冷兵器之我为刀狂 第二卷 木之卷 刀的制造 第四章 炼钢(四)

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四、灌钢及其工艺原理


灌钢工艺是我国古代刃钢生产的主要方法。它以生铁和“熟铁”(一种含碳量较高的炒炼产品)为原料,将它们加热到生铁熔点以上,合炼而成钢。


(一)灌钢工艺的发明和发展


我国古代关于灌钢的记载始见于东汉晚期。《全后汉文》卷九十一王粲(177—217年)《刀铭》云:“相时阴阳,制兹利兵,和诸色剂,考诸浊清;灌襞已数,质象已呈。附反载颖,舒中错形。”此文所述为制作宝刀的全过程。其中的“灌”即灌炼,“襞”原指衣服上的褶裥,在此应指钢铁材料的多层积叠、反复折叠。“灌襞已数”即是多次灌炼。可见东汉末年,人们便用灌钢制作刀剑,其发明年代至迟在东汉晚期。何堂坤:《关于灌钢的几个问题》,《科技史文集》第15辑,上海科技出版社1989年版。


稍后,晋张协《七命》也谈到过与王粲《刀铭》所云相似的工艺:“销踰羊头,镤(鍱)越锻成,乃炼乃铄,万辟千灌;丰隆奋椎,飞廉扇炭。”此“销”,唐李善引许慎说为“生铁也”。鍱,《广雅》释为铤。李善注云:“辟谓叠之,灌谓铸之”。《六臣注文选》卷三五张协《七命》注。所以,此“万辟千灌”便是指多层积叠,多次灌炼,即是灌钢工艺。


南北朝时,灌钢在我国南北各地推广开来,且用于农具制作中。《重修政和经史证类备用本草》卷四“玉石部”引梁陶弘景云:“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者”。北齐綦毋怀文亦制作过灌钢刀。及宋,各种记载更多。张君房《云笈七签》卷七十八载:“灌刚之时,必须林栗等炭,余皆不堪用。”又云:“取自然成刚铁上,次取擣刚五灌已上者佳。”《重修政和经史证类备用本草》卷四又引北宋苏颂《图经本草》云:“以生柔相杂和,用以作刀剑锋刃者为钢铁。”灌钢在我国一直沿用到明清,本世纪三十年代还在四川等地流行。


李时珍《本草纲目》卷八“钢铁”条:“钢铁有三种,有生铁夹熟铁炼成者,有精铁百炼出钢者,有西南海山中生成状如紫石英者。”前者即是灌钢,次者百炼钢,后者系金刚石之误。可见在古人心目中,灌钢是我国古代钢的主要品种之一。因其含碳量较高,通常主要用来制作刀、剑、镰等兵器、生产工具的锋刃部,对我国古代社会生产的发展起到了重要的作用。


(二)灌钢的工艺操作


宋代以前这方面的记载很少,宋以后至少有三种不同的工艺类型。


第一种,生铁陷入法。沈括《梦溪笔谈》卷三云:“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,封泥炼之。锻令相入,谓之团钢,亦谓之灌钢。”此“柔铁”即古代“熟铁”。此“封泥”的作用有三1)使铁料各部分均匀受热,让生铁缓慢熔化。(2)防止生铁熔化后的流失,使之更好地与柔铁作用。(3)防止和减少碳在炉气中的烧损。


第二种,生铁覆盖法。宋应星《天工开物》卷一四云:“凡钢铁炼法,用熟铁打成薄片,如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖(夹)紧,生铁安置其土(上)(原注:广南生铁名堕子生钢者妙甚)。又用破草履盖其上(原注:粘带泥土者,故不速化),泥涂其底下。洪炉鼓鞴,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。俗名团钢,亦曰灌钢者是也。”此操作比生铁陷入法又有了一些进步1)生铁置于“熟铁”上,熔化后向下渗淋,就增加了生、“熟”铁接触反应的机会,减少了生铁流失的机率。(2)不需封泥,而是上盖破草履,下涂泥,简化了操作。(3)“熟铁”为薄片状,增加了反应面,提高了生产率。


第三种,生铁浇淋法。约始创于明代中期,清时在安徽芜湖,湖南湘潭等地都较兴盛,因传为江苏工匠始创,又名之为“苏钢”。


明代唐顺之《武编前编》卷五“铁”条说:“熟钢无出处,以生铁合熟铁炼成,或以熟铁片夹广铁,锅涂泥入火而团之,或以生铁与‘熟铁’并铸,待其极熟,生铁欲流,则以生铁于‘熟铁’上,擦而入之。”此“熟钢”即灌钢,这里谈到两种操作,前者与沈括所云相类似,后者即是苏钢工艺。


陈春华《嘉庆芜湖县志》卷一也有苏钢的记载:“居于廛治钢业者数十家,每日须工作不啻数百人。初锻‘熟铁’于炉,徐以生镤下之,名曰餧铁,餧饱则镤不入也。于时渣滓尽去,锤而条之,乃成钢。”《光绪湘潭县志》卷十一、1935年出版的《中国实业志(湖南)》第七篇都说到湘潭苏钢是乾隆年间从芜湖传去的。可知芜湖苏钢应在清代早中期便较发达。


与前二法相比,苏钢操作的优点是1)其“熟铁”仅仅是初锻过的,组织较为疏松,便增大了生、“熟”铁接触反应面,所含氧化夹杂亦较多,可提高碳氧反应的强度,增强去渣能力。并且,部分氧化亚铁可被还原,就提高了金属收得率。(2)生铁不是直接覆盖于“熟铁”之上,亦非夹于“熟铁”间,从“以生铁于‘熟铁’上,擦而入之”、“徐以生镤下之”两句来看,生铁、“熟”铁是保持一定距离的,便可有控制地进行灌淋。据周志宏先生1938年调查,周志宏:《中国早期钢铁冶炼技术上创造性的成就》,《科学通报》1956年2月。重庆北碚苏钢亦采用类似的操作。无需封泥、涂泥,以及覆盖破草履,亦简化了工序。


此三种操作反映了灌钢技术不断发展和人们认识逐渐深化的过程。


(三)灌钢的工艺原理何堂坤:《中国古代炼钢技术初论》,《关于灌钢的几个问题》,分别见《科技史文集》第14辑(1985年)、第15辑(1989年),上海科学技术出版社。


因灌钢以生铁和“熟铁”为原料,有学者认为它是一种利用生铁向熟铁渗碳的工艺,这是一种误解。灌钢冶炼的主要目的并不是调剂含碳量,而是排除夹杂。实际上百炼法和灌炼法都是在炒钢的基础上,为了进一步去除夹杂而发明出来的。依据是:


(1)前面谈到,古代“熟铁”的含碳量是与可锻铁相当的。因灌钢以“熟铁”为原料,灌炼之后,其含碳量便有可能增加,也有可能减少,或者变化不大的。


(2)1938年周志宏先生对重庆北碚金刚碑苏钢作坊的原料和产品都进行了成分分析,结果列如表2—6。


可见其产品含碳量与原料“熟铁”含碳量是一样的。它们之间的主要区别是:成品钢中的硅、锰、磷、硫含量稍较原料“熟铁”为低。这显然是排除了夹杂之故。在其他地方的冶炼实例中,其苏钢产品含碳量也可能存在高于或低于原料“熟铁”含碳量的现象,但这不是灌炼的主要目的。


灌钢是我国古代冶金技术的一项杰出创造,它利用生铁含碳量较高、“熟铁”含氧化夹杂较多的特点,用“熟铁”中的氧来氧化生铁中的硅、锰、碳,造成激烈的“沸腾”,而达到去除夹杂的目的。虽操作简单,效果却十分明显,这是人类古代制钢工艺中所获得的最高成就。唐顺之《武编前编》卷五说:“此钢合二铁,两经铸炼之手,复合为一,少沙土粪滓,故凡工炼之为易也。”陈春华说“于时渣滓尽去”,都是毫无夸张的评价。约翰&S226;德(John Day)在《史前钢铁使用》一书中誉灌钢为“后世平炉方法的先声”,也并不过分。转引自李恒德《中国历史上的钢铁冶金技术》,《自然科学》第1卷第7期,1951年12月。


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