李延祥 北京科技大學科技史與文化遺產研究院教授、博士生導師，現任國家文物局金屬與礦冶文化遺產研究重點科研基地主任、中國考古學會理事、中國科技史學會理事，研究方向為中國冶金考古和冶金史。發表論文數百篇，先後主持國家自然科學基金專案4項，參加國家自然科學基金專案4項、國家重大科技專案3項及教育部、科技部課題多項。
泉州安溪青陽下草埔冶鐵遺址（2019年攝）。新華社發
鄭州古滎漢代冶鐵遺址博物館的冶鐵遺址復原。圖片來源：鄭州廣電
8月19日，工人在鞍鋼新4號高爐進行高爐出鐵作業。專家認為，中國古代生鐵冶煉技術的基本原理和現在的高爐鍊鐵是一樣的。新華社發
河北藁城臺西商代遺址出土的鐵刃銅鉞。圖片來源：河北博物院
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我們這個講座，主要是介紹戰國至秦漢時期我國鋼鐵冶金技術的發展，以及它對我國古代文明在這個時期的發展壯大的推動作用等問題。
我們為什麼要講秦漢時期的鋼鐵冶金技術呢？主要是在這個時期，中國以生鐵為基礎的鋼鐵冶金技術體系基本形成，開始對中華文明的發展壯大產生重大作用，特別是在中原的漢王朝與邊疆新興起的一些勢力的鬥爭過程當中，鋼鐵冶金技術起到了非常重要的作用。
以前，由於各個學科的一些隔閡和研究的不充分，這個問題沒有得到應有的闡釋，所以現在我們把它作為單獨的內容來講解它，以便更好地總結歷史經驗教訓。
隕鐵之源
說起鋼鐵，古代最早使用的鐵，是從天上掉下來的隕鐵。現在我們人類經常能夠觀察到天空中的流星，流星就是隕星，它其中的一部分就是隕鐵。隕鐵在太空的飛行過程中，以大約每百萬年降低1～100攝氏度這麼一個緩慢的速度來冷卻，因而形成了隕鐵非常獨特的粗大的晶格組織。晶格有時候能達到幾釐米，人類不需要用顯微鏡就能看得很清楚，而且隕鐵往往還有特別的成分，比如都要含鎳，一般是5%～10%的鎳含量。隕鐵降落在地球表面的過程中，小一些的就在大氣層階段就燃燒沒了，但是那些大一點的會掉落在地表被人類所發現。目前世界上最大的隕鐵是在南非發現的“霍巴隕鐵”，重60噸，已經入選世界自然文化遺產。我國有清代降落的全世界第三大的隕鐵，目前展示在新疆地質博物館。
在歷史上，人類很早就知道隕鐵是從天上來的，並對它加以利用。古代兩河流域文明的蘇美爾人就把隕鐵稱為“天上的銅”。曾經生活在如今土耳其北部的古代赫梯人，也說這鐵是採自天上，古埃及紙草書中也有相關記錄。我國古代文獻記載了多次隕鐵降落事件，比如公元前368年（秦獻公十七年），公元1064年（北宋治平元年）等。截至20世紀80年代，全世界發現了許多隕鐵製品，其中在西亞一帶，年代在公元前1200年以前的隕鐵製品就有28件。我國到目前為止也發現了一些古代隕鐵製品，有名的包括1972年河北藁城出土的商代的鐵刃銅鉞和1977年北京出土的鐵刃銅鉞，以及河南三門峽出土的西周鐵援銅戈等。經過科學檢測，這些鐵器的年代都是在歷史上正規鐵器出現之前，成分屬於隕鐵。名列世界三大名劍之一的克力士劍，因為產自馬來半島而被我國稱之為“馬來刃”，也是用隕鐵製造的。
在歷史上，人類在使用隕鐵之後，漸漸就認識到，還存在著這樣一種與銅不一樣的金屬，於是人類就開始想辦法冶煉並獲得隕鐵這樣的金屬。
尋找鋼鐵
接下來我們簡單介紹一下鋼鐵的種類和它的基本知識。簡單來說，鋼和鐵不是一回事，不過鋼鐵的最基本特徵是它是碳和鐵這兩種元素的合金。鋼鐵的最基本組織或者按照化合物角度來說，主要包含鐵素體和滲碳體，有的時候還有石墨碳，這三個要素的互相組合搭配，形成不同的組織，最終形成不同效能的鋼或者鐵。我們通常以4.3%含碳量為界，再以2.14%含碳量為界來劃分鋼鐵組織。不含碳或者含碳非常少，在0.022%以下的，稱之為熟鐵。含碳量在2.14%～4.3%這附近的叫生鐵或者鑄鐵。在0.05%～2.14%區間的稱之為鋼。生鐵分為三種，其中的共精白口鐵，含碳量正好是4.3%這個位置，低於這個含量的叫作亞共晶白口鐵，高於這個含量的叫作過共晶白口鐵，它們有不同的組織。
處於含碳量中間位置的鋼，又分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼等等。我們平時常用的鋼基本停留在0.76%含碳量這個位置附近，含碳量1%以上、0.8%以上的使用都比較少。鋼在不同的溫度下處理就會有不同的組織。這些組織在鋼鐵冶金裡又分成許多的體，比如奧氏體、珠光體等等。鋼鐵的熱處理包括淬火、退火、回火、正火，都是在一定的條件下透過緩慢或者快速冷凝，然後再加熱，目的是獲得更好的組織，然後讓裡邊出現一些應力釋放，使鋼鐵的產品具備良好的機械效能，能夠經久耐用。
從鋼鐵的分類來看，最好用的是鋼，但是鋼是不能直接提煉出來的，人類必須透過鐵來鍊鋼，相應的就有兩種鍊鐵方法，一個是從含碳量低的地方開煉，即所謂的塊鍊鐵技術。這個技術在歷史上也發明得比較早，根據學者的研究，最早可能出現在距今三千四五百年前的西亞一帶。塊鍊鐵技術是在較低溫度下，在碗式爐中冶煉熟鐵，它能夠排除液態的爐渣，但是這個方法不能把鐵徹底融化，只能形成一種半融化的海綿狀態的鐵，叫作海綿鐵。在古代，這種方法是在中國文明圈以外的國家通行的。這種技術的爐子不會很大，外形像碗一樣，直徑通常在七八十釐米左右，直徑達到一米的就算比較大的了，爐的高度也就是1米到1米5左右。我國也發現過一些早期的塊鍊鐵法制品，比如陝西寶雞益門出土的春秋時期金柄鐵劍，以及河南三門峽虢國墓地出土的玉柄鐵劍，還有內蒙古鄂爾多斯出土的春秋鐵器等等。
那麼另一種冶煉的方法就是從碳高的那邊煉，即生鐵冶煉技術。這個方法在古代是中國所獨有的，生鐵冶煉技術是在幾米高的高爐中形成一定的溫度、氣氛、物料分佈帶，讓生成的鐵吸收足夠的碳，降低它的熔點，最後在爐底下形成液態的生鐵，同時上邊會形成含鈣高的爐渣，它的基本原理和現在的高爐鍊鐵是一樣的。
比較來看，生鐵冶煉技術和塊鍊鐵冶煉技術顯然是不同的體系。塊鍊鐵是幾個人進行的小規模操作，生產時間短，生產效率低，而且生產出來的鐵塊，如果體積太大的話，由於古代沒有充分的切割條件，古人對這種大塊鐵甚至都處理不了，這些限制導致了塊鍊鐵法不能煉出太大的鐵塊，產量也就是幾公斤至上百公斤，就算相當不錯了。而古代中國採用的生鐵冶煉技術，爐子弄個五六米或者七八米高（這都是我國古代採用過的高度），那麼一天可以生產出一兩噸的生鐵，因此生鐵冶煉技術的產量優勢很明顯。另外生鐵冶煉技術的效率也比較高，對鐵礦石的利用率比較高，其爐渣裡的殘留鐵大約是3%～6%，相比之下塊鍊鐵法的爐渣裡邊含鐵量高達70%～80%。另外生鐵冶煉的燃料利用率也是很高的。
不過，古代的生鐵冶煉技術在優點突出的同時，也有自己的侷限。所用的爐子的高度在古代都屬於比較高的，一兩個人是無法完成全部操作的，一般來說需要十幾個人才能操作好一個爐子，再加上給冶煉加工配套等等的人力，計算下來，一個爐子的運轉恐怕需要幾十個人。所以生鐵冶煉技術的人力物力消耗也是比較大的。另外它生產出來的生鐵製品是可以直接使用的，做生活中所需要的鍋碗瓢盆都是可以的，但是生鐵的效能還不足以支援做精良的兵器或者耐用的工具，生鐵要想做這些還需要後處理，需要一整套的後處理工藝跟著，它才能夠得到廣泛利用。
所以，與塊鍊鐵冶煉技術相比，生鐵冶煉技術是不同的體系，技術上非常先進，相對而言更適合於大型工業化、產業化生產。
古代中國之所以出現了生鐵冶煉技術，是有很多技術原因和社會需求因素的。第一個因素是，我國的青銅時代留下了出色的遺產之一，青銅時代的中國先民就擁有很好的冶煉爐子，這種爐子可以直接拿來鍊鐵。湖北大冶銅綠山古銅礦遺址出土的鍊銅爐，經過整體復原之後將近4米高，考察它的結構，證明其完全符合現在高爐冶煉的要求。所以古人把鐵礦石裝到這種爐子裡面冶煉是能出生鐵的。長江中下游的遺址中也多次出現古人所煉的半銅半鐵金屬錠，也證明當時古人使用的爐子還原能力很強。因為銅礦石天然伴生鐵礦石，所以古人在鍊銅的時候也會把鐵煉出來。這種金屬錠煉出來之後還需要再處理才能得到銅，不過如果礦裡邊含銅很少，可能直接煉出來鐵了。
第二個因素仍舊來自青銅時代留下的優秀遺產。我國先民在青銅時代發明了一整套的陶範鑄造技術，古人用這套技術平移過來之後就能夠迅速擁有鑄鐵能力。秦漢時期古人把這些陶範技術直接平移過來鑄鐵，能鑄成各種鍋碗瓢盆、鐵罐之類的鐵器。目前我國發現的最早的生鐵製品，是公元前8世紀在山西曲沃天馬—曲村遺址發現的兩件鑄鐵器殘片，以及江蘇六合程橋出土的鐵丸（公元前6世紀—5世紀）。到了春秋末年戰國初期，更多的生鐵冶煉製品出現了，分佈的地點則是中原以及中原周邊地區。
第三個因素屬於社會因素，在古代，以生鐵為基礎的鋼鐵冶金技術體系工藝複雜，規模宏大，必須有強大的社會組織才能支撐，只有戰國至秦漢時期開始形成並不斷強化的大一統中央集權才能為這一技術體系提供充足的保障。
古代鋼鐵冶金技術體系
在生鐵基礎上古人後來建立了一整套早期的技術體系。古人制鋼有兩種方法，一種是從豎爐出來生鐵之後，直接鑄造成型，取其鑄造的高效率，然後把鑄造的東西脫碳成鋼，再後來就發展成把出爐的生鐵直接炒煉，就像炒菜一樣，使它脫碳成鋼。生鐵製品或鑄鐵製品有一種韌化技術，就是使裡邊的滲碳體發生一定的分解，從而改善產品的效能，這都是在鑄造基礎上進行處理的，所以鑄造這個東西要比鍛造成型效率高，做好了陶範，一爐鐵水下來，一天就能夠一次澆成幾百個甚至幾千把錘子之類的工具，而要使用手工鍛造的話，可能一天也就只能打造一把錘子，效率的差距非常大。
從戰國時期開始到東漢時期，中原地區以生鐵為基礎的鋼鐵冶金技術體系基本成形了。
接下來我們看一看一些特別的產品。生鐵韌化也叫展性鑄鐵，它是在900攝氏度的稍高溫度下較長時間的退火處理，生鐵中的滲碳體分解成的石墨聚整合團絮狀，得到了韌性鑄鐵。根據分解不同的形狀又有不同的稱呼，對鑄件效能有所改變，不會像以前生鐵鑄件那麼脆。這個技術是我國先民在公元前5世紀發明的，一直使用到公元9世紀以後，延續了1300多年，之後這個方法在中國就不太用了，採用了其他的制鋼技術。而到了工業革命前後，西方又重新發明了這個技術。關於這個技術，現在也有一些出土文物，比如有出土的戰國時代鐵鋤經過檢測，裡面石墨成球狀，不過古人確實不知道這裡邊石墨變成了球狀。
另一個技術是生鐵固體脫碳，雖然生鐵含碳量高，太脆，質量不好，但是生鐵易於鑄造。於是在生鐵鑄造成型之後，在高溫下氧化氣氛爐中退火，只要時間和溫度控制合適，能夠避免裡邊的石墨析出，使鑄件脫碳成為鋼或熟鐵製品。比如洛陽水泥廠出土的鐵錛，它裡邊還是原來生鐵的組織，而表面已經脫碳成鋼了，這個鐵錛就具有某些鋼的質量，用起來就非常好用了。所以鑄造成型，用這個方法脫碳，既取鑄造的高效率，又取脫碳方法的高質量，這個非常巧妙的方法，也是古代中國獨有的。
還有一項重大的技術就是炒鋼技術。我們透過做的文物檢測和分析一些文獻，認為這個技術至遲在公元前2世紀就出現了，不過我們懷疑這個技術可能出現得更早。因為現在還有一些文獻和文物的線索。這種技術是以液態生鐵為原料在炒煉爐中進行攪拌翻炒，在這個過程中空氣裡的氧把鐵水錶面上的碳氧化成二氧化碳而脫除，碳含量逐漸減少，生鐵就向鋼的方向轉移了。這樣生產出來的鋼就叫作炒鋼，如果脫碳脫得多了那麼出來的產品就是低碳鋼甚至熟鐵，再對其進行鍛造，就能用來製作精良的兵器或者農具、工具。這個技術發展到後來，發展成聯合化生產，也就是這邊高爐剛煉出鐵水，那邊就直接進行炒鋼了，不用再把生鐵拿到別處去重新融化、浪費燃料和時間。這套工藝在明代宋英星的記載裡就有了。不過文獻記載我們還可以追溯更早，東漢于吉在《太平經》裡有一段描寫鑄名劍莫邪的記載，其中就提到鐵燒冶成水，然後就是良工萬鍛之。我們推測，這中間有個環節，如果不進行炒鋼的話，後面的良工萬鍛是無法進行的。雖然這是一個間接記載，但是我們還可以通過出土文物來判斷，炒鋼技術是很早就出現了的，比如我們在臨淄故城遺址中就發現了炒鋼渣等等。
炒鋼技術的出現，在世界歷史上都是很重要的一件事情。英國17世紀開始發明了用生鐵冶煉熟鐵，後來用反射爐來炒，一直用到1930年左右，炒鋼被稱為是“震撼大地”的發明，近代工業革命中的一些基礎內容，比如制鋼等都是來源於此。炒鋼中有一種非常有名的製品叫百鍊鋼，百鍊鋼不是一個單獨的鋼種，它最早出現於公元前2世紀，是用炒鋼甚至用熟鐵摺疊鍛打形成的一種“寶刀”，百鍊鋼鍛打之後，會成一層高碳一層低碳的結構，既有一定的柔韌度又非常鋒利，是我國古代鋼鐵材料中質量最高的產品。文物方面，有山東臨沂出土的東漢三十煉環首鋼刀，以及江蘇徐州出土的東漢五十鍊鋼劍。關於這類產品的記載在三國以後就逐漸減少了，文獻記載中曹操曾經在建安年間命有司製作“百辟鋼刀”，其子曹植曾寫《寶刀賦》。值得注意的是，百鍊鋼工藝對我國古代文化也產生了一定影響，比如成語中的千錘百煉、百鍊成鋼等等。百鍊鋼也曾傳到國外，公元1世紀的羅馬博物學家普林尼在其名著《自然史》中提到，雖然鐵的種類很多，但沒有一種能和中國的鋼相媲美。
戰國及秦漢時期鋼鐵技術的重大作用
剛才我們給大家介紹了中國古代建立在生鐵之上的鋼鐵冶金技術體系，以及一些重要發明的實物及文獻記載。這套鋼鐵冶金技術在戰國至漢代這一時期起到過重大作用，促進了我國在這一時期的文明大發展。
戰國時期冶鐵技術已經非常發達，文獻中有關於當時幾大冶鐵富豪的記載。當時各諸侯國諸如齊國、燕國、趙國、楚國、韓國等都有自己的鍊鐵中心，秦國在商鞅變法之後就開始設鐵官，司馬遷的先祖就擔任過這個職務。陝西韓城至今還留有當年秦國冶鐵的遺蹟。
到了西漢武帝統治時期，文獻記載全國設定了49處鐵官，現在發現的是漢代冶鐵遺址有36處，分佈於中原內地及邊疆地區，簡而言之，我們現在有大鋼鐵廠的地方，其附近幾乎都會有秦漢時期的鋼鐵冶煉遺蹟，比如說邯鋼、舞鋼、萊鋼等等附近都有，東北的鞍鋼附近也有漢代的冶鐵遺蹟。從考古發現來看，漢代鐵官實際上不止49家，我們後來發現內蒙古長城沿線還有大片的冶鐵遺址，這些可能是當年在當地屯墾的漢軍搞的，司馬遷可能沒看過相關記錄，或者這些地方是在司馬遷去世之後形成的。河南鄭州發現的河南郡第一冶鐵作坊，面積12萬平方米，包括爐基2座，豎爐有效高度6米，容積50立方米，根據估算，日產生鐵約1噸。另外漢代史料還記載了兩次高爐事故。比如《漢書·五行志》就記載：“成帝河平二年（公元前27年）正月，沛郡鐵官鑄鐵，鐵不下，隆隆如雷聲，又如鼓音，工十三人驚走，音止還，視地，地陷數尺，爐分為十，一爐中銷鐵散如流星，皆上去，與徵和二年（公元前91年）同象。”這個記載是說當時化鐵的高爐發生爆炸，13個伺候爐子的工人嚇跑了。這也側面證明當時高爐的執行是需要很多人力的。
在這個時期鋼鐵技術的第一個作用，就是推動農業手工業的全面鐵器化。當時各地都開始出現鐵農工具取代木石工具的現象。成書於戰國時期的《管子》一書記載：“一農之事，必有一耜、一銚、一鐮、一耨、一椎、一銍，然後成為農。一車必有一斤、一鋸、一釭、一鑽、一鑿、一銶、一軻，然後成為車。一女必有一刀、一錐、一箴、一鉥，然後成為女。”這些生產工具指的全是鐵工具。當時出現了重要的農業生產技術——牛耕，用牛拉著鐵製大犁鏵進行耕地，大大提高了農業效率。很多漢代畫像石表現了這樣的牛耕方式，遼寧遼陽出土的漢代鐵質犁鏵達到40釐米寬。鐵製工具的推廣還推動了當時的水利工程建設。戰國至秦漢時期出現的眾多著名工程，比如都江堰、鄭國渠、靈渠、鴻溝等等，其背後都有鐵工具的貢獻。
鐵製農具的廣泛使用和水利工程的修建，促使戰國中晚期以後農業發生了重要變革。戰國時期魏國李悝估計，一個農民耕種產出的糧食可夠五人食用。《荀子》一書也談到，“中農食七人”，《戰國策》記載當時耕作的收穫量大約是種子的10倍，而歐洲到了13世紀時候平均也只有3到5倍。
這個時期鋼鐵技術的第二個作用，就是推動兵器的全面鐵器化。以往青銅時代主要是青銅兵器，鐵器時代到來後就開始全面地鐵器化。戰國時代出土的鐵兵器總量已經達到了同時期總兵器數量的52%，鐵兵器的推廣在戰國時代的諸侯爭霸以及秦統一戰爭中都發揮了重要作用。比如說當時的一種兵器“鑲”，屬於用優質鋼鐵製造的可攻可守的兵器,長度超過一米的鋼製環首刀、劍更是威力強大的兵器。
鋼鐵技術的發展優勢，在西漢武帝與匈奴的戰爭中充分表現。經過西漢初年60多年的休養生息，到了漢武帝時期經濟和軍事實力大大提升，漢武帝開始對匈奴展開大規模反擊。當時漢軍與匈奴交戰，打仗的優勢之一就是兵器。漢武帝之後的漢元帝時期，漢將陳湯率領部下千里奔襲北匈奴成功，斬殺郅支單于，陳湯回來之後向皇帝報告說，“夫胡兵五而當漢兵一，何者？兵刃樸鈍，弓弩不利。今聞頗得漢巧，然猶三而當一”。陳湯說匈奴兵5人才能匹敵漢軍1人，後來獲得了一些漢朝技術得以改進，但是仍舊需要3人才能匹敵漢軍1人。從考古發現來看，最初匈奴的刀劍大約是以鄂爾多斯青銅劍為代表的青銅兵器，最多不能超過60釐米上下，如果再想鑄長，因為質地和工藝問題，就要折斷了。後來匈奴也學會了冶鐵製兵，但是效果也不是很好，刀劍的長度最多也就是60～70釐米，對比漢代鐵製兵器還是有劣勢的。
所以我們總結戰國到漢代這一時期，我國出現的當時世界上獨一無二的生鐵冶煉技術，以及建立在其基礎之上的鋼鐵技術體系，可以說是中華民族歷史上最偉大的發明之一。這套鋼鐵冶金技術，以其相對較高的生產效率，為我國古代先民在農業、手工業、軍事等等方面的發展都提供了充分的技術保障。
