灌钢

中国早期炼钢技术

灌钢又叫团钢法，或生熟法，是中国早期炼钢技术一项最突出的成就。17 世纪以前，世界各国一般都是采取熟铁低温冶炼的办法，钢铁不能熔化，铁和渣不易分离，碳不能迅速渗入。中国发明的灌钢法，成功解决这一难题，为世界冶炼技术的发展做出划时代贡献。

简介

灌钢工艺是我国古代刃钢生产的主要方法。它以生铁（一种含碳量较高[2.11%以上]的炒炼产品）和“熟铁”（一种含碳量较低[0.02%以上]的炒炼产品）为原料，将它们加热到生铁熔点以上，合炼而成钢。

其中生铁是指由矿石冶炼得到的液态铸铁，含碳量和杂质很高，性脆易碎；熟铁是指将生铁经过“炒”或“蒸”等工艺而脱碳后的铁，柔软可锻，虽然碳量降下来了，但氧化夹杂等并未减少，故需要经过反复加热锻打，以去除夹杂物，同时渗碳而增强刚硬性，成为钢。灌钢工艺是将高碳含量的生铁液浇灌到红热的低碳含量的熟铁（现代钢铁技术中所谓的低碳钢或纯铁）中，相互熔融混合，直接获得刚硬的钢（现代钢铁技术中所谓的高碳钢）。

历史沿革

中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；灌襞已数，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”原指衣服上的褶裥，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，上海科技出版社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，镤（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，灌钢在中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：“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者”。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《图经本草》云：“以生柔相杂和，用以作刀剑锋刃者为钢铁。”灌钢在中国一直沿用到明清，本世纪三十年代还在四川等地流行。

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，灌钢是中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，对中国古代社会生产的发展起到了重要的作用。

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：⑴使铁料各部分均匀受热，让生铁缓慢熔化。⑵防止生铁熔化后的流失，使之更好地与柔铁作用。⑶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：⑴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。⑵不需封泥，而是上盖破草履，下涂泥，简化了操作。⑶“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，湖南湘潭等地都较兴盛，因传为江苏工匠始创，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：“居于廛治钢业者数十家，每日须工作不啻数百人。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年间从芜湖传去的。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：⑴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。⑵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。重庆北碚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。

工艺原理

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.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。

总结

灌钢是中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。

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