PDF《从文献记载看我国古代焦炭炼铁》

《中国科技史杂志》 第35 卷第1期(

2014 年) :

41 ~

48 The Chinese Journal for the History of Science and Technology Vol.

35 No. 1( 2014) 从文献记载看我国古代焦炭炼铁 刘培峰 李延祥 潜伟(北京科技大学 冶金与材料史研究所, 北京 100080) 摘要前人对焦炭炼铁的研究大都从字面意思推测, 缺乏具体、 深入的分 析和考证, 更缺乏对这项技术的发展和普遍应用方面的研究.本文通过对技术 的辨析和文献考证, 认为现有文献不能证明我国在明代就已经使用焦炭炼铁, 清 初的焦炭炼铁是以坩埚炼铁技术实现的, 在清末民国时期我国的传统炼铁技术 中并未普遍使用焦炭炼铁. 关键词 古代焦炭炼铁 竖炉炼铁 坩埚炼铁 中图分类号 N092∶ TF-092 文献标识码 A 文章编号 1673-1441( 2014) 01-0041-08 收稿日期: 2013-12-10;

修回日期: 2014-01-01 作者简介: 刘培峰,

1978 年生, 山西代县人, 北京科技大学冶金与材料史研究所博士生, 主要从事中国古代冶 金史研究;

李延祥,

1962 年生, 辽宁铁岭人, 博士, 北京科技大学冶金与材料史研究所教授, 主要从事冶金史与 冶金考古研究;

潜伟,

1972 年生, 江西赣州人, 博士, 北京科技大学冶金与材料史研究所教授, 研究方向为科学 技术史. 目前所见文献中最早记载古代焦炭炼铁的文章是发表于

1956 年的 《中国古代人民使 用煤炭历史的研究》 一文, 文中认为古代使用焦炭冶铁的记载只有 明李诩《戒庵漫笔》 称:'

北京诸山多石炭, 俗称水火炭, 可和水而烧之也.……或炼焦炭备冶铸之用'

[1 ] .

1978 年出版的 《中国冶金简史》 转引了这段文献, 并增加了《物理小识》 中的记载: …… 煤则各处产之, 臭者烧熔而闭之成石, 再凿而入炉曰礁, 可五日不绝火, 煎矿煮石, 殊为省 力 , 并得出明代已用焦炭作为冶铁燃料的结论 [2 ] .随后的冶金史著作多以这两个文献 为依据, 沿用我国在明代用焦炭炼铁之说.2009 年出版的《中国古代金属冶炼和加工工 程技术史》 中有 我国古代炼焦技术约发明于宋金时期, 但有关炼焦和用焦炼铁的记载却 是到了明末清初才看到的 , 所引文献除了 《物理小识》 外, 还注意到了上文 《戒庵漫笔》 中煤 炼焦炭备冶铸之用 的语句实际上出自 《磁州志》 , 且言明 《磁州志》 年代待查 [3 ] . 我们以为前人对焦炭炼铁的研究大都从字面意思推测, 缺乏具体、 深入的分析和考 证, 更缺乏对这项技术的发展和普遍应用方面的研究.本文在技术分析的基础上对以上 文献进行考证, 并通过文献记载归纳和分析焦炭炼铁在古代的发展和应用.

1 概念辨析 首先, 焦炭一般是指焦煤在隔绝空气的高温条件下经过干燥、 热解、 熔融、 粘结、 固化、 中国科技史杂志35 卷 收缩等复杂的物理化学过程而获得的固体炭质材料 [4 ] .在研究古代炼焦技术的时候, 部 分学者根据字面的意思来进行推断.如《试论中国古代炼焦技术的发明与起源》 一文根 据 《明实录》 中记载自景泰七年(

1456 年) 采办 引火木炭、 煤炭……魈 , 认为 魈 与 煤炭、 木炭并列, 既不是煤炭, 又非木炭, 当然是焦炭, 说明在

15 世纪中叶, 炼焦技术已经 成熟 [5 ] .实际上, 古文献中的焦炭不一定就是现代意义上的焦炭, 在笔者调查过的山西 部分产煤、 炼铁地区往往把烧过的块煤叫做 焦炭 .还有学者根据成书于南宋时期的文 献 《儒门事亲》 中 铁碳 一词, 认为该词就是指炼焦煤, 进而肯定宋代已经认识到炼焦煤 的特点 , 把炼焦煤烧炼成符合冶铁需要的焦炭 [6 ] .然而 , 铁碳 一词在古文献中的真 实含义还有待考证, 如在 《天工开物》 中记载 : 碎煤有两种, 多生吴、 楚.炎高者曰饭炭, 用以炊烹;

炎平者曰铁炭, 用以冶锻 [7 ] .有学者认为文中的 铁碳 是指无烟煤 [8 ] .笔者 在调查中也发现山西民间有称无烟煤为 铁碳 的习惯. 其次 , 焦炭炼铁 这一概念是以焦炭为燃料炼铁而提出的, 源于现代高炉炼铁, 但作 为燃料的焦炭在高炉中主要起四种作用: 发热剂、 还原剂、 渗碳剂和料柱骨架作用.这四 种作用放在古代竖炉中同样适用, 然而在其他炼铁方法中就不同了.比如坩埚炼铁技术, 由于采用的是外热法, 坩埚内的炉料和坩埚外的燃料并不接触, 这样就把竖炉中的四种作 用分开了, 坩埚外的燃料起发热剂的作用, 坩埚内的炭做了还原剂和渗碳剂, 这种内外之 分消除了炼铁过程中燃料的料柱骨架作用.从另一个角度来说, 坩埚炼铁所使用的燃料 与竖炉中燃料的作用有较大差别. 最后, 从竖炉冶炼的角度来说, 冶炼可以使用混合燃料, 如现在的高炉是以焦炭为主 要燃料, 在冶炼的过程中可以从风口喷吹煤粉作为辅助燃料, 焦炭在其中是主要燃料, 而 煤只是辅助燃料, 所以是焦炭炼铁, 而不是煤炼铁.从这一点出发, 焦炭炼铁必须是以焦 炭为主要燃料, 在以别的燃料为主进行冶铸的过程中添加部分焦炭不能称为焦炭炼铁. 也就是说, 焦炭在其中不仅是一个量的问题, 还需要达到定性的程度.

2 磁州焦炭炼铁文献考证 《戒庵漫笔》 ( 又称 《戒庵老人漫笔》 ) 是明代李诩历经明正德、 嘉靖、 隆庆和万历四个 朝代积久成篇 [9 ] .清顺治五年(

1648 年) 李成之世德堂刻本卷

5 中有 辨水火炭 : 北京诸处……可和而烧也. [10 ] 即北京用 水和炭 当燃料来烧, 并不涉及后面关于焦炭的内容.那么《戒庵漫笔》 是 怎样与焦炭联系在一起的? 这需要从《畿辅通志》 说起 .《畿辅通志》 是清代官修的省级 地方志, 共有

3 部, 分别成书于清康熙、 雍正、 光绪年间.康熙年间的《畿辅通志》 因编撰 仓促而体例失当、 内容不确, 而且把 《物产》 附在了 《风俗》 门内 [11 ] .书中所记《物产》 货属 的十样物品中既没有煤炭也没有铁 [12 ] .雍正年间的 《畿辅通志》 中土产部分中有: 石炭 : 《戒庵漫笔》 , 北京诸处多出石炭, 俗称为水和炭, 可和水而烧也 .《磁州 志》 , ……或炼为焦炭, 备冶铸之用. [13 ] 可见, 雍正 《畿辅通志》 在介绍当地的石炭时前后引用了《戒庵漫笔》 和《磁州志》 , 而 与焦炭有关的内容出自 《磁州志》 .

2 4

1 期 刘培峰等: 从文献记载看我国古代焦炭炼铁 明清时期修成多部 《磁州志 》 , 《畿辅通志》 到底引用了哪一部? 这决定了关于焦炭用 于冶铸记载的年代问题.现今最早的明嘉靖 《磁州志》 记录非常简单, 在 《土产・货类》 中 仅有 石炭 两字, 没有具体说明 [14 ] .明万历年间的《重修磁州志・土产部》 没有石炭的 任何记载 [15 ] .康熙 《磁州志・风土部下》 有: 煤炭: 出州之西山一带, ……或炼为焦炭, 以备冶铸之用. [16 ] 综上所述, 雍正年间的 《畿辅通志》 引用了明代的《戒庵漫笔》 和清康熙年间的《磁州 志》 , 因两则引文前后相连而被后代学者认为明代就有焦炭用于冶铸的记载. 用于冶铸 的焦炭并不一定做主要燃料, 康熙年间 《磁州志》 中的记载可以理解为以 焦炭为主要燃料冶铸, 也可认为焦炭只是一种辅助燃料, 即该记载并不能确定康熙年间磁 州实现了 焦炭炼铁 .而且 , 冶铸 包括的范围较大, 并不是特指冶铁.所以说, 该条记 载并不能充分证明我国在明代实现了焦炭炼铁, 即使放在清初也说不通.

3 博山焦炭炼铁文献考证 博山, 原为青州府颜神镇, 清雍正十二年(

1734 年) 始称博山县.多部有关博山的方 志中有关于焦炭炼铁的记载需要辨析. 现知另一条证明明代就用焦炭炼铁的文献来自明末方以智《物理小识》 [17 ] .该书第

7 卷中除了有上文所述焦炭 煎矿煮石 ( [ 17] ,

29 页) 的记载外, 还记载有: 今山东益都颜神镇烧琉璃, 采诸石以礁化之, 即臭煤也.慢礁三日不熄, 紧礁五 日不熄, 煮石为浆重滤而凝即玻璃也.( [ 17] ,

20 页) 前后比对可以发现, 文字和内容上有很大的相似性.所以, 前文所说的 煎矿煮石 是炼玻璃的可能性更大一些, 不一定是炼铁. 清康熙初年成书的 《颜神镇志》 中记载: 煤则凿石为井, 有至

二、 三百尺深者, 炼而为焦, 以供诸冶之用. [18 ] 这里所说的诸冶并不一定是指炼铁, 因为在当地炼玻璃也称为 冶 , 如《颜山杂记》 中解释当地街名 西冶 时有 西冶, 言琉璃之炉冶也, 其民多业琉璃 [19 ] , 所以, 这里的 冶 可能还是指炼玻璃, 也可能指炼铁, 或二者皆有, 并不能确认为炼铁. 明确地提到用焦炭炼铁的文献是清乾隆 《博山县志》 : 康熙二年, 孙文定公召山右人至此, 乃得熔铸之法.凿山取石, 其精良者为O石, 次为硬石.击而碎之, 和以煤, 盛以筒, 置方垆中, 周以礁火.初犹未为铁也.复击之 碎之, 易其筒与垆, 加大火.每石一石得铁二斗, 为生铁. [20 ] 康熙三年(

1664 年) 成书的 《颜山杂记》 中对 礁 字做了很好的解释: 或谓之煤, 或谓之炭, 块者谓之{, 或谓之砟, 散无力也;

炼而坚之谓之礁, 顽于 石, 重于金铁, 绿焰而辛酷, 不可k也, 以为矾, 谓之铜碛, 故礁出于炭而烈于炭, 碛弃 于炭而宝于炭也.( [ 19] , 卷4,

2 页) 可见, 坩埚内的炉料与坩埚外的燃料不接触, 发热剂与还原剂、 渗碳剂分开.因不存 在料柱支撑所决定的透气性问题, 使这种技术更容易实现以焦炭为燃料炼铁. 总之, 从目前掌握的文献记载来看, 是清初博山的坩埚炼铁法真正实现了以焦炭为燃

3 4 中国科技史杂志35 卷 料炼铁.

4 清末民国时期的焦炭炼铁 焦炭炼铁在传统炼铁法中的普遍使用说明了这项技术在社会经济中的作用.由于资 料的缺乏, 以往学者在介绍古代某一时期冶炼技术时主要采用举例论证, 然而, 个例的代 表性是非常有限的.要反映使用情况最好的证明方法应该是统计.在焦炭炼铁方面, 清 末民国时期的相关著作为这种论证提供了很好的资料来源. 丁格兰( F. R. Tegengren) 在民国初年写成的 《中国铁矿志》 [21 ] 吸收了清末民初国内外 众多学者的调查报告, 较为系统地总结了当时国内的冶铁业, 对了解那时全国的整体情况 提供了参考.书中介绍了当时国内

16 个省的传统冶铁业, 并或详或略地描述了其中

9 个 省的

15 种炼铁技术( 表1) .从炉型来看这

15 种炼铁技术中有两种属于坩埚炼铁技术体 系, 其余

13 种都属于竖炉体系;

从燃料的角度来看, 有9种采用木炭,

4 种用焦炭, 一种用 煤炭①.如果抛开坩埚体系的话, 在竖炉炼铁技术体系中, 有3种是以焦炭为燃料的.在3种以焦炭为燃料的竖炉炼铁中,

2 种在云南,

1 种在湖南.以上统计并不是很全面, 但也 在一定程度上反映了焦炭炼铁在清末民初并不是很普遍的情况. 表1《中国铁矿志》 中所记清末民国年间传统炼铁技术 编号 地名 内容 炉型 燃料

1 辽宁( 本溪) 以焦炭为燃料而不同木材或木炭, 又用坩埚炼生铁, 与山西同. ( [ 21] ,

221 页) 坩埚炉 焦炭

2 山西( 晋城等地) 方炉者即长方形之意, 就平地筑之, 三面围以四尺余高之砖墙.一面 墙底有小孔, 通于墙后, 与风箱相接.炼时先将矿石捶为小块, 与黑 土相和装入坩土制成之长圆筒内.筒长二尺, 筒径六寸.盛满后, 堆 置于方炉内.每炉置六十四筒, 分二层, 下铺煤炭, 上盖旧筒, 使易透 空气.即燃火其中.墙后有二人鼓风箱以送风力.经一昼夜即炼 成.( [ 21] ,

225 ~

226 页) 坩埚炉 煤炭

3 河南( 信阳、 光山、 商城一带) 砂铁经水冲洗……木炭以附近山上之杉木烧之……炼铁炉高约二公 尺半, 宽约一公尺, 以耐火砖为之.背有一孔以通风.前有一孔以出 铁及渣……炉内先置木炭燃之, 然后以次加矿.( [ 21] ,

231 页) 竖炉 木炭

4 湖北( 黄安、 应山) 以砂矿炼铁与河南同( [ 21] ,

232 页) 竖炉 木炭

5 浙江 ( 松阳、 遂昌 等地) 炼炉为粘土所制, 高约七尺, 上大下小, 上径约三尺, 下底径约一尺六 七寸.外用铁皮纵横围绕.近底前后二孔、 前孔为铁液流出之处, 后 孔为鼓风之用.燃料仅用木炭.( [ 21] ,

232 页) 竖炉 木炭

6 福建( 德化) 炉为圆筒形, 上层外部直径七尺, 火口处外径四尺, 炉高六尺.…… ( 鼓风 二十四小时) 其后则察炉中之火候或加矿石或加木炭. ( [ 21] ,

233 页) 竖炉 木炭

4 4 ① 表1第7条所引李希霍芬在湖南衡阳所调查的竖炉以煤为燃料, 这种煤可能与第

9 条所述土法所炼不纯之 焦炭是一样的.因为第

7 条中的地名衡阳处于湖南中部, 与第

9 条中地名相符, 而且两处都称为煤炭( 应该 是当地的俗称) , 只是后者解释了这种煤炭的具体性质.这个问题还需要进一步考证.

1 期 刘培峰等: 从文献记载看我国古代焦炭炼铁 续表

1 编号 地名 内容 炉型 燃料

7 湖南( 衡州) 炉以砂岩为之, 高二十尺, 以煤为燃料.( [ 21] ,

234 页) 竖炉 煤8湖南( 中部) 高炉亦名标炉, 形如四角柱, 高十八尺, 上大下小, 四周砌以砖石, 下 部宽十四尺, 上部宽十尺.……燃料分柴炭及煤炭.用柴炭所出之 铁名为柴H……用煤所出者名煤H……然高炉多用, 而煤炭多用于 甑炉……煤炭系土法所炼不纯之焦, 用烟煤者极少.( [ 21] ,

234 页) 竖炉 木炭

9 湖南( 中部) 甑炉……构造以三截连成, 上二截外部为泥, 内部敷以砂泥及最碎之 煤.下截为泥制之锅, 内部亦敷碎煤, 并有一槽为储蓄铁液之用 …….( [ 21] ,

235 页) 竖炉 焦炭

10 贵州( 铜仁) 炉之形式颇似湖南之甑炉……燃料亦用木炭.( [ 21] ,

236 页) 竖炉 木炭

11 贵州( 铜仁) 铸铁以 同式之炉炼之, 但较小, 高六尺, 径三尺, 燃料亦用木炭([21] ,

236 页) 竖炉 木炭

12 四川( 綦江、 大足、 铜梁等县) 炼铁炉在荣经黄泥铺所用者以石为之.但在重庆者则为砖制.炉身 之高各书所举其数不一……炉中加煅烧之矿石及木炭.( [ 21] ,

237 页) 竖炉 木炭

13 云南 炼铁炉内敷以耐火砂土, 近底部有一口出铁与渣……所用木炭品质 极劣, 煅烧未全.( [ 21] , 页) 竖炉 木炭

14 云南( 通海) 炉内装以焦炭及矿与煤, 逐层铺置, 自下发火.( [ 21] ,

241 页) 竖炉 焦炭、 煤15 云南( 平彝) 锻过之矿和以炭屑, 作为圆球, 径约六寸.此项圆球置于炉内, 其间 空隙实以焦炭.( [ 21] ,

241 页) 竖炉 焦炭 从目前的文献来看, 以焦炭为燃料的坩埚炼铁在清末民国年间只见于辽宁本溪地区................