冶铁考古
考古学学生入门

本多媒体教材原计划面向中国考古学学生，但我希望它也能对西方学生，特别是那些希望更多了解中国情况的学生有所助益。它介绍了阅读和理解考古冶金学出版物所需的背景知识，并为希望进一步深入学习考古冶金学的学生提供了广泛的基础。读者如有一定的化学和物理知识将会更有收获，但我总体上已尽量避免过于专业的技术细节。准备从事考古冶金学原创性研究的学生将需要更高级的培训，尤其是在化学和冶金科学方面。

我与四川大学历史文化学院考古学系合作编写了这本英文教材。

这算不上一本完整的冶铁考古教材。有几个重要主题我几乎未曾涉及，包括陨铁、采矿和矿石准备。最大的缺失是关于炉渣的课题——考古学家在冶炼遗址发现的炉渣以及铁器制品中发现的微观炉渣夹杂物。近十年来，炉渣已成为理解古代生产方法非常重要的材料。但我对这些主题所知甚少。在断断续续地编写这本教材近十年后，我不愿再花数年时间学到足够的知识来权威地撰写这些内容。我希望其他人能接受这一挑战。

右侧方框中列出了一些对中国学生有用的预备性阅读材料。这些文献包括中国考古冶金学先驱的著作，将为认真研习该学科的学生提供重要的背景知识。

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从印刷书籍中摘取材料时，我已尽力获得版权所有者的许可，但这些人往往难以找到。若任何人认为其知识产权在此受到侵犯，请与我联系，以便我们达成双方满意的解决方案。如有需要，我将删除相关材料。

1. 从矿石冶炼铁——直接法与间接法

历史上和考古学上两种重要的从矿石生产铁的方法是块炼炉和高炉。在块炼炉中，通过间歇式过程产出称为块炼铁的熟铁块。通常一天可产出10–50公斤铁。这种铁可直接由铁匠使用。高炉则长时间连续运行，每天可产出数吨生铁。生铁含碳量高，这一事实有两层含义：它性脆，不能由铁匠直接使用；且其熔点低，可铸造成实用器物。若铁匠要使用这种铁，必须去除其大部分碳分；在前近代生产中，这是在精炼炉中完成的，下文第4节将讨论。由于块炼炉冶炼一步即产出熟铁，故称为直接法。高炉加精炼炉两步产出熟铁，故称为间接法。

直接炼铁
高炉炼铁

地理和经济因素对铁器生产的组织具有重要影响。铁矿石及其冶炼燃料在世界几乎所有地方都足以满足前现代的需求。这一事实，加上铁按重量计算价格低廉，意味着前现代的铁工业往往分为两个部门：最偏远地区的小规模生产，以及能够获得廉价运输（在中国通常通过水路）地区的大规模生产。这种两部门分立的例子在中国历史上的几个时期以及近几个世纪的欧洲部分地区都能找到。

直接法与间接法炼铁的经济学

欧洲与中国

高炉炼铁在中国从很早的时期就占据主导地位，可能早在公元前5世纪。在欧洲，高炉炼铁是较晚的发展。这里从最早的时代直到19世纪都在使用直接法炼铁。欧洲已知最早的高炉出现于13或14世纪，直到15世纪，大部分铁产量才使用高炉。历史学家对此发展多有论述。我本人的研究表明，当大规模生产铁的经济条件成熟时，欧洲开始使用高炉，此后几乎在许多地方同时投入使用。在德国，这似乎是独立发明；而在瑞典和意大利，则可能是从伊朗学来的，而伊朗几乎可以肯定是从中国学来的（Wagner 2007: 347–356）。

中国没有块炼炉吗？

2. 坩埚冶炼

一种截然不同的炼铁技术曾在山西使用，并在一定程度上在新疆、山东和辽宁使用。瑞典的赫加奈斯公司也曾采用，或许至今仍在沿用。

将铁矿石和煤的混合物装入坩埚，在室炉中用煤加热。煤将矿石还原，产物是一块铁饼。这项技术相比高炉冶炼至少有两个优点：所需资本投入极少，且可使用低品质煤作燃料。

山西的坩埚冶炼
新疆的坩埚冶炼
辽宁的坩埚冶炼
坩埚冶炼参考文献

3. 铸铁

右侧是铁–碳平衡相图，它给出了铁碳合金的原子状态与温度的关系。我们将在本教材的其他地方详细讨论此图，但此处重要的是液相线。也可以不太精确地称之为合金的“熔点”。实际浇铸温度比此高50–100°C。

可以看出，浇铸含碳量高达约1.5%的钢，需要远高于1500°C的温度。这种温度在早期世界各地常能达到，但处理钢水并将其铸造成有用器物所需的耐火材料直到18世纪末才在英国开发出来。

对于含碳量更高（3–4%）的铸铁，实际浇铸要容易得多，所需温度约为1300°C。含碳量如此之高的铁被称为铸铁，因为它易于通过铸造成型。它适合大规模生产，这在中国古代往往很重要。毫无疑问，正是古代中国铸铁的使用使得每个农民都能拥有铁制农具。

高炉流出的铁水，通常含碳3–4%，可直接浇铸成最终产品的铸型，这在近代实践中有时会采用，例如在山西阳城的一个铁厂以及一些早期欧洲的铸炮厂。但更常见的是，高炉产品被铸成简单的锭块（英语中称为“pigs”，直译为“猪”），之后再装入冲天炉重新熔化。冲天炉是一种竖炉，在外观上与高炉有些相似。它从顶部装入铁料和燃料，在靠近底部处鼓入空气，铁水定期从底部放出。冲天炉有多种不同形式，铸造铁器产品也使用了多种不同类型的铸型。

在山西的一些地方，铁是在坩埚中熔化用于铸造（刘培峰 2014, 例如第41页）。

以下是德国访问者谢尔盖·叶尔绍夫 (Sergey Ershov) 于2007年4月在山西两座铸造厂拍摄的影片和照片：

 

冲天炉
铸型

4. 铸铁转化为熟铁

高炉产出的生铁含碳量高，通常约4%。要制造铁匠使用的原料熟铁，必须去除大部分或全部碳分。直到19世纪中叶，欧洲最常用的工艺是精炼 (fining) 和 搅炼 (puddling)。中国从古代到近代也使用了两种颇为相似的工艺。现代术语分别称为“精炼”和“搅炼”，但传统上都称为“炒”。

精炼和搅炼都涉及熔化生铁并在鼓风下搅拌。精炼中，燃料（木炭）与铁混合；而在搅炼中，铁和燃料分离，因此可以使用煤而不会给铁增加过多硫分。如果工匠技术娴熟，碳从铁中烧除，而铁本身不会烧损过多。

欧洲的精炼与搅炼
中国的精炼与搅炼

天工开物

一种类似精炼、也称为“炒”的工艺，在1637年的《天工开物》中有记载。它与通常看起来的中国式精炼工艺有足够多的不同之处，值得单独讨论。

《天工开物》记载的转化熟铁法

固态脱碳

除了精炼生铁，还可以将其铸成板或棒，并在氧化性气氛中退火，在固态下使其脱碳。这本质上与制造白心可锻铸铁物件所用的工艺相同，区别在于产品是作为铁匠的原料，而非铸造成最终的成品形态。使用此工艺而非精炼似乎有一些优点：产品中几乎没有或完全没有炉渣夹杂物，或许更重要的是，产品质量较少依赖于个别工匠（精炼工）的技能，因此大型铁厂的质量控制得以简化。另一方面，燃料消耗肯定远高于精炼。用生铁固态脱碳生产进一步加工的原料，19世纪在欧洲偶有尝试，但从未占据重要地位（Wagner 1993: 291）。

这种技术在中国汉代使用的证据足够清晰，尽管细节尚未发表。在几处汉代铁厂遗址发现了铸铁板和铁棒，有些是白口铸铁，有些已脱碳，同时还发现了铸造它们所用的铁范。一块梯形板，出土于河南郑州古荥镇汉代铁厂遗址，尺寸为19 × 7–10厘米，厚0.4厘米。从其外形看，无疑是铸成的，但碳含量仅为0.1%。若此板原含4.3%碳，并在1000°C退火，退火时间或许为2–3天。同遗址出土的一块类似板材显示于右图，并附其显微组织。它似乎为100%铁素体，即碳含量基本为零。

关于此主题的更多内容见 Wagner 1993: 291–292; 294–295; 317（中译本，Wagner 2018: 197–198; 202–204）。

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5. 炼钢

（本节大部分内容复制自 Wagner 2008: 65–73，经少量编辑并补充。感谢剑桥李约瑟研究所允许在此使用这些材料。）

中国的精炼工艺产出熟铁，碳含量通常在0.1–0.3%范围内。用现代技术术语，这是“软钢”，但熟铁在前近代西方被用于与“wrought iron”（即碳含量接近于零的铁）相同的用途，因此我遵循标准英语惯例，将“熟铁”译为“wrought iron”。

带刃武器和工具需要比这更高的碳含量，因此使用了多种工艺来制造钢，通常碳含量在0.5–1%范围内（用现代术语，即“工具钢”）。中国传统炼钢工艺要么通过渗碳法向熟铁中添加碳，要么将熟铁和生铁混合以获得中等碳含量的产品。

在传统中国，钢要么通过渗碳法（焖、添碳；焖是传统术语，添碳是现代术语）制造，要么通过灌钢法制造。渗碳法中，将低碳铁与碳源（通常为木炭）一同加热数小时或数天。碳从表面扩散进入铁中。灌钢法中，将高碳的生铁和低碳铁一同加热，产出碳含量居中的产品。

近几个世纪的中国铁匠似乎不太使用“表面硬化”法，即将已制成的熟铁武器或工具渗碳，在软而韧的基体上形成一层硬钢（“表层”）。相反，钢是单独生产的，通常由专门的制钢工匠完成，然后铁匠将其锻焊到熟铁基体上。这种方法无疑节省燃料，并且如果铁匠技术娴熟，产品质量不亚于甚至优于表面硬化的武器或工具。右侧展示了两个例子。

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李·索德 (Lee Sauder) 及其朋友制作了一部影片，演示四种传统的欧洲炼钢技术，并提供了这段简短预告。他们最近也将整张DVD上传到了Youtube，我已将其复制于此。

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渗碳法制钢
灌钢法炼钢

6. 打铁匠工艺

铁匠的工作始终是需要通过长期学徒生涯从师傅那里学来的手艺。对考古冶金学学生而言，重要的是理解这门手艺背后的基础科学，并对铁匠的工作有所了解。下方是一些展示铁匠工作的影片。观看影片时，以下是一些值得注意的技术要点。

奥氏体。 要通过锤击成型，铁必须加热到其奥氏体温度范围，即铁碳平衡相图中的GSEJN区域。这通常在950–1100°C。传统铁匠谈论的是颜色而非温度：此时呈橙色到亮黄色。在这些锻造温度下，铁比在较低温度下更具塑性，更容易锻造成所需形状。

固态焊接。将两块铁加热到极高温度并锤击在一起，可通过“锻焊”结合成一块。所用温度通常在1300–1400°C，呈白热状态。这比铁匠用于任何其他目的的温度都要高得多。

淬火硬化。如果将处于奥氏体温度范围的钢件非常快速地冷却，它会转变为一种非平衡形态，称为马氏体，非常硬且脆。通过加热到较低温度（数百度，取决于所需硬度）可以降低其硬度。

加工硬化。通过在冷态下锤击，铁件可以在一定程度上硬化。欧洲铁匠很少使用此技术，但我在1987年开封见过一位铁匠使用。他和他的助手用冷锤敲打他们前一天制作的两个锄头。他们使用大锤敲打，直到锤击声发生变化，表明锄头已显著变硬且更耐磨；然后他用较小的锤子继续敲打了一段时间。

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打铁匠的七项基本技能

更多铁匠影片

7. 铁的显微组织

要理解铁器制品是如何制造的，必须观察其显微组织。

简而言之：使用适当的工具（钢锯、砂轮、金刚石锯片等）从待研究的器物上切取一小块样品。将此样品的一个表面研磨成平面并达到镜面光洁度。通常第一个实际步骤是将样品封装在聚合物材料（如环氧树脂）中，以便得到一个稍大、形状更规则、便于后续处理的物体。然后依次使用越来越细的砂纸研磨所选表面，最后用抛光剂抛光：对于铁器样品，常用氧化铝，价格低廉且相当有效；但显微镜级金刚石微粉（粒径如5、3或1 µm）效果更好，且成本并非高不可攀。直到20世纪50年代，研磨和抛光有时仍完全手工进行，即将样品在覆有砂纸或抛光剂的玻璃板上摩擦。如今各种技术改进大大减轻了工作量，但要获得最佳效果，熟练的手工操作仍然必不可少。样品制备需经历多个阶段（通常使用四种不同粒度的砂纸，然后使用一种或多种抛光剂），原因是需要在显微镜下观察的表面必须无损伤且极其平坦。

大学冶金系通常教授学生使用影片制备金属样品，展示其特定实验室的制样方法。以下是几个此类影片——您的院系可能也有。

研磨和抛光后，样品的某些显微组织特征可以直接在显微镜下看到，特别是熟铁和钢中非金属夹杂物的形态和分布。然而，铁器样品显微组织中的金属组分在抛光后看起来都差不多。因此，除非只对非金属组分（如石墨或炉渣）感兴趣，通常需要用浸蚀剂浸蚀抛光表面。最重要的浸蚀剂是“硝酸酒精”，即1–5%浓硝酸的乙醇溶液。“苦味酸酒精”类似，是苦味酸的乙醇溶液。两者通过以不同方式浸蚀不同组分而使显微组织可见。还有许多其他更专门的浸蚀剂。

用于此项工作的显微镜与普通显微镜不同。光线必须直接向下照射到样品上，并直接反射向上进入眼睛。右侧示意图展示了其原理：光线从玻璃反射器向下反射，到达样品，然后向上穿过反射器进入眼睛。

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要解读显微镜下的所见，需要了解铁碳相图，如左侧所示。此类相图是冶金学家的基本理论工具。以下是三部影片，用以解释钢和铸铁显微组织解读中最重要的方面。

以下页面更详细地介绍了金相学：

钢金相学
铸铁金相学

最后编辑：DBW，2024年3月25日。
样式修改：2024年6月7日