铁元素在地壳中的含量约占 4.2%，仅次于氧、硅及铝。铁兼具强度与韧性，且可使用淬火、退火等工艺，在较宽广的范围内予以调节。铁器产品质优、价廉、适应性强，能用作各类兵器、构件和日用器具，在古代是其他金属和非金属材料所不能比拟的。铁器最终取代石器和青铜器，使人类步入社会经济文化大发展的时代。因此，考古学“三期说”将铁器的生产能力、制作效率和性能水平视为判断古代社会生产力发展程度的重要标志，将铁器工具的意义提高到了划分人类社会文明阶段的高度。现代社会中，钢铁产量也是衡量一个国家生产力的重要标志。

　　把铁从矿石中冶炼出来，是钢铁生产中最重要的环节之一。古代冶铁最初采用块炼法，使用碗式炉或低矮的竖炉，炉温约 1000℃，产品为固态的疏松海绵状熟铁，中间夹杂着渣，经过反复锻打、除渣，最终制作成铁器。中国境内发现的早期人工冶铁制品，如甘肃省临潭县陈旗乡磨沟村发现的公元前 14 世纪齐家文化时期的铁器、新疆多地发现的公元前 9 世纪铁器、河南三门峡上村岭发现的春秋早期虢国墓地部分铁刃铜器，都属于块炼铁或块炼渗碳钢制品。

　　生铁冶炼是更为高效的冶铁方式，是冶铁领域的一项重大发明。山西天马—曲村发现的公元前 8—公元前 6 世纪的生铁残片是最早的考古依据；公元前 5 世纪时中国已经普遍用生铁铸造铁器。

　　冶炼生铁的方法是建立高大的竖炉，用鼓风器强力鼓风，炉温高达 1400℃以上；矿石中铁被还原出来，并在高温下急剧渗碳，熔点降低，变成液态；用石灰石、萤石等作为助熔剂，与矿石中的二氧化硅等生成液态炉渣。液态的渣和铁在炉缸中可以自然分层，再先后从铁口放出来。用竖炉可以连续冶炼生铁，产量高，杂质少，为下游产业提供了物美价廉的原材料，极大地促进了农业、手工业、军事装备、交通等各领域的发展，对中国古代社会文明程度长期领先于世界各国，以及维系中华文明的传承和发展产生了重要影响，是中国古代最重要的系统性发明之一。

　　根据目前的考古发现，欧洲直到 12—13世纪才开始有意识地建立竖炉冶炼生铁，比中国晚了整整 2000 年；此后，西方在竖炉基础上逐渐发展出高炉冶铁，为工业及其以后社会生产提供了有力的物质保障，世界格局随之剧变。

　　用竖炉冶炼生铁必须要有合适的炉型。炉型是指炉体内腔的大小和形制，它要与炉料条件和操作制度相适应，导引炉料、气流与热量合理运行及分布，实现“稳定、顺行、高产、低耗、长寿”等生产目标，获得最佳的冶炼效果。炉型含有丰富的技术内容，对于生铁冶炼能否顺畅、高效进行起到关键作用。炉型是生铁冶炼技术乃至古代生铁及生铁制钢技术体系的核心技术之一。

　　现代高炉多采用五段式炉型。这是在炉料制备工艺、冶炼操作制度高度发展基础上，与炉型互相适应的优化方案。关于古代竖炉炉型，前人研究一般认为，早期炉型继承于春秋时期的冶铜竖炉，从汉始新出现多种炉型，其特征主要体现于炉容、竖直截面与水平截面形状等方面。而对古代冶铁竖炉炉型的形状与类型、技术特征、演变及原因等很多内容尚未研究清楚。由此导致从铁的生产角度，对整个古代冶铁技术发展历程认识不够深刻。这与古代几乎遍布全国、延续 2000 多年的生铁冶炼业很不相称。究其原因，主要是古代冶铁竖炉的炉址多不完整，且缺乏系统性、基数性调查；研究古代炉型对炉内冶炼的影响方式只能凭借经验和想象，缺乏有效的科学手段。

　　笔者于 2009 年进入北京科技大学科学技术史专业就读博士研究生，在导师潜伟教授的指导下，选择了“中国古代冶铁竖炉炉型研究”为博士学位论文选题，从调查复原、数值模拟、冶铁试验、综合研究等多层次开展了大量工作。

　　在考古工作者、冶金史专家和课题组其他成员的支持与协助下，我们先后调查了国内当时已发现的 42 处古代冶铁遗址；结合古文献记载、考古资料和遗迹现象，将这些冶铁竖炉的炉型归纳为六型九式。

　　本书在冶金史领域首次引入了现代冶金领域常用的计算流体力学（computational fluid dynamic，CFD）方法，对炉内气流场进行数值模拟和分析。设计了古代竖炉气流场“极限值+合理值”三维模拟、“分层带”二维模拟的两步模拟方案，根据遗迹现象、传统竖炉生产数据和小型高炉解剖结果建立边界条件，对气流场进行了数值模拟，科学化、可视化和半定量地分析了炉型对冶炼的影响，取得了一系列突破性认识。

　　在多方支持下，我们以炉址现状较好、研究较为充分的延庆水泉沟 3 号炉冶铁炉为蓝本，在山西阳城实地砌筑冶铁竖炉、开展冶铁模拟试验，进行炉体解剖，得到了大量数据和深刻认识，验证了复原所依据的炉内冶炼遗迹及其形成机理，以及数值模拟的建模方法与参数设置。在这些工作基础上，对古代炉型技术内涵和炉型演变作了综合探讨。

　　时至今日，那些曾经推动中华文明发展的古代冶铁竖炉多数已经不复存在，只有少量留存下来。这些竖炉如同一座座丰碑，依然矗立在田间地头，成为一种历史见证和精神象征。我们怀崇敬之情，以中国古代竖炉炉型为研究对象，从考古和技术史的视野来揭示其所凝聚的古人智慧、特殊价值和背后的历史兴衰。

　　本文摘编自《中国古代冶铁竖炉炉型研究》（黄兴、潜伟著）前言部分，标题和内容有调整。语音播报为智能生成，如有疑问请以文本为准。科学创造未来，人文温暖世界。在科技引领发展的时代，与您共同关注科技史、科技哲学、科技前沿与科学传播，关注人类社会的可持续发展。科学人文在线，创造有价值的阅读！欢迎关注、点赞、留言、转发、参与赠书活动，联系邮箱：

　　生铁冶炼技术是中国古代一项事关国计民生、具有世界性影响力的重大发明，竖炉炉型是决定生铁冶炼能否成功的关键因素。

　　十余年来，作者实地考察和复原了国内现存的绝大多数古代冶铁竖炉， 提出“六型九式”炉型分类、分期方案；设计了三维“极限值+合理值”与二维“分层带”的两步方案，应用计算流体力学方法模拟分析不同炉型对炉内气流和冶铁过程的影响；在山西阳城开展古代竖炉冶铁试验，验证了考古发现和数值模拟的关键结论，

　　炉型与燃料、鼓风、建炉材料之间的影响机制；深入研究和阐释了生铁冶炼技术这一中华优秀传统文化。

　　黄兴，中国科学院自然科学史研究所副研究员、硕士生导师，主要从事古代冶金史、指南针史、技术史数字仿线项，获中国博士后科学基金特别资助、中国科学院及科技部优秀科普奖多项。

　　潜伟，北京科技大学科技史与文化遗产研究院院长、教授、博士生导师。国务院学位委员会学科评议组成员、兼任中国科学技术史学会理事长，研究方向为冶金技术史、工业遗产、科技与社会。返回搜狐，查看更多