西汉时期中原地区冶铁技术的发展

葛瑶

摘 要：古代中原地區的冶铁业在全国占有重要地位，是研究我国古代冶铁史不可或缺的一部分，具有相当重大的意义。河南省郑州市古荥镇冶铁遗址是我国汉代主要的金属冶铸场所之一，代表了当时钢铁冶铸技术的最高水平。从该遗址的现有遗存出发，能够透视整个时代冶铁业的发展水平和发展状况。

关键词：汉代;中原地区;冶铁技术;古荥;冶铁遗址

冶铁技术的产生与发展和铁器的使用大大提高了我国古代的社会生产力，推动了社会由奴隶制向封建制度转化的过程。古代中原地区的冶铁业在全国占有重要地位，是研究中国古代冶铁史不可或缺的一部分，具有相当重大的意义。河南省郑州市古荥镇冶铁遗址是我国汉代主要的金属冶铸场所之一，代表了当时钢铁冶铸技术的最高水平。本文以古荥冶铁遗址的考古遗存为例，对西汉中原地区钢铁冶铸技术的发展进行分析和总结。

1 西汉时期的冶铁制度

自春秋时期以来，冶铁业作为一项重要的手工业，便十分受统治者们重视。管仲开创了一系列对盐铁的管控措施，可以称为“盐铁官营”的开山鼻祖;商鞅在秦设“盐铁市官及长丞”，从而对盐铁市场进行管理;秦汉时期，对盐铁的管制更加完善和系统化，形成了自上而下分级的管理体系。

《史书·平准书》载：“山海，天地之藏也，皆宜属少府，陛下不私，以属大农佐赋……敢私铸铁器煮盐者，釱左趾，没入其器物。郡不出铁者，置小铁官，便属在所县。”由于措施得当，在最初几年盐铁官营取得了较为良好的效果，但随着形势的变化，这些措施无法进一步满足统治者的需求，甚至形成了吏治混乱的现象。最终，在元封元年（前110），汉武帝任命“桑弘羊为治粟都尉，领大农，尽代仅莞天下盐铁”，桑弘羊整顿了朝廷的财政措施，并逐步建立起了从上至下的盐铁官营的综合管理系统。

就冶铁业而言，全国的最高机构为少府和武库，属中央一级主管单位。在地方的行政机构中，也分郡县设盐铁市官及长丞，分管铁矿的开采、冶炼和铁器的铸造。秦汉时期不仅在中央设置分工详细的主管部门及官吏，在各级郡县中，责任也明确到人，施行“物勒工名”，形成了“造者—主造者—监造者”的三级监造制度。①

据《汉书·地理志》记载，西汉时期在全国各郡县置铁官约48处。通过考古发掘，我们可以发现，在距矿石资源较近的冶铁遗址中，通常兼有冶炼、铸造和铁器加工的痕迹，而在铁矿石资源不甚丰富但经济较为发达的地区，则出土有铸造和进一步加工的遗迹。这种区域间的分工与合作，表明至少在西汉时期我国已形成了较为系统且完备的全国性冶铁工业管理组织。

2 西汉时期的主要冶铁技术

在春秋时期我国人工冶铁发展的初级阶段，普遍采用的技术是块炼铁法和生铁法。②在战国到西汉时期还流行铸铁退火的工艺，除此之外，还有淬火、生铁淋口等。

2.1 块炼铁法与生铁法

块炼铁的主要原料为铁矿石和木炭，木炭燃烧生成一氧化碳，在高温条件下促使铁矿石进行还原反应，使铁矿石中的氧化铁还原成金属铁。③但因为木炭燃烧无法达到反应发生的最佳温度，导致化学反应速率不甚理想，生成较多杂质，所以产品质量与产量皆较低，再加上产品取出时需要对炉体进行破坏（俗称“扒炉”），进一步增加了生产的人工成本。

块炼铁和生铁的主要原料及冶炼所需燃料大体相同，主要的区别在于冶炼时温度的高低不同。从产出来看，块炼铁所得产品含碳量较低，但结构疏松，大量氧化铁和氧化亚铁—硅酸盐的共晶夹杂于其结构孔隙之中。生铁的含碳量则较高，达到2%以上，是一种性脆而硬的铁碳合金，即俗称的“白口铁”。

2.2 铸铁退火

生铁因其硬而耐磨的特性，很早就被用于生产工具的制造，但生铁性脆，不耐磕碰，所以人们在生产生活中总结了使生铁柔化的方法，促进了铸铁退火技术的产生。铸铁退火技术即将铸铁件加热至特定温度并进行保温，使渗碳体缓慢分解，逐渐脱碳或石墨化，进而获得一定的韧性。这是中国古代冶铁技术发展的里程碑式成就。自战国早期该技术发明以来，直至汉魏乃至唐代，铸铁退火技术都是冶铁作坊的主要生产方式之一，得到了普遍的应用。

3 古荥镇冶铁遗址概况

古荥镇位于汉代荥阳城旧址上，地处郑州西北20多千米处，北依邝山，山北临黄河。冶铁遗址在汉荥阳城西墙外，是一处西汉中晚期到东汉时期的遗址。经初步勘探与发掘，该遗址东西宽300米，南北长400米，面积达12万平方米。①

公元前119年，出于政治和经济目的，汉武帝实行“盐铁官营”制度，在各郡出铁之县设铁官进行开采、冶炼和铸造。河南郡铁官所辖的第一冶铁作坊，简称“河一”，即今古荥镇冶铁遗址，距今已有2000余年的历史。遗址内的主要遗迹为两座炼铁炉炉基及炉基周围所出大积铁块、原料堆、炉渣堆积区与其他炼铁有关设施及功能区等。

4 遗址内主要遗迹及相关问题

笔者拟对古荥冶铁遗址的重要遗迹遗物及相关问题进行分类描述与分析，并尝试对汉代中原地区冶铁工业的发展情况做出初步的复原与探究。

4.1 炼铁炉炉基

两座炼铁炉在遗址内东西并列，相隔14.5米，深3米。其中一号炉基南北长4米，东西宽2.7米，北壁厚1米，东壁残厚0.45米;二号炉基南北长9.2米，北宽2.6米，南宽3.75米。两座炉基下部都与炉前操作面相连，平面呈“凸”字形，其炉缸创造性地建造成椭圆形，这与汉代冶铁技术的发展是密不可分的。

自春秋后半叶冶铁技术传入中原以来，炼铁炉普遍采用圆形的形制。随着铁器需求量的不断提高和炼铁技术的不断发展，人们对炼铁和鼓风设施的原理有了进一步的认识，对原有的圆形炼炉做了改进。古荥冶铁遗址的炼炉都是夯筑的高炉，外形呈馒头状，炉腔的断截面广泛改为椭圆形，为是在当时的鼓风设备能力的条件下增加炼炉容积的新炉形。②冶铁高炉横截面的变化，标志着我国筑炉及冶炼史上的重大技术进步。这种椭圆形高炉的出现，克服了炉心温度达不到要求的弊端，说明汉代冶铁工匠对鼓风与炉径的相互关系已经有了深入的认识，在我国冶金史上具有重要意义。

古荥冶铁遗址内的高炉还普遍采用耐火材料。耐火材料在汉代已经被广泛应用于冶铁技术中，多使用黏土质耐火泥或成型的耐火砖砌筑炉壁，并进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。耐火材料的使用与进一步改进，为冶炼高炉的建造尤其是冶炼温度的提高提供了技术基础。

4.2 矿石的来源及加工处理

据《山海经·中山经》记载：“少室之山……其下多铁”“大騩之山其阴多铁”“役山多铁”“后山上多白金多铁”。③经考证，少室山地处今河南省登封市境内，大騩山约在今荥阳、密县之间，役山、后山位于今郑州西。这些地方均位于古荥镇附近，且根据调查至今仍有含铝量较高的褐铁矿，其成分与遗址内发现的一些矿石相一致，由此可以推断，古荥冶铁遗址的矿石来源于荥阳、上街一带矿山。

在古荥冶铁遗址的生产流程中发现有矿石处理环节，这在一定程度上表明了当时人们对冶铁技术的进一步认知。矿石的体积过大会影响其熔化及还原速率与程度，而过小过细的粉末则会堵塞炉内料层和炉腔。因此，对开采出来的矿石进行筛选或粉碎，以得到颗粒均匀的冶炼原料是必要且必需的。出土的矿石遗迹有块状和粉末状两种形态，矿粉做遗弃处理，块状矿石直径为2～12厘米，大多长6厘米，这种规格的矿石适宜于入炉冶炼，说明当时的人们已经对矿石的冶炼有一定的经验。

4.3 燃料的种类

根据出土遗迹和遗物的成分分析判断，木炭仍是当时古荥冶铁遗址主要的燃料来源之一。但在65号陶窑火池内也发现有许多饼状燃料块，其中包含有类似于煤炭的物质。古荥冶铁遗址煤饼的发现说明我国最晚到西汉时期就已经使用煤炭作为冶铁的能源之一，但从发现的饼状燃料块的数量上来看，远远不足以支持整个冶铁遗址生产的需要，所以整个冶铁遗址的燃料来源应该还是主要依赖于木炭，煤饼只是作为一种助燃剂或辅助性原料存在。

4.4 炉渣及炉内积铁

炉渣是冶炼产物之一，其中携带的冶炼反应信息被永久封闭。对古矿渣的检测与分析是研究和揭示古代冶炼技术、工艺类型等方面的重要技术手段。①古荥汉代冶铁遗址炉渣有很多呈玻璃质，经取样化验分析，配料中曾加入适量的石灰石做碱性助熔剂②，这样能够促进炉渣的熔化和流动，促进铁水和炉渣分离并顺利流出炉外。石灰石助熔技术在汉代已经广泛应用于炼铁工业的生产，并在一定程度上起到了脱硫的效果，这说明当时的造渣经验已较为丰富。能够使渣铁分流，从而生产出质量较高的生铁产品，是汉代冶铁技术标志性的进步之一。

古荥冶铁遗址中还出土有九个大积铁块，它们多分布于炉前坑附近。积铁块在炉内所处的位置不同，其成分和包含物也会有相应的变化，总体来说积铁块由上至下含碳量逐步增高，这表明炉内温度自上而下是逐渐升高的，上部的还原铁在下降过程中逐步渗碳，变为含碳量较高的生铁。根据这些积铁块不同的分布位置和成分差异，我们可以大致推断出炼炉的尺寸。

4.5 鼓风设施

古荥镇汉代冶铁遗址中出土了大批量的直筒或弯头的陶质鼓风管，两端粗细不一，内外都装饰有绳纹，可以套接使用。外层糊有一层或多层草拌泥，起隔绝高温的作用。关于古荥冶铁遗址的鼓风方式学术界也有不同的声音，以李京华先生为代表的一些人认为是采用机械鼓风的方式，但有学者通过实验发现这个假设并不可行，故而提出了采用多人操作的皮橐鼓风方式的观点。对古荥冶铁遗址而言，皮橐鼓风具有机械鼓风不可比拟的优势，它占地面积较小且操作灵活，并且可充分释放皮橐内的气体。在劳动力较为充裕的情况下，可通过多人操作或轮流操作等方式降低个人的劳动强度。③到东汉时期，南阳太守杜诗发明水排鼓风装置，是鼓风技术的又一大显著进步。

4.6 其他相关设施

除上述冶铁装置和设施外，在古荥冶铁遗址发掘中还出土了一些相关的配套设施，如水井、水池、四角柱坑、船型坑、烘范窑等，从地层关系上看属于同一时期，与冶炼炉应有直接关系。

5 结语

自汉代起，我国正式迈入了“铁器时代”，继而迎来了一个又一个盛世，这其中，冶铁技术是不容小觑的存在。古荥冶铁遗址采用了当时先进的椭圆形炼炉，从而达到增加炼炉容积的目的，同时在炉内使用耐火材料来延长炼炉的使用寿命;选择合适大小的矿石，从而增加矿石的转化率和利用率;使用煤饼作为木炭的助燃剂，增加燃料的利用效率;在冶炼过程中加入石灰石作为助熔剂，增加铁水的流动性并客观地达到脱硫的效果;使用先进的皮橐鼓风来增加鼓风量和鼓风效率，從而提高炉温。总而言之，在前代的基础上，汉代的冶铸技术得到了进一步的创新与发展，形成了一整套从矿石采取、筛选、冶炼、铸造到后期加工等较为完备的工艺技术，这标志着我国古代的冶铁和铸造技术已经达到了较高水平。汉代铁器工业的发展依赖于冶铁技术的发展，而其自身的发展又促进了冶铸技术的提高，二者互相作用，同时又促进了社会政治经济的繁荣。