黃 興

(中國(guó)科學(xué)院 自然科學(xué)史研究所，北京 100190)

遵化鐵廠是明代北方最重要的官營(yíng)鐵場(chǎng)，主要供應(yīng)軍需器，工部先后派主事、郎中駐場(chǎng)管理。正德八至九年(1513—1514)傅浚以工部郎中督理遵化鐵廠，期間他搜集遵化鐵廠的生產(chǎn)狀況和風(fēng)土民俗等資料，編纂成《鐵冶志》。古代冶鐵活動(dòng)屢見(jiàn)于文獻(xiàn)記載，但《鐵冶志》是世界首部詳細(xì)記錄冶鐵技術(shù)和鐵廠經(jīng)營(yíng)的專著?！惰F冶志》原書長(zhǎng)期未見(jiàn)流傳，只在明清著錄于各家書目?！洞好鲏?mèng)余錄》、《涌幢小品》中有記述遵化鐵廠的文字，推測(cè)摘自《鐵冶志》。當(dāng)代冶鐵史研究者包括筆者在內(nèi)，曾多方尋訪而未有所得。

近年俄羅斯學(xué)者在圣彼得堡大學(xué)東方系圖書館發(fā)現(xiàn)了《鐵冶志》抄本(圖1)，半頁(yè)(面)高265mm，寬168mm，系曹寅舊藏，18世紀(jì)中期為東正教駐京傳道團(tuán)學(xué)生攜回俄國(guó)[1](1)曹寅(1658—1712)，字子清，曹雪芹之祖父，清代著名藏書家，與豐潤(rùn)曹氏多有來(lái)往。豐潤(rùn)與鐵廠直線距離不足30公里。該書入藏俄國(guó)始末詳見(jiàn)《鐵冶志·整理說(shuō)明》(濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2022年，即將出版)。。抄本冠以正德八年傅浚自序，次為《工部分司圖》、《鐵廠圖》、目錄、正文。按目錄，全書2卷，22篇，卷上16 篇：《建置(風(fēng)土里至附)》、《爐冶(大鑒爐白作爐)》、《山場(chǎng)》、《歲辦(生鐵熟鐵鋼鐵)》、《歲出(砂石炭柴)》、《歲入(砂石炭柴)》、《錧轄》、《催工》、《吏屬》、《供役》(缺正文)、《公署》、《庫(kù)場(chǎng)》、《祠宇》、《坊市(附鋪舍)》、《督理》、《歷官》；卷下6篇：《工部分司題名記》、《雙孝康娥碑》、《萃景樓記》、《祭爐神文》、《祭土地文》、《雜識(shí)》，共80半頁(yè)(面)，12 600余字。

圖1 俄羅斯圣彼得堡大學(xué)東方系圖書館藏《鐵冶志》抄本封面及首頁(yè)

抄本信息量很大，記載了大量遵化鐵廠冶鐵制鋼技術(shù)細(xì)節(jié)，具有很高的歷史和科學(xué)價(jià)值。楊寬[2]、韓汝玢[3]據(jù)《春明夢(mèng)余錄》、《涌幢小品》引錄的《鐵冶志》少量文字復(fù)原了遵化鐵廠冶鐵豎爐局部尺寸，認(rèn)為鐵廠以螢石為助熔劑，并分析了產(chǎn)鐵數(shù)據(jù)。張崗結(jié)合《明會(huì)典》、《明實(shí)錄》等探討了鐵廠的建置沿革、產(chǎn)量技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理及關(guān)閉原因等[4]。陳虹利等對(duì)鐵廠使用礦料、爐渣、助熔劑等進(jìn)行了科學(xué)分析，結(jié)合前述文獻(xiàn)記載研究了遵化鐵冶的歷史、運(yùn)營(yíng)、人工、鋼鐵技術(shù)，探討了與遵化鐵冶相關(guān)的明代鐵冶社會(huì)、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題[5-6]。顏敏翔介紹了新發(fā)現(xiàn)《鐵冶志》抄本的版本面貌、編纂過(guò)程、內(nèi)容特色，考索抄本遞藏源流，初步探討了其史料價(jià)值[1]。

本文將新發(fā)現(xiàn)《鐵冶志》的內(nèi)容與實(shí)地考察、前人成果相結(jié)合，進(jìn)一步揭示遵化鐵廠的鋼鐵技術(shù)，為研究遵化鐵廠以及16世紀(jì)前后中國(guó)北方鋼鐵技術(shù)提供參考。

1 遵化鐵廠選址與遺跡分布

戰(zhàn)國(guó)時(shí)期古燕國(guó)已在燕山一帶冶煉生鐵。明代北部邊防一直為政府所重視，維持其軍事力量需要大量用鐵。遵化鐵礦豐富，至遲中唐即有鐵冶[4]?！惰F冶志》“建置”篇記載“元時(shí)置冶沙坡谷，國(guó)初因之，宣德間移于松棚谷(2)沙坡谷，后文又稱砂坡峪，今遵化市沙坡峪村，松棚谷即今松棚營(yíng)。。正統(tǒng)三年(1438)移置于此(白冶莊，今鐵廠村)。”(6a)另?yè)?jù)萬(wàn)歷《大明會(huì)典》記載，遵化鐵冶設(shè)于永樂(lè)年間，后移至松棚峪，宣德十年(1435)罷；正統(tǒng)三年(1438)復(fù)置白冶莊；萬(wàn)歷九年(1581)撤[7]。這三處鐵冶場(chǎng)所統(tǒng)稱遵化鐵廠。《遵化縣志》記載“鐵廠城址：位于鐵廠鎮(zhèn)鐵廠村，城周長(zhǎng)2000米，高10米，寬5米，石筑。城址墻基尚存。明正統(tǒng)五年(1440年)此地正式建為鐵廠，有明代煉鐵爐址70多處，高出地面8米，還有銹鐵、木炭、焦炭、硫鐵等遺物”[8]。

2011年、2014年筆者參與的調(diào)查組兩次實(shí)地考察遵化鐵廠(3)2011年5月，第一次調(diào)查成員有李延祥、潛偉、黃興、王啟立；2014年3月，第二次調(diào)查組成員有潛偉、黃興、陳虹利、李潘。。在沙坡峪、松棚營(yíng)發(fā)現(xiàn)了少量煉渣、紅燒土遺跡。在鐵廠村發(fā)現(xiàn)，因人口增加、村子擴(kuò)大，城址已不可尋，有大量與鐵冶有關(guān)的遺址遺跡。鐵廠村位于遵化市區(qū)東南20公里山坳中(圖2)，與北京直線距離150公里，屬燕山南麓丘陵地帶，周圍十余公里皆山地。一條小河由北向南穿村而過(guò)，匯入還鄉(xiāng)河。在鐵廠村東北角一土崖邊發(fā)現(xiàn)明代冶鐵遺址點(diǎn)(N: 40°09′00″，E: 117°51′56″)。這里有1、2號(hào)兩處冶鐵爐遺跡，1處木炭堆積；采集到生鐵、爐渣、木炭、瓷片、陶片等(圖3)。木炭樣品14C測(cè)年并經(jīng)樹(shù)輪校正(4)使用北京大學(xué)加速器質(zhì)譜(AMS)檢測(cè)，采用Oxcal Version 3.1樹(shù)輪校正。，結(jié)果為明代(表1)?！惰F冶志》“爐冶”篇記載“大鑒爐在場(chǎng)治東北”。該遺址點(diǎn)正位于《鐵冶志》鐵廠布局圖(圖4)右上角“大爐”處，可確認(rèn)這里就是冶煉生鐵之所。

圖2 遵化鐵廠村及周邊地形(自東向西，箭頭處為遺址點(diǎn)。圖片來(lái)源：Google地圖)

圖3 河北遵化鐵廠村明代冶鐵遺址采集物(黃興 攝)

圖4 《鐵冶志》遵化鐵廠布局圖

表1 河北遵化鐵廠14C測(cè)年數(shù)據(jù)

2 遵化鐵廠豎爐冶鐵技術(shù)

《鐵冶志》記載遵化冶鐵的冶煉周期為夏季采石筑爐，秋季淘鐵砂，冬季開(kāi)爐冶煉，春盡結(jié)束。這與《漢書·五行志》記載：“河平二年(公元前27年)正月，沛郡鐵官鑄鐵”[9]，及清代《廣東新語(yǔ)》：“凡開(kāi)爐始于秋，終于春”[10]的記載一致。冬季開(kāi)爐可能是為了避免炎熱、雨水，以及冬閑時(shí)節(jié)便于雇傭較多的雜役。

人工冶鐵技術(shù)起源于小亞細(xì)亞，最早采用塊煉鐵技術(shù)。甘肅陳旗磨溝出土了公元前14世紀(jì)塊煉鐵和塊煉滲碳鋼[11]。公元前8—9世紀(jì)傳入中原。中原地區(qū)在公元前6—8世紀(jì)發(fā)明了生鐵冶煉技術(shù)[12]。其特點(diǎn)是建立高大的豎爐，從頂部加入木炭、鐵礦石、助熔劑(石灰石、螢石等含有Ca或Mg的石料)等爐料。用鼓風(fēng)器強(qiáng)力鼓風(fēng)，發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒，爐溫可達(dá)1400℃以上，產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w和碳蒸氣，將礦石中的氧化鐵還原；鐵在高溫下快速滲碳，熔點(diǎn)降低；在1300℃左右，鐵熔化成液態(tài)。礦石中的二氧化硅與助熔劑中的Ca、Mg反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的硅酸鈣或硅酸鎂，也變成液態(tài)。液態(tài)渣鐵降至爐底，自然分層，積累到一定量，從爐門放出。豎爐煉鐵可以連續(xù)操作、持續(xù)生產(chǎn)，直到完成冶煉計(jì)劃而停爐。其效率和鐵的純凈程度遠(yuǎn)優(yōu)于塊煉鐵。歐洲長(zhǎng)期沿用塊煉鐵技術(shù)，直到公元13世紀(jì)才開(kāi)始建豎爐冶煉生鐵，并將其發(fā)展為現(xiàn)代高爐。

2.1 冶鐵豎爐

《鐵冶志》“爐冶”篇稱冶鐵豎爐為“大鑒爐”，記載其多個(gè)關(guān)鍵部位的尺寸：

大鑒爐在場(chǎng)治東北，專煉生鐵。每爐深一丈二尺，廣前二尺五寸、后二尺七寸，左右各一尺六寸。前辟數(shù)丈以為出鐵之所。四傍窩底俱石以砌之，以簡(jiǎn)子石為門，牛頭石為心。

這些文字在明末朱國(guó)楨撰《涌幢小品》、明清之際孫承澤撰《春明夢(mèng)余錄》中俱有轉(zhuǎn)引?！队看毙∑贰穼ⅰ昂?jiǎn)子石”寫作“簡(jiǎn)千石”[13]，《春明夢(mèng)余錄》又作“簡(jiǎn)干石”[14]。“簡(jiǎn)子石”應(yīng)當(dāng)是一種耐高溫、耐侵蝕的石料。“牛頭石”意為石塊較大，如牛頭一般。使用大塊石頭砌筑成的爐體耐侵蝕，不易開(kāi)裂；小石塊砌成的爐體經(jīng)過(guò)高溫、侵蝕，容易碎裂、墜落，容易堵住進(jìn)風(fēng)口，導(dǎo)致停爐。

在《鐵冶志》“爐冶”篇，爐體各部位所用石料有專門的稱謂和固定的數(shù)量，表明筑爐已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化：

每爐用底子石一、搪石一、窩子石二、關(guān)石一、夾石四、前廂石二、納后石二、小面石十、肩窩石二、外關(guān)石一、攔灰石二、門石一(5)《鐵冶志》沒(méi)有記載這些石塊的位置和用途，對(duì)其名次難以進(jìn)一步解釋。。(15a)

“爐冶”又記載舊爐體不重復(fù)使用，每年冶煉都要筑新?tīng)t。石料由石匠采自山上，加工成所需形狀。門石(砌爐門的石塊)由于經(jīng)受侵蝕、冷熱交替容易損壞，必須提前備份，及時(shí)更換；其余石塊一旦建成不能再動(dòng)，無(wú)法替換。

1957年，楊寬據(jù)《涌幢小品》的記載計(jì)算了遵化豎爐的局部尺寸：“深”為爐深，一丈二尺，“前”指爐前的出鐵口，內(nèi)徑2尺5寸；“后”指爐后的出渣口，內(nèi)徑2尺7寸；“左右”指兩側(cè)鼓風(fēng)口內(nèi)徑各1尺6寸([2]，185-186頁(yè))。

根據(jù)豎爐冶鐵的基本原理及其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)的古代冶鐵豎爐爐型來(lái)看，楊寬對(duì)爐體內(nèi)部深度的判斷是合理的，但對(duì)鐵口、風(fēng)口和渣口的認(rèn)定和尺寸的復(fù)原顯然值得商榷?！惰F冶志》用“爐深”一詞說(shuō)明觀察者位于爐頂，只能是爐后土崖之上。則“廣”是站在同一角度，對(duì)爐口的描述，“前”、“后”、“左右”指爐口各邊沿，而非渣口、鐵口和風(fēng)口。明代營(yíng)造尺1尺合0.32m[15]，即爐深3.840m，爐門一面爐口邊長(zhǎng)0.800m，土崖一側(cè)爐口邊長(zhǎng)0.864m，左右兩側(cè)0.512m。爐口為梯形，接近長(zhǎng)方形。

筆者在考察中發(fā)現(xiàn)的爐址遺跡與文字記載可互相印證。鐵廠遺址2號(hào)爐位于土崖北側(cè)，存留約四分之一爐體(圖5、圖6)。爐體內(nèi)側(cè)石塊大小約0.5m，石塊與土崖之間用土填實(shí)；內(nèi)壁掛渣，外壁有1m厚的紅燒土層。從爐口向下至爐腰，爐壁在水平面上有一個(gè)明顯的拐角，證明原來(lái)的爐體橫截面接近圓角矩形，爐口并非圓形。

圖5 遵化鐵廠村遺址2號(hào)爐遺跡(黃興 攝)

圖6 遵化鐵廠村2號(hào)爐現(xiàn)狀示意圖(黃興 繪)

《鐵冶志》沒(méi)有描述爐體內(nèi)部的爐型，但從2號(hào)冶鐵爐遺跡來(lái)看，自爐身向下，爐腰、爐腹直徑明顯增大，內(nèi)部爐壁沒(méi)有了明顯折角，變得相對(duì)圓滑。反過(guò)來(lái)表明，爐口為梯形很可能是由于采用的石塊較大，爐頂內(nèi)徑較小，不易砌圓所致。

參考《鐵冶志》描述的爐口、爐深比例，根據(jù)考察所見(jiàn)爐壁曲線及爐體大小，繪制了遵化鐵廠的方形豎爐復(fù)原圖(圖7)，爐容約3.5m3。

圖7 遵化鐵廠村冶鐵爐爐型復(fù)原圖(黃興 繪)

2.2 爐料

冶煉生鐵以鐵礦石、木炭和含鈣或鎂的石子為助熔劑為爐料。《鐵冶志》“歲入”記載遵化鐵冶在周邊薊州、遵化縣、豐潤(rùn)縣、灤州、遷安縣、昌黎縣、樂(lè)亭縣設(shè)置民夫410名，正德九年間減員至136名，發(fā)給官價(jià)銀，辦理木柴、木炭、石子；在遵化衛(wèi)、忠義中衛(wèi)、東勝右衛(wèi)、興州前屯衛(wèi)、興州左屯衛(wèi)、興州右屯衛(wèi)選派軍夫425名，辦理木炭和鐵砂。此外，在鐵廠也安排數(shù)百軍匠和民匠納砂、置辦柴炭。

2.2.1 鐵礦

豎爐冶鐵的礦石需提前焙燒、破碎、篩選，入爐粒度多控制在1cm以下?！惰F冶志》“爐冶”記載遵化鐵廠使用砂礦，而非礦石，并進(jìn)一步記述：

黑砂為本，石子為佐，時(shí)時(shí)旋下，用炭火以煅煉之。

鐵砂出于砂坡谷及松棚谷等處，其色黑如炭，其質(zhì)與常砂亦不異也，用水濕而火煉之，則砂化為鐵，不濕則不化焉。

砂者皆大爐之所需。砂有黑砂、紅砂今謂之雞冠砂、荒砂、河砂。黑砂帶礦則其最高者。紅砂次之。荒砂則陶洗不凈，再陶亦可。河砂雖黑，然絕無(wú)鐵礦，決不可留。(37a)

鐵砂出于砂坡?tīng)I(yíng)(即沙坡峪)、松棚營(yíng)，這是遵化鐵冶初期選址這兩地的重要原因。后遷址白冶莊可能是為了離開(kāi)邊境。礦砂入爐前須用水濕，推測(cè)可能起到造團(tuán)的作用，在爐頂燒結(jié)。

2014年3月，調(diào)查組在鐵廠村冶鐵爐遺址旁村民院內(nèi)發(fā)現(xiàn)一些鐵砂原料(圖8)裝滿了數(shù)個(gè)編織袋。黑色礦砂與泥土顆粒混相混，可大量吸附在磁鐵上。在冶煉爐的后上方，即冶煉中堆放原料的地方也發(fā)現(xiàn)大量黑砂，土層呈黑色。附近村民曾來(lái)此挖黑砂售賣。鐵砂靠近冶鐵爐堆放是一種合理的布局；也印證了《鐵冶志》“庫(kù)場(chǎng)”篇的記載“柴場(chǎng)，在白作爐北……砂場(chǎng)，在柴場(chǎng)北”。(24a-25b)

圖8 鐵廠村冶鐵爐附近采集到的黑砂(黃興 攝)

據(jù)陳虹利濕化學(xué)分析，鐵砂全鐵含量(TFe)50.4%，略含TiO2，燕山地帶一般都是此類鐵礦；對(duì)鐵砂做5次磁選后，經(jīng)礦物物相定性、定量分析，含磁鐵礦64%，赤鐵礦22%([5]，86頁(yè))。

《鐵冶志》記載了冶煉時(shí)投入的礦砂量：

大鑒爐初開(kāi)數(shù)日，每日用砂不過(guò)一石余。五日后，日用二石。十日后，日用三石。二十日后，日用四石，或爐旺則與之五石。四十日后，用五石余，亦有當(dāng)增六石者。五十日后，日用七石。七十日后，則又漸減少矣。蓋爐已老，雖多與之，亦不能消也。由是裒多益寡，合先后而約之，每日用砂五石五斗，每月該砂一百六十五石，每季該四百九十五石。然此亦其大略耳。(14b-15a)

經(jīng)測(cè)算采集鐵砂樣品堆積密度2.63g/cm3，明代一升合1035cm3([15]，413頁(yè))，單爐日均入爐鐵砂以五石五斗計(jì)，約合0.569m3，即1497kg，(TFe)以50.4%計(jì)，含鐵754.5kg。

2.2.2 助熔劑

《鐵冶志》“爐冶”記載：

每日下砂，俱以石心為候。石心通，則多與之砂，石心燥多用石子化水以潤(rùn)之，而少與之砂，約一二刻許則化為鐵矣。(8b)

一石子出于水門口及小水營(yíng)等處，色間紅白，略似桃花，大者如斛，小者如拳，搗而碎之，以投于火，則化而為水。石心燥，用此以救之則其砂始消。不然則心病而不消也。如人心火太盛，用涼劑以救之，則脾胃和而飲食進(jìn)矣。如以熱藥投之，其不至于增狂而速死者幾希。故知心病而藥之，天下之良醫(yī)也。(11a)

每爐五日用石一車，一月該用六車，一季該一十八車。五爐[一]季該石子八十車。(15a)

《涌幢小品》中對(duì)這段記載略作簡(jiǎn)化，內(nèi)容基本一致。楊寬[2]、劉云彩[16]、韓汝玢([3]，583-584頁(yè))認(rèn)為“色間紅白，略似桃花”為螢石(CaF2)。但符合此外觀的還有方解石、白云石或螢石。遵化境內(nèi)白云巖資源豐富，螢石相對(duì)缺乏。陳虹利用X射線熒光光譜分析了現(xiàn)場(chǎng)采集的此類石子和煉渣，均不含F(xiàn)，可排除螢石，應(yīng)是白云石。鐵廠煉渣Ca、Mg含量比是正常白云石的2.8倍，陳虹利認(rèn)為遵化鐵廠冶鐵將白云石和其他含鈣更高的礦石(如方解石、大理石)混合使用([5]，89-92頁(yè))。

2.2.3 燃料

古代豎爐冶鐵以木炭為主要燃料?？疾旖M在遺址2號(hào)爐北面約10米處發(fā)現(xiàn)一坑(圖9左)內(nèi)有大量木炭顆粒，大小不一，長(zhǎng)期風(fēng)化，脆弱、疏松(圖9右)。

冶煉生鐵木炭用量最大。弘治年間(1488—1505)韓大章《遵化廠夫料奏》記載鐵廠遷白冶莊之初，附近山場(chǎng)“林木茂盛，柴炭易辦。今建置一百余年，山場(chǎng)林木砍伐盡絕，以致今柴炭?jī)r(jià)貴。若不設(shè)法禁約，十余年后，價(jià)增數(shù)倍，軍民愈困”。[17]山林消耗過(guò)度導(dǎo)致遵化鐵廠冶鐵成本高昂，無(wú)法與其他鐵廠競(jìng)爭(zhēng)，最終被撤。當(dāng)代研究者對(duì)此已有共識(shí)。今據(jù)《鐵冶志》可詳解遵化鐵廠每年消耗木炭、砍伐森林的數(shù)目以及山場(chǎng)森林面積。

《鐵冶志》“歲出”篇記載：

一、每爐每日用炭五千二百五十斤，此郎中李統(tǒng)轄廠時(shí)陰較日晷而試之者，屢試皆符，較之前人所支實(shí)為省約。以此計(jì)之，一月該炭一十五萬(wàn)七千五百斤，一季該炭四十七萬(wàn)二千五百斤，百日該炭五十二萬(wàn)五千斤，五爐該炭二百二十六萬(wàn)五千斤。

一、熟鐵，每爐五日支柴四千六百八十斤，每月支柴二萬(wàn)八千八十斤，五月該柴一十四萬(wàn)四百斤，八爐該柴一百一十二萬(wàn)三千三百斤。鋼鐵，每爐五日支柴四千三百二十斤，一月該二萬(wàn)五千九百二十斤，八爐該柴二十萬(wàn)七千三百六十斤。二項(xiàng)計(jì)用柴一百三十三萬(wàn)六百六十斤。(15b-16a)

《鐵冶志》“歷官”篇無(wú)“郎中李統(tǒng)”，似為“李銳”之誤抄。“歷官”篇記載其為江西吉安府安?？h人，弘治己未(1499)進(jìn)士；正德五年十二月至翌年十一月掌管鐵廠(28a)?！肮稹逼涊d“雜造局官舍，在大門左，凡六間，郎中李銳建”(23b)。其他篇記載砂場(chǎng)、柴場(chǎng)、新廳，坊市“司空行部”、“三軍之需”、“百煉之剛”均為李銳建。李銳在鐵廠任職期間頗有建樹(shù)。嘉靖《薊州志》“名宦·工部鐵廠郎中”載：“李銳，字抑之，江西安?？h人，進(jìn)士。弘治間任。持身清慎，執(zhí)法無(wú)私，廠中利害，興革殆盡。歷官鹽運(yùn)使。”[18]

按“歲出”所記，大鑒爐五爐百日(1年度)消耗木炭2 265 000斤，明代1斤合596.8g([15]，416頁(yè))，約合1 352t。木炭入爐前需破碎、篩選，其損耗以25%計(jì)；煉鐵用栗木、櫟木等闊葉硬木，木柴燒炭比例大約4∶1；則5爐年度煉生鐵用木柴6 759t。冶煉熟鐵、煉鋼每年用柴1 330 660斤，合794t。總計(jì)每年用木柴7 553t。以干栗木密度750kg/m3計(jì)，合10 071m3?！逗颖笔≈尽ち謽I(yè)志》記載，明代易州山場(chǎng)每年向皇宮上解歲辦、派辦木炭用木材10—12萬(wàn)m3，消耗森林13—16km2。[19]取其平均數(shù)計(jì)算，鐵廠每年約消耗森林1.34km2。

遵化鐵冶周邊設(shè)山場(chǎng)，施封禁，專供鐵冶?！惰F冶志》“山場(chǎng)”篇記載其四至：

東至建昌一百五十里；西至薊州一百八十里；南至灤州一百五十里；北至邊墻一百里。

右山場(chǎng)四至，原系采辦柴炭之所。近時(shí)以來(lái)，山木漸竭，四隅有開(kāi)墾者，酌令納炭以供大爐，謂之地畝炭。其山仍行禁約，如有盜開(kāi)者，照例發(fā)遣。(15a)

以《中國(guó)歷史地圖集》明萬(wàn)歷十年(1582)順天府歷史地圖[20]為依據(jù)，山場(chǎng)四至圍成的總面積約600km2(圖10)。除去多座縣城、村鎮(zhèn)和農(nóng)田、道路、河道、草地、澤泊及其他林木不生或難以采伐的地區(qū)等，森林覆蓋區(qū)是白冶莊為中心的山地，薊州、遵化、建昌營(yíng)連線長(zhǎng)城內(nèi)山地及其附近的平原。有研究認(rèn)為隋唐時(shí)期太行山森林覆蓋率50%，元明之際由30%降至15%以下[21]。若明初以30%計(jì)，山場(chǎng)森林覆蓋區(qū)域約200km2。按前，遵化鐵冶每年消耗1.34km2，可供給149年(6)明代易州山場(chǎng)的森林消耗資料應(yīng)當(dāng)包含了多年內(nèi)林木可在一定程度上繼續(xù)生長(zhǎng)和自我恢復(fù)的部分，是一個(gè)整體消耗值。。今鐵廠自正統(tǒng)三年(1438)遷白冶莊至萬(wàn)歷九年(1581)徹底關(guān)閉，共存在143年。這表明上述推算與實(shí)際規(guī)模大致接近。

圖10 遵化鐵廠的三處廠址及山場(chǎng)范圍[20]

需澄清的是，上引《鐵冶志》“山場(chǎng)”篇關(guān)于“四至”的記載，以及同書“歲入”篇的記載：“共地四千五百六十一畝九分六厘，每畝納炭三十斤。正德九年題準(zhǔn)每畝納炭二十斤，共炭九萬(wàn)一千二百二十斤，但每歲所征僅余其三之一而已”(20a)，講的是山場(chǎng)四隅新墾田之面積，而后來(lái)的文獻(xiàn)卻將此誤作山場(chǎng)總面積。如萬(wàn)歷《大明會(huì)典》：“本廠山場(chǎng)。薊州、遵化、豐潤(rùn)、玉田、灤州、遷安，舊額共四千五百六十一畝九分六厘，采柴燒炭。成化間，聽(tīng)軍民人等，開(kāi)種納稅，肥地每畝納炭二十斤，瘠地半之。”[7]清初傅維麟輯《明書》“食貨記·窯冶”記載遵化鐵冶廠“采樵燒炭，則薊州、遵化、豐潤(rùn)、玉田、灤州、遷安，共山場(chǎng)四千五百六十一畝有奇。肥饒者聽(tīng)民耕種，畝二十斤，瘠半之”[22]。

2.3 冶煉產(chǎn)物

2.3.1 生鐵

《鐵冶志》“爐冶”篇記載：

每爐每日出鐵四次，五日而匯收之。初數(shù)日所得甚微，日可一二百斤而已。十日之后日可三四百斤。二十日后漸盛，日可六七百斤。四十日后日計(jì)可得千斤。五十日后日有千斤而羸三四百者，然亦止此極焉。七十日后日又漸以衰少，至九十日后則爐敗而不可用矣。然而其間亦有三四十日而敗者，有六七十日而敗者，有初盛而終替者，有初替而終盛者，消息盈虛，其數(shù)自不齊也。(15b)

開(kāi)爐之初，爐溫不夠，產(chǎn)量較低。隨著爐體及周邊地表逐漸干燥、脫去結(jié)晶水，爐溫不斷上升，爐料運(yùn)行加快，冶煉速度加快，氧化鐵還原率增加，造渣良好，流動(dòng)性增加，都有助于提高產(chǎn)鐵量。遵化鐵廠日出鐵四次，這樣的低頻率有助于保持爐溫。冶煉一段時(shí)間，爐壁出現(xiàn)侵蝕、結(jié)瘤等導(dǎo)致運(yùn)行不暢；或者爐料管道現(xiàn)象嚴(yán)重，煤氣集中流失等，嚴(yán)重影響鐵的還原。由于爐內(nèi)冶煉非常復(fù)雜，影響因素很多，爐況多變，如果調(diào)節(jié)不善，就會(huì)導(dǎo)致故障，縮短一次爐齡。

《鐵冶志》“爐冶”篇記載了兩種生鐵產(chǎn)品：

凡鐵從中出皆方正成段，故謂之板鐵。間有從旁溢出者，則以繩系錘，錘去其渣滓，是謂之碎鐵。碎鐵所得，亦與板鐵相為盛衰，但不能多得耳。(9a)

液態(tài)鐵從爐門放出，經(jīng)流道進(jìn)入砂型，鑄成板材，是謂板鐵。每次出鐵量、流速不定，有時(shí)會(huì)從流道或砂型中溢出，與渣混在一起。以錘將其破碎，把鐵選出來(lái)，是謂碎鐵。

由是合先后而總計(jì)之，每日約可鐵八百斤，一月可鐵二萬(wàn)四千斤，一季可鐵七萬(wàn)二千斤。此則較量折衷之中數(shù)，其間或有稍過(guò)與不及者，則爐火有盛衰，起爐有遲速，加以人力勤惰不齊耳。然爐復(fù)出于數(shù)，則固無(wú)如之何者。若惰而不為，其責(zé)在我矣。(《鐵冶志》，9b)

總的來(lái)看，遵化鐵廠單爐日均產(chǎn)鐵約477kg，一季約43.0t。爐溫上升快慢、爐溫高低、操作者是否勤快，對(duì)產(chǎn)鐵量有一定影響。然而，產(chǎn)量基本上就是這樣的數(shù)字，想要大幅提高，也沒(méi)有更好的辦法。可見(jiàn)當(dāng)時(shí)基本實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)，但想要進(jìn)一步高產(chǎn)，遇到了瓶頸。

關(guān)于歷年產(chǎn)量，《鐵冶志》“爐冶”篇也有所記載：

正德四年，郎中王軏呈部，歲用大鐵爐十，每爐煉鐵四萬(wàn)八千六百斤，共煉生鐵四十八萬(wàn)六千斤。正德六年，郎中葉信呈部，歲用大鑒爐五，每爐煉鐵九萬(wàn)七千二百斤，亦煉生鐵四十八萬(wàn)六千斤。按：歷歲各爐或三四萬(wàn)，或五六萬(wàn)，或七八萬(wàn)。其間蓋或有九十萬(wàn)者，但亦絕少。故不可以一概律之也。(10a)

正德四年呈報(bào)工部，應(yīng)當(dāng)是正德三年冬至四年春的生鐵產(chǎn)量。同理，正德六年呈報(bào)的應(yīng)當(dāng)是正德五年冬至六年春的生鐵產(chǎn)量。

此外，《大明會(huì)典·遵化鐵冶事例》有記：[6]

嘉靖八年以后，每歲大鑒爐三座，煉生板鐵十八萬(wàn)八千八百斤，生碎鐵六萬(wàn)四千斤。

相比之下，嘉靖八年(1529)以后單爐年出鐵50.3t，高于正德四年(1509)呈報(bào)(即正德三年產(chǎn)量)29.0t，略低于正德六年(1511)呈報(bào)(即正德五年產(chǎn)量)的58.0t。

2011年，調(diào)查組在鐵廠村考察時(shí)，村民帶來(lái)一些從冶煉爐附近挖出的大鐵板和碎鐵塊，上面粘附泥土和鐵銹，鐵塊切口泛出的白光(圖11)。陳虹利分析其金相組織推斷為白口鐵組織，夾雜物很少，品質(zhì)很高，說(shuō)明了冶煉技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平([5]，99-100頁(yè))。

圖11 遵化鐵廠村村民采集到的板狀鐵塊(潛偉 攝)

2.3.2 爐渣

調(diào)查組在鐵廠和松棚營(yíng)兩地采集到明代鐵廠的爐壁掛渣和排出渣。據(jù)陳虹利分析，這些渣都屬于FeO-SiO2-CaO系渣；松棚營(yíng)遺址爐壁掛渣Al/Si比值(堿度)明顯高于鐵廠村遺址，爐渣流動(dòng)性高，有助于爐況順行；但嚴(yán)重侵蝕冶煉爐爐襯、爐壁，減短一次爐齡。鐵廠村時(shí)期，爐渣酸度高，流動(dòng)性低，對(duì)爐襯損害較輕，可能采取了更為合理的爐型、裝料制度和補(bǔ)料工藝，在高酸度、較高粘稠度的狀態(tài)下，維持爐況順行，表明其操作工藝方面更為成熟。排出渣分為良好的玻璃態(tài)爐渣、未完全玻璃化爐渣、高鐵系爐渣和不確定/混合型爐渣。其中，高鐵系爐渣數(shù)量較少，多數(shù)出土于鐵廠村，松棚營(yíng)遺址僅有一例。樣品外觀呈流動(dòng)形態(tài)，含有較多的浮氏體，很可能為炒鐵渣，不排除是3.1小節(jié)的灌爐渣[6]。

2.4 鼓風(fēng)設(shè)施

《鐵冶志》“爐冶”篇記載：

頂后為鞴室一區(qū)，高、廣各八九尺，室置鞴二扇，扇后役夫二人，鼓其風(fēng)，注于火。晝夜不暫停，雖風(fēng)雨不避也。(8b-9a)

“鞴”是中國(guó)古代冶金鼓風(fēng)器的統(tǒng)稱。冶煉生鐵必須使用鼓風(fēng)器，以產(chǎn)生足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓。鼓風(fēng)器位于爐后，通過(guò)風(fēng)道與爐內(nèi)相通。古代豎爐冶鐵大都這樣布局。為阻礙爐口高溫和煙塵，有時(shí)在鼓風(fēng)器與爐體之間建立土墻以隔離，《鐵冶志》提到是在爐后建一工棚，高、廣各八九尺，合高、廣(寬)均在2.488—3.799m之間。豎爐一旦開(kāi)煉就日夜不能停風(fēng)，否則爐料凍結(jié)不可逆轉(zhuǎn)。選擇冬季冶煉，也是有意避開(kāi)雨水。

“扇”即木扇，是由一個(gè)箱體(轉(zhuǎn)土砌筑或木制)、木扇蓋以及附屬的活門和推拉桿組成，屬容積型單作用鼓風(fēng)器。多兩架一組，交替推拉，連續(xù)鼓風(fēng)。古代冶鐵先后使用皮囊、木扇、雙作用活塞式風(fēng)箱。木扇為全木制結(jié)構(gòu)，密封性、耐壓程度和效率高于皮囊；兩架木扇組的鼓風(fēng)速率與一個(gè)雙作用活塞式風(fēng)箱相當(dāng)；且木扇驅(qū)動(dòng)力作用點(diǎn)在扇板下部，箱內(nèi)氣體壓力對(duì)扇板的等效作用點(diǎn)在扇板中心，構(gòu)成省力杠桿，易于產(chǎn)生高風(fēng)壓。宋元以來(lái)的文獻(xiàn)中常以扇(煽)煉代指冶鐵。

木扇的圖形最早見(jiàn)于北宋《武經(jīng)總要》“行爐”圖[23]?！靶袪t”置于城墻上，熔化鐵汁攻擊敵人?！段浣?jīng)總要》“行爐”文字襲自唐李筌《神機(jī)制敵太白陰經(jīng)》，后者成書于乾元二年(759)[24]。敦煌榆林窟西夏第3窟壁畫《千手觀音變》繪制了兩個(gè)使用木扇鼓風(fēng)鍛鐵的場(chǎng)景[25]。元代成書的《熬波圖》“鑄造鐵柈(盤)”繪制了一座熔鐵爐，兩架風(fēng)扇組，4個(gè)人鼓[26]。元代王禎《農(nóng)書》“水排圖”利用水流沖擊水輪，帶動(dòng)連桿驅(qū)動(dòng)木扇鼓風(fēng)[27]。20世紀(jì)50年代，山西等地傳統(tǒng)冶鐵場(chǎng)仍在使用木扇鼓風(fēng)[28]。古代圖像記載只反映了木扇的外觀，木扇內(nèi)部還應(yīng)當(dāng)有兩個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：一是下底板內(nèi)型要做成下凹面狀，與扇蓋下沿的活動(dòng)曲面形成配合；二是出風(fēng)口安裝活門，防止?fàn)t內(nèi)熱空氣倒流。筆者曾用3DS MAX軟件復(fù)原了古代木扇的內(nèi)外結(jié)構(gòu)(圖12)，可做參考。

圖12 木扇內(nèi)部構(gòu)造三維數(shù)字模型(隱去近側(cè)面板。黃興 制圖)

3 遵化鐵廠明代煉鋼技術(shù)

遵化鐵廠煉鋼先將生鐵煉成熟鐵，再與生鐵合煉成鋼；以木柴為燃料，不用木炭。

3.1 “灌爐”煉熟鐵

“灌爐”是將生鐵脫碳煉成熟鐵或低碳鋼，屬炒鋼工藝?！惰F冶志》“爐冶”篇記載：

一、灌爐，在柴廠南，與白作爐相連。每爐高七尺，長(zhǎng)六尺五寸。下截為爐腔以入鐵，前一尺二寸，后一尺八寸。上截為井口以入柴，高一尺二寸，長(zhǎng)一尺四寸，左右各八寸，其傍有小孔，以通風(fēng)鞴。(12a)

其使用方法：

煉熟鐵，先熱灌爐。乃置生鐵于爐腔，實(shí)柴于井口，悉泥而封之。用鞴以煽，鼓其風(fēng)使注于下。柴盡更增復(fù)封而鼓之，凡五六番而鐵熟。乃用刀截鉗制而錘錘之。錘成，取白作爐所煉鐵條橫貫而系之。四塊為掛，掛合二十斤。類而稱之，以貯于庫(kù)。(《鐵冶志》，12b)

以遵化鐵冶布局圖(圖3)為參照，灌爐位于城東南角，但在鐵廠村未發(fā)現(xiàn)爐址。從描述來(lái)看，灌爐包括燃燒室(井，在上)、脫碳室(爐腔，在下)兩部分；上部鼓風(fēng)燃燒，使火焰下行來(lái)加熱、脫碳，是一種為反射爐。比單純的“地坑+鼓風(fēng)”式爐有明顯進(jìn)步。暫以1958年出版的《土法低溫?zé)掍摗?[2]，242頁(yè))西安簡(jiǎn)單反射爐(圖13)為參考來(lái)探討灌爐形制大略。

圖13 西安一種簡(jiǎn)單反射爐(單位：mm)([2]，242頁(yè))

灌爐尺寸顯著大于西安簡(jiǎn)單反射爐；脫碳室不是向下挖地坑，而是在地上爐體之內(nèi)。用“前”、“后”及長(zhǎng)度單位來(lái)描述爐腔大小，可見(jiàn)是在講爐腔的口沿，且口沿大致在一個(gè)水平面上，向上開(kāi)口，類似西安簡(jiǎn)單爐。入柴口被稱為“井口”，應(yīng)當(dāng)是豎直向下；“高一尺二寸”，約為爐高的17%，顯然不是燃燒室的高度，應(yīng)當(dāng)是口沿的高度；用“長(zhǎng)”和“左右”來(lái)描述，且左右相等，說(shuō)明是長(zhǎng)方形。據(jù)此，推測(cè)其灌爐結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 遵化鐵廠灌爐復(fù)原示意圖(側(cè)視，單位：mm。黃興 繪)

煉熟鐵時(shí)，先將爐體預(yù)熱，將柴從井口填入燃燒室，脫碳室內(nèi)放入生鐵；再次點(diǎn)燃木柴，封閉井口，從旁邊鼓風(fēng)，火焰向下進(jìn)入脫碳室將生鐵氧化、脫碳，加柴五六次后，熟鐵就能煉成。熟鐵以“刀截鉗制”，說(shuō)明呈半熔融狀；再鍛打消除孔隙，擠出夾雜物，整理成標(biāo)準(zhǔn)形狀；用鐵條穿起，5斤一塊，4塊一掛，貯藏起來(lái)。

《鐵冶志》“爐冶”篇記載了從生鐵到熟鐵的產(chǎn)出和消耗：

作熟鐵，每爐五日領(lǐng)生鐵一千三百八十斤，碎鐵二百二十斤，柴四千六百八十斤，煉出熟鐵一千三百斤。計(jì)六十六掛，每掛凡四塊。(13a)

用灌爐煉熟鐵，以五日為一單位，用生鐵料955kg，其中鐵板824kg，碎鐵131kg。為了更好脫碳，可能會(huì)將鐵板敲碎后再入爐腔；消耗木柴2 793kg，產(chǎn)出熟鐵776斤，計(jì)66掛，每掛仍約12kg?？伤愕糜缮F煉出熟鐵的產(chǎn)出率81.25%，折損率18.75%。

3.2 “白作爐”煉鋼

“白作爐”用來(lái)煉鋼，功能類似于民國(guó)時(shí)期的抹鋼爐，接近蘇鋼工藝。

《鐵冶志》“爐冶”記載：

每爐高五尺，長(zhǎng)七尺，前闊二尺五寸，后闊二尺五寸。其傍可通風(fēng)鞴。(12a)

從這段文字只能看出白作爐外形近長(zhǎng)方體；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何交代，姑且借鑒1938年重慶北碚小型煉鋼廠抹鋼爐(圖15)[29]：

圖15 重慶北碚小型煉鋼廠抹鋼爐木扇的結(jié)構(gòu)(單位：mm)[29]

《鐵冶志》“爐冶”篇對(duì)煉鋼工藝的描述很細(xì)致：

煉鋼鐵者，先成熟鐵，置白作爐，取生鐵加于熟鐵之上，鼓火以煉。俟其合下一出之，用鉗鉗制磨搽，以堅(jiān)其合。如是者九，乃斧為數(shù)段，火燒而水漂之，而后鋼鐵成。

……

折鋼鐵，每爐五日領(lǐng)生板鐵六百斤，柴四千三百二十斤，共煉鋼鐵二百五十三斤七兩五錢。(13a)

白作爐煉鋼是將生鐵置于熟鐵上一起加熱，生鐵熔點(diǎn)低，先熔化，鐵汁即將滴落時(shí)，用鐵鉗夾生鐵在熟鐵上涂抹，使其牢固熔合。如是者九次，再用斧鏨為數(shù)段，重新加熱，入水淬火，最終制成鋼制品。在此過(guò)程中，生鐵為滲碳劑向熟鐵中快速滲碳，兩者都變成鋼；液態(tài)生鐵中的碳、硅、錳等與熟鐵中的氧化物夾雜發(fā)生反應(yīng)，去除雜質(zhì)，得到純化；通過(guò)控制生鐵和熟鐵的比例還可獲得不同碳含量的鋼。

白作爐煉鋼每爐五日領(lǐng)生板鐵358kg，柴2 578kg，共煉鋼鐵151.44kg。鋼鐵是最終產(chǎn)品，比較珍貴，對(duì)其計(jì)量精細(xì)到了錢。但“爐冶”篇未交代消耗熟鐵量，損耗率無(wú)法計(jì)算，僅從生鐵來(lái)算至少高于57.7%。

3.3 “小爐”鍛鐵

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用很多種鐵質(zhì)工具，如錘、鉤、通條、鐵鋤、鐵鏟等，需要經(jīng)常修整或及時(shí)制作新器?！惰F冶志》“爐冶”篇記載：

小爐一，在大鑒爐東。高五尺，長(zhǎng)六尺，闊四尺，口五寸。凡大鑒爐所用撞鉤錘/之屬，皆于此爐修整。傍有小屋一區(qū)，以為藏器之所。(12a)

此小爐即鍛鐵爐，外形為長(zhǎng)方體，高155cm(5尺)、187cm(6尺)、闊124cm(4尺)，爐口16cm(5寸)。

根據(jù)當(dāng)前的考古發(fā)現(xiàn)和文獻(xiàn)研究，古代鍛鐵爐大致有三種。

第一種，平鋪爐。在河南鞏縣鐵生溝東漢冶鐵遺址[30]和南陽(yáng)瓦房莊東漢冶鐵遺址[31]，發(fā)現(xiàn)9座鍛鐵爐，都是平鋪在地面上，俯視平面接近長(zhǎng)方形，一般長(zhǎng)50—70cm，寬30—40cm。從上方向下鼓風(fēng)。

第二種，立式爐。在陜西咸陽(yáng)窯店鎮(zhèn)小閆村漢代冶鐵作坊遺址(7)2014年，由發(fā)掘西安市文物保護(hù)考古所發(fā)掘，筆者于2015年1月與劉海峰博士共同實(shí)地考察。發(fā)現(xiàn)一座立式鍛鐵爐，靠墻修建，下部有平臺(tái)，有7個(gè)柵格，左右寬140cm，前后深30cm，煙道借墻壁修建，高約2m；與近代仍在使用的鍛鐵爐非常接近。

第三種，方形爐，四邊隆起，其中一面較高?！稘h書》“司馬相如傳上”記載司馬相如與卓文君離家后到臨邛“盡賣車馬，買酒舍，乃令文君當(dāng)盧”。唐顏師古注曰：“賣酒處累土為盧以居酒甕，四邊隆起，其一面高，形如鍛盧，故名盧耳?！?[9]，2531-2532頁(yè))《后漢書》“孔融傳”唐李賢注：“爐，累土為之，以居酒甕，四邊隆起，一面高如鍛爐，故名爐。字或作‘壚’”。[32]明末宋應(yīng)星《天工開(kāi)物》有3幅插圖繪有鍛鐵爐[33]，外型基本相同。以“錘錨圖”(圖16)為例，其鍛爐外形與古代第三種鍛鐵爐相近，但未見(jiàn)一面高墻；可見(jiàn)古代鍛爐形制大體相近，不拘細(xì)節(jié)。明代遵化鐵廠的鍛鐵爐應(yīng)當(dāng)與《天工開(kāi)物》“錘錨圖”相近。

圖16 《天工開(kāi)物》“錘錨圖”[33]

4 比較與討論

4.1 冶煉參數(shù)

(1) 依據(jù)《鐵冶志》“爐冶”對(duì)一般情況下日入爐礦砂、日產(chǎn)鐵量以及季度入爐礦砂、產(chǎn)鐵量的記載(見(jiàn)2.2、2.3小節(jié))作綜合推算，TFe以50.4%計(jì)，就能推算出大鑒爐產(chǎn)鐵與礦砂含鐵的比例(表2)，這是衡量冶鐵水平的重要指標(biāo)之一：

表2 一般情況下大鑒爐產(chǎn)鐵與礦砂含鐵量之比

從有明確記錄的時(shí)段，即前70日和季度各項(xiàng)值來(lái)看，產(chǎn)鐵量與礦砂含鐵之比范圍43.5%—83.9%。據(jù)陳虹利分析，鐵廠鎮(zhèn)可判斷為豎爐排出的玻璃態(tài)爐渣中，F(xiàn)eo含量(Wt%)平均值10.22%(分布范圍1.51%—27.14%)，未完全玻璃化爐渣中，F(xiàn)eo含量(Wt%)平均值21.73%(分布范圍3.62%—41.86%)[6]。文獻(xiàn)記載的宏觀推算和爐渣樣品微觀檢測(cè)分析得到的數(shù)據(jù)范圍是一致的，兩者能夠很好的互相印證。

同時(shí)，隨著冶煉的進(jìn)行，產(chǎn)鐵量與礦砂含鐵之比幾乎提升了一倍。這是符合常理的。一般豎爐冶鐵初開(kāi)，爐體、土崖、周邊地下升溫、結(jié)晶水失去都需要一個(gè)過(guò)程；設(shè)計(jì)爐型向使用爐型轉(zhuǎn)變，并得以形成合理爐型也需要時(shí)日(8)根據(jù)理論分析，與爐料性質(zhì)、裝料制度、鼓風(fēng)能力形成最佳配合，使得冶煉最為優(yōu)化的爐型稱為“合理爐型”。建爐時(shí)的爐型稱為“設(shè)計(jì)爐型”，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者對(duì)爐型的認(rèn)識(shí)情況。冶煉一段時(shí)間后，爐襯乃至爐壁會(huì)被侵蝕，爐身可能會(huì)結(jié)瘤，致使?fàn)t型發(fā)生變化，此時(shí)的爐型被稱為“使用爐型”。；冶煉過(guò)程理順之后，人工操作和加料、鼓風(fēng)、出渣、出鐵制度與之越來(lái)越適應(yīng)，也能增加出鐵的比例。出鐵的比例最高能達(dá)到83.9%，是一個(gè)很了不起的成績(jī)。

此外，筆者試圖根據(jù)整季度入爐鐵砂及其含鐵量、產(chǎn)鐵量分別減去與前70日的相應(yīng)數(shù)據(jù)，計(jì)算71—90日相應(yīng)數(shù)據(jù)；算得日均入爐鐵砂量達(dá)8.1石，產(chǎn)鐵與礦砂含鐵之比為44.8%。顯然，前者不符合《鐵冶志》“漸減”之描述，后者比51—70日的數(shù)據(jù)近乎腰斬，也是不實(shí)際的。即使修正一下，將前70天的日入爐鐵砂量入位取整，71—90日的每日入爐鐵砂量仍達(dá)7.25石，產(chǎn)鐵與礦砂含鐵之比為50.25%，仍與文獻(xiàn)和實(shí)際不符。由此判斷，整季度的各項(xiàng)值與前70日的數(shù)據(jù)不配套，不是同季度的數(shù)據(jù)，不能直接相減。正如《鐵冶志》所言生產(chǎn)數(shù)據(jù)并非絕對(duì)，總有變動(dòng)。研究者需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)分析和運(yùn)用。

(2) 有效容積利用系數(shù)ηV，即單位爐容每日產(chǎn)量：

依據(jù)前述的復(fù)原，遵化鐵廠大鑒爐的容量為3.5m3。產(chǎn)鐵量歷年有高有低，“按歷歲各爐或三四萬(wàn)，或五六萬(wàn)，或七八萬(wàn)。其間蓋或有九十萬(wàn)者，但亦絕少”(《鐵冶志》，10b)。

在最高產(chǎn)量時(shí)，即正德六年呈報(bào)數(shù)，每爐90日煉鐵97 200斤(《鐵冶志》，15a)，合日鐵產(chǎn)0.645噸，則有效容積利用系數(shù)：ηV=0.184t[鐵]/(m3·d)。

在平均產(chǎn)量時(shí)，“合先后而總計(jì)之，每日約可鐵八百斤”(《鐵冶志》，9b)；合日鐵產(chǎn)0.477噸，則：ηV=0.136t[鐵]/(m3·d)。

在最低產(chǎn)量時(shí)，以90日產(chǎn)35 000斤計(jì)，合日鐵產(chǎn)0.389噸，則：ηV=0.111t[鐵]/(m3·d)。

(3)冶煉強(qiáng)度，即單位爐容每日消耗木炭質(zhì)量：

《鐵冶志》對(duì)冶煉生鐵用木炭量的記載只有一處，即郎中李銳轄廠時(shí)：“每爐每日用炭五千二百五十斤”(15b)，即每爐每日用炭合3 133kg，則冶煉強(qiáng)度：

I=0.895t[木炭]/(m3·d)

“較之前人所支實(shí)為省約”說(shuō)明這是一個(gè)較低的消耗量，其他年度所用木炭及冶煉強(qiáng)度高于此。這也說(shuō)明當(dāng)時(shí)木炭燃料短缺，盡量降低鼓風(fēng)量，以減小木炭用量。

(4)單位爐容風(fēng)量：

可參考20世紀(jì)80年代山西陽(yáng)城傳統(tǒng)犁爐冶鐵工藝參數(shù)來(lái)推算大概。據(jù)李達(dá)等人調(diào)查，華覺(jué)明的整理，該類豎爐使用木炭(櫟科橿木燒制，不燒透，保持“三茬七炭”)、冷風(fēng)、原礦冶煉生鐵，爐容1.80m3[34]，木炭耗風(fēng)量3 260m3/t[35]。假設(shè)遵化鐵廠木炭耗風(fēng)量與此相同，依據(jù)冶煉強(qiáng)度來(lái)推算，則遵化鐵廠大鑒爐：

單位爐容風(fēng)量：2.026m3/min

鼓風(fēng)量：Q=7.091m3/min

(5)噸鐵消耗木炭：

李銳在正德五年十二月至翌年十一月掌管遵化鐵冶。正德六年，郎中葉信向工部呈報(bào)“歲用大鑒爐五，每爐煉鐵九萬(wàn)七千二百斤，亦煉生鐵四十八萬(wàn)六千斤”，當(dāng)指正德五年的產(chǎn)量。李銳測(cè)定每爐日均用炭3 133kg，日鐵產(chǎn)以0.645t計(jì)，則冶煉1噸生鐵消耗木炭4.857t。李銳執(zhí)掌鐵冶期間，以“實(shí)為省約”的木炭消耗，實(shí)現(xiàn)了最高的生鐵產(chǎn)量。若都以此木炭消耗量來(lái)計(jì)算，則多年的情況如下：

平均消耗量：以日鐵產(chǎn)0.477t計(jì)，則冶煉1噸生鐵消耗木炭6.568t。

最高消耗量：以日鐵產(chǎn)0.232t計(jì)，則冶煉1噸生鐵消耗木炭13.504t。

4.2 爐型技術(shù)

遵化的冶鐵豎爐水平截面呈長(zhǎng)方形，是一種比較少見(jiàn)的爐型結(jié)構(gòu)。自2009年來(lái)，筆者參與考察了國(guó)內(nèi)現(xiàn)存的絕大多數(shù)古代冶鐵豎爐(38座)，早至戰(zhàn)國(guó)晚期，遲至清代。這些豎爐的水平截面多數(shù)是圓形；少數(shù)是長(zhǎng)方形；個(gè)別為橢圓形，如河南古滎漢代冶鐵豎爐([35]，131-133頁(yè))；乃至半圓形，如四川榮縣曹家坪宋明時(shí)期冶鐵豎爐([35]，112-114頁(yè))。長(zhǎng)方形豎爐的還有黑龍江阿城金代冶鐵遺址4座[36]，北京延慶大莊科遼代冶鐵遺址群水泉溝遺址2座[37]、漢家川遺址3座([35]，106-108頁(yè))，但其爐容都不超過(guò)2m3。大莊科遺址群的5座冶鐵豎爐除了水平截面是長(zhǎng)方形，爐型其余要素，如垂直方向的爐型曲線、爐后鼓風(fēng)、進(jìn)風(fēng)口位于爐腹等明顯吸收了中原地區(qū)的爐型技術(shù)。

將冶鐵豎爐的水平截面設(shè)計(jì)為橢圓形、長(zhǎng)方形、半圓形，意在減小風(fēng)口到爐心的距離，氣流更容易到達(dá)，爐內(nèi)溫度能夠均勻分布。河南古滎漢代冶鐵豎爐爐體直徑太大，故而創(chuàng)新性地建了橢圓形豎爐；其他非圓形豎爐的爐徑并不是很大，很可能是出于鼓風(fēng)壓力不足。在冶鐵場(chǎng)中，鼓風(fēng)是最耗費(fèi)人力的工作，由此可見(jiàn)東漢杜詩(shī)發(fā)明的水排貢獻(xiàn)之巨大。然而由于水流的季節(jié)性、冰凍等原因，很多冶鐵場(chǎng)往往無(wú)法使用水排；由此影響了鼓風(fēng)能力，降低了冶煉強(qiáng)度，進(jìn)而影響單位爐容產(chǎn)量。遵化鐵廠以“每爐每日用炭五千二百五十斤”這個(gè)較為節(jié)省的量來(lái)計(jì)算，其冶煉強(qiáng)度為0.895t/(m3·d)，明顯低于20世紀(jì)50年代云南羅茨豎爐的冶煉強(qiáng)度1.069t/(m3·d)，更低于20世紀(jì)80年代山西陽(yáng)城犁爐的冶煉強(qiáng)度1.870t/(m3·d)([35]，150-151頁(yè))，導(dǎo)致單位爐容產(chǎn)量也低于后兩者。這其中也有遵化鐵廠冶煉規(guī)模大，木炭資源過(guò)度消耗，導(dǎo)致燃料不足，只得降低冶煉強(qiáng)度的因素。

筆者近年來(lái)多次參加古代豎爐冶鐵模擬實(shí)驗(yàn)(9)2013年山西陽(yáng)城古代豎爐冶鐵模擬試驗(yàn)，2017年、2018年四川臨邛四川大學(xué)豎爐冶鐵模擬實(shí)驗(yàn)。，所用豎爐水平截面有圓形也有方形，發(fā)現(xiàn)在與爐壁相接觸的邊緣區(qū)域，木炭堆積的孔隙度明顯大于中心位置，導(dǎo)致煤氣順著爐墻快速上升，既容易侵蝕爐壁，也縮短了煤氣與礦石的接觸時(shí)間，影響加熱和還原礦石。相比于圓形，方形橫截面豎爐的四個(gè)拐角處情況會(huì)更嚴(yán)重。這是方形橫截面豎爐與圓形豎爐相比一個(gè)很明顯的不足。遵化鐵廠大鑒爐也會(huì)面臨此問(wèn)題。對(duì)此，可以在加料的時(shí)候人工控制，將大塊木炭倒入中心，形成較大孔隙度；將小塊木炭倒在周邊，引導(dǎo)煤氣向中心發(fā)展。近代高爐布料在爐頂加一個(gè)圓錐筒狀料鐘，尖端向上。爐料先沿著料鐘外表面滑向四周，落入爐內(nèi)后，大塊爐料更容易滾落，進(jìn)入爐心，四周接近爐壁處則是小塊爐料。遵化鐵廠大鑒爐也應(yīng)當(dāng)通過(guò)人工控制爐料分布，引導(dǎo)爐內(nèi)煤氣向中心發(fā)展。

從筑爐材料、爐體強(qiáng)度和爐型相結(jié)合的角度來(lái)看。根據(jù)筆者的長(zhǎng)期調(diào)查和總結(jié)，唐代以前各地的冶鐵豎爐都用夯土筑成，唐代以后北方普遍采用石塊圍砌，南方依然用夯土筑成([35]，64-124頁(yè))。劉海峰等對(duì)河南西平、山東臨淄與章丘、北京延慶、山西陽(yáng)城冶鐵模擬實(shí)驗(yàn)所用爐體材料的成分做了深入分析，也有同樣的觀點(diǎn)[38]，并認(rèn)為材料變化預(yù)示著建爐工匠從陶瓷部門分離出來(lái)，更加專業(yè)化[39]。就豎爐爐型而言，若選料合適，石材的耐侵蝕、耐高溫、抗剪力等性能都勝過(guò)夯土，石砌豎爐的爐腹角可以建得更小，爐腹更加寬敞、爐喉收縮更加明顯，有利于爐體保溫和爐料順行。但小石塊受侵蝕后容易松動(dòng)、脫落，需要用大石塊來(lái)砌筑，明代遵化鐵廠大鑒爐用“牛頭石”砌筑爐身，河南焦作麥秸河北宋豎爐爐腰以上的石塊更大([35]，94-96頁(yè))，都是這個(gè)道理。用大石塊砌筑小容量豎爐，為了減小石塊間的縫隙，其水平截面自然就砌成了方形。

4.3 脫碳制鋼技術(shù)

中國(guó)古代生鐵脫碳有鑄鐵脫碳和炒鋼(炒鐵)兩種工藝。前者是將板條狀生鐵在氧化、高溫下以固態(tài)從表面脫碳成鋼，至遲出現(xiàn)于戰(zhàn)國(guó)初期，如河南登封陽(yáng)城戰(zhàn)國(guó)早期遺址出土熟鐵和中低碳鋼。炒鋼至遲出現(xiàn)于戰(zhàn)國(guó)晚期[40]，是將生鐵加熱至半熔融狀態(tài)并加以攪拌，氧化脫碳，Si、Mn等氧化形成夾雜物，再鍛打除雜，效率顯著提高。在河南南陽(yáng)瓦房莊[31，41]和鞏縣鐵生溝漢代遺址([30]，2-4頁(yè))、北京延慶大莊科遼代遺址群[37]、成都蒲江縣鐵溪村南宋遺址都發(fā)現(xiàn)炒鋼爐遺跡；但只剩下“鍋”狀爐底，上部缺失，難考全貌(10)2018年成都市文物考古研究所發(fā)掘，調(diào)查組成員有陳建立、黃興、楊穎東、王冬冬等。。明代《天工開(kāi)物·五金》“生熟鐵煉爐圖”中的炒鐵爐是方塘狀，尚未發(fā)現(xiàn)考古實(shí)例。20世紀(jì)50年代多地有簡(jiǎn)易炒鋼爐，上方加半圓罩，頂部鼓風(fēng)，側(cè)面攪拌。2018年筆者參與北京大學(xué)冶金考古夏令營(yíng)時(shí)，在陜西周原博物館范鑄工藝研究所開(kāi)展炒鋼試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)炒煉時(shí)生鐵放熱很少，溫度下降很快，導(dǎo)致鐵料凝固，難以持續(xù)；若在鐵料中加入木炭，燃燒升溫，又會(huì)引起滲碳。

《鐵冶志》明確描述了遵化鐵廠的反射式炒鋼爐具有重要的史料價(jià)值；其以火焰加熱生鐵，能維持高溫，避免凝固，快速脫碳是一個(gè)重要的技術(shù)進(jìn)步。文中沒(méi)講到攪拌生鐵，如果不是記述遺漏，那就是溫度足夠，火焰能包圍鐵料，不需或稍微攪拌即可。

17世紀(jì)初，北歐和西歐開(kāi)始用生鐵冶煉熟鐵。用炒鋼法冶煉熟鐵始于英國(guó)，用改進(jìn)了的反射爐進(jìn)行炒鋼，時(shí)稱“震撼大地”的變化，一直用到1930年左右。

遵化鐵廠“白作爐”采用生熟鐵合煉成鋼，屬于灌鋼的演變。與明唐順之《武編·前編》卷5記載的“熟鋼”完全一致：

熟鋼無(wú)出處，以生鐵合熟鐵煉成。或以熟鐵片夾廣鐵鍋涂泥，入火而團(tuán)之。或以生鐵與熟鐵并鑄，待其極熟，生鐵欲流，則以生鐵于熟鐵上，擦而入之。此鋼合二鐵，兩經(jīng)鑄煉之手，復(fù)合為一，少沙土糞滓，故凡工煉之為易也。……此二鋼久煉之，其形質(zhì)細(xì)膩，其聲清甚。[42]

生熟鐵在開(kāi)放的環(huán)境中擦拭，會(huì)將其中的雜質(zhì)氧化、排出，而不僅是控制碳含量和分布，比宋代灌鋼法有了明顯的進(jìn)步。明清時(shí)期蕪湖、清代中期湘潭、近代四川、重慶北碚(1938年)等地流行的蘇鋼工藝則更進(jìn)一步，將生鐵完全熔化滴落到熟鐵上(而非涂抹)，進(jìn)一步減少雜質(zhì)，硫、磷的含量也很低。但重慶北碚的這種爐子仍然被稱為“抹鋼爐”，顯然是延續(xù)了傳統(tǒng)的名稱。蘇鋼顯然是在這種“白作爐”制鋼工藝(或“熟鋼”)上發(fā)展起來(lái)的。

唐順之(1507—1560)生活在明代嘉靖年間，即這種煉鋼法至少在16世紀(jì)前葉已經(jīng)出現(xiàn)了([3]，629頁(yè))?！惰F冶志》對(duì)遵化鐵廠的“白作爐”工藝描述與“熟鋼”之法與《武編·前編》基本一致，進(jìn)一步表明這種工藝在正德八年之前已經(jīng)成熟。

4.4 木炭危機(jī)

遵化鐵廠的木炭危機(jī)并非個(gè)例。有史以來(lái)，人類開(kāi)墾耕地、使用木材、燃燒木料等活動(dòng)導(dǎo)致森林覆蓋率不斷降低。自15世紀(jì)初，明帝國(guó)遷都北京，新建宮殿、民居，生活使用木料，官民取暖、冶鐵等，導(dǎo)致這一問(wèn)題日漸突出。

明初，燕山地區(qū)森林資源尚屬豐富。明代馬文升(1426—1510)《為禁伐邊山林木以資保障事疏》云，弘治以前“自偏頭、雁門、紫荊、居庸關(guān)、潮河川、喜峰口直至山海關(guān)一代，延袤數(shù)千里，山勢(shì)高險(xiǎn)，林木茂密，人馬不通，實(shí)為第二藩籬”([17]，528頁(yè))。但后來(lái)采伐森林日漸嚴(yán)重，“林區(qū)被延燒者一望成灰，砍伐者數(shù)里如掃”，“百家成群，千夫?yàn)猷?，逐之不可，禁之不從?[17]，4513頁(yè))。太行山、燕山地區(qū)林木資源迅速減少；海河流域水分涵養(yǎng)能力下降，生態(tài)失衡、水土流失，災(zāi)害頻仍[43]。成化年間，丘濬(1418—1495)《守邊議·種樹(shù)》中提議把禁伐與植樹(shù)、樵采三者結(jié)合，在邊關(guān)“沿山種樹(shù)，一以柴炭之用，一以為邊寨之敝，于以限敵之馳騎，于以為官軍之伏地”，建議政府設(shè)員種植、看護(hù)樹(shù)木，安排罪犯種樹(shù)，作為懲罰([17]，617-619頁(yè))，但未被采納。政府出于邊防安全，也曾大力禁伐邊林，但邊境稍安，官盜勾結(jié)砍伐邊林之事就會(huì)增多，這些空地又多被權(quán)貴們?nèi)φ?。再加上明代中后期起進(jìn)入小冰期，全球氣候變冷。明代北方木炭危機(jī)涉及到資源、環(huán)保、氣候、社會(huì)管理能力和權(quán)貴利益等諸多層面，這是當(dāng)時(shí)無(wú)法解決的難題。

丘濬還建議推廣以煤代薪取暖，然未見(jiàn)其提出以煤煉鐵。中國(guó)古代用煤的歷史可追溯到很早。北魏酈道元《水經(jīng)注》卷2引公元4世紀(jì)《釋氏西域記》，記載屈茨(今新疆庫(kù)車)取石炭冶鐵[44]。北宋蘇軾就任徐州曾作詩(shī)《石炭(并引)》(1078)贊頌用煤鍛鐵[45]。明清之際《物理小識(shí)》(1650年前后)[46]、《顏山雜記》(1664)都有用焦煉鐵的記載[47]。但在豎爐中直接用煤煉鐵難度很大。煤在高溫下會(huì)變軟、松散，難以支撐爐料。近年來(lái)筆者在湖南桂陽(yáng)礦冶考古夏令營(yíng)時(shí)用豎爐和煤煉鉛，發(fā)現(xiàn)煤的密度遠(yuǎn)大于木炭，導(dǎo)致?tīng)t缸壓力增加，鼓風(fēng)、排渣困難；清爐門、捅風(fēng)口難度顯著增加；且同等爐容所需風(fēng)量增加，易導(dǎo)致燃燒不充分爐溫下降。有研究者提出古文獻(xiàn)所記載用煤煉鐵不排除是塊煉鐵、坩堝煉鐵或鑄鐵、煉鋼[48]。但事情常有例外，山西陽(yáng)城曾長(zhǎng)期使用“白煤”(高品質(zhì)無(wú)煙煤)煉鐵。無(wú)煙煤固定碳含量高，揮發(fā)分產(chǎn)率低，密度大、硬度大、燃點(diǎn)高、發(fā)熱量高。李延祥等人考察河北邯鄲峰峰礦區(qū)西爐上元代冶鐵遺址，發(fā)現(xiàn)爐渣中有大量焦化煤塊殘留，爐渣成分中有大量硫化亞鐵，而含鉀量偏低。這是用煤煉鐵的有力證據(jù)[49]。但新的問(wèn)題隨之而來(lái)，煤中的S滲入鐵中先后生成FeS、FeS+Fe(熔點(diǎn)989℃)，后者以離異共晶的形式分布在晶界上。鐵器熱鍛、使用中溫度過(guò)高，F(xiàn)eS+Fe共晶熔化，導(dǎo)致鋼開(kāi)裂(熱脆)。明代中期以后，南方冶鐵品質(zhì)逐漸超越北方。正如明萬(wàn)歷《神器譜》記載：“制銃須用福建鐵，他鐵性燥不可用。煉鐵，炭火為上；北方炭貴，不得已以煤火代之，故迸炸常多?！盵50]

16世紀(jì)歐洲也遇到燃料危機(jī)，17世紀(jì)有人嘗試實(shí)用坩堝裝煤煉鐵未獲成功。17、18世紀(jì)之交，英國(guó)人達(dá)比(A. Darby)發(fā)明并逐漸改進(jìn)煉焦技術(shù)。籍此，人們先后改用蒸氣機(jī)帶動(dòng)機(jī)械鼓風(fēng)，改善爐型等，通過(guò)一系列的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新最終形成了一個(gè)新的技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了煉鐵燃料的轉(zhuǎn)化，為工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)?？上鞒肃笥趥鹘y(tǒng)技術(shù)，沒(méi)能做出類似的技術(shù)革新。

5 結(jié) 語(yǔ)

借助《鐵冶志》中對(duì)鋼鐵技術(shù)的文獻(xiàn)記載，與田野發(fā)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)室分析相互補(bǔ)充、印證，再借助計(jì)算和復(fù)原，可以清晰地揭示出遵化鐵廠的采礦、生鐵冶煉、脫碳、制鋼技術(shù)，測(cè)算鋼鐵產(chǎn)品的產(chǎn)能與產(chǎn)量，以及對(duì)木炭和林木資源的消耗等。這些發(fā)現(xiàn)表明了遵化鐵廠上承燕山地帶遼金時(shí)期豎爐冶鐵技術(shù)，應(yīng)用了反射式炒鋼爐脫碳，進(jìn)一步發(fā)展了灌鋼技術(shù)，與近代蘇鋼工藝非常接近。15—16世紀(jì)，遵化鐵廠的鋼鐵技術(shù)及其大規(guī)模冶金活動(dòng)的管理和運(yùn)營(yíng)能力在全世界的范圍內(nèi)仍然保持領(lǐng)先。遵化鐵廠為增強(qiáng)明朝軍事力量，抵御北方民族軍事入侵，維護(hù)國(guó)家安全提供了有力支持。

從《鐵冶志》也可以看出傳統(tǒng)冶鐵業(yè)所蘊(yùn)藏的危機(jī)。鋼鐵生產(chǎn)消耗大量木炭，所需的硬質(zhì)林木資源短期內(nèi)不可再生，導(dǎo)致成本日益增加。這在各地普遍存在。盡管煤煉鋼在南北朝已見(jiàn)文獻(xiàn)記載，北宋煤煉鐵遺址也有發(fā)現(xiàn)，但未見(jiàn)繼續(xù)發(fā)展和推廣，限制了鋼鐵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。遵化鐵廠的鋼鐵技術(shù)囿于傳統(tǒng)知識(shí)體系、社會(huì)生產(chǎn)體系和市場(chǎng)體系中，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上未能形成突破性發(fā)展，帶動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力全局進(jìn)步。這也是明清時(shí)期傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)展普遍狀況。

因篇幅所限，本文以研究遵化鐵冶鋼鐵技術(shù)為主，對(duì)遵化鐵冶的組織管理、人員配置、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)及影響和貢獻(xiàn)等另文探討。

致 謝陳虹利博士為本文提供了重要數(shù)據(jù)和圖片，潛偉教授、李延祥教授帶領(lǐng)作者及王啟立、陳虹利、李潘考察遵化鐵廠，鄭誠(chéng)博士提供重要文獻(xiàn)資料并做文字潤(rùn)色，鄒大海研究員、潘澍原博士提供了寶貴意見(jiàn)，吳同協(xié)助測(cè)量，審稿專家為文本貢獻(xiàn)了重要的修改意見(jiàn)。深表謝意!