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铁史话

来源:未知作者:刘柳 点击:所属专题: 炼铁
自从铁以农具的形式出现以后,其在人类社会生产和生活中的支配地位就从来没有被撼动过。虽然最近的一百多年来,尤其是1886年美国人哈尔和法国人埃罗各自独立地发现铝的电解法,并沿用至今金属铝越来越表现出后来居上的趋势。假如铁器能言,一定也会感叹焉知来者之不如今,但

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       自从铁以农具的形式出现以后,其在人类社会生产和生活中的支配地位就从来没有被撼动过。虽然最近的一百多年来,尤其是1886年美国人哈尔和法国人埃罗各自独立地发现铝的电解法,并沿用至今——金属铝越来越表现出后来居上的趋势。——假如铁器能言,一定也会感叹“焉知来者之不如今”,——但是仍旧没有迹象表明,铝就可以取铁而代之,演绎一番“维鹊有巢,维鸠居之”。古人依贵贱等级排出了“五金”,即金、银、铜、铁、锡,铁位于末二,连金属铜在先秦时候都被看成了“美金”,死刑犯可以用来赎买性命——但是它没有表现出丝毫的义愤填膺,以至于拍案而起。痛惜“君子疾没世而名不称焉”,而是任劳任怨地支持人类之飞跃。举例来说,中国的奴隶制向封建制转化,肇端于春秋时期,这个时候,又恰好同铁器与青铜的换代工作进行手续交接,这不是一种巧合,因为正是铁器的使用促进了生产力的发展,才影响到了生产关系的变革。1918年十月革命以前的俄罗斯仍旧相称的落后,农奴作为社会群体的组成部分并没有完全消亡。更正确地说,十九世纪晚期到二十世纪初期的俄国,是多种意识形态并存,即奴隶制、封建奴隶制和资本主义在同台献艺,奴隶制是由于彼得一世改革不彻底的残余,而俄国的资本主义和统一后的德国极其相似,都有着国家资本支持的嫌疑,而没有体现出资本主义的精髓特征,即市场化条件下的自由竞争,就是在这种现实条件下,俄国迅速崛起,超过了西欧的那些老牌帝国,一直到能够向美国人叫板,成为冷战的一个极,其根本原因便是大力发展以冶铁炼钢为基础的重工业。可以看出,铁作为一种金属材料,在人类文明进步和民族振兴中起到了动力的作用。
       一、概念释疑。在新教材中,铁的知识虽然没有独立成章,而是作为《金属和金属矿物》一章的组成部分,但是并不影响冶铁炼钢和铁的防锈等知识在生活中的高渗性,也就是说,学生早已积累了不少关于铁的零星散碎不成系统的知识,但是教材并没有给出令人满足的解释。说的直观一点,在学习了本章内容以后,学生固有的迷惑并没有比之前更加清晰一些,很有必要就这些生产工艺或设备的历史渊源与功用给予适当的延伸。
       其一,熟铁。现代冶金工艺将铁的铁史话合金分成两种,即生铁和钢,而古代是分为生铁和熟铁,这两种分类方法没有任何相抵触的地方,相反,以初中化学的角度来看,完全可以将之统一起来,即分类的依据都是含碳量,——至少在春秋时期,即已经有了“合金”概念,其时叫合金为“齐”,如《考工记》中多次提到的“金有六齐”,“五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐”,“金锡半,谓之鉴燧之齐”,但是绝对弄不明白“含碳量”与铁的韧性和脆性之间的关系。古代之“钢”者,刚也,并不存在合金的意义,——生铁的含碳量一般在2﹪以上,钢是含碳在0.025﹪-2﹪之间的铁基合金,而熟铁的含碳量在0.5﹪以下。可见熟铁从含碳量来看,应该属于钢的一部分,或者说二者在分类上有交叉的地方,假如用熟铁加工成锛、锯、斧、锄头、菜刀等器件——古代人生产不出更精细的工具如游标卡尺等——那么低于0.5﹪的含碳量跟纯铁已经相差不多啦,而纯铁相称软。连弱不禁风的楚宫细腰都可以容易地将它揉成麻花,所以在今天并没有太广泛的实际用途,更多的是用来进一步炼成钢。不过在古代可以通过表面渗碳等技术进行钢化处理,所以这两个原因决定了“熟铁”这一概念在生活中以经逐渐退役淡化出局。
       《天工开物》有载“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,一人疾手撒棪,众人柳棍疾搅,即时炒成熟铁”。此便是历史上著名的生铁炒熟工艺流程了,和现代生产中降低生铁中含碳量的原理是一脉相承的。
       古代的熟铁加工方式有多种,例如用熟铁做成模型,外面再包上钢,比如刀、剑、斧头等利刃就是这样制造的。《天工开物》有言“刀剑绝美者,以百炼钢裹其外,其中仍用无钢铁为骨,若非钢表铁里,则劲力斫施,即成折断”。这里的“无钢铁”,即没有刚性的熟铁。我们还可以看出,钢在旧年更多是作为形容词来修饰铁,并不是铁的一个独立分类单元。像锄头等农具并不需要那么锋利的刃口,也就无需外包“百炼钢”。“熟铁锻成,熔化生铁淋口,入水淬键,即成刚劲”。就是在熟铁坯件的刃部淋上一层薄薄的生铁,再锤打淬火,便成了坚硬而耐磨的成品了。生铁淋口是中国古代独特的铁制品加工技术。可见中国早年生产的刀剑并非纯钢质地,而且一直在解放前的农村都是这样。所以在抗日战役中,中国军队一拃宽的大刀片在日本人的二指宽的军刀——纯钢质地——格斗时往往折断。也就是说这些刀具在斫杀头颅时表现出无坚不摧,碰到纯纲质地便只能“宝剑已沉埋”了。
       其二,百炼成钢。打铁在历史上是一种相当低贱的工种,而两晋时期的嵇中散竟然酷爱之。以至于因此而顾不得接待到访的钟会,终于受到钟会的恶意僭伤,弄到腰斩弃市,以至于《广陵散》成为绝唱。 
       旧年间,除了生铁的铸造工艺以外,几乎其它所有的铁制工件都离不开锤打,所以打铁的目的是多种多样的,其中百炼成钢是要炼出钢来。
       最早的冶铁——主要是春秋早期——是用木炭和铁矿石在固体条件下加强热直接反应,没有加入石灰石等物质进行造渣处理。得到的是块炼铁——即固体块状条件下冶炼出来的生铁。这种块炼铁含有较多的铁的氧化物和铁的硅酸盐,脆而易断,即便加热浇铸也很困难,只有在高温条件下经过锻打,才能将这些杂质通过挤压除去,所以才有了“百炼成钢”。块炼铁的生产在东周初年即已出现。东方的齐国有两次生产方式的改革,第一次是在太公望时候,《史记》载“太公望封于菅丘,地澙卤、人民寡,于是太公望劝其女功,极技巧、通鱼盐,则人民归之”,以至于“齐冠带衣履天下,海岱之间敛袂而往朝焉”,积累了“得专征伐”的力量;第二次便是齐桓公以管仲为相实施的改革,其核心内容之一便是“盐铁专卖”,史载齐国“擅山海之利”,便是煮海熬盐,开矿炼铁。盐铁专卖并非始于管仲,但是管夷吾将它完善了起来,以至于一直到解放后还有烟酒专卖,是各种形式的政府垄断经菅的底本——国家缩小了炼铁的规模,但是比较完全地控制了销售渠道。即生产在民间进行,而销售由政府垄断。块炼铁的生产技术是相对落后的,所以在西汉以后逐渐销声匿迹,但是在欧洲一直保存了下来直到工业革命才退出了生产领域。
      
后来的炼钢方法多有变化,但是都离不开千锤百炼,所以得到的钢都叫做百炼钢。基本过程是:把熟铁和生铁混合在一起加强热。生铁因为是合金,熔点较低,先熔化而渗入到熟铁里取出后再一而再再而三的锤打,后来的炼钢方法多有变化,但是都离不开千锤百炼,所以得到的钢都叫做百炼钢。基本过程是:把熟铁和生铁混合在一起加强热。生铁因为是合金,熔点较低,先熔化而渗入到熟铁里取出后再一而再再而三的锤打,所谓“洪炉鼓倍,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”。——所以亦是百炼精纯了。宋应星在这里提到“两性投合”,亦是不知“含碳量”之明证了。
       其三,淬火。淬火也是学生们较多地提出的问题。其实不仅金属,连玻璃也可以淬火,而淬火后的玻璃就是通常所说的钢化玻璃,其最大特点是破碎后成颗粒状碎块,不具有锋利的楞角,因此多用来做汽车挡风玻璃。
       金属的淬火是金属热处理的一种方式。除了淬火以外,还有回火、正火、退火等。宋应星说“乘其出火之时,入清水淬之,名日健钢、健铁”。可见早期的淬火工艺在于得到更加坚硬的铁制品,详细的做法是:把铁器烧红,(温度在760℃-1300℃摄氏度间),忽然浸入液体(即淬液,通常是水、油、盐水等)之中,几秒钟后取出即可。从化学角度来看,是接近液体的金属层的温度骤然冷却到二三百摄氏度以下,晶相发生了变化,变成了马氏体和渗碳混合体(即网状)等,机械性能得到加强。早在春秋时期,我们的先人已经发现了金属的淬硬性,在铜铁兵器的铸造过程开始普遍使用。现在衍生出单液、双液、分级、等温等多种淬火方法。退火又叫常火,和淬火正好相反,是将金属加热到能使其晶相发生变化的温度以后,再在空气中缓慢冷却。这个时候,金属内部的晶粒会变细,碳化物的网状结构会消除松散,整块金属内部组织变得均匀。《天工开物》载:锉刀“久用乖平,入火退去健性,再用錾划”,是说锉刀时间长了,其上的细齿磨损,需要再加工,在加工前先行退火处理。正火、回火和退火在操作流程上有相似的地方。
       顺便说一点,中国人并不是最早发现和使用金属铁的民族。在古埃及和古巴比仑时期的墓葬中就多次出现铁制工具,鉴于中东和北非多沙漠而少铁矿脉,所以我们可以断定这些铁器的制造原料一般都来自于天外,也就是陨铁了。我以无意将优先发现铁的桂冠从他们手里夺过来。但是中国人有更加值得称道的地方,便是建成了世界上最早的高炉。很难断定高炉在中国出现的详细年代,也难以推知高炉的发明者。但可以肯定的是,至迟在西汉年间,高炉已经成型并得以完善起来了。在先秦时期,金属铁还主要用来做兵器、造鼎。比如晋国的荀林甫就曾经铸成了中国最早的铁质刑鼎。西汉时候铁制农具开始大量出现,才完全代替了木制、石制的耒、耜等工具,也是一种变版的“飞入平常百姓家”吧。现代化的高炉和西汉高汉在原理上没有任何不同,诸如抛料口、出铁口、进风口等一应俱全,如果有区别的话,也只是现代高炉更加高一点罢了。经营高炉曾经培养了许多巨富大贾,比如西汉早年的卓王孙,也就是当垆沽酒的卓文君的父亲,司马相如的岳父泰山,《史记》载卓王孙“致之临邛,大喜,即铁山鼓铸,运筹策,倾滇蜀之民,富至僮千人。”还有山东的程郑,南阳的孔氏也是随高炉的建造而起家富可敌国的。

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