古代炼铁炉构造图

 　　古代炼铁炉构造图

　　古代的冶炼过程大致可分为四个阶段：一、造炉，二、选矿，三、熔练，四、锻造。由于人类在不同的历史时期所掌握的技术有巨大差异，不同地理位置能够获得的原材料也千差万别，熔炼规模也有小有大，此外，对于制品的性能要求也不尽相同，因此这四个阶段的工艺无法一概而论。下文主要描述一种最原始的小规模冶炼工艺，这种工艺在许多不同的人类文明遗址的考古中均有发现。正是这种工艺的出现，使人类进入了铁器时代。


　　一、造炉

　　熔炉就是粘土制成的中空圆柱，根据熔炼的规模和地方习惯决定其大小的形状。通常底部有侧门，并附有鼓风装置。燃料则是木碳，那我们先说从木碳说起。

　　炼铁所需的温度很高，所以要选用热量较高的木料来制炭。首先在地上挖一个很大的浅坑，将收集来的大量木块堆入沙坑，点火，等所有的木块都被引燃后盖上松土，让木块在缺少氧气的环境中闷烧，以去除水分并分解有机质。当碳堆自然熄灭，把土扒开，就得到了一批高品质的木炭。闷烧的时间由木料多少决定，往往需要几天时间。

　　熔炉使用粘土条堆砌：选择纯净的粘土，用筛去除小石，再用水长时间浸泡，打浆成泥，混入碎草，反复捶打揉搓直至均匀，然后搓成细条备用。粘土的纯净度和浸水是否完全保证熔炼过程中炉壁各处受热均匀，而揉入碎草则使得炉壁在烧制过程中形成微孔(碳被烧尽)，具有抗缩胀的性能。这些都是为了避免炉壁开裂和崩塌，所以筛选、浸泡、揉打的过程非常关键。

　　接下来制炉坯：选一块块平整的地面，规划好各种原材料的堆放位置，然后在熔炉位置处挖一个圆形浅坑，并打实基础。然后用之前制造的泥条一圈一圈的围出炉壁外形，并将内外壁都仔细抹光，不留缝隙。底部侧面开一个口，用于鼓风和出渣，这样就制成了炉坯。将炉坯在阳光下晾干后，在里面填充木碳，点燃烧结，就像制陶的过程一样，可以烧成坚硬的炉壁。在烧结过程中如果发现有裂开要及时修补。烧结后，将碳灰取出，这样熔炉就制成了。

　　熔炉形状千奇百怪，这是其中一种直桶形的

　　然后要制备鼓风设备，这套器具则可以说是五花八门各式各样了。当然炼铁所用的风箱和农家的灶具还是有些区别，但原理都是一样的：有一个进气活门和一个出气口，通过往复运动使空间加压后从出气口排出，多用兽皮、木料和绳索制成，这里就不展开细说了。

　　二、选矿

　　铁在大自然中不以单质存在，主要是赤铁矿或磁铁矿。赤铁矿的主要成分是Fe2O3，含铁40% ~ 60%，磁铁矿主要成分是Fe3O4，含铁50% ~ 70%。显然，含铁量越高的矿石越容易练出高质量的铁，所以精选矿石的过程直接决定了炼铁的成败。古代经验丰富的熔炼师可以用肉眼区分矿的品位(含铁量)，他们有时也会利用一些工具，比如磁石。熔炼主要的任务，就是把铁从铁的氧化物和其它杂质中提取出来。

　　古人没有什么大型机械可用，所以要破碎大量的整块矿石是一件比较麻烦的事，因此他们更愿意去寻找含铁量高的沙砾。不管怎样，在最终进炉之前，一直要破碎研磨成很细小的颗粒，并进行多遍筛选，这样可以保证熔炼的效率和成品的质量。

　　除了矿石，还有一个非常重要的辅料，就是作为助熔剂的灰石(注意，是灰石而不是石灰)。灰石是一种常见的矿物，其主要成分是碳酸钙(CaCO3)，在高温下会分解为石灰和二氧化碳。石灰即氧化钙(CaO)，可以和矿石中的碳、硅、磷等杂质反应生成钙盐，并形成炉渣。

　　在进炉熔炼之前，矿石粉和灰石粉要按照一个经验比例(比如2:1)进行混合，成为原料粉。

　　三、熔炼

　　将鼓风设备通过耐热的陶管连接到熔炉侧门的上部，然后用粘土将整个侧门封死，仅使得鼓风的气流可以进入。接下来用木炭从熔炉的顶部开始装填，直到填满。然后点火并开始鼓风，等炉温达到一定程度就可以开始熔炼了。

　　熔练的过程可能会长达数小时乃至数天，而鼓风的工作是一刻不能停歇，所以需要一组工人轮流进行。另一组工人则往炉顶添加原料粉和木碳，每当炉内的木炭烧尽，上层木炭下落，工人就在顶部添加一层新炭，并铺一层原料粉。这个过程一直重复到熔炼完成。

　　此时，在炉内正发生复杂的化学反应：

　　CaCO3->CaO+CO2，灰石受热分解为石灰和二氧化碳;

　　CaO+3C->CaC2+CO，石灰和碳反应生成电石和一氧化碳;

　　Fe2O3+3CO->2Fe+3CO2，氧化铁在高温下被一氧化碳还原为铁，放出二氧化碳;

　　2Fe2O3+3C->4Fe+3CO2，氧化铁在高温下被碳还原为铁，放出二氧化碳;

　　CaO+SiO2->CaSiO3，石灰和杂质二氧化硅反应生成偏硅酸钙;

　　3CaO+P2O5->Ca3(PO4)2，石灰和杂质磷的氧化物反应生成磷酸钙;

　　助熔剂和碳共同作用，不仅将氧化铁还原成了铁，并与杂质形成可分离的钙盐。熔炼一段时间后，熔点较低的一些金属和杂质就会以矿渣的形式(像熔岩一样)从流至炉底，在底部打开一个小口可让矿渣流出。而熔点较高无法熔化的铁则被软化，凝结成块状，留在了熔炉中下部。

　　逐渐的，当铁块和炭灰越积越多，这个熔炉的熔炼过程就要结束了。人们迅速打破熔炉，扒开不能熔化的矿渣和炭灰，就取得了白热的海棉状粗炼铁块。

　　四、锻造

　　白热的海棉铁块刚取出时还比较软，可以用凿和锤切分成块，块的大小依据准备打制的器具大小决定 。接下来一小块铁就被移入打铁间进行锻造了。

　　在远古时期人们可以使用石锤

　　锻台旁边是由风箱驱动，燃烧木碳的火炉。铁块在炉内被烧至白热(这一过程称为“炼”)，然后趁热打铁，放于锻台上锤打成条或着片，然后在中间凿出凹痕，对折后再烧至白热，锤打成条或片。如此反复，就像揉面一样，在这个过程中，铁块的里里外外都被充分暴露在空气中，不能被烧软的杂质就在每一次锤打时和铁块的氧化物一起凝固在表面并剥落，碳等能被氧化为气体的杂质也在高温中逸散。

　　经过千锤百炼，大量杂质和碳就被从粗铁块中去除了，成为了比较纯净的铁块，并且因为反复拉伸和折叠，使得铁块具有了更好的性能。随着技术进度，炼出来的铁块纯度越来越高，含碳量也逐渐降低，这又导致铁器比较软也不耐磨。为了进一步增强铁的机械性能，在更晚些发展出来的“渗碳”工艺就是在高温条件下增加铁器表面的含碳量，从而增加硬度。

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中国古代服饰史[M].北京： 中央编译出版 社，2001:381. [4]佚名.大明会典 ·卷五十七 （万历重修本） [M].北京： 中华书局， 1989. [5]中央研究院历史语言研究所.明实录 2·明太祖... ---摘自《明代官袍标本“侧耳” 结构的复原与分析》

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