汉代冶铁技术

在古代中国，铁的使用时间晚于金和铜；在古代世界，中国冶铁技术的起步晚于赫梯王国（小亚细亚东部的国家）和两河文明（底格里斯河和幼发拉底河之间的西亚文明）。所以，无论是在中国古代科技的语境里，还是在世界冶铁史的发展中，中国的“铁器文明”都属后起之秀。但是，铁的优良性能一旦被中国古人破晓，便使“铜”不得不望其项背，走下了“唯我独尊”的神坛；而冶铁技术一旦被中国古人掌握，便不断被创新升级，科技含量一路扶摇直上，在整个冶金史中独领风骚。

铁自身的化学性质命中注定它只能做后来者，因为在自然界中，铁难以单质的形式存在，相对于金和铜而言，自然不易被发现。但是铁在自然界中分布广泛的潜在优势，又致使它蕴含有不可估量的生产力因素。

在中国科技馆“华夏之光”展厅里，便有仿制的汉代冶铁炉，此展项依托河南郑州古荥镇冶铁遗址出土的冶炉复原缩小而成，用于模拟古人冶炼熟铁和生铁的过程。

生铁和熟铁的区别主要在含碳量的不同，生铁含碳量高，熟铁含碳量低。生铁与熟铁的冶炼技术迟至春秋中期便日臻成熟，二者在原料、燃料选择，以及冶炼工艺等方面均无大异，不同的关键在于对炉温的要求。如果炉温只能满足1000℃的环境，则形成块状的熟铁；如果炉温能够达到1200℃，便形成液态的生铁，从炉底流出。

铁矿石在入炉前要利用铁砧进行打碎，通过筛选后与木炭一层夹一层地叠放入炉中，然后鼓风冶炼即可。提高炉温是冶铁技术的关键所在，因此，冶炉与鼓风设备的技术改良，是古之匠人毕生努力的方向。

古人对冶炉进行改造时，一方面增大炉缸的体积，另一方面，则是把炉膛设计成椭圆形，如此便可以把空气轻松地送达炉缸的中心位置，为碳的充分燃烧提供有利条件。

对鼓风装置进行改造时，一方面增加鼓风器及入风口的数量，另一方面则是创新动力来源，加强风压。

西汉时期竖炉所用的鼓风皮囊，学名叫“橐（tuó）”，又称“冶橐”或“炉橐”。山东滕县宏道院画像石有此形象，橐的内部装有撑环，两端装有挡板，用风管与炉连接。西汉时期的竖炉通常装有四个通风口，每个通风口又可使用四个皮橐鼓风，这样炉膛内部便会有四面来风的效果，把炉温提高至1200℃便不再是难题。

鼓风皮橐的动力方式，最开始为人力，随后出现畜力，至东汉初期开始使用水力。在最初的“人力”和“畜力”阶段，只能靠增加人畜数量来满足工作效率的需求。从上述画像石中所传达的信息来看，一个皮橐至少需要两人同时操作，一人负责推拉皮橐进行鼓风，另一个人卧于皮橐下面负责皮橐的复位，因此不难得知，使用皮橐的数量越多，占用的人力也就越大。

如果采用“畜力”的方式，一般会选用马匹来担当主角，所以此种鼓风设备又常被称作“马排”。《三国志.魏书.韩暨传》中有：“旧时冶作马排，每一熟石用马百匹”的记载，虽然“百匹”之说不免有些夸张，但也可间接得知所用畜力不在少数。

至东汉初年利用水力的水排出现，人力和畜力便逐渐从鼓风劳动环节中解放出来，使冶铁机械化程度进一步加深，提高冶铁效率的同时，铁的质量也有了质的飞跃。看来，《后汉书.杜诗》中：“建武七年（公元31年），南阳太守杜诗造水排，铸为农器，用力少而见功多，百姓便之”的记载并非虚言。