汉代的钢铁冶炼技术简述：中国冶铁技术领先于世界的关键时期

中国的冶铁技术产生的时间虽然不是世界最早的，但是中国古代的钢铁冶炼技术却长时间领先于世界。在春秋开始，中国就有了冶铁技术，到战国时代已经成为了相当大的规模。而汉朝是中国钢铁冶炼发展史上十分关键的时期。这时期，出现了高炉炼钢、炒钢技术、百炼钢技术等冶炼技术，使得中国的钢铁冶炼技术远远领先于西方国家。小编就介绍一下汉代的钢铁冶炼技术。

一，高炉设备的改进

人类的冶炼技术，是从烧制陶器开始的。随着温度的不断提高，就拥有了冶炼金属的温度。在商朝时期，可以将铜炉的温度提高到1200度，使得中国的青铜冶炼技术领先于世界。商朝的青铜冶炼不仅催生了原始瓷器冶炼技术，还为后来的冶铁奠定了基础。西周时期，中国人可以将铜炉温度提高到1300度，也就可能用赤铁矿炼出生铁。发展到了春秋时期，已经出现了冶铁的高炉。战国时代，由于战争的频繁，加速了冶铁技术的发展。

到了西汉之后，国家十分重视冶铁。汉武帝时期，实行“盐铁官营”，将冶铁纳入国家垄断经营范围。“盐铁官营”政策推行后，使得冶铁业资金得到了保障，推动了冶铁业的迅速发展。同时，西汉时期的高炉也得到了很大程度的改造。例如一项重要的改造就是将高炉改造为椭圆形。汉代的人们发现风力很难到达高度超过3米的高炉的中心，因为将圆形改为椭圆形，并在扁的两侧鼓风，使得风力可以达到高炉中心，如此就提高了冶炼温度和效率。椭圆形铁炉不仅有利于风力的输送，还提高了高炉的容积。两汉时期，炼炉逐步向大型化发展。

在风力有限的情况下，氧气在高炉内和煤炭燃烧会产生煤气，而煤气会沿着高炉内部的炉墙上升而最终排出。如此，煤气就相当于被浪费了，无法发挥更大的作用。因此，人们设计将高炉下部的炉墙向外倾斜大约62度，如此就增加了煤气和炉料的接触面积，提高了燃烧的效率。

汉代荥阳冶铁遗址

在冶铁的过程中，炉中会产生炉渣，而炉渣中含有大量的二氧化硅。这种化合物导致炉渣的粘性较高，不利于高炉的继续使用。至少在西汉时期，人们已经开始在炉料中配入石灰石，使得二氧化硅和氧化钙可以发生化学反应，降低炉渣熔点。同时，石灰石还能降低生铁的含硫量，改善生铁质量。

二，鼓风设备的改进

冶铁技术的发展与鼓风技术的改进也是密不可分的。古代炼铁高炉是用皮制的“橐” 作为鼓风器。这种皮橐两端细、中间鼓起。皮囊上有一个拉杆，手握拉杆可以将皮囊前后推拉使之压缩和鼓起。皮囊是在鼓起与压缩的过程中将风吹到冶铁炉中的，这个过程为“鼓风”。在鼓风的动力上，除了“人排” 鼓风以外，还有“马排”、“牛排” 等畜力动力。

随着高炉高度的不断增加，容积也不断提高。为了给高炉提供充足的风力，人们在高炉上开了4个风口，每个风口使用一个大皮囊，以此来提高鼓风量。但是风口的增加也需要更多的人力，如在荥阳出土的44立方米高炉需要十二个人同时操作。如果考虑到轮换，就需要三十六名工人。因此，解决风力的问题是十分关键的。

东汉时期，南阳太守发明了一种水利鼓风设备——水排。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。水排的使用，为高炉提供了充分的氧气，因而可以进一步提高高炉的温度，提高冶炼的效率。而西方国家直到12世纪才出现了水利鼓风设备。

三，如何把铁炼成钢

这里就要说一下生铁、熟铁和钢。生铁，三者都是铁的冶炼品，但是三者的特征却有很大的不同。生铁坚硬、耐磨、铸造性好，但脆，不能锻压；熟铁相对柔软，塑性好，可以拉成丝，但是硬度不够；而钢则具有两者共同的优点，不仅硬度强，且韧性好，是古代铸造兵器的最佳材料。之所以有这些不同的特征，在于其含碳量不同。生铁的含碳量较高，超过了2%，熟铁的含碳量低于0.05%，而钢的含碳量则介于两者之间。

汉代铁器

在西周时期，中国就拥有冶炼生铁的技术。而在春秋战国时代，又出现了冶炼熟铁的方法。冶炼熟铁需要将温度提到了1500多度，达到铁的熔点，使得铁矿融化，然后流入方塘。人们使用工具搅拌，使得碳氧化而排出。但是如何炼出钢却需要更高的技术。在汉朝时期，人们已经掌握了两种炼钢的方法。第一种是将生铁中的碳排出，叫做脱碳炼钢法；第二种是在熟铁中加入热渗碳，以提高熟铁的含碳量，使之成为钢。

《梦溪笔谈》中的炼铁

在这两种方法中，第二种方便工艺复杂，难以操作，限制了钢铁的冶炼规模。因此，在汉代多使用脱碳炼钢法。在脱碳技术中，汉代发明了一种炒钢技术。炒钢主要是将生铁加热到1200度，使之成为半溶的状态。然后通过不断的搅拌，增加碳和氧气的接触面积，使得碳氧化。随着温度的不断提高，生铁中的碳含量不断减少，逐渐演变成为了钢。当然，如果继续提高温度和继续搅拌，就可以成为熟铁。这些刚经过锤炼，也就可以成为优质的钢材。

炒钢技术

在炒钢技术的基础之上，又出现了百炼钢技术。所谓的百炼钢就是将炒钢反复的锻炼，使之成为精钢，这种技术是当时世界炼钢的最好水平。然而这项技术十分难以操作（难以控制含碳量），因而需要技术熟练、经验丰富的工匠才能完成。一般百炼钢技术都是用于制造名贵的兵器。王充在《论衡》中说：“岂利剑之锻与炼乃异质哉?工良师巧，炼一数至也”。优质的宝剑需要几十次到到上百次的锻炼，如东汉末曹操下令锻炼的五把宝刀，经过了三年，100次锻炼才成功，称为“百辟刀”。1974年，在山东苍山县出土了一件环首钢刀，刀上有铭文“卅炼”，说明锻炼了三十次。

东汉大瓦槽环首钢刀

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