中国先秦“冶铁术”有三种,即块炼铁、坩埚炼铁、高炉炼铁。其中,块炼铁得到的是海绵状固体,后两者可以得到液态生铁。

1976年,在湖南长沙杨家山65号墓,考古出土的春秋晚期铁鼎。铁鼎器型复杂,不可能“锻造”成型,必然是“铸造”而成。所谓“铸造”,就是将铁水倒入模具中冷却成型。

1990年,在河南三门峡市虢国墓中,是西周晚期至春秋早期的诸侯国公墓,考古发现“玉柄铁剑”。除此之外,春秋战国秦朝遗址中,也出土了很多铁制武器,以及铁制农具。总之,战国末期中国铁器使用已经比较普遍。

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问题在于:秦始皇陵兵马俑考古表明,秦朝绝大部分兵器仍然是青铜所铸,铁制武器只占极少部分,那么秦朝为何仍以青铜兵器为主?正常来说,铁器优于青铜,那么此前以青铜为主的秦国,为何能打败可能更多列装铁制武器的关东六国?

其实,块炼法、坩埚、高炉,这三种炼铁方法,对秦朝来说并不是问题,但问题是就当时的技术条件而言,这三种方法各有利弊,这就决定了秦朝以青铜兵器为主。

需要注意的是,铁中含碳量多少,往往决定了其性能。生铁含碳量高于2%,熟铁含碳量低于0.05%,钢含碳量介于0.05-2%之间,又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

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首先是块炼铁

块炼铁需要密封炉子,在上面开个洞排气,因此脱碳速度超过氧化速度,脱碳相对比较充分,最终冶炼出来的铁含碳量低,经过锻打后,有时也能得到相对优质的武器。但缺点明显,主要有以下三个:

其一,这种方法炼铁,最高炉温理论能达1150℃,大多数情况下保持在800-1000℃,因此冶炼的铁无法融化,只能形成海绵状的固体,杂质较多,质软,只能锻,不能铸。即每一件铁器,都是锻打而来,效率太低,很难大规模使用;同时,也没办法打造复杂铁器,比如合身的盔甲等。

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其二,成本太高。块炼法需要毁炉取铁,一个炉子只能用一次,生产效率低,成本又高;对矿石浪费严重,现代技术对欧洲和中国的矿渣进行了检测,发现欧洲块炼法矿渣中的氧化亚铁和三氧化二铁比例高达40%-70%,汉代高炉或坩埚冶炼的矿渣中则低至3.74%。

其三,块炼铁是关起门来炼,是好是坏听天由命。

综合这几点来说,虽然块炼铁有时也能得到优质兵器,但弊端太过明显,需要大规模列装武器的秦朝,肯定不会选择这种方式炼铁。

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其次生铁冶炼法

坩埚冶铁、高炉冶铁,都能得到液态生铁,故而统称为“生铁冶炼法”。这两种方法都始于春秋战国,西汉时盛行。

这种方法炼铁,需要使用鼓风机提高炉温,最终得到的含碳量超过2%的液态生铁,倒入相应模具中可冷却成型。显然,相对于块炼铁,这种方法效率极高、成本又低。但问题是,这种方法弊端也很明显。

由于得到的是含碳量高于2%的生铁,虽然坚硬、耐磨、铸造性好,但脆而不能锻压,简而言之就是性脆易折。铸造成农具还好,铸造成兵器问题就多了。

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对此,最迟战国时期,中国古人研究出了改进办法,即“铸铁柔化技术”:将铸件在高温下长时间进行加热,使其化合碳发生变化,从而改变它的材质和性能。其中一个办法是将铸件烧软,然后加以锻打,通过这种处理的铸铁叫可锻铸铁。通过这种技术,中国古人做出了白心韧性铸铁和铸铁脱碳钢。

然而,这种方法还是存在不少问题:其一,后期柔化处理,耗费人力物力巨大,远不如直接铸造青铜兵器效率高;其二,所得铁器性能不一,还有铸造时产生的孔洞缺陷难以消除等;其三,任何技术的进步与普及(“普及”非常重要),都有一个过程,不可能一蹴而就,秦朝就处在铁器与青铜大变革之际,如果秦朝延续时间再长一点,完善相关技术,或许就会开启完全铁制兵器时代。

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整体而论,当时制造铁制兵器对比青铜没有足够的优势,所以秦朝仍以铸造青铜兵器为主,铁制兵器为辅,所以秦军使用青铜兵器依然战无不胜,但对于农具而言,要求不高,故而春秋战国时铁制农具大发展,中国农业也出现飞跃,而这又让战国战争力度与规模进一步提升。

汉朝之后,随着冶铁技术进步与普及,其中炒钢法也得到普及,于是西汉时铁制兵器性能超过青铜兵器,导致后者被完全取代。此后,最迟东汉晚期,中国又发明了灌钢法。

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搞清楚了这个问题,再看西方历史,还能有一些意外发现。

因为,欧洲14世纪后开始冶炼生铁,16世纪后才普及,在此之前使用的“块炼铁”,威风凛凛的古罗马就一直使用这种方法炼铁(没有史料和考古说古罗马大规模使用青铜兵器)。同时,据说亚历山大东征使用的也是铁制兵器,以欧洲冶铁技术发展来看,使用的必然是块炼法。

然而,上文已经说明块炼铁的弊端,注定难以大规模列装兵器,也锻造不出复杂的盔甲(可能少量锻造出粗糙的盔甲,但大规模的不可能)等。即便大规模的块炼铁,但背后也需要大量锤子,也需要大量人力锻造,而这些人要吃饭,如此又会涉及到粮食生产与供应问题等。

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没有打造足够兵器的能力,如何能有野心勃勃的纵横欧亚非的罗马帝国,如何能有亚历山大东征奇迹?

因此,从冶铁技术角度看,西方的古罗马叙事必然存在大量水分,更与汉朝无法相提并论,至于亚历山大东征问题则更多。