我國冶鐵術和沖天爐的來源

張 明，孫寶言

（1.威海科興鑄造機械有限公司，山東 威海 264200；2.山西卡耐夫管業股份有限公司，山西 晉中 030600）

以焦炭為燃料的沖天爐是一種有悠久使用歷史的鑄鐵熔化爐，曾經為我國機械工業的發展立下過不朽功勛，我國鑄造工作者對其存在著深厚的感情。筆者受《鑄造設備與工藝》雜志社委托，特作本文以回顧我國冶鐵術和沖天爐的歷史。

1 我國冶鐵術的來源

一般認為[1]，世界冶鐵技術起源于黑海南岸的小亞細亞（又稱安納托利亞，今屬土耳其），當時居于此地的赫梯（Hittie）人約于公元前2000 年（2000 B.C.）在冶銅中發明了冶鐵術，強悍的赫梯人在開疆拓土的同時，把自己的冶鐵術擴散到了世界各地。按目前已出土的文物，我國新疆地區在2000 B.C.到1700 B.C.左右即開始使用鐵器，哈密地區出土的一件鐵器其碳14 測年時間竟為2100 B.C.我國中原地區使用鐵器的時間晚于新疆地區，目前出土于河南三門峽虢國墓的三件兵器為我國中原地區最早的鐵器，其碳14 測年時間約800 B.C.～900 B.C.戰國中晚期鐵器在中原地區的使用范圍進一步擴大，我國冶鐵術和使用鐵器，到秦漢時期已經趨于成熟。

將鐵礦石冶煉為生鐵的爐窯即冶鐵爐，因此可以說，我國古代的冶鐵爐源于赫梯人的發明。圖1按照盧嘉錫總主編的《中國科學技術史》中有關出土鐵器碳14 測年，描繪了我國冶鐵術的來源和傳播路徑，即赫梯人的冶鐵術首先很快傳播到了我國新疆地區，然后傳播到了中原地區，其傳播路線與此后400 B.C.～100 B.C.左右開通的漢代古絲綢之路大致相符。自赫梯人發明的冶鐵術進入我國一直到明代以前，中國的冶鐵技術長期領先于歐洲國家。歐洲國家經14 到16 世紀的文藝復興、結束了中世紀的“黑暗時代”后，英法等國家迅速崛起，我國的冶鐵技術開始全面落后于歐洲。

圖1 中國古代冶鐵術的起源

2 我國使用化鐵爐早于歐洲

毫無異議，沖天爐源于化鐵爐（熔鐵爐），而化鐵爐則源于古代冶煉鐵礦石為生鐵的冶鐵爐。濟南鑄鍛所日語翻譯宋遵奎曾研究過沖天爐的起源，他認為法國冶金學家Reaumar 于1722 年發明了沖天爐，但其發明所涉及的爐徑很小、高徑比約在2～4之間[2]：“在坩堝爐上豎起一圓筒，并在其內分層裝入焦炭和生鐵，然后在下部點火，用兩只大風箱鼓風，從而達到熔化鐵水的目的。當時用的這種化鐵爐直徑150 mm～230 mm、爐高為400 mm～600 mm.”

我國著名鑄造專家周繼揚教授似乎認可法國人P.Godinotd 的觀點，即1794 年英國人Wilkison 發明了沖天爐[3]。值得注意的是，美國《沖天爐手冊》[4]在涉及沖天爐的歷史時只是說，John Wilkison 的專利日期為1794 年6 月2 日，并說Wilkison 的專利不過是對已經在中國使用幾個世紀的舊式熔化爐（melting furnace）的改進，同時給出了Wilkison 的專利圖（見圖2）.

圖2 Wilkison 專利圖

按宋遵奎和美國人的有關描述，Reaumar 和Wilkison 發明所涉及的爐其實是化鐵爐（melting furnace），而并非沖天爐（cupola）。如果認為爐身較低的化鐵爐也可稱之為沖天爐，則中國人使用“沖天爐”的歷史比歐洲早很多年。

明代科學家宋應星所著的《天工開物》，是世界上第一部關于農業和手工業生產的綜合性偉大著作，全書三卷十八篇，其中第八卷“冶鑄”中附有數幅明代鑄造鐵鐘、千斤、鐵鍋的鑄造圖，每幅均描繪著當時的化鐵爐。圖3 為其中的一幅鑄釜（鍋）圖[5]，可以看出，明代化鐵爐的爐體很小，低于普通人的身高、約1 m 左右，用風箱為化鐵爐送風。另外，根據該圖中化鐵爐上標注的“鐵水镕內”可作合理推測，宋代人將化鐵爐稱作“镕鐵爐”。镕鐵爐即熔鐵爐，也即至今仍被沿用的化鐵爐。順便說明，《天工開物》圖示的數臺化鐵爐，其金屬爐料為生鐵，屬于化鐵爐、而非以鐵礦石為爐料的冶鐵爐（煉鐵爐）。

圖3 《天工開物》鑄釜圖

《天工開物》一書初刊于1637 年（明崇禎十年），不管是法國人Reaumar1722 年、還是英國人Wilkison1794 年發明的化鐵爐，時間均晚于該書中所載的化鐵爐。因此可不容爭辯地稱：我國使用化鐵爐的時間早于歐洲。特別遺憾的是，目前國內已知的出版物，均持沖天爐起源于歐洲的觀點。江西省機械科學研究所的譚岳云曾在2000 年發現了該問題，但也很遺憾，他仍認可宋遵奎的觀點：即法國人Reaumar 于1722 年發明了沖天爐[6]。

國內出版物之所以普遍認可沖天爐起源于歐洲，筆者認為其原因不過是有關作者未仔細研究中國化鐵爐的歷史，未仔細分辨歐洲發明的到底是什么東西，同時未注意cupola furnace 和melting furnace 兩個詞語的區別，盲從了歐洲人的觀點。

按照《中國科學技術史》[7]，焦炭在明代曾被一些人稱為礁或石礁，我國最晚在明代已經開始用焦炭煉鐵；而英國人達比（Abraham Darby，1676-1717）1709 年用焦炭煉鐵，比中國約晚300 年；美國人1765 年開始用焦炭煉鐵。另外，中國冶鐵爐最晚在戰國時期即開始用皮囊鼓風，至遲東漢時期已用水排即水力鼓風機送風，北宋發明木扇，宋代發明風箱，而歐洲的煉鐵爐大概直到12 世紀才使用水力鼓風機。中國先于歐洲出現焦炭和鼓風機，從化鐵的相關技術也可以印證中國出現化鐵爐的時間早于歐洲國家。

中國的化鐵爐的出現和使用時間早于歐洲應該是不爭的事實，但據此仍不能說化鐵爐起源于中國，因為化鐵爐也可能最早出現于中國、歐洲以外的國家或地區。

3 沖天爐的概念與詞語指代

沖天爐和化鐵爐的含義在今天已經有了一定區別，化鐵爐不一定是指沖天爐。例如，爐身不高甚至不存在爐身的鑄鐵熔化爐（例如反射爐、回轉爐、坩堝爐等）往往被稱為化鐵爐。另外，一些人所稱的化鐵爐，還可能是指高爐（煉鐵爐）。

目前一般人所理解的沖天爐一詞的含義為：一種爐身較高以生鐵、廢鋼和回爐料為主要金屬爐料熔化鑄鐵液的豎爐。

上述含義中的“爐身較高”和“焦炭”之間存在一定關系。我國古代和歐洲國家曾經長期使用以木炭、煤炭為燃料的化鐵爐，由于燃料的強度低、無法承受較大的爐料壓力，因此爐身一般較低甚至不存在爐身；“爐身較高”將沖天爐與我國傳統的化鐵爐（即攙爐、坐爐、猴子爐、撅把爐等）作了區別。該含義中的“以生鐵、廢鋼和回爐料為主要金屬爐料”將沖天爐與使用鐵礦石為爐料的冶鐵爐（即煉鐵爐、高爐）作了區別。該含義中的“豎爐”將沖天爐與反射爐、坩堝爐等作了區別。

濟南鑄鍛研究所日文翻譯宋遵奎，1994 年曾研究過英文Cupola（沖天爐）一詞的來源[2]。他說，英國人認為Cupola 來自德語“圓塔、穹頂（Kuppel）”，美國人則認為Cupola 來自拉丁語“桶、樽（Cupa）”。筆者發現，美國《沖天爐手冊》在涉及沖天爐歷史時，開篇第一句即表達Cupola 源于Cupa 的觀點[4]。

我國民國期間將今天人們所稱的沖天爐和冶鐵的高爐統稱為鼓風爐（Blast Furnace）等，其中鋼鐵廠用于鑄鐵重熔的、今稱的小型沖天爐有時候也被特別地稱為熔鐵爐、化鐵爐、甚至考拍拉爐（Cupola Furnace）[8～10]。鼓風爐一詞顯然源于對外文的直譯，今中國大陸地區已無人使用，但我國臺灣地區至今仍有人將沖天爐稱為鼓風爐。

在可以搜尋到的文獻資料中，考拍拉（Cupola）一詞最早出現于胡庶華于民國15 年（1926）出版的《鐵冶金學》[7]中，圖4 為該書中的一幅考拍拉爐的圖片。但是，王本治民國16 年（1927）出版的《冶金學》[8]一書編譯自敖士敦、高侖德等英國專家的有關著作，其中將當今人所稱的沖天爐稱作小鼓風爐（Small Blast Furnace，見圖5），從此可以看出沖天爐和高爐之間的關系。可以認為，上海地區曾流行過的多寶沖天爐，明顯借鑒了圖5 所示、今稱前爐回氣沖天爐的結構要素。

圖4 考拍拉爐（1926 年)

圖5 小鼓風爐（1927 年）

在1947 年的《工礦建設》雜志第四期中，陳凌漢根據德國、英國、美國、日本有關資料撰寫的“翻砂廠化鐵爐之設計[11]”，該文給出了2 t/h～15 t/h 化鐵爐各部分的尺寸。在該文中，他將沖天爐稱作化鐵爐。1949 年以后曾有很長一段時間，人們習慣用“熔鐵爐”和“化鐵爐”指代沖天爐。例如，陳農1952年2 月編著出版的《現代鑄工》中稱[12]：

“熔鐵爐的歷史相當古老，……，我國的制造工業，大多自美、德、英輸入，……，至于我國的三級爐和傾側式爐，式樣更多，一般而言，可分為英式、美式和德式三大類。”

《機械制造》雜志1950 年創刊，到1951 年刊登過13 篇熔鐵爐（化鐵爐）和沖天爐方面的文章，其中12 篇文章使用了“熔鐵爐”或者“化鐵爐”，只有1篇使用了“沖天爐”一詞。沖天爐一詞首次出現于該雜志創刊號上刊登的陳望隆撰寫的“上海的機械制造工業[13]”一文。在可以搜尋到的文獻資料中，該文最先將爐身高度較大、爐膛直徑較大的化鐵爐稱之為沖天爐。該刊1950 年第七期刊登的“沖天爐選擇及操作參考表”[14]一文，棄用了此前使用的化鐵爐而改用沖天爐一詞。但是沖天爐一詞是否為陳望隆所創，究竟何人、何時創造了沖天爐一詞，已不可知。

熔鐵爐一詞至今已基本消失于中國大陸，但化鐵爐與沖天爐兩詞在1949 年以后幾乎不加區別地使用了很長時間。兩個詞的區別使用，大致始于1970 年代中期，例如成都工學院（今歸屬四川大學）鑄造教研室的戢家齊在此期間撰寫的“天然氣化鐵爐[15]”一文，區別使用了化鐵爐和沖天爐兩個詞。如果在“知網”的搜索框鍵入“化鐵爐”，可以發現，1999 年制訂的機械行業技術標準“化鐵爐酸性爐渣的化學分析方法”，仍將沖天爐稱作化鐵爐；直至2008 年仍有人在撰寫耐火材料方面的文章時，將沖天爐稱作化鐵爐，由此可以看出最晚源于宋代的“化鐵爐”一詞的頑強生命力。

4 我國沖天爐的來源

我國沖天爐的引進始于清末的洋務運動，距今約有150 年的歷史。據王信忠1932 年發表的“福州船廠之沿革”一文，始建于1866 年的福州造船廠（又稱馬尾造船廠），全面引進了法國的技術和人才，其中的翻砂廠，其廠房為三跨、面積達2 400 m2，配置有1 臺15 馬力的發動機[16]。該翻砂廠的鑄鐵熔化設備很可能為進口自法國的沖天爐，15 馬力發動機應該是沖天爐鼓風機的動力設備。

民國37 年（1948）由任可澄總撰的《貴州通志·前事志四十·光緒十五年》中有一段“清溪鐵廠雜記[17]”，記錄了清溪鐵廠從英國諦塞德廠購得的全套煉鐵設備，包括煉鐵、煉鋼和軋鋼等三部分，現將其中的煉鐵和煉鋼設備摘錄如下：

“鐵廠大爐一座，高五丈、內徑最寬處一丈六尺，吊礦煤機架高七丈。每日夜用焦炭四十噸、中秤六百四十二擔，鐵礦五十噸、中秤八百四十擔節次添入。有汽爐五座，燒六十磅汽分用風機、吊；五磅風力由四座熱風爐經過，風熱一千度入爐，照爐之鐵二十五噸合中秤四百二十擔。煉鐵后復以生鐵入捍鐵爐熔化，用人工捍炒、翻動，變韌成團入汽錘打出渣滓為板條之坯入軋軸。另設煉一噸別包麻鋼爐兩座，別包麻風機兩座，期二噸重機架一座，熔生鐵爐一座，兩心扇風機一座。”

上文中的“清溪”今稱“青溪”；“捍鐵爐”目前多人寫作“焊鐵爐”，筆者以為不妥，應該寫作“炒鋼爐”；“別包麻鋼爐”即“貝塞麥轉爐（Bessemer Converter）”，這是一種將驘液傾入酸性爐，在爐底吹入空氣脫除驘液中的碳、硅元素的舊式煉鋼爐；上文中的“熔生鐵爐”無疑為沖天爐。貴州青溪鐵廠是我國清代第一個現代化鋼鐵企業，始建于光緒十一年（1885），光緒十六年（1890）六月一日點火投產，煉出了第一爐鐵。

另外，從民國的一些冶金學著作中可以看出，民國的一部分沖天爐可能只是用于貝塞麥轉爐煉鋼的驘液熔化爐，并非用于鑄鐵件的生產；同時，清代和民國的煉鋼廠很可能先于鑄造廠使用了來自西方的沖天爐。誕生于1889 年的漢陽鐵廠，其進口設備中包括兩臺8 t 貝塞麥煉鋼爐，另外該廠附設有個翻砂廠，因此漢陽鐵廠也可能引進過歐洲的沖天爐。清代翻砂廠和沖天爐之間的關系，可以從胡庶華所著《鐵冶金學》里取得旁證[7]：

“翻砂廠現所用之熔鐵爐有三種，坩堝爐、反射爐及考拍拉爐；因坩堝過貴，同時熱效率僅為4%，故翻砂廠很少用坩堝爐；反射爐用于塊度較大的鐵的熔化，使用較多，但其熱效率不過8～10%；考拍拉爐是翻砂廠使用最多的熔鐵爐，熱效率在40～60%之間。”

胡庶華博士是我國著名的冶金學家、教育家，曾擔任過民國時期的上海鋼鐵廠、漢陽兵工廠廠長，民國農礦部農民司和農林司司長，曾擔任多所大學的校長，是我國近代鋼鐵工業的最重要開拓者之一。

在1949 年以后的有關鑄造文獻中，可以發現民國時期化鐵爐或沖天爐的零星蹤跡。陳望隆在“上海的機械制造工業[16]”一文中，詳細描述了1949年后上海鑄造業及其化鐵爐的情況：

圖6 胡庶華（1886—1968）

“上海的生鐵翻砂，除了大型的公私機器廠有翻砂設備外，專門生鐵翻砂的共有260 余家，多是50人以下的小廠，技工人數在50 人以上100 余人的有三家，用猴子爐設備鑄造1000 磅以下小型鑄件的占十分之七，有16”到32”三節爐設備，鑄造較大鑄件的占十分之三。有沖天爐（Cupola）設備的計有公營虬江機械廠、吳淞機械廠、通用機器廠、中國紡織機器制造公司、冷鑄車輪廠和私營上海機器廠等。”

按照上文中的數據，1950 年上海地區爐膛內徑最大的沖天爐僅有32 英寸（約812 mm），其熔化率尚不足5 t/h.西安交通大學陸文華教授回憶，1953年以后，他在上海交大工作期間，曾去過當時的上海新中動力機廠，在該廠工作的裘錫侯帶他參觀過一臺進口于美國現代公司的沖天爐，該爐的風口直徑很大，給他留下了很深刻的印象。陸文華教授記憶中的這臺美國沖天爐，應該是民國工業的遺存。

浙江省金華的“家鄉網”中有個“新中國工人1952 年[18]”欄目，其中有幅太原機器廠沖天爐的圖片（圖7）.由于蘇聯“一五”期間援建我國的時間始于1953 年，因此有理由認為該網站所涉及的這臺沖天爐為民國工業的遺存。

圖7 太原機器廠沖天爐（1952 年）

另外，《鋼鐵》雜志1956 年刊登了東北一大型工廠某佚名作者撰寫的“介紹熱風沖天爐[19]”一文。該文介紹他們工廠利用蘇聯技術將偽滿時期遺留的一臺5 t/h 沖天爐，改造成了三排風口、外熱風沖天爐（圖8）.后經文獻考證才知道該大型工廠即鞍山鋼鐵公司西鑄造部[20]。偽滿時期即1932 年到1945年間，因此這座5 t/h 沖天爐應該屬于日資鞍山昭和制鋼所的遺存，屬于民國期間一臺較大的沖天爐。該文獻也許可以說明，我國沖天爐技術也有源于日本的引進。

圖8 鞍鋼西鑄造部的5t/h 沖天爐（1954 年）

自清末西方國家的沖天爐引入我國，至今約有150 年的歷史。相對于清朝，沖天爐在內憂外患的民國有了略大范圍的應用。但是，清代和民國引入的沖天爐數量很少，以至于未對我國當時的鑄造工業產生過太大的影響。清代和民國的技術引進，不過是我國在1949 年以后大量用沖天爐替代傳統化鐵爐、發展民族工業的先聲。

5 結語

綜上所述，世界冶鐵術起源于赫梯人在冶銅實踐中的發明，首先很快傳播到了的我國新疆地區，然后在公元前800 年左右傳播到了我國中原地區。我國使用化鐵爐的歷史大大早于歐洲，但沖天爐源于包括法國、英國、德國、美國和日本在內的發達國家的引進。