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古人所说的“熟铁”到底是什么?揭秘比百炼钢还牛的古代灌钢法

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Published on Feb 1, 2019

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谢谢!在冷兵器研究所之前的文章《刀剑真的不详吗?这个流传千年的说法竟源自一帮道士》中提到,中国古代著名的灌钢法,是生铁在上,熟铁在下,高温时生铁先于熟铁融化,然后“滴灌”到熟铁上。这个熔融层最后就能出钢。但这样就有一个逻辑矛盾,即:矿石冶炼出来的是生铁,熟铁是生铁脱碳而成。既然是生铁脱碳,而且也不是瞬间完成,制熟铁的过程不但漫长而且是可控的。那么,直接生铁脱碳不就成钢了?脱了碳,然后再用生铁往里渗碳?莫不是古人思路有问题?讨论古人思路有没有问题前,我们先看看熟铁在史料中是怎么来的。下文来自《天工开物》卷十四“五金•铁”若造熟铁,则生铁流出时相连数尺内低下数寸筑一方塘,短墙抵之,其铁流入塘内。数人执持柳木棍排立墙上,先以污潮泥晒干,舂筛细罗如面,一人疾手撒滟,众人柳棍疾搅,即时炒成熟铁。其柳棍每炒一次,烧折二三寸,再用则又更之。炒过稍冷之时,或有就塘内斩划成方块者,或有提出挥椎打圆后货者。虽然对《天工开物》的内容记载目前有诸多争议解释,但是如何理解这一段炒熟铁,学者们在以下观点上达成了一致。①工艺原理目前普遍认为这136个字记录的是生铁氧化脱碳的过程。操作要点是在液态半液态下,利用空气中的氧来氧化生铁中的硅、锰、碳。在整个过程中要快速地搅拌金属。②工艺相对先进从这段文字中可明确知道,炒炼室与生铁熔炼室是串联的,生铁出炉后直接流入方塘进行炒炼,省去了生铁再加热工序,避免燃料中的硫在加热过程中进入金属。我们再来看看《天工开物》中的“灌钢法”是什么样的。凡钢铁炼法,用熟铁打成薄片如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖紧,生铁安置其[上](广南生铁名堕子生钢者妙甚),又用破草履盖其上(粘带泥土者,故不速化),泥涂其底下。洪炉鼓鞴,火力到时,生钢先化,渗淋熟铁之中,两情投合,取出加锤,再炼再锤,不一而足。俗名团钢,亦曰灌钢者是也现在,我们根据《天工开物》的原文和冶金前辈们的判断可以得出这样一个结论。生铁的氧化脱碳还原不是瞬息完成的,他需要不停搅拌很长时间。如果脱碳没有进行到底,铁水在某个含碳量较高水平上就稳定冷却下来,那这就是低碳钢甚至高碳钢成品了呀。根本就用不到后面灌钢法来出钢。能吗?古人真能用土办法控制时间?我华夏文明悠久灿烂,文明的火种代代相传从未给断绝……我其实就想说只要文明活得够久,就能留下不少技术活化石。由于民国科技发展缓慢,一直到抗战时期,工业化大生产的钢铁制品都没能把内地的古代技术小冶炼作坊挤兑死。1938年,周志宏先生仔细分析了重庆北碚金刚碑苏钢作坊原料、产品成分。结论如下所谓苏钢就是古代灌钢法的最后一代直系血脉。在1938年这个时间点,这个小作坊是没有得到什么大厂的技术支持的。什么工业温度计,电力之类之类统统没有用到这个小作坊头上。我们可以认为,这个小作坊的“苏钢法”和几百年前明代的生产条件是十分近似的。同样的生产条件,同样的技术,我们可以看到这个塑钢作坊用于炼钢的“熟铁料”本身就是含碳1%以内的钢,而经过这个作坊古法加工之后,原料钢中的硅锰硫磷杂质明显减少,并且成品钢与原料“熟铁”含碳量几无区别。石心圃先生也曾经获取过一些所谓“苏钢”的样本。分析之后成分如下可见这苏钢成分范围很宽,包括了现代意义的低碳钢到亚共析高碳钢、过共析高碳钢。可惜的是石先生未列出炼钢所用“熟铁”的成分,故难以明确指出每一号试样在冶炼过程中碳分的变化情况。设若其原料“熟铁”含碳量与周先生分析的相当,则只有“2号”样的“熟铁”可算是渗了碳的,而“1号”、“3号”样的则不曾渗碳,而是脱碳。由此可推断,古代的各种“炼钢法”其实不是字面意义上的“炼钢”,而是给练出来的钢祛除杂质。从现代技术观点看,制钢过程的主要目的:一是控制好含碳量,二是去除金属的和非金属的夹杂。现代化制钢是在液态下进行,去除夹杂一般比较容易,因而制钢的主要任务是控制含碳量。古时不论炒钢还是灌钢,都在半液态下进行冶炼,去除夹杂十分困难。夹杂去除如果不够充分,则成品只能用来制作一些机械性能要求不高的器物,比如箭头,短匕,矛头之类;若工件机械性能要求较高,比如一米长剑,则需将夹杂去除到最低限度。因此除去夹杂便成了古代“制钢”的主要任务。从这个视角来看,沈括推崇的“百炼钢”明显就不如“灌钢”法优秀。首先,“千锤百炼”的办法尤其费工费时,金属收得率低;其次,成分不易控制,去渣能力不够强。灌钢去渣能力较强主要与它本身的工艺特点有关,生铁所含硅、锰、碳较高,熔点较低,“熟铁”料含氧化夹杂较多;合炼之时,化学反应进行得十分激烈。“熟铁”中部分铁的氧化物会被硅、锰、碳还原而提高了金属收得率。此过程中还会产生出许多气泡,另部分氧化物会被带出并流走,结果得到一个夹杂较少的钢团。在没有温度计,没有金相显微技术,甚至没有“含碳量”这个概念的古代,人们所说的“熟铁”其实是个范围很广很广的概念,从现代意义上的熟铁到可锻鉄,低碳钢,中碳钢,甚至高碳钢都有可能被包含到“熟铁”这个概念中来。因为在古人心里,“钢”是神圣的,只有杂质少,硬度高的一小部分钢材才会被古人冠以“钢”的称号用到刀刃上。其他的全都是“铁”。参考资料《中国早期钢铁冶炼技术上创造性的成就》周志宏,《科学通报》1955年第2期《中国古代冶金北京钢铁工业学院第一次科学研究及教学法讨论会汇集》石心圃1956年《我国炼钢史上的一个问题》陈佐良《大陆杂志》第四十九卷第六期,1974年《中国古代炼钢技术初论》何堂坤《科技史文集》第十四辑,上海科学技术出版社,1955年本文系冷兵器研究所原创稿件。主编原廓、作者灵吸怪,任何媒体或者公众号未经书面授权不得转载,违者将追究法律责任。

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