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科学与人文讲座2023年第14期报道: 夕阳无限好——《铁冶志》与明代遵化铁厂钢铁冶炼技术

  • 赵思研
  • 创建时间: 2023-10-20
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  2023年10月20日下午,中国科学院大学人文学院2023年第14期“科学与人文讲座”在玉泉路校区阶二4教室举行。本场讲座由中国科学院自然科学史研究所研究员黄兴带来,题为《夕阳无限好——<铁冶志>与明代遵化铁厂钢铁冶炼技术》。作为围绕着遵化铁厂进行的一项技术史研究,值得注意的是,它充分展现了文本分析与实验还原结合并重的研究方法。中国科学院大学人文学院副教授苏湛主持了讲座。

  一.背景

  黄兴研究员的讲解从所依托的文本开始。《铁冶志》是明正德八年至正德九年(1513年-1514年)间明代北方最重要的官营铁厂遵化铁厂的管理者傅浚所著。傅浚调查搜集了铁厂的生产状况、风俗信息,载入《铁冶志》。其中《炉冶》《山场》《岁办》《岁出》《岁入》和《库场》等篇目里集中详述了技术相关的部分,使之成为世界首部有关冶铁技术和铁厂经营的专著。然而《铁冶志》命运多舛,成书后长期未见流传,仅在《春明梦余录》《涌幢小品》等著作中留有转引的只言片语。直到近年,《铁冶志》的完整清代抄本才在俄罗斯重见天日,极大丰富了研究明代遵化铁厂的资料。在重新发现《铁冶志》之前,黄兴研究员及调查组先后两次前往遵化铁厂遗址(今河北唐山)测量冶铁炉遗址并提取分析了炉料、生铁块等样品。
在开始对遵化铁厂的具体讲解前,黄兴研究员向同学们介绍了古代钢铁技术的基本发展脉络。从天然的铁到人工的铁,人类大规模进入铁器时代以块炼铁技术成熟为标志。块炼铁使用低矮的碗式炉冶炼,炉温较低,在1000℃左右。这种冶炼方式的产品属“熟铁”,含碳量极低,塑型强但质地软。炼制块炼铁的技术较为简单,一两人即可完成全部操作。这项技术从小亚细亚传入欧洲和我国,在欧洲长期流行,在我国迟至春秋战国时期则被本土创新的生铁技术逐步替代。生铁的含碳量很高,在2.14%以上,质地硬而脆。炼制生铁使用竖炉,其炉温可达1400℃,在这一温度下渗碳显著,其与现代高炉冶铁的原理几乎完全一致。

 

  二. 遵化铁厂的钢铁冶炼技术

  黄兴研究员从钢铁技术史关注的几个角度分别分析评估了遵化铁厂的技术状况。

  炉型:由于加入的原料会在高温下改变物理性质,合理的炉型对提升冶铁效率有重要意义,不合理的炉型则导致悬料等问题。通过实地考察结果和文本记载相互比照,黄兴研究员更正了陈说中依据文本对出铁口、出渣口尺寸的解读,推断遵化铁厂“大鉴炉”炉口为近似方口,长边约0.8、0.86米,短边0.51米,炉身上小下大,深3.84米,炉容约3.5立方米。

  原料:遵化铁厂的原料并非常见的铁矿石,而是采用铁砂。《铁冶志》记载,“砂者皆大炉之所需……黑砂带矿则其最高者”,“黑砂为本,石子为佐”。通过对铁厂遗址附近发现的铁砂原料的成分分析,测得“黑砂”全铁含量50.4%。过去认为,《铁冶志》中记载的助熔剂“色间红白,略似桃花”的“石子”系萤石(氟化钙),现经X射线荧光光谱分析发现现场的石子、炼渣中并不含氟,含钙、镁较高,更可能是白云石等。按照文献记载并当地植被基本情况推算,遵化铁厂每年消耗木柴7553吨,折合森林1.34平方公里。铁厂的配套山场面积约600平方千米,理论上可供铁厂冶炼149年,而遵化铁厂自正统三年(1438年)开始冶炼至万历九年(1581年)关停,总共存在了143年,与推算几乎吻合,可见木炭是古代冶铁业发展的重要约束条件。

  产出:按照文本记载,遵化铁厂的单炉日均产量477千克,平均每年产铁43吨,最高年出产达58吨。

炼钢:遵化铁厂炼钢的“白作炉”采用生铁熟铁合炼成钢,属于始于宋代的灌钢方法之演化。钢的含碳量比熟铁高,比生铁低。起初,灌钢需要“生铁欲流,则以生铁于熟铁上,擦而入之”,因此也被称为“抹钢”的方法,这一名称后来一直沿用到近代。至明清时期,这一方法发展为利用二者的熔点区别使生铁先于熟铁熔化并均匀滴落在熟铁上。以生铁为原料用“灌炉”炼钢需要将生铁在氧气中加热脱碳,但炉膛中的燃料一但与铁接触,又会给其渗碳。从文本记载来看,遵化铁厂的灌炉是一种反射炉,上部鼓风燃烧加热下部的铁,能够避免二者接触。

 三.比较与讨论

  黄兴研究员把文献资料的宏观统计数据与样品检验结果结合起来进行推算,获得了遵化铁厂的产铁率、冶炼强度、吨铁消耗木炭等技术指标。遵化铁厂的平均产铁率约为63.3%,冶炼强度为0.895 t[木炭]/m³·d,冶炼每吨生铁平均消耗木炭6.568吨,实际消耗木炭在4.857吨至13.504吨之间波动。比较遵化铁厂与汉代古荥铁炉、1950年代和1980年代规模相似的现代冶铁炉技术指标,可以看出明代遵化铁厂的效率较高,相对早期古代冶铁技术进步显著。但同时上述数据也暗示了明代“木炭危机”的隐忧:在技术条件一定的情况下,提升冶炼强度增加炉温有利于改善产出生铁的质量,也会带来更高的木炭消耗从而使成本上涨。

前文所述,林木资源是古代冶铁业赖以发展的条件,明代北方恰恰发生了一场“木炭危机”。宫廷建设、官民使用、滥采边林、权贵圈地加之明代小冰期气候环境等一系列因素致使木材缺乏。引人联想的是,在13世纪欧洲大陆用生铁技术替代块炼铁、15世纪英国普及生铁之后不久,都出现了木材的显著缺乏。然而,尽管明人开始有了使用煤作为生活燃料的思想苗头,却从未考虑过用煤炼铁。而英国则在一个世纪后解决了用煤炼铁存在的含硫高、质地软的技术困境,使用煤炼焦炼铁替代了过去的木炭炼铁体系,一举激发了工业革命。

  四. 结语

  黄兴研究员总结,遵化铁厂上承燕山地带辽金竖炉炼铁技术,应用了反射式炒钢炉脱碳,进一步发展了广钢技术,与近代的苏钢炼钢工艺相当接近。从这个角度来看,在钢铁技术、大规模冶炼技术的管理和运营能力方面, 15至16世纪的遵化铁厂在世界范围内仍然保持着领先地位。但由于“木炭危机”的存在,囿于传统知识体系、社会生产体系和市场体系,危机难以解决,领先实为过去技术体系的“余晖”。钢铁技术在我国没能形成突破性的发展,错过了“工业革命”样态的社会生产力的全面进步。讲座的最后,同学们向黄兴研究员提问请教,讲座在热烈的掌声中顺利结束。

【图文/周菂清】

【主讲人简介】

黄兴,中国科学院自然科学史研究所研究员、硕士生导师,入选国家级青年人才计划,中国科学院特聘研究骨干,兼任中国科技史学会物理学史专业委员会副秘书长。著有《指南新证——中国古代指南针技术实证研究》等专著多部,获科技部、中国科学院优秀科普作品奖多项。