古代中西方铁器应用的比较

  毛卫民:北京科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要研究方向包括多晶体材料晶体学各向异性的形成与利用、电工钢材料学原理及新型电工钢品种的开发研究、高强度钢材各向异性的开发与利用等。负责完成10多项国家级材料科研项目以及大量企业工程研究项目,在国内外刊物上发表200余篇学术论文,出版学术专著6部、教材6部。

  陕西宝鸡市周原遗址出土的青铜器。资料照片

  表1 铁器时代前中西方铜器使用量差异示意图

  铁器时代之前的铜器时代

  进入铁器时代之前,人类文明处于铜器时代,且中西方在铜器生产和使用上存在着巨大的差异,这种差异,我们可以通过表1的简易图表,对其有直观的掌握。

  对人类文明产生巨大影响的材料技术,其关键要素不仅包括新技术出现时间的早晚,更重要的是大量使用这种材料的规模。公元前5000年—公元前4000年期间,中西方均出现了人工冶铜技术。在伊朗、叙利亚、埃及等地考古发现了约公元前4000年的人工制造的铜器和冶铜遗址。因此通常认为,西亚地区是最早出现人工冶铜技术的地区。在中国陕西临潼姜寨出土了约公元前4700年的人工冶炼制造的原始黄铜残片和黄铜管。在欧洲也发现了约公元前5000年的人工冶铜制品。可见,世界各地均很早就进入了使用人工冶铜制品的时代。

  由于当时的中国地区拥有到处可得的铜矿资源和良好的高温烧陶技术,中国铜器时代的铜器使用量持续增长。自约公元前 3000年开始的时代(也就是古代史书中所说的“五帝时代”),中国的冶铜技术已经比较成熟,并且广泛应用于生产生活和战争。在夏代,中国已经出现了铜鼎等大型铜器,至商周时期中国的铜器技术发展到历史的巅峰。考古发掘显示,约公元前1500年的中国已经普遍出现了利用高温冶炼和铸造技术制作的精美青铜大鼎。这些青铜遗存,在如今的中国各省、市、自治区的博物院馆中都可以发现。

  铜器时代冶铜、制铜业的发展首先要能够从自然环境中较方便地获得铜矿资源。除去小型铜矿资源不论,在中国发现了五十多处中型、大型和超大型铜矿,这为中国铜器时代的快速发展提供了充足的铜矿资源。而当时欧洲的铜矿资源则相对比较匮乏,难以支撑冶铜技术的快速发展。同时,欧洲早期的冶铜技术所使用的铜矿石主要是碳酸铜或氧化铜,这种矿石比较容易借助加热过程冶炼成铜。在当时,当欧洲地表的碳酸铜或氧化铜基本被耗尽后,又没有适当的高温技术及把硫化铜矿石冶炼成铜的相关技术,因而欧洲出现了约公元前3500年之后冶铜活动的低迷和停滞。之后欧洲冶铜业虽有所复苏,但在古罗马出现之前,欧洲整体的铜产量始终保持较低的水平:自公元前5000年欧洲及附近地区出现人工冶铜技术而进入发展期以后,由于不能利用上述那些技术来处理需要更高温度冶炼的铜矿,导致欧洲铜器的使用进入了衰退期。在公元前2000年—公元前700年的1300年期间,根据不完全统计,西亚、北非和欧洲等地铜的年平均总生产量仅有约400吨。

  工业革命之前的铁器时代

  自公元前1000多年前世界各地发明人工冶铁技术以来,至20世纪70年代,人类都是处于广义的铁器时代,包括工业革命前的传统铁器时代,直至其后的后铁器时代或钢铁时代。20世纪晚期在所涌现大量新材料的推动下信息产业的兴起,才标志着铁器时代的结束。

  早期的人工冶铁技术主要包括炼铁和炼钢两个重要环节。炼铁过程大致为:用燃烧木柴、煤炭或木炭等燃料加热以氧化铁或硫化铁为主的铁矿石,达到足够高的温度后燃料中的碳与铁矿石中的氧或硫结合成气体逸出,还原出铁矿石中的铁。还原出来的铁中还残留了铁矿石中的硫、磷、硅等等,以及多余的碳等杂质。炼铁获得的产物被称为生铁,其性质脆而硬,通常并不适合直接使用。我们可以把炼铁过程简单地理解为:把天然铁矿石转变成含有很多杂质的生铁。炼钢或制钢过程大致则可以理解为:利用多数杂质元素比铁更容易氧化的特性,在高温下向生铁内输入空气中的氧气以便氧化生铁内的硫、磷、硅、碳等杂质元素,然后设法清除这些杂质氧化物。例如,在液态铁水中投入氧化钙等造渣剂,使其与氧化的杂质形成钢渣漂浮于铁水表面并被清除。炼钢过程中还可以控制适当的含碳量或加入某些有利的元素,以获得更好的使用性能。我们可以简单地把炼钢过程概括为:去除生铁中的杂质并获得洁净和优良性能的钢制品。

  在大约公元前1000年,欧洲地区进入铁器时代初期,由于铜器的应用很不发达,率先掌握冶铁技术的古罗马人迅速推广使用铁器,包括铁剑、铁标枪、铁盾、铁弩箭发射装置以及铁链、扒城钩、铁镰头等,当时罗马军队中还配备铁匠,随时维修和制作铁质兵器。面对欧洲尚未充分发展的冶铜制铜业及其冶铁制铁技术尚不够成熟的广大地区,已经积累了较强军事技能的古罗马军团因其完备的铁质兵器系统而具备了较为显著的军事优势,并最终利用这种铁器优势横扫北非、西亚和欧洲大陆。

  而在同一时期,铜器使用非常发达的中国,对铁器的推广使用并不那么急迫。公元前770年至公元前221年,当时的中华文明处于春秋战国时期,诸侯国之间的战事连绵不断。基于当时已经十分发达的冶铜制铜技术,春秋时期各国在战争中大规模使用的基本上还是铜质的兵器。铁的密度比铜约低15%;与铜质兵器比较,铁质兵器具备更加轻便、锋利、强韧等特点。因此,随着冶铁技术逐渐成熟直至秦统一前的战国时期,虽然各国军队仍以铜质兵器为主,但也开始部分使用铁质兵器。不过,由于当时各地都有了非常发达的冶铜制铜业,各国用于战争的兵器技术没有太大的差异。当进入战国时代形成了实力强大的少数国家之间的长期对峙局面之后,战争的胜负往往更取决于各国的综合国力、军事策略以及统治阶层的决策水平。在这样的情况之下,铁质兵器并没有取代铜质兵器。比如,公元前210年秦始皇下葬时,当时的中国人早已掌握冶铁技术,但在秦始皇陵迄今为止的考古发掘中,研究人员鲜有发现铁器,却已陆续出土了四万多件铜质兵器。到了汉代,中国也有相当长的铜器与铁器的混用时期。然而与铜器相比,铁器毕竟具备重量轻、更坚韧、更锋利等优势,而且矿产资源相对更丰富,因此,古代中国的冶铁技术最终还是得到了稳定的发展,并在农业、畜牧业、纺织业、建筑业、交通运输业、军事、文化、日常生活等各领域得到了广泛的应用。

  中西方早期的原始冶铁技术多为块炼铁技术,即在空气中用炭火加热坩埚中铁矿石,使之逐渐转化成海绵状疏松的铁块。随后,借助加热并捶打成形的方式,去除铁块中的杂质、控制碳含量进而制成铁器。如果在坩埚底部开口使空气顺畅流通,可明显提高升温速度和加热温度,直至使还原出来的铁熔化成液体,并从坩埚底部的开口不断流出,集中收集,此即为竖炉冶铁技术。这种技术需要更高的温度,而中国发明早期瓷器时所能实现的高温技术,为古人发展竖炉冶铁提供了坚实的支撑。公元前500年以前,中国的湖南、湖北、江苏、山西、河南、甘肃等地均出现了竖炉冶铁,因此当时古人有能力把铁水直接浇铸成形,制成生铁铸件。而在欧洲,直到公元14世纪,才出现类似的技术。

  竖炉技术的出现使得古人的一次冶铁量得以明显提高,为制造大型铸件提供了便利。到目前为止发现的中国铁器时代中期最大的铸造铁器,是公元953年后周时期制造的重约40吨的沧州铁狮“镇海吼”。

  需要指出的是,在铁器时期,中国在炼铁、炼钢方面的许多关键环节曾出现过领先于世界的重要技术。比如,将生铁铸件再次加热,烧损铸件中的碳或改变碳的形态可以明显降低所制铁器的脆性,并大幅提高铁器铸件的性能。这些技术在中国的春秋战国时期就已经出现,并在秦汉时期得到了推广应用,而直到17、18世纪欧洲才出现类似的技术。根据宋《太平御览》记载,东汉时的人们就懂得以含碳较高的冶炼铁条为原料,经过反复加热、锻打,可加工制成钢条。其反复加工的次数可为三十次、五十次甚至百次,并由此称为三十炼钢、五十炼钢、百炼钢等,这就是古代的百炼钢技术,并由此衍生出“千锤百炼”“百炼成钢”等成语。百炼钢制品具有坚韧、锋利、经久耐用的优点,而欧洲是在公元6世纪出现了类似技术。在公元1世纪,中国出现了水力驱动鼓风技术,17世纪又出现了活塞式风箱鼓风技术用于提高冶铁的温度和生产效率。欧洲出现这两项相关技术的时间则分别迟至公元4世纪和18世纪。在公元10世纪,中国开始把煤用于冶铁,16世纪把焦炭用于冶铁,相比之下,欧洲到了17世纪才在冶铁中使用这些更高燃烧值的燃料。在大约公元前2世纪,中国出现了一种炒钢技术。公元1世纪成书的东汉《太平经》中就曾经记载过这种技术,即采取对生铁水鼓风搅拌促使铁水中的碳烧损氧化,以使生铁变成钢。明朝的《天工开物》中描述了类似的过程。用风箱鼓风冶炼出生铁水后,可以直接浇铸成铸件,也可以将高碳铁水继续导入一个方池,用长杆搅拌,即“炒”铁水,使其与空气混合,促使铁水中的碳烧损。这套工艺中会向方池中抛撒泥灰,这种泥灰很可能就是造渣剂。《天工开物》中记载的这一套炼铁、炼钢连续流程,已经包含了现代钢铁生产原理中最主要的流程,而欧洲要晚到18世纪才形成类似的流程。在11世纪初的北宋时期,中国的冶铁制钢技术领先当时世界水平达到了顶峰,当时铁的年产量已达到十几万吨的水平。而在欧洲,直到18世纪初,整个欧洲的铁的年总产量才达到或超过这一水平,其中的工业革命发源地英国在1788年仅生产了6.8万吨铁。

  工业革命与中西方铁器时代发展差异

  自18世纪中期开始,英国连续发明出了新的各类机器装置,并由此引发了工业革命。用机器大量取代人工,可以使工业化生产的产品具备大批量、高效率、低成本、优品质等特征。不过,制造这些机器不可避免地要大规模使用钢铁材料,同时也就对钢铁材料的生产提出了大量、高效、低价、优质的要求。因此钢铁材料是推进历史上的工业革命必备的物质基础。1856年,德国人西门子构想了一种具有熔池的高效炼钢炉,其中设计了燃料和热空气通道,可以快速加热并控制钢水温度,保证钢材的质量。基于西门子的构想,1864年法国人马丁建造了第一个专用炼钢设备,被称为西门子-马丁炉,又名平炉。由此开始了现代的炼钢生产。到了1871年这一年,英、美、法、德的钢产总量达到了约75万吨。四年后的1875年,则快速提高到约165万吨。1879年,英国开始用平炉钢建造钢结构桥梁,1889年法国政府用约7000吨平炉钢建成了324米高的埃菲尔铁塔,这是工业革命推进炼钢技术改进的标志性成果。1856年英国人贝斯麦公布了一种转炉炼钢法,在一个可以翻转的熔池内把空气吹入生铁来炼钢的高效方法。但这种方法并不适用于西欧地区生产的酸性生铁。1878年,英国的托马斯发明了把炉砖改造成碱性砖的托马斯法,并迅速在法国和德国得到推广应用。随即,1895年英、美、法、德的钢产总量已经超过了1000万吨。从历史上来看,优质钢铁材料的大规模生产,有力地支撑了工业革命的推进。

  综合以上内容分析原因,欧洲多国邻近的环境,客观上有利于钢铁技术的交流和钢铁产业的竞争发展。各国的技术思想和钢铁生产会互相借鉴、促进、接续、融合,历史上出现的每一项新技术,如果在一国受阻,就可能在另一国继续发展,由此导致欧洲钢铁技术与产业蓬勃发展的局面。

  而在工业革命来临之际,中国虽然已经具备了多种良好的、甚至领先的炼钢技术,但这些技术大多是依靠长期的摸索和经验的积累。其间虽然有很多的技术发明和创新,但人们对其中的科学原理并不十分明了。中国自西周出现采矿业,春秋时期有了冶铁业。现有文献显示,西周、春秋、秦汉、三国魏晋、隋唐、五代时期、宋元明清等历代历朝都有政府管制矿产和冶铁业的记载。在中央集权的治理下,这种管制体现出执行力强且高效的特征,但如果管制决策不够科学严谨则,也可能会对冶铁业造成较大伤害。春秋时期的齐国就禁止民间采矿。到了汉朝,官方为限制地方势力,实施严格的官营冶铁和税收管理,并杜绝地方私自铸铁。宋朝徽宗时曾下令民间除制作农具外,禁止买铁,严厉控制钢铁流通。明朝初期,在时间上临近工业革命的开端,明太祖认为矿冶业劳民伤财,下令停止采矿冶铁,后虽有所松动,但终又行禁令。明成祖、明英宗、明代宗、明世宗等都实施过禁矿禁铁的政策。明神宗为获取税收包庇矿监营私,致使矿冶业遭到严重破坏。进入清朝,康熙和雍正统治时期都禁止包括冶铁在内的矿务。2000多年来,封建王朝的统治者在没有明显外来竞争压力的情况下严管采矿冶铁业,一方面可获得大量税收来源,另一方面也为防范地方、民间借助采矿冶铁业迅速强大和因此导致的反叛。同时也造成了中国冶铁业以经验积累的方式形成的先进技术很难借助技术交流的途径在全国得以推广,并且也很容易因政府的禁铁政策而丧失整体传承的连续性。重新开放的冶铁业在很大程度上有需要大量累积重复的经验和技能。因此,从18世纪末期到19世纪末期的100年间,中国的冶铁业很快从领先世界沦落到极度落后于世界的境地。到了晚清末年,随着洋务运动的兴起,中国全面引进欧洲钢铁技术和设备,于1890年建成青溪铁厂并投产,于1894年建成汉阳铁厂并投产。然而时过境迁,中国已经错过了工业革命的最佳时机,所建的两个铁厂,前者很快破产,后者只能惨淡经营。

文章来源:光明日报 责任编辑:王林

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