西漢時期中原地區冶鐵技術的發展

葛瑤

摘 要：古代中原地區的冶鐵業在全國占有重要地位，是研究我國古代冶鐵史不可或缺的一部分，具有相當重大的意義。河南省鄭州市古滎鎮冶鐵遺址是我國漢代主要的金屬冶鑄場所之一，代表了當時鋼鐵冶鑄技術的最高水平。從該遺址的現有遺存出發，能夠透視整個時代冶鐵業的發展水平和發展狀況。

關鍵詞：漢代;中原地區;冶鐵技術;古滎;冶鐵遺址

冶鐵技術的產生與發展和鐵器的使用大大提高了我國古代的社會生產力，推動了社會由奴隸制向封建制度轉化的過程。古代中原地區的冶鐵業在全國占有重要地位，是研究中國古代冶鐵史不可或缺的一部分，具有相當重大的意義。河南省鄭州市古滎鎮冶鐵遺址是我國漢代主要的金屬冶鑄場所之一，代表了當時鋼鐵冶鑄技術的最高水平。本文以古滎冶鐵遺址的考古遺存為例，對西漢中原地區鋼鐵冶鑄技術的發展進行分析和總結。

1 西漢時期的冶鐵制度

自春秋時期以來，冶鐵業作為一項重要的手工業，便十分受統治者們重視。管仲開創了一系列對鹽鐵的管控措施，可以稱為“鹽鐵官營”的開山鼻祖;商鞅在秦設“鹽鐵市官及長丞”，從而對鹽鐵市場進行管理;秦漢時期，對鹽鐵的管制更加完善和系統化，形成了自上而下分級的管理體系。

《史書·平準書》載：“山海，天地之藏也，皆宜屬少府，陛下不私，以屬大農佐賦……敢私鑄鐵器煮鹽者，釱左趾，沒入其器物。郡不出鐵者，置小鐵官，便屬在所縣。”由于措施得當，在最初幾年鹽鐵官營取得了較為良好的效果，但隨著形勢的變化，這些措施無法進一步滿足統治者的需求，甚至形成了吏治混亂的現象。最終，在元封元年（前110），漢武帝任命“桑弘羊為治粟都尉，領大農，盡代僅莞天下鹽鐵”，桑弘羊整頓了朝廷的財政措施，并逐步建立起了從上至下的鹽鐵官營的綜合管理系統。

就冶鐵業而言，全國的最高機構為少府和武庫，屬中央一級主管單位。在地方的行政機構中，也分郡縣設鹽鐵市官及長丞，分管鐵礦的開采、冶煉和鐵器的鑄造。秦漢時期不僅在中央設置分工詳細的主管部門及官吏，在各級郡縣中，責任也明確到人，施行“物勒工名”，形成了“造者—主造者—監造者”的三級監造制度。①

據《漢書·地理志》記載，西漢時期在全國各郡縣置鐵官約48處。通過考古發掘，我們可以發現，在距礦石資源較近的冶鐵遺址中，通常兼有冶煉、鑄造和鐵器加工的痕跡，而在鐵礦石資源不甚豐富但經濟較為發達的地區，則出土有鑄造和進一步加工的遺跡。這種區域間的分工與合作，表明至少在西漢時期我國已形成了較為系統且完備的全國性冶鐵工業管理組織。

2 西漢時期的主要冶鐵技術

在春秋時期我國人工冶鐵發展的初級階段，普遍采用的技術是塊煉鐵法和生鐵法。②在戰國到西漢時期還流行鑄鐵退火的工藝，除此之外，還有淬火、生鐵淋口等。

2.1 塊煉鐵法與生鐵法

塊煉鐵的主要原料為鐵礦石和木炭，木炭燃燒生成一氧化碳，在高溫條件下促使鐵礦石進行還原反應，使鐵礦石中的氧化鐵還原成金屬鐵。③但因為木炭燃燒無法達到反應發生的最佳溫度，導致化學反應速率不甚理想，生成較多雜質，所以產品質量與產量皆較低，再加上產品取出時需要對爐體進行破壞（俗稱“扒爐”），進一步增加了生產的人工成本。

塊煉鐵和生鐵的主要原料及冶煉所需燃料大體相同，主要的區別在于冶煉時溫度的高低不同。從產出來看，塊煉鐵所得產品含碳量較低，但結構疏松，大量氧化鐵和氧化亞鐵—硅酸鹽的共晶夾雜于其結構孔隙之中。生鐵的含碳量則較高，達到2%以上，是一種性脆而硬的鐵碳合金，即俗稱的“白口鐵”。

2.2 鑄鐵退火

生鐵因其硬而耐磨的特性，很早就被用于生產工具的制造，但生鐵性脆，不耐磕碰，所以人們在生產生活中總結了使生鐵柔化的方法，促進了鑄鐵退火技術的產生。鑄鐵退火技術即將鑄鐵件加熱至特定溫度并進行保溫，使滲碳體緩慢分解，逐漸脫碳或石墨化，進而獲得一定的韌性。這是中國古代冶鐵技術發展的里程碑式成就。自戰國早期該技術發明以來，直至漢魏乃至唐代，鑄鐵退火技術都是冶鐵作坊的主要生產方式之一，得到了普遍的應用。

3 古滎鎮冶鐵遺址概況

古滎鎮位于漢代滎陽城舊址上，地處鄭州西北20多千米處，北依鄺山，山北臨黃河。冶鐵遺址在漢滎陽城西墻外，是一處西漢中晚期到東漢時期的遺址。經初步勘探與發掘，該遺址東西寬300米，南北長400米，面積達12萬平方米。①

公元前119年，出于政治和經濟目的，漢武帝實行“鹽鐵官營”制度，在各郡出鐵之縣設鐵官進行開采、冶煉和鑄造。河南郡鐵官所轄的第一冶鐵作坊，簡稱“河一”，即今古滎鎮冶鐵遺址，距今已有2000余年的歷史。遺址內的主要遺跡為兩座煉鐵爐爐基及爐基周圍所出大積鐵塊、原料堆、爐渣堆積區與其他煉鐵有關設施及功能區等。

4 遺址內主要遺跡及相關問題

筆者擬對古滎冶鐵遺址的重要遺跡遺物及相關問題進行分類描述與分析，并嘗試對漢代中原地區冶鐵工業的發展情況做出初步的復原與探究。

4.1 煉鐵爐爐基

兩座煉鐵爐在遺址內東西并列，相隔14.5米，深3米。其中一號爐基南北長4米，東西寬2.7米，北壁厚1米，東壁殘厚0.45米;二號爐基南北長9.2米，北寬2.6米，南寬3.75米。兩座爐基下部都與爐前操作面相連，平面呈“凸”字形，其爐缸創造性地建造成橢圓形，這與漢代冶鐵技術的發展是密不可分的。

自春秋后半葉冶鐵技術傳入中原以來，煉鐵爐普遍采用圓形的形制。隨著鐵器需求量的不斷提高和煉鐵技術的不斷發展，人們對煉鐵和鼓風設施的原理有了進一步的認識，對原有的圓形煉爐做了改進。古滎冶鐵遺址的煉爐都是夯筑的高爐，外形呈饅頭狀，爐腔的斷截面廣泛改為橢圓形，為是在當時的鼓風設備能力的條件下增加煉爐容積的新爐形。②冶鐵高爐橫截面的變化，標志著我國筑爐及冶煉史上的重大技術進步。這種橢圓形高爐的出現，克服了爐心溫度達不到要求的弊端，說明漢代冶鐵工匠對鼓風與爐徑的相互關系已經有了深入的認識，在我國冶金史上具有重要意義。

古滎冶鐵遺址內的高爐還普遍采用耐火材料。耐火材料在漢代已經被廣泛應用于冶鐵技術中，多使用黏土質耐火泥或成型的耐火磚砌筑爐壁，并進一步在耐火材料中加入石英、石砂粒等添加物，以期提高耐火度。耐火材料的使用與進一步改進，為冶煉高爐的建造尤其是冶煉溫度的提高提供了技術基礎。

4.2 礦石的來源及加工處理

據《山海經·中山經》記載：“少室之山……其下多鐵”“大騩之山其陰多鐵”“役山多鐵”“后山上多白金多鐵”。③經考證，少室山地處今河南省登封市境內，大騩山約在今滎陽、密縣之間，役山、后山位于今鄭州西。這些地方均位于古滎鎮附近，且根據調查至今仍有含鋁量較高的褐鐵礦，其成分與遺址內發現的一些礦石相一致，由此可以推斷，古滎冶鐵遺址的礦石來源于滎陽、上街一帶礦山。

在古滎冶鐵遺址的生產流程中發現有礦石處理環節，這在一定程度上表明了當時人們對冶鐵技術的進一步認知。礦石的體積過大會影響其熔化及還原速率與程度，而過小過細的粉末則會堵塞爐內料層和爐腔。因此，對開采出來的礦石進行篩選或粉碎，以得到顆粒均勻的冶煉原料是必要且必需的。出土的礦石遺跡有塊狀和粉末狀兩種形態，礦粉做遺棄處理，塊狀礦石直徑為2～12厘米，大多長6厘米，這種規格的礦石適宜于入爐冶煉，說明當時的人們已經對礦石的冶煉有一定的經驗。

4.3 燃料的種類

根據出土遺跡和遺物的成分分析判斷，木炭仍是當時古滎冶鐵遺址主要的燃料來源之一。但在65號陶窯火池內也發現有許多餅狀燃料塊，其中包含有類似于煤炭的物質。古滎冶鐵遺址煤餅的發現說明我國最晚到西漢時期就已經使用煤炭作為冶鐵的能源之一，但從發現的餅狀燃料塊的數量上來看，遠遠不足以支持整個冶鐵遺址生產的需要，所以整個冶鐵遺址的燃料來源應該還是主要依賴于木炭，煤餅只是作為一種助燃劑或輔助性原料存在。

4.4 爐渣及爐內積鐵

爐渣是冶煉產物之一，其中攜帶的冶煉反應信息被永久封閉。對古礦渣的檢測與分析是研究和揭示古代冶煉技術、工藝類型等方面的重要技術手段。①古滎漢代冶鐵遺址爐渣有很多呈玻璃質，經取樣化驗分析，配料中曾加入適量的石灰石做堿性助熔劑②，這樣能夠促進爐渣的熔化和流動，促進鐵水和爐渣分離并順利流出爐外。石灰石助熔技術在漢代已經廣泛應用于煉鐵工業的生產，并在一定程度上起到了脫硫的效果，這說明當時的造渣經驗已較為豐富。能夠使渣鐵分流，從而生產出質量較高的生鐵產品，是漢代冶鐵技術標志性的進步之一。

古滎冶鐵遺址中還出土有九個大積鐵塊，它們多分布于爐前坑附近。積鐵塊在爐內所處的位置不同，其成分和包含物也會有相應的變化，總體來說積鐵塊由上至下含碳量逐步增高，這表明爐內溫度自上而下是逐漸升高的，上部的還原鐵在下降過程中逐步滲碳，變為含碳量較高的生鐵。根據這些積鐵塊不同的分布位置和成分差異，我們可以大致推斷出煉爐的尺寸。

4.5 鼓風設施

古滎鎮漢代冶鐵遺址中出土了大批量的直筒或彎頭的陶質鼓風管，兩端粗細不一，內外都裝飾有繩紋，可以套接使用。外層糊有一層或多層草拌泥，起隔絕高溫的作用。關于古滎冶鐵遺址的鼓風方式學術界也有不同的聲音，以李京華先生為代表的一些人認為是采用機械鼓風的方式，但有學者通過實驗發現這個假設并不可行，故而提出了采用多人操作的皮橐鼓風方式的觀點。對古滎冶鐵遺址而言，皮橐鼓風具有機械鼓風不可比擬的優勢，它占地面積較小且操作靈活，并且可充分釋放皮橐內的氣體。在勞動力較為充裕的情況下，可通過多人操作或輪流操作等方式降低個人的勞動強度。③到東漢時期，南陽太守杜詩發明水排鼓風裝置，是鼓風技術的又一大顯著進步。

4.6 其他相關設施

除上述冶鐵裝置和設施外，在古滎冶鐵遺址發掘中還出土了一些相關的配套設施，如水井、水池、四角柱坑、船型坑、烘范窯等，從地層關系上看屬于同一時期，與冶煉爐應有直接關系。

5 結語

自漢代起，我國正式邁入了“鐵器時代”，繼而迎來了一個又一個盛世，這其中，冶鐵技術是不容小覷的存在。古滎冶鐵遺址采用了當時先進的橢圓形煉爐，從而達到增加煉爐容積的目的，同時在爐內使用耐火材料來延長煉爐的使用壽命;選擇合適大小的礦石，從而增加礦石的轉化率和利用率;使用煤餅作為木炭的助燃劑，增加燃料的利用效率;在冶煉過程中加入石灰石作為助熔劑，增加鐵水的流動性并客觀地達到脫硫的效果;使用先進的皮橐鼓風來增加鼓風量和鼓風效率，從而提高爐溫。總而言之，在前代的基礎上，漢代的冶鑄技術得到了進一步的創新與發展，形成了一整套從礦石采取、篩選、冶煉、鑄造到后期加工等較為完備的工藝技術，這標志著我國古代的冶鐵和鑄造技術已經達到了較高水平。漢代鐵器工業的發展依賴于冶鐵技術的發展，而其自身的發展又促進了冶鑄技術的提高，二者互相作用，同時又促進了社會政治經濟的繁榮。