張 明，孫寶言

（1.威海科興鑄造機(jī)械有限公司，山東 威海 264200；2.山西卡耐夫管業(yè)股份有限公司，山西 晉中 030600）

以焦炭為燃料的沖天爐是一種有悠久使用歷史的鑄鐵熔化爐，曾經(jīng)為我國機(jī)械工業(yè)的發(fā)展立下過不朽功勛，我國鑄造工作者對其存在著深厚的感情。筆者受《鑄造設(shè)備與工藝》雜志社委托，特作本文以回顧我國冶鐵術(shù)和沖天爐的歷史。

1 我國冶鐵術(shù)的來源

一般認(rèn)為[1]，世界冶鐵技術(shù)起源于黑海南岸的小亞細(xì)亞（又稱安納托利亞，今屬土耳其），當(dāng)時(shí)居于此地的赫梯（Hittie）人約于公元前2000 年（2000 B.C.）在冶銅中發(fā)明了冶鐵術(shù)，強(qiáng)悍的赫梯人在開疆拓土的同時(shí)，把自己的冶鐵術(shù)擴(kuò)散到了世界各地。按目前已出土的文物，我國新疆地區(qū)在2000 B.C.到1700 B.C.左右即開始使用鐵器，哈密地區(qū)出土的一件鐵器其碳14 測年時(shí)間竟為2100 B.C.我國中原地區(qū)使用鐵器的時(shí)間晚于新疆地區(qū)，目前出土于河南三門峽虢國墓的三件兵器為我國中原地區(qū)最早的鐵器，其碳14 測年時(shí)間約800 B.C.～900 B.C.戰(zhàn)國中晚期鐵器在中原地區(qū)的使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，我國冶鐵術(shù)和使用鐵器，到秦漢時(shí)期已經(jīng)趨于成熟。

將鐵礦石冶煉為生鐵的爐窯即冶鐵爐，因此可以說，我國古代的冶鐵爐源于赫梯人的發(fā)明。圖1按照盧嘉錫總主編的《中國科學(xué)技術(shù)史》中有關(guān)出土鐵器碳14 測年，描繪了我國冶鐵術(shù)的來源和傳播路徑，即赫梯人的冶鐵術(shù)首先很快傳播到了我國新疆地區(qū)，然后傳播到了中原地區(qū)，其傳播路線與此后400 B.C.～100 B.C.左右開通的漢代古絲綢之路大致相符。自赫梯人發(fā)明的冶鐵術(shù)進(jìn)入我國一直到明代以前，中國的冶鐵技術(shù)長期領(lǐng)先于歐洲國家。歐洲國家經(jīng)14 到16 世紀(jì)的文藝復(fù)興、結(jié)束了中世紀(jì)的“黑暗時(shí)代”后，英法等國家迅速崛起，我國的冶鐵技術(shù)開始全面落后于歐洲。

圖1 中國古代冶鐵術(shù)的起源

2 我國使用化鐵爐早于歐洲

毫無異議，沖天爐源于化鐵爐（熔鐵爐），而化鐵爐則源于古代冶煉鐵礦石為生鐵的冶鐵爐。濟(jì)南鑄鍛所日語翻譯宋遵奎曾研究過沖天爐的起源，他認(rèn)為法國冶金學(xué)家Reaumar 于1722 年發(fā)明了沖天爐，但其發(fā)明所涉及的爐徑很小、高徑比約在2～4之間[2]：“在坩堝爐上豎起一圓筒，并在其內(nèi)分層裝入焦炭和生鐵，然后在下部點(diǎn)火，用兩只大風(fēng)箱鼓風(fēng)，從而達(dá)到熔化鐵水的目的。當(dāng)時(shí)用的這種化鐵爐直徑150 mm～230 mm、爐高為400 mm～600 mm.”

我國著名鑄造專家周繼揚(yáng)教授似乎認(rèn)可法國人P.Godinotd 的觀點(diǎn)，即1794 年英國人Wilkison 發(fā)明了沖天爐[3]。值得注意的是，美國《沖天爐手冊》[4]在涉及沖天爐的歷史時(shí)只是說，John Wilkison 的專利日期為1794 年6 月2 日，并說Wilkison 的專利不過是對已經(jīng)在中國使用幾個(gè)世紀(jì)的舊式熔化爐（melting furnace）的改進(jìn)，同時(shí)給出了Wilkison 的專利圖（見圖2）.

圖2 Wilkison 專利圖

按宋遵奎和美國人的有關(guān)描述，Reaumar 和Wilkison 發(fā)明所涉及的爐其實(shí)是化鐵爐（melting furnace），而并非沖天爐（cupola）。如果認(rèn)為爐身較低的化鐵爐也可稱之為沖天爐，則中國人使用“沖天爐”的歷史比歐洲早很多年。

明代科學(xué)家宋應(yīng)星所著的《天工開物》，是世界上第一部關(guān)于農(nóng)業(yè)和手工業(yè)生產(chǎn)的綜合性偉大著作，全書三卷十八篇，其中第八卷“冶鑄”中附有數(shù)幅明代鑄造鐵鐘、千斤、鐵鍋的鑄造圖，每幅均描繪著當(dāng)時(shí)的化鐵爐。圖3 為其中的一幅鑄釜（鍋）圖[5]，可以看出，明代化鐵爐的爐體很小，低于普通人的身高、約1 m 左右，用風(fēng)箱為化鐵爐送風(fēng)。另外，根據(jù)該圖中化鐵爐上標(biāo)注的“鐵水镕內(nèi)”可作合理推測，宋代人將化鐵爐稱作“镕鐵爐”。镕鐵爐即熔鐵爐，也即至今仍被沿用的化鐵爐。順便說明，《天工開物》圖示的數(shù)臺化鐵爐，其金屬爐料為生鐵，屬于化鐵爐、而非以鐵礦石為爐料的冶鐵爐（煉鐵爐）。

圖3 《天工開物》鑄釜圖

《天工開物》一書初刊于1637 年（明崇禎十年），不管是法國人Reaumar1722 年、還是英國人Wilkison1794 年發(fā)明的化鐵爐，時(shí)間均晚于該書中所載的化鐵爐。因此可不容爭辯地稱：我國使用化鐵爐的時(shí)間早于歐洲。特別遺憾的是，目前國內(nèi)已知的出版物，均持沖天爐起源于歐洲的觀點(diǎn)。江西省機(jī)械科學(xué)研究所的譚岳云曾在2000 年發(fā)現(xiàn)了該問題，但也很遺憾，他仍認(rèn)可宋遵奎的觀點(diǎn)：即法國人Reaumar 于1722 年發(fā)明了沖天爐[6]。

國內(nèi)出版物之所以普遍認(rèn)可沖天爐起源于歐洲，筆者認(rèn)為其原因不過是有關(guān)作者未仔細(xì)研究中國化鐵爐的歷史，未仔細(xì)分辨歐洲發(fā)明的到底是什么東西，同時(shí)未注意cupola furnace 和melting furnace 兩個(gè)詞語的區(qū)別，盲從了歐洲人的觀點(diǎn)。

按照《中國科學(xué)技術(shù)史》[7]，焦炭在明代曾被一些人稱為礁或石礁，我國最晚在明代已經(jīng)開始用焦炭煉鐵；而英國人達(dá)比（Abraham Darby，1676-1717）1709 年用焦炭煉鐵，比中國約晚300 年；美國人1765 年開始用焦炭煉鐵。另外，中國冶鐵爐最晚在戰(zhàn)國時(shí)期即開始用皮囊鼓風(fēng)，至遲東漢時(shí)期已用水排即水力鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)，北宋發(fā)明木扇，宋代發(fā)明風(fēng)箱，而歐洲的煉鐵爐大概直到12 世紀(jì)才使用水力鼓風(fēng)機(jī)。中國先于歐洲出現(xiàn)焦炭和鼓風(fēng)機(jī)，從化鐵的相關(guān)技術(shù)也可以印證中國出現(xiàn)化鐵爐的時(shí)間早于歐洲國家。

中國的化鐵爐的出現(xiàn)和使用時(shí)間早于歐洲應(yīng)該是不爭的事實(shí)，但據(jù)此仍不能說化鐵爐起源于中國，因?yàn)榛F爐也可能最早出現(xiàn)于中國、歐洲以外的國家或地區(qū)。

3 沖天爐的概念與詞語指代

沖天爐和化鐵爐的含義在今天已經(jīng)有了一定區(qū)別，化鐵爐不一定是指沖天爐。例如，爐身不高甚至不存在爐身的鑄鐵熔化爐（例如反射爐、回轉(zhuǎn)爐、坩堝爐等）往往被稱為化鐵爐。另外，一些人所稱的化鐵爐，還可能是指高爐（煉鐵爐）。

目前一般人所理解的沖天爐一詞的含義為：一種爐身較高以生鐵、廢鋼和回爐料為主要金屬爐料熔化鑄鐵液的豎爐。

上述含義中的“爐身較高”和“焦炭”之間存在一定關(guān)系。我國古代和歐洲國家曾經(jīng)長期使用以木炭、煤炭為燃料的化鐵爐，由于燃料的強(qiáng)度低、無法承受較大的爐料壓力，因此爐身一般較低甚至不存在爐身；“爐身較高”將沖天爐與我國傳統(tǒng)的化鐵爐（即攙爐、坐爐、猴子爐、撅把爐等）作了區(qū)別。該含義中的“以生鐵、廢鋼和回爐料為主要金屬爐料”將沖天爐與使用鐵礦石為爐料的冶鐵爐（即煉鐵爐、高爐）作了區(qū)別。該含義中的“豎爐”將沖天爐與反射爐、坩堝爐等作了區(qū)別。

濟(jì)南鑄鍛研究所日文翻譯宋遵奎，1994 年曾研究過英文Cupola（沖天爐）一詞的來源[2]。他說，英國人認(rèn)為Cupola 來自德語“圓塔、穹頂（Kuppel）”，美國人則認(rèn)為Cupola 來自拉丁語“桶、樽（Cupa）”。筆者發(fā)現(xiàn)，美國《沖天爐手冊》在涉及沖天爐歷史時(shí)，開篇第一句即表達(dá)Cupola 源于Cupa 的觀點(diǎn)[4]。

我國民國期間將今天人們所稱的沖天爐和冶鐵的高爐統(tǒng)稱為鼓風(fēng)爐（Blast Furnace）等，其中鋼鐵廠用于鑄鐵重熔的、今稱的小型沖天爐有時(shí)候也被特別地稱為熔鐵爐、化鐵爐、甚至考拍拉爐（Cupola Furnace）[8～10]。鼓風(fēng)爐一詞顯然源于對外文的直譯，今中國大陸地區(qū)已無人使用，但我國臺灣地區(qū)至今仍有人將沖天爐稱為鼓風(fēng)爐。

在可以搜尋到的文獻(xiàn)資料中，考拍拉（Cupola）一詞最早出現(xiàn)于胡庶華于民國15 年（1926）出版的《鐵冶金學(xué)》[7]中，圖4 為該書中的一幅考拍拉爐的圖片。但是，王本治民國16 年（1927）出版的《冶金學(xué)》[8]一書編譯自敖士敦、高侖德等英國專家的有關(guān)著作，其中將當(dāng)今人所稱的沖天爐稱作小鼓風(fēng)爐（Small Blast Furnace，見圖5），從此可以看出沖天爐和高爐之間的關(guān)系?？梢哉J(rèn)為，上海地區(qū)曾流行過的多寶沖天爐，明顯借鑒了圖5 所示、今稱前爐回氣沖天爐的結(jié)構(gòu)要素。

圖4 考拍拉爐（1926 年)

圖5 小鼓風(fēng)爐（1927 年）

在1947 年的《工礦建設(shè)》雜志第四期中，陳凌漢根據(jù)德國、英國、美國、日本有關(guān)資料撰寫的“翻砂廠化鐵爐之設(shè)計(jì)[11]”，該文給出了2 t/h～15 t/h 化鐵爐各部分的尺寸。在該文中，他將沖天爐稱作化鐵爐。1949 年以后曾有很長一段時(shí)間，人們習(xí)慣用“熔鐵爐”和“化鐵爐”指代沖天爐。例如，陳農(nóng)1952年2 月編著出版的《現(xiàn)代鑄工》中稱[12]：

“熔鐵爐的歷史相當(dāng)古老，……，我國的制造工業(yè)，大多自美、德、英輸入，……，至于我國的三級爐和傾側(cè)式爐，式樣更多，一般而言，可分為英式、美式和德式三大類?！?/p>

《機(jī)械制造》雜志1950 年創(chuàng)刊，到1951 年刊登過13 篇熔鐵爐（化鐵爐）和沖天爐方面的文章，其中12 篇文章使用了“熔鐵爐”或者“化鐵爐”，只有1篇使用了“沖天爐”一詞。沖天爐一詞首次出現(xiàn)于該雜志創(chuàng)刊號上刊登的陳望隆撰寫的“上海的機(jī)械制造工業(yè)[13]”一文。在可以搜尋到的文獻(xiàn)資料中，該文最先將爐身高度較大、爐膛直徑較大的化鐵爐稱之為沖天爐。該刊1950 年第七期刊登的“沖天爐選擇及操作參考表”[14]一文，棄用了此前使用的化鐵爐而改用沖天爐一詞。但是沖天爐一詞是否為陳望隆所創(chuàng)，究竟何人、何時(shí)創(chuàng)造了沖天爐一詞，已不可知。

熔鐵爐一詞至今已基本消失于中國大陸，但化鐵爐與沖天爐兩詞在1949 年以后幾乎不加區(qū)別地使用了很長時(shí)間。兩個(gè)詞的區(qū)別使用，大致始于1970 年代中期，例如成都工學(xué)院（今歸屬四川大學(xué)）鑄造教研室的戢家齊在此期間撰寫的“天然氣化鐵爐[15]”一文，區(qū)別使用了化鐵爐和沖天爐兩個(gè)詞。如果在“知網(wǎng)”的搜索框鍵入“化鐵爐”，可以發(fā)現(xiàn)，1999 年制訂的機(jī)械行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“化鐵爐酸性爐渣的化學(xué)分析方法”，仍將沖天爐稱作化鐵爐；直至2008 年仍有人在撰寫耐火材料方面的文章時(shí)，將沖天爐稱作化鐵爐，由此可以看出最晚源于宋代的“化鐵爐”一詞的頑強(qiáng)生命力。

4 我國沖天爐的來源

我國沖天爐的引進(jìn)始于清末的洋務(wù)運(yùn)動(dòng)，距今約有150 年的歷史。據(jù)王信忠1932 年發(fā)表的“福州船廠之沿革”一文，始建于1866 年的福州造船廠（又稱馬尾造船廠），全面引進(jìn)了法國的技術(shù)和人才，其中的翻砂廠，其廠房為三跨、面積達(dá)2 400 m2，配置有1 臺15 馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)[16]。該翻砂廠的鑄鐵熔化設(shè)備很可能為進(jìn)口自法國的沖天爐，15 馬力發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該是沖天爐鼓風(fēng)機(jī)的動(dòng)力設(shè)備。

民國37 年（1948）由任可澄總撰的《貴州通志·前事志四十·光緒十五年》中有一段“清溪鐵廠雜記[17]”，記錄了清溪鐵廠從英國諦塞德廠購得的全套煉鐵設(shè)備，包括煉鐵、煉鋼和軋鋼等三部分，現(xiàn)將其中的煉鐵和煉鋼設(shè)備摘錄如下：

“鐵廠大爐一座，高五丈、內(nèi)徑最寬處一丈六尺，吊礦煤機(jī)架高七丈。每日夜用焦炭四十噸、中秤六百四十二擔(dān)，鐵礦五十噸、中秤八百四十擔(dān)節(jié)次添入。有汽爐五座，燒六十磅汽分用風(fēng)機(jī)、吊；五磅風(fēng)力由四座熱風(fēng)爐經(jīng)過，風(fēng)熱一千度入爐，照爐之鐵二十五噸合中秤四百二十擔(dān)。煉鐵后復(fù)以生鐵入捍鐵爐熔化，用人工捍炒、翻動(dòng)，變韌成團(tuán)入汽錘打出渣滓為板條之坯入軋軸。另設(shè)煉一噸別包麻鋼爐兩座，別包麻風(fēng)機(jī)兩座，期二噸重機(jī)架一座，熔生鐵爐一座，兩心扇風(fēng)機(jī)一座。”

上文中的“清溪”今稱“青溪”；“捍鐵爐”目前多人寫作“焊鐵爐”，筆者以為不妥，應(yīng)該寫作“炒鋼爐”；“別包麻鋼爐”即“貝塞麥轉(zhuǎn)爐（Bessemer Converter）”，這是一種將驘液傾入酸性爐，在爐底吹入空氣脫除驘液中的碳、硅元素的舊式煉鋼爐；上文中的“熔生鐵爐”無疑為沖天爐。貴州青溪鐵廠是我國清代第一個(gè)現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)，始建于光緒十一年（1885），光緒十六年（1890）六月一日點(diǎn)火投產(chǎn)，煉出了第一爐鐵。

另外，從民國的一些冶金學(xué)著作中可以看出，民國的一部分沖天爐可能只是用于貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼的驘液熔化爐，并非用于鑄鐵件的生產(chǎn)；同時(shí)，清代和民國的煉鋼廠很可能先于鑄造廠使用了來自西方的沖天爐。誕生于1889 年的漢陽鐵廠，其進(jìn)口設(shè)備中包括兩臺8 t 貝塞麥煉鋼爐，另外該廠附設(shè)有個(gè)翻砂廠，因此漢陽鐵廠也可能引進(jìn)過歐洲的沖天爐。清代翻砂廠和沖天爐之間的關(guān)系，可以從胡庶華所著《鐵冶金學(xué)》里取得旁證[7]：

“翻砂廠現(xiàn)所用之熔鐵爐有三種，坩堝爐、反射爐及考拍拉爐；因坩堝過貴，同時(shí)熱效率僅為4%，故翻砂廠很少用坩堝爐；反射爐用于塊度較大的鐵的熔化，使用較多，但其熱效率不過8～10%；考拍拉爐是翻砂廠使用最多的熔鐵爐，熱效率在40～60%之間?！?/p>

胡庶華博士是我國著名的冶金學(xué)家、教育家，曾擔(dān)任過民國時(shí)期的上海鋼鐵廠、漢陽兵工廠廠長，民國農(nóng)礦部農(nóng)民司和農(nóng)林司司長，曾擔(dān)任多所大學(xué)的校長，是我國近代鋼鐵工業(yè)的最重要開拓者之一。

在1949 年以后的有關(guān)鑄造文獻(xiàn)中，可以發(fā)現(xiàn)民國時(shí)期化鐵爐或沖天爐的零星蹤跡。陳望隆在“上海的機(jī)械制造工業(yè)[16]”一文中，詳細(xì)描述了1949年后上海鑄造業(yè)及其化鐵爐的情況：

圖6 胡庶華（1886—1968）

“上海的生鐵翻砂，除了大型的公私機(jī)器廠有翻砂設(shè)備外，專門生鐵翻砂的共有260 余家，多是50人以下的小廠，技工人數(shù)在50 人以上100 余人的有三家，用猴子爐設(shè)備鑄造1000 磅以下小型鑄件的占十分之七，有16”到32”三節(jié)爐設(shè)備，鑄造較大鑄件的占十分之三。有沖天爐（Cupola）設(shè)備的計(jì)有公營虬江機(jī)械廠、吳淞機(jī)械廠、通用機(jī)器廠、中國紡織機(jī)器制造公司、冷鑄車輪廠和私營上海機(jī)器廠等?！?/p>

按照上文中的數(shù)據(jù)，1950 年上海地區(qū)爐膛內(nèi)徑最大的沖天爐僅有32 英寸（約812 mm），其熔化率尚不足5 t/h.西安交通大學(xué)陸文華教授回憶，1953年以后，他在上海交大工作期間，曾去過當(dāng)時(shí)的上海新中動(dòng)力機(jī)廠，在該廠工作的裘錫侯帶他參觀過一臺進(jìn)口于美國現(xiàn)代公司的沖天爐，該爐的風(fēng)口直徑很大，給他留下了很深刻的印象。陸文華教授記憶中的這臺美國沖天爐，應(yīng)該是民國工業(yè)的遺存。

浙江省金華的“家鄉(xiāng)網(wǎng)”中有個(gè)“新中國工人1952 年[18]”欄目，其中有幅太原機(jī)器廠沖天爐的圖片（圖7）.由于蘇聯(lián)“一五”期間援建我國的時(shí)間始于1953 年，因此有理由認(rèn)為該網(wǎng)站所涉及的這臺沖天爐為民國工業(yè)的遺存。

圖7 太原機(jī)器廠沖天爐（1952 年）

另外，《鋼鐵》雜志1956 年刊登了東北一大型工廠某佚名作者撰寫的“介紹熱風(fēng)沖天爐[19]”一文。該文介紹他們工廠利用蘇聯(lián)技術(shù)將偽滿時(shí)期遺留的一臺5 t/h 沖天爐，改造成了三排風(fēng)口、外熱風(fēng)沖天爐（圖8）.后經(jīng)文獻(xiàn)考證才知道該大型工廠即鞍山鋼鐵公司西鑄造部[20]。偽滿時(shí)期即1932 年到1945年間，因此這座5 t/h 沖天爐應(yīng)該屬于日資鞍山昭和制鋼所的遺存，屬于民國期間一臺較大的沖天爐。該文獻(xiàn)也許可以說明，我國沖天爐技術(shù)也有源于日本的引進(jìn)。

圖8 鞍鋼西鑄造部的5t/h 沖天爐（1954 年）

自清末西方國家的沖天爐引入我國，至今約有150 年的歷史。相對于清朝，沖天爐在內(nèi)憂外患的民國有了略大范圍的應(yīng)用。但是，清代和民國引入的沖天爐數(shù)量很少，以至于未對我國當(dāng)時(shí)的鑄造工業(yè)產(chǎn)生過太大的影響。清代和民國的技術(shù)引進(jìn)，不過是我國在1949 年以后大量用沖天爐替代傳統(tǒng)化鐵爐、發(fā)展民族工業(yè)的先聲。

5 結(jié)語

綜上所述，世界冶鐵術(shù)起源于赫梯人在冶銅實(shí)踐中的發(fā)明，首先很快傳播到了的我國新疆地區(qū)，然后在公元前800 年左右傳播到了我國中原地區(qū)。我國使用化鐵爐的歷史大大早于歐洲，但沖天爐源于包括法國、英國、德國、美國和日本在內(nèi)的發(fā)達(dá)國家的引進(jìn)。