灌钢

生铁和熟铁按比例冶锻而成的钢

中国古代把生铁和 熟铁 按一定比例配合冶锻而成的钢,又称团钢。 南梁 炼丹家 陶弘景 (452~536)记述说:“钢铁是杂炼生作刀镰者”。这里生指生铁,指熟铁。当时灌钢已被用来制作刀镰之类,说明它已经历了一个发展时期,产量已颇可观。 北齐 綦毋怀文 也是灌钢的实践者。他“造 宿铁刀 ,其法烧生铁精以重柔铤,数宿则成刚”。这里的“宿铁”含义与上述“杂炼生”基本相同。

正文

西晋 张协 《七命》说:“楚之阳剑,欧冶所营,……乃乃铄,万辟千灌”。“辟”可释为层叠,“灌”可能指灌注。宋 沈括 《 梦溪笔谈 》对灌钢技术作了较全面的记述:“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,泥封炼之,锻令相入,谓之团钢,亦谓之灌钢。”明代灌钢技术进一步提高。 方以智 《 物理小识 》、 宋应星 《 天工开物 》、 李时珍 《 本草纲目 》均有记述。与 宋代 不同点有二,其一是改泥封为涂泥草履覆盖,使生铁在还原气氛下逐渐熔化;其二是将 熟铁 制成薄片,渗淋生铁时可增加接触面积,使熟铁加快增碳成钢。

苏钢,亦称芜钢,是灌钢技术的发展。 明朝 时 苏州市 、 芜湖市 是苏钢生产的中心,后来传播到 湖南省 、 四川省 等地。苏钢在制作时改善了生、熟铁的接触条件,使两者均处于运动状态,由人工控制,以保证质量。

用生铁作为增碳剂,以提高锄、 等农具的刃口硬度,则被称为“生铁淋口”或“淋钢”、“擦渗”。这种技术中国现代仍有应用。

(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 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 ,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, 上海科学技术出版社 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:“销逾羊头, (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 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 《 本草图经 》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 四川省 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, 湘潭市 等地都较兴盛,因传为 江苏省 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 治钢业者数十家,每日须工作不 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 从 芜湖市 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。 北碚区 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 北碚区 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•;德(JohnDay)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。