钢铁冶金技术以其较高的生产效率，为我们远古祖先发展农业、手工业、军事等提供了充分的技术支撑。
教育部主办《光明日报》
《光明日报》（2021年9月11日第10页）
