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古代中西方鐵器應用的比較
2019年06月01日 08:31 來源:《光明日報》( 2019年06月01日 10版) 作者:毛衛民 字號

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作者簡介:

  毛衛民:北京科技大學材料科學與工程學院教授、博士生導師。主要研究方向包括多晶體材料晶體學各向異性的形成與利用、電工鋼材料學原理及新型電工鋼品種的開發研究、高強度鋼材各向異性的開發與利用等。負責完成10多項國家級材料科研項目以及大量企業工程研究項目,在國內外刊物上發表200余篇學術論文,出版學術專著6部、教材6部。

  鑄于公元953年的滄州鐵獅。光明圖片/視覺中國

  陜西寶雞市周原遺址出土的青銅器。資料照片

  2018年天津博物館“龐貝出土文物特展”上展出的古羅馬鐵鐮刀。光明圖片/視覺中國

  5月7日,觀眾在參觀國家博物館展出的后母戊大方鼎。光明圖片/視覺中國

  表1 鐵器時代前中西方銅器使用量差異示意圖

  鐵器時代之前的銅器時代

  進入鐵器時代之前,人類文明處于銅器時代,且中西方在銅器生產和使用上存在著巨大的差異,這種差異,我們可以通過表1的簡易圖表,對其有直觀的掌握。

  對人類文明產生巨大影響的材料技術,其關鍵要素不僅包括新技術出現時間的早晚,更重要的是大量使用這種材料的規模。公元前5000年—公元前4000年期間,中西方均出現了人工冶銅技術。在伊朗、敘利亞、埃及等地考古發現了約公元前4000年的人工制造的銅器和冶銅遺址。因此通常認為,西亞地區是最早出現人工冶銅技術的地區。在中國陜西臨潼姜寨出土了約公元前4700年的人工冶煉制造的原始黃銅殘片和黃銅管。在歐洲也發現了約公元前5000年的人工冶銅制品??杉?世界各地均很早就進入了使用人工冶銅制品的時代。

  由于當時的中國地區擁有到處可得的銅礦資源和良好的高溫燒陶技術,中國銅器時代的銅器使用量持續增長。自約公元前 3000年開始的時代(也就是古代史書中所說的“五帝時代”),中國的冶銅技術已經比較成熟,并且廣泛應用于生產生活和戰爭。在夏代,中國已經出現了銅鼎等大型銅器,至商周時期中國的銅器技術發展到歷史的巔峰??脊歐⒕螄允?約公元前1500年的中國已經普遍出現了利用高溫冶煉和鑄造技術制作的精美青銅大鼎。這些青銅遺存,在如今的中國各省、市、自治區的博物院館中都可以發現。

  銅器時代冶銅、制銅業的發展首先要能夠從自然環境中較方便地獲得銅礦資源。除去小型銅礦資源不論,在中國發現了五十多處中型、大型和超大型銅礦,這為中國銅器時代的快速發展提供了充足的銅礦資源。而當時歐洲的銅礦資源則相對比較匱乏,難以支撐冶銅技術的快速發展。同時,歐洲早期的冶銅技術所使用的銅礦石主要是碳酸銅或氧化銅,這種礦石比較容易借助加熱過程冶煉成銅。在當時,當歐洲地表的碳酸銅或氧化銅基本被耗盡后,又沒有適當的高溫技術及把硫化銅礦石冶煉成銅的相關技術,因而歐洲出現了約公元前3500年之后冶銅活動的低迷和停滯。之后歐洲冶銅業雖有所復蘇,但在古羅馬出現之前,歐洲整體的銅產量始終保持較低的水平:自公元前5000年歐洲及附近地區出現人工冶銅技術而進入發展期以后,由于不能利用上述那些技術來處理需要更高溫度冶煉的銅礦,導致歐洲銅器的使用進入了衰退期。在公元前2000年—公元前700年的1300年期間,根據不完全統計,西亞、北非和歐洲等地銅的年平均總生產量僅有約400噸。

  工業革命之前的鐵器時代

  自公元前1000多年前世界各地發明人工冶鐵技術以來,至20世紀70年代,人類都是處于廣義的鐵器時代,包括工業革命前的傳統鐵器時代,直至其后的后鐵器時代或鋼鐵時代。20世紀晚期在所涌現大量新材料的推動下信息產業的興起,才標志著鐵器時代的結束。

  早期的人工冶鐵技術主要包括煉鐵和煉鋼兩個重要環節。煉鐵過程大致為:用燃燒木柴、煤炭或木炭等燃料加熱以氧化鐵或硫化鐵為主的鐵礦石,達到足夠高的溫度后燃料中的碳與鐵礦石中的氧或硫結合成氣體逸出,還原出鐵礦石中的鐵?;乖隼吹奶謝共辛裊頌笫械牧?、磷、硅等等,以及多余的碳等雜質。煉鐵獲得的產物被稱為生鐵,其性質脆而硬,通常并不適合直接使用。我們可以把煉鐵過程簡單地理解為:把天然鐵礦石轉變成含有很多雜質的生鐵。煉鋼或制鋼過程大致則可以理解為:利用多數雜質元素比鐵更容易氧化的特性,在高溫下向生鐵內輸入空氣中的氧氣以便氧化生鐵內的硫、磷、硅、碳等雜質元素,然后設法清除這些雜質氧化物。例如,在液態鐵水中投入氧化鈣等造渣劑,使其與氧化的雜質形成鋼渣漂浮于鐵水表面并被清除。煉鋼過程中還可以控制適當的含碳量或加入某些有利的元素,以獲得更好的使用性能。我們可以簡單地把煉鋼過程概括為:去除生鐵中的雜質并獲得潔凈和優良性能的鋼制品。

  在大約公元前1000年,歐洲地區進入鐵器時代初期,由于銅器的應用很不發達,率先掌握冶鐵技術的古羅馬人迅速推廣使用鐵器,包括鐵劍、鐵標槍、鐵盾、鐵弩箭發射裝置以及鐵鏈、扒城鉤、鐵鐮頭等,當時羅馬軍隊中還配備鐵匠,隨時維修和制作鐵質兵器。面對歐洲尚未充分發展的冶銅制銅業及其冶鐵制鐵技術尚不夠成熟的廣大地區,已經積累了較強軍事技能的古羅馬軍團因其完備的鐵質兵器系統而具備了較為顯著的軍事優勢,并最終利用這種鐵器優勢橫掃北非、西亞和歐洲大陸。

  而在同一時期,銅器使用非常發達的中國,對鐵器的推廣使用并不那么急迫。公元前770年至公元前221年,當時的中華文明處于春秋戰國時期,諸侯國之間的戰事連綿不斷?;詰筆幣丫址⒋锏囊蓖仆際?春秋時期各國在戰爭中大規模使用的基本上還是銅質的兵器。鐵的密度比銅約低15%;與銅質兵器比較,鐵質兵器具備更加輕便、鋒利、強韌等特點。因此,隨著冶鐵技術逐漸成熟直至秦統一前的戰國時期,雖然各國軍隊仍以銅質兵器為主,但也開始部分使用鐵質兵器。不過,由于當時各地都有了非常發達的冶銅制銅業,各國用于戰爭的兵器技術沒有太大的差異。當進入戰國時代形成了實力強大的少數國家之間的長期對峙局面之后,戰爭的勝負往往更取決于各國的綜合國力、軍事策略以及統治階層的決策水平。在這樣的情況之下,鐵質兵器并沒有取代銅質兵器。比如,公元前210年秦始皇下葬時,當時的中國人早已掌握冶鐵技術,但在秦始皇陵迄今為止的考古發掘中,研究人員鮮有發現鐵器,卻已陸續出土了四萬多件銅質兵器。到了漢代,中國也有相當長的銅器與鐵器的混用時期。然而與銅器相比,鐵器畢竟具備重量輕、更堅韌、更鋒利等優勢,而且礦產資源相對更豐富,因此,古代中國的冶鐵技術最終還是得到了穩定的發展,并在農業、畜牧業、紡織業、建筑業、交通運輸業、軍事、文化、日常生活等各領域得到了廣泛的應用。

  中西方早期的原始冶鐵技術多為塊煉鐵技術,即在空氣中用炭火加熱坩堝中鐵礦石,使之逐漸轉化成海綿狀疏松的鐵塊。隨后,借助加熱并捶打成形的方式,去除鐵塊中的雜質、控制碳含量進而制成鐵器。如果在坩堝底部開口使空氣順暢流通,可明顯提高升溫速度和加熱溫度,直至使還原出來的鐵熔化成液體,并從坩堝底部的開口不斷流出,集中收集,此即為豎爐冶鐵技術。這種技術需要更高的溫度,而中國發明早期瓷器時所能實現的高溫技術,為古人發展豎爐冶鐵提供了堅實的支撐。公元前500年以前,中國的湖南、湖北、江蘇、山西、河南、甘肅等地均出現了豎爐冶鐵,因此當時古人有能力把鐵水直接澆鑄成形,制成生鐵鑄件。而在歐洲,直到公元14世紀,才出現類似的技術。

  豎爐技術的出現使得古人的一次冶鐵量得以明顯提高,為制造大型鑄件提供了便利。到目前為止發現的中國鐵器時代中期最大的鑄造鐵器,是公元953年后周時期制造的重約40噸的滄州鐵獅“鎮海吼”。

  需要指出的是,在鐵器時期,中國在煉鐵、煉鋼方面的許多關鍵環節曾出現過領先于世界的重要技術。比如,將生鐵鑄件再次加熱,燒損鑄件中的碳或改變碳的形態可以明顯降低所制鐵器的脆性,并大幅提高鐵器鑄件的性能。這些技術在中國的春秋戰國時期就已經出現,并在秦漢時期得到了推廣應用,而直到17、18世紀歐洲才出現類似的技術。根據宋《太平御覽》記載,東漢時的人們就懂得以含碳較高的冶煉鐵條為原料,經過反復加熱、鍛打,可加工制成鋼條。其反復加工的次數可為三十次、五十次甚至百次,并由此稱為三十煉鋼、五十煉鋼、百煉鋼等,這就是古代的百煉鋼技術,并由此衍生出“千錘百煉”“百煉成鋼”等成語。百煉鋼制品具有堅韌、鋒利、經久耐用的優點,而歐洲是在公元6世紀出現了類似技術。在公元1世紀,中國出現了水力驅動鼓風技術,17世紀又出現了活塞式風箱鼓風技術用于提高冶鐵的溫度和生產效率。歐洲出現這兩項相關技術的時間則分別遲至公元4世紀和18世紀。在公元10世紀,中國開始把煤用于冶鐵,16世紀把焦炭用于冶鐵,相比之下,歐洲到了17世紀才在冶鐵中使用這些更高燃燒值的燃料。在大約公元前2世紀,中國出現了一種炒鋼技術。公元1世紀成書的東漢《太平經》中就曾經記載過這種技術,即采取對生鐵水鼓風攪拌促使鐵水中的碳燒損氧化,以使生鐵變成鋼。明朝的《天工開物》中描述了類似的過程。用風箱鼓風冶煉出生鐵水后,可以直接澆鑄成鑄件,也可以將高碳鐵水繼續導入一個方池,用長桿攪拌,即“炒”鐵水,使其與空氣混合,促使鐵水中的碳燒損。這套工藝中會向方池中拋撒泥灰,這種泥灰很可能就是造渣劑?!短旃た鎩分屑竊氐惱庖惶琢短?、煉鋼連續流程,已經包含了現代鋼鐵生產原理中最主要的流程,而歐洲要晚到18世紀才形成類似的流程。在11世紀初的北宋時期,中國的冶鐵制鋼技術領先當時世界水平達到了頂峰,當時鐵的年產量已達到十幾萬噸的水平。而在歐洲,直到18世紀初,整個歐洲的鐵的年總產量才達到或超過這一水平,其中的工業革命發源地英國在1788年僅生產了6.8萬噸鐵。

  工業革命與中西方鐵器時代發展差異

  自18世紀中期開始,英國連續發明出了新的各類機器裝置,并由此引發了工業革命。用機器大量取代人工,可以使工業化生產的產品具備大批量、高效率、低成本、優品質等特征。不過,制造這些機器不可避免地要大規模使用鋼鐵材料,同時也就對鋼鐵材料的生產提出了大量、高效、低價、優質的要求。因此鋼鐵材料是推進歷史上的工業革命必備的物質基礎。1856年,德國人西門子構想了一種具有熔池的高效煉鋼爐,其中設計了燃料和熱空氣通道,可以快速加熱并控制鋼水溫度,保證鋼材的質量?;諼髏拋擁墓瓜?1864年法國人馬丁建造了第一個專用煉鋼設備,被稱為西門子-馬丁爐,又名平爐。由此開始了現代的煉鋼生產。到了1871年這一年,英、美、法、德的鋼產總量達到了約75萬噸。四年后的1875年,則快速提高到約165萬噸。1879年,英國開始用平爐鋼建造鋼結構橋梁,1889年法國政府用約7000噸平爐鋼建成了324米高的埃菲爾鐵塔,這是工業革命推進煉鋼技術改進的標志性成果。1856年英國人貝斯麥公布了一種轉爐煉鋼法,在一個可以翻轉的熔池內把空氣吹入生鐵來煉鋼的高效方法。但這種方法并不適用于西歐地區生產的酸性生鐵。1878年,英國的托馬斯發明了把爐磚改造成堿性磚的托馬斯法,并迅速在法國和德國得到推廣應用。隨即,1895年英、美、法、德的鋼產總量已經超過了1000萬噸。從歷史上來看,優質鋼鐵材料的大規模生產,有力地支撐了工業革命的推進。

  綜合以上內容分析原因,歐洲多國鄰近的環境,客觀上有利于鋼鐵技術的交流和鋼鐵產業的競爭發展。各國的技術思想和鋼鐵生產會互相借鑒、促進、接續、融合,歷史上出現的每一項新技術,如果在一國受阻,就可能在另一國繼續發展,由此導致歐洲鋼鐵技術與產業蓬勃發展的局面。

  而在工業革命來臨之際,中國雖然已經具備了多種良好的、甚至領先的煉鋼技術,但這些技術大多是依靠長期的摸索和經驗的積累。其間雖然有很多的技術發明和創新,但人們對其中的科學原理并不十分明了。中國自西周出現采礦業,春秋時期有了冶鐵業。現有文獻顯示,西周、春秋、秦漢、三國魏晉、隋唐、五代時期、宋元明清等歷代歷朝都有政府管制礦產和冶鐵業的記載。在中央集權的治理下,這種管制體現出執行力強且高效的特征,但如果管制決策不夠科學嚴謹則,也可能會對冶鐵業造成較大傷害。春秋時期的齊國就禁止民間采礦。到了漢朝,官方為限制地方勢力,實施嚴格的官營冶鐵和稅收管理,并杜絕地方私自鑄鐵。宋朝徽宗時曾下令民間除制作農具外,禁止買鐵,嚴厲控制鋼鐵流通。明朝初期,在時間上臨近工業革命的開端,明太祖認為礦冶業勞民傷財,下令停止采礦冶鐵,后雖有所松動,但終又行禁令。明成祖、明英宗、明代宗、明世宗等都實施過禁礦禁鐵的政策。明神宗為獲取稅收包庇礦監營私,致使礦冶業遭到嚴重破壞。進入清朝,康熙和雍正統治時期都禁止包括冶鐵在內的礦務。2000多年來,封建王朝的統治者在沒有明顯外來競爭壓力的情況下嚴管采礦冶鐵業,一方面可獲得大量稅收來源,另一方面也為防范地方、民間借助采礦冶鐵業迅速強大和因此導致的反叛。同時也造成了中國冶鐵業以經驗積累的方式形成的先進技術很難借助技術交流的途徑在全國得以推廣,并且也很容易因政府的禁鐵政策而喪失整體傳承的連續性。重新開放的冶鐵業在很大程度上有需要大量累積重復的經驗和技能。因此,從18世紀末期到19世紀末期的100年間,中國的冶鐵業很快從領先世界淪落到極度落后于世界的境地。到了晚清末年,隨著洋務運動的興起,中國全面引進歐洲鋼鐵技術和設備,于1890年建成青溪鐵廠并投產,于1894年建成漢陽鐵廠并投產。然而時過境遷,中國已經錯過了工業革命的最佳時機,所建的兩個鐵廠,前者很快破產,后者只能慘淡經營。

  (演講人:毛衛民 演講地點:北京大學 演講時間:二〇一九年四月)

作者簡介

姓名:毛衛民 工作單位:

轉載請注明來源:中國社會科學網 (責編:齊澤垚)
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