我国冶铁术和冲天炉的来源

2021-07-30孙宝言

铸造设备与工艺 2021年3期

关键词：民国

张明，孙宝言

（1.威海科兴铸造机械有限公司，山东威海 264200；2.山西卡耐夫管业股份有限公司，山西晋中 030600）

以焦炭为燃料的冲天炉是一种有悠久使用历史的铸铁熔化炉，曾经为我国机械工业的发展立下过不朽功勋，我国铸造工作者对其存在着深厚的感情。笔者受《铸造设备与工艺》杂志社委托，特作本文以回顾我国冶铁术和冲天炉的历史。

1 我国冶铁术的来源

一般认为[1]，世界冶铁技术起源于黑海南岸的小亚细亚（又称安纳托利亚，今属土耳其），当时居于此地的赫梯（Hittie）人约于公元前2000 年（2000 B.C.）在冶铜中发明了冶铁术，强悍的赫梯人在开疆拓土的同时，把自己的冶铁术扩散到了世界各地。按目前已出土的文物，我国新疆地区在2000 B.C.到1700 B.C.左右即开始使用铁器，哈密地区出土的一件铁器其碳14 测年时间竟为2100 B.C.我国中原地区使用铁器的时间晚于新疆地区，目前出土于河南三门峡虢国墓的三件兵器为我国中原地区最早的铁器，其碳14 测年时间约800 B.C.～900 B.C.战国中晚期铁器在中原地区的使用范围进一步扩大，我国冶铁术和使用铁器，到秦汉时期已经趋于成熟。

将铁矿石冶炼为生铁的炉窑即冶铁炉，因此可以说，我国古代的冶铁炉源于赫梯人的发明。图1按照卢嘉锡总主编的《中国科学技术史》中有关出土铁器碳14 测年，描绘了我国冶铁术的来源和传播路径，即赫梯人的冶铁术首先很快传播到了我国新疆地区，然后传播到了中原地区，其传播路线与此后400 B.C.～100 B.C.左右开通的汉代古丝绸之路大致相符。自赫梯人发明的冶铁术进入我国一直到明代以前，中国的冶铁技术长期领先于欧洲国家。欧洲国家经14 到16 世纪的文艺复兴、结束了中世纪的“黑暗时代”后，英法等国家迅速崛起，我国的冶铁技术开始全面落后于欧洲。

图1 中国古代冶铁术的起源

2 我国使用化铁炉早于欧洲

毫无异议，冲天炉源于化铁炉（熔铁炉），而化铁炉则源于古代冶炼铁矿石为生铁的冶铁炉。济南铸锻所日语翻译宋遵奎曾研究过冲天炉的起源，他认为法国冶金学家Reaumar 于1722 年发明了冲天炉，但其发明所涉及的炉径很小、高径比约在2～4之间[2]：“在坩埚炉上竖起一圆筒，并在其内分层装入焦炭和生铁，然后在下部点火，用两只大风箱鼓风，从而达到熔化铁水的目的。当时用的这种化铁炉直径150 mm～230 mm、炉高为400 mm～600 mm.”

我国著名铸造专家周继扬教授似乎认可法国人P.Godinotd 的观点，即1794 年英国人Wilkison 发明了冲天炉[3]。值得注意的是，美国《冲天炉手册》[4]在涉及冲天炉的历史时只是说，John Wilkison 的专利日期为1794 年6 月2 日，并说Wilkison 的专利不过是对已经在中国使用几个世纪的旧式熔化炉（melting furnace）的改进，同时给出了Wilkison 的专利图（见图2）.

图2 Wilkison 专利图

按宋遵奎和美国人的有关描述，Reaumar 和Wilkison 发明所涉及的炉其实是化铁炉（melting furnace），而并非冲天炉（cupola）。如果认为炉身较低的化铁炉也可称之为冲天炉，则中国人使用“冲天炉”的历史比欧洲早很多年。

明代科学家宋应星所著的《天工开物》，是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性伟大著作，全书三卷十八篇，其中第八卷“冶铸”中附有数幅明代铸造铁钟、千斤、铁锅的铸造图，每幅均描绘着当时的化铁炉。图3 为其中的一幅铸釜（锅）图[5]，可以看出，明代化铁炉的炉体很小，低于普通人的身高、约1 m 左右，用风箱为化铁炉送风。另外，根据该图中化铁炉上标注的“铁水镕内”可作合理推测，宋代人将化铁炉称作“镕铁炉”。镕铁炉即熔铁炉，也即至今仍被沿用的化铁炉。顺便说明，《天工开物》图示的数台化铁炉，其金属炉料为生铁，属于化铁炉、而非以铁矿石为炉料的冶铁炉（炼铁炉）。

图3 《天工开物》铸釜图

《天工开物》一书初刊于1637 年（明崇祯十年），不管是法国人Reaumar1722 年、还是英国人Wilkison1794 年发明的化铁炉，时间均晚于该书中所载的化铁炉。因此可不容争辩地称：我国使用化铁炉的时间早于欧洲。特别遗憾的是，目前国内已知的出版物，均持冲天炉起源于欧洲的观点。江西省机械科学研究所的谭岳云曾在2000 年发现了该问题，但也很遗憾，他仍认可宋遵奎的观点：即法国人Reaumar 于1722 年发明了冲天炉[6]。

国内出版物之所以普遍认可冲天炉起源于欧洲，笔者认为其原因不过是有关作者未仔细研究中国化铁炉的历史，未仔细分辨欧洲发明的到底是什么东西，同时未注意cupola furnace 和melting furnace 两个词语的区别，盲从了欧洲人的观点。

按照《中国科学技术史》[7]，焦炭在明代曾被一些人称为礁或石礁，我国最晚在明代已经开始用焦炭炼铁；而英国人达比（Abraham Darby，1676-1717）1709 年用焦炭炼铁，比中国约晚300 年；美国人1765 年开始用焦炭炼铁。另外，中国冶铁炉最晚在战国时期即开始用皮囊鼓风，至迟东汉时期已用水排即水力鼓风机送风，北宋发明木扇，宋代发明风箱，而欧洲的炼铁炉大概直到12 世纪才使用水力鼓风机。中国先于欧洲出现焦炭和鼓风机，从化铁的相关技术也可以印证中国出现化铁炉的时间早于欧洲国家。

中国的化铁炉的出现和使用时间早于欧洲应该是不争的事实，但据此仍不能说化铁炉起源于中国，因为化铁炉也可能最早出现于中国、欧洲以外的国家或地区。

3 冲天炉的概念与词语指代

冲天炉和化铁炉的含义在今天已经有了一定区别，化铁炉不一定是指冲天炉。例如，炉身不高甚至不存在炉身的铸铁熔化炉（例如反射炉、回转炉、坩埚炉等）往往被称为化铁炉。另外，一些人所称的化铁炉，还可能是指高炉（炼铁炉）。

目前一般人所理解的冲天炉一词的含义为：一种炉身较高以生铁、废钢和回炉料为主要金属炉料熔化铸铁液的竖炉。

上述含义中的“炉身较高”和“焦炭”之间存在一定关系。我国古代和欧洲国家曾经长期使用以木炭、煤炭为燃料的化铁炉，由于燃料的强度低、无法承受较大的炉料压力，因此炉身一般较低甚至不存在炉身；“炉身较高”将冲天炉与我国传统的化铁炉（即搀炉、坐炉、猴子炉、撅把炉等）作了区别。该含义中的“以生铁、废钢和回炉料为主要金属炉料”将冲天炉与使用铁矿石为炉料的冶铁炉（即炼铁炉、高炉）作了区别。该含义中的“竖炉”将冲天炉与反射炉、坩埚炉等作了区别。

济南铸锻研究所日文翻译宋遵奎，1994 年曾研究过英文Cupola（冲天炉）一词的来源[2]。他说，英国人认为Cupola 来自德语“圆塔、穹顶（Kuppel）”，美国人则认为Cupola 来自拉丁语“桶、樽（Cupa）”。笔者发现，美国《冲天炉手册》在涉及冲天炉历史时，开篇第一句即表达Cupola 源于Cupa 的观点[4]。

我国民国期间将今天人们所称的冲天炉和冶铁的高炉统称为鼓风炉（Blast Furnace）等，其中钢铁厂用于铸铁重熔的、今称的小型冲天炉有时候也被特别地称为熔铁炉、化铁炉、甚至考拍拉炉（Cupola Furnace）[8～10]。鼓风炉一词显然源于对外文的直译，今中国大陆地区已无人使用，但我国台湾地区至今仍有人将冲天炉称为鼓风炉。

在可以搜寻到的文献资料中，考拍拉（Cupola）一词最早出现于胡庶华于民国15 年（1926）出版的《铁冶金学》[7]中，图4 为该书中的一幅考拍拉炉的图片。但是，王本治民国16 年（1927）出版的《冶金学》[8]一书编译自敖士敦、高仑德等英国专家的有关著作，其中将当今人所称的冲天炉称作小鼓风炉（Small Blast Furnace，见图5），从此可以看出冲天炉和高炉之间的关系。可以认为，上海地区曾流行过的多宝冲天炉，明显借鉴了图5 所示、今称前炉回气冲天炉的结构要素。

图4 考拍拉炉（1926 年)

图5 小鼓风炉（1927 年）

在1947 年的《工矿建设》杂志第四期中，陈凌汉根据德国、英国、美国、日本有关资料撰写的“翻砂厂化铁炉之设计[11]”，该文给出了2 t/h～15 t/h 化铁炉各部分的尺寸。在该文中，他将冲天炉称作化铁炉。1949 年以后曾有很长一段时间，人们习惯用“熔铁炉”和“化铁炉”指代冲天炉。例如，陈农1952年2 月编著出版的《现代铸工》中称[12]：

“熔铁炉的历史相当古老，……，我国的制造工业，大多自美、德、英输入，……，至于我国的三级炉和倾侧式炉，式样更多，一般而言，可分为英式、美式和德式三大类。”

《机械制造》杂志1950 年创刊，到1951 年刊登过13 篇熔铁炉（化铁炉）和冲天炉方面的文章，其中12 篇文章使用了“熔铁炉”或者“化铁炉”，只有1篇使用了“冲天炉”一词。冲天炉一词首次出现于该杂志创刊号上刊登的陈望隆撰写的“上海的机械制造工业[13]”一文。在可以搜寻到的文献资料中，该文最先将炉身高度较大、炉膛直径较大的化铁炉称之为冲天炉。该刊1950 年第七期刊登的“冲天炉选择及操作参考表”[14]一文，弃用了此前使用的化铁炉而改用冲天炉一词。但是冲天炉一词是否为陈望隆所创，究竟何人、何时创造了冲天炉一词，已不可知。

熔铁炉一词至今已基本消失于中国大陆，但化铁炉与冲天炉两词在1949 年以后几乎不加区别地使用了很长时间。两个词的区别使用，大致始于1970 年代中期，例如成都工学院（今归属四川大学）铸造教研室的戢家齐在此期间撰写的“天然气化铁炉[15]”一文，区别使用了化铁炉和冲天炉两个词。如果在“知网”的搜索框键入“化铁炉”，可以发现，1999 年制订的机械行业技术标准“化铁炉酸性炉渣的化学分析方法”，仍将冲天炉称作化铁炉；直至2008 年仍有人在撰写耐火材料方面的文章时，将冲天炉称作化铁炉，由此可以看出最晚源于宋代的“化铁炉”一词的顽强生命力。

4 我国冲天炉的来源

我国冲天炉的引进始于清末的洋务运动，距今约有150 年的历史。据王信忠1932 年发表的“福州船厂之沿革”一文，始建于1866 年的福州造船厂（又称马尾造船厂），全面引进了法国的技术和人才，其中的翻砂厂，其厂房为三跨、面积达2 400 m2，配置有1 台15 马力的发动机[16]。该翻砂厂的铸铁熔化设备很可能为进口自法国的冲天炉，15 马力发动机应该是冲天炉鼓风机的动力设备。

民国37 年（1948）由任可澄总撰的《贵州通志·前事志四十·光绪十五年》中有一段“清溪铁厂杂记[17]”，记录了清溪铁厂从英国谛塞德厂购得的全套炼铁设备，包括炼铁、炼钢和轧钢等三部分，现将其中的炼铁和炼钢设备摘录如下：

“铁厂大炉一座，高五丈、内径最宽处一丈六尺，吊矿煤机架高七丈。每日夜用焦炭四十吨、中秤六百四十二担，铁矿五十吨、中秤八百四十担节次添入。有汽炉五座，烧六十磅汽分用风机、吊；五磅风力由四座热风炉经过，风热一千度入炉，照炉之铁二十五吨合中秤四百二十担。炼铁后复以生铁入捍铁炉熔化，用人工捍炒、翻动，变韧成团入汽锤打出渣滓为板条之坯入轧轴。另设炼一吨别包麻钢炉两座，别包麻风机两座，期二吨重机架一座，熔生铁炉一座，两心扇风机一座。”

上文中的“清溪”今称“青溪”；“捍铁炉”目前多人写作“焊铁炉”，笔者以为不妥，应该写作“炒钢炉”；“别包麻钢炉”即“贝塞麦转炉（Bessemer Converter）”，这是一种将驘液倾入酸性炉，在炉底吹入空气脱除驘液中的碳、硅元素的旧式炼钢炉；上文中的“熔生铁炉”无疑为冲天炉。贵州青溪铁厂是我国清代第一个现代化钢铁企业，始建于光绪十一年（1885），光绪十六年（1890）六月一日点火投产，炼出了第一炉铁。

另外，从民国的一些冶金学著作中可以看出，民国的一部分冲天炉可能只是用于贝塞麦转炉炼钢的驘液熔化炉，并非用于铸铁件的生产；同时，清代和民国的炼钢厂很可能先于铸造厂使用了来自西方的冲天炉。诞生于1889 年的汉阳铁厂，其进口设备中包括两台8 t 贝塞麦炼钢炉，另外该厂附设有个翻砂厂，因此汉阳铁厂也可能引进过欧洲的冲天炉。清代翻砂厂和冲天炉之间的关系，可以从胡庶华所著《铁冶金学》里取得旁证[7]：

“翻砂厂现所用之熔铁炉有三种，坩埚炉、反射炉及考拍拉炉；因坩埚过贵，同时热效率仅为4%，故翻砂厂很少用坩埚炉；反射炉用于块度较大的铁的熔化，使用较多，但其热效率不过8～10%；考拍拉炉是翻砂厂使用最多的熔铁炉，热效率在40～60%之间。”

胡庶华博士是我国著名的冶金学家、教育家，曾担任过民国时期的上海钢铁厂、汉阳兵工厂厂长，民国农矿部农民司和农林司司长，曾担任多所大学的校长，是我国近代钢铁工业的最重要开拓者之一。

在1949 年以后的有关铸造文献中，可以发现民国时期化铁炉或冲天炉的零星踪迹。陈望隆在“上海的机械制造工业[16]”一文中，详细描述了1949年后上海铸造业及其化铁炉的情况：

图6 胡庶华（1886—1968）

“上海的生铁翻砂，除了大型的公私机器厂有翻砂设备外，专门生铁翻砂的共有260 余家，多是50人以下的小厂，技工人数在50 人以上100 余人的有三家，用猴子炉设备铸造1000 磅以下小型铸件的占十分之七，有16”到32”三节炉设备，铸造较大铸件的占十分之三。有冲天炉（Cupola）设备的计有公营虬江机械厂、吴淞机械厂、通用机器厂、中国纺织机器制造公司、冷铸车轮厂和私营上海机器厂等。”

按照上文中的数据，1950 年上海地区炉膛内径最大的冲天炉仅有32 英寸（约812 mm），其熔化率尚不足5 t/h.西安交通大学陆文华教授回忆，1953年以后，他在上海交大工作期间，曾去过当时的上海新中动力机厂，在该厂工作的裘锡侯带他参观过一台进口于美国现代公司的冲天炉，该炉的风口直径很大，给他留下了很深刻的印象。陆文华教授记忆中的这台美国冲天炉，应该是民国工业的遗存。

浙江省金华的“家乡网”中有个“新中国工人1952 年[18]”栏目，其中有幅太原机器厂冲天炉的图片（图7）.由于苏联“一五”期间援建我国的时间始于1953 年，因此有理由认为该网站所涉及的这台冲天炉为民国工业的遗存。

图7 太原机器厂冲天炉（1952 年）

另外，《钢铁》杂志1956 年刊登了东北一大型工厂某佚名作者撰写的“介绍热风冲天炉[19]”一文。该文介绍他们工厂利用苏联技术将伪满时期遗留的一台5 t/h 冲天炉，改造成了三排风口、外热风冲天炉（图8）.后经文献考证才知道该大型工厂即鞍山钢铁公司西铸造部[20]。伪满时期即1932 年到1945年间，因此这座5 t/h 冲天炉应该属于日资鞍山昭和制钢所的遗存，属于民国期间一台较大的冲天炉。该文献也许可以说明，我国冲天炉技术也有源于日本的引进。