毛衛(wèi)民：北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向包括多晶體材料晶體學(xué)各向異性的形成與利用、電工鋼材料學(xué)原理及新型電工鋼品種的開發(fā)研究、高強(qiáng)度鋼材各向異性的開發(fā)與利用等。負(fù)責(zé)完成10多項(xiàng)國家級材料科研項(xiàng)目以及大量企業(yè)工程研究項(xiàng)目，在國內(nèi)外刊物上發(fā)表200余篇學(xué)術(shù)論文，出版學(xué)術(shù)專著6部、教材6部。

陜西寶雞市周原遺址出土的青銅器。資料照片

表1 鐵器時(shí)代前中西方銅器使用量差異示意圖

鐵器時(shí)代之前的銅器時(shí)代

進(jìn)入鐵器時(shí)代之前，人類文明處于銅器時(shí)代，且中西方在銅器生產(chǎn)和使用上存在著巨大的差異，這種差異，我們可以通過表1的簡易圖表，對其有直觀的掌握。

對人類文明產(chǎn)生巨大影響的材料技術(shù)，其關(guān)鍵要素不僅包括新技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間的早晚，更重要的是大量使用這種材料的規(guī)模。公元前5000年—公元前4000年期間，中西方均出現(xiàn)了人工冶銅技術(shù)。在伊朗、敘利亞、埃及等地考古發(fā)現(xiàn)了約公元前4000年的人工制造的銅器和冶銅遺址。因此通常認(rèn)為，西亞地區(qū)是最早出現(xiàn)人工冶銅技術(shù)的地區(qū)。在中國陜西臨潼姜寨出土了約公元前4700年的人工冶煉制造的原始黃銅殘片和黃銅管。在歐洲也發(fā)現(xiàn)了約公元前5000年的人工冶銅制品?？梢?，世界各地均很早就進(jìn)入了使用人工冶銅制品的時(shí)代。

由于當(dāng)時(shí)的中國地區(qū)擁有到處可得的銅礦資源和良好的高溫?zé)占夹g(shù)，中國銅器時(shí)代的銅器使用量持續(xù)增長。自約公元前 3000年開始的時(shí)代（也就是古代史書中所說的“五帝時(shí)代”），中國的冶銅技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活和戰(zhàn)爭。在夏代，中國已經(jīng)出現(xiàn)了銅鼎等大型銅器，至商周時(shí)期中國的銅器技術(shù)發(fā)展到歷史的巔峰?？脊虐l(fā)掘顯示，約公元前1500年的中國已經(jīng)普遍出現(xiàn)了利用高溫冶煉和鑄造技術(shù)制作的精美青銅大鼎。這些青銅遺存，在如今的中國各省、市、自治區(qū)的博物院館中都可以發(fā)現(xiàn)。

銅器時(shí)代冶銅、制銅業(yè)的發(fā)展首先要能夠從自然環(huán)境中較方便地獲得銅礦資源。除去小型銅礦資源不論，在中國發(fā)現(xiàn)了五十多處中型、大型和超大型銅礦，這為中國銅器時(shí)代的快速發(fā)展提供了充足的銅礦資源。而當(dāng)時(shí)歐洲的銅礦資源則相對比較匱乏，難以支撐冶銅技術(shù)的快速發(fā)展。同時(shí)，歐洲早期的冶銅技術(shù)所使用的銅礦石主要是碳酸銅或氧化銅，這種礦石比較容易借助加熱過程冶煉成銅。在當(dāng)時(shí)，當(dāng)歐洲地表的碳酸銅或氧化銅基本被耗盡后，又沒有適當(dāng)?shù)母邷丶夹g(shù)及把硫化銅礦石冶煉成銅的相關(guān)技術(shù)，因而歐洲出現(xiàn)了約公元前3500年之后冶銅活動(dòng)的低迷和停滯。之后歐洲冶銅業(yè)雖有所復(fù)蘇，但在古羅馬出現(xiàn)之前，歐洲整體的銅產(chǎn)量始終保持較低的水平：自公元前5000年歐洲及附近地區(qū)出現(xiàn)人工冶銅技術(shù)而進(jìn)入發(fā)展期以后，由于不能利用上述那些技術(shù)來處理需要更高溫度冶煉的銅礦，導(dǎo)致歐洲銅器的使用進(jìn)入了衰退期。在公元前2000年—公元前700年的1300年期間，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，西亞、北非和歐洲等地銅的年平均總生產(chǎn)量僅有約400噸。

工業(yè)革命之前的鐵器時(shí)代

自公元前1000多年前世界各地發(fā)明人工冶鐵技術(shù)以來，至20世紀(jì)70年代，人類都是處于廣義的鐵器時(shí)代，包括工業(yè)革命前的傳統(tǒng)鐵器時(shí)代，直至其后的后鐵器時(shí)代或鋼鐵時(shí)代。20世紀(jì)晚期在所涌現(xiàn)大量新材料的推動(dòng)下信息產(chǎn)業(yè)的興起，才標(biāo)志著鐵器時(shí)代的結(jié)束。

早期的人工冶鐵技術(shù)主要包括煉鐵和煉鋼兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。煉鐵過程大致為：用燃燒木柴、煤炭或木炭等燃料加熱以氧化鐵或硫化鐵為主的鐵礦石，達(dá)到足夠高的溫度后燃料中的碳與鐵礦石中的氧或硫結(jié)合成氣體逸出，還原出鐵礦石中的鐵。還原出來的鐵中還殘留了鐵礦石中的硫、磷、硅等等，以及多余的碳等雜質(zhì)。煉鐵獲得的產(chǎn)物被稱為生鐵，其性質(zhì)脆而硬，通常并不適合直接使用。我們可以把煉鐵過程簡單地理解為：把天然鐵礦石轉(zhuǎn)變成含有很多雜質(zhì)的生鐵。煉鋼或制鋼過程大致則可以理解為：利用多數(shù)雜質(zhì)元素比鐵更容易氧化的特性，在高溫下向生鐵內(nèi)輸入空氣中的氧氣以便氧化生鐵內(nèi)的硫、磷、硅、碳等雜質(zhì)元素，然后設(shè)法清除這些雜質(zhì)氧化物。例如，在液態(tài)鐵水中投入氧化鈣等造渣劑，使其與氧化的雜質(zhì)形成鋼渣漂浮于鐵水表面并被清除。煉鋼過程中還可以控制適當(dāng)?shù)暮剂炕蚣尤肽承┯欣脑?，以獲得更好的使用性能。我們可以簡單地把煉鋼過程概括為：去除生鐵中的雜質(zhì)并獲得潔凈和優(yōu)良性能的鋼制品。

在大約公元前1000年，歐洲地區(qū)進(jìn)入鐵器時(shí)代初期，由于銅器的應(yīng)用很不發(fā)達(dá)，率先掌握冶鐵技術(shù)的古羅馬人迅速推廣使用鐵器，包括鐵劍、鐵標(biāo)槍、鐵盾、鐵弩箭發(fā)射裝置以及鐵鏈、扒城鉤、鐵鐮頭等，當(dāng)時(shí)羅馬軍隊(duì)中還配備鐵匠，隨時(shí)維修和制作鐵質(zhì)兵器。面對歐洲尚未充分發(fā)展的冶銅制銅業(yè)及其冶鐵制鐵技術(shù)尚不夠成熟的廣大地區(qū)，已經(jīng)積累了較強(qiáng)軍事技能的古羅馬軍團(tuán)因其完備的鐵質(zhì)兵器系統(tǒng)而具備了較為顯著的軍事優(yōu)勢，并最終利用這種鐵器優(yōu)勢橫掃北非、西亞和歐洲大陸。

而在同一時(shí)期，銅器使用非常發(fā)達(dá)的中國，對鐵器的推廣使用并不那么急迫。公元前770年至公元前221年，當(dāng)時(shí)的中華文明處于春秋戰(zhàn)國時(shí)期，諸侯國之間的戰(zhàn)事連綿不斷?；诋?dāng)時(shí)已經(jīng)十分發(fā)達(dá)的冶銅制銅技術(shù)，春秋時(shí)期各國在戰(zhàn)爭中大規(guī)模使用的基本上還是銅質(zhì)的兵器。鐵的密度比銅約低15%；與銅質(zhì)兵器比較，鐵質(zhì)兵器具備更加輕便、鋒利、強(qiáng)韌等特點(diǎn)。因此，隨著冶鐵技術(shù)逐漸成熟直至秦統(tǒng)一前的戰(zhàn)國時(shí)期，雖然各國軍隊(duì)仍以銅質(zhì)兵器為主，但也開始部分使用鐵質(zhì)兵器。不過，由于當(dāng)時(shí)各地都有了非常發(fā)達(dá)的冶銅制銅業(yè)，各國用于戰(zhàn)爭的兵器技術(shù)沒有太大的差異。當(dāng)進(jìn)入戰(zhàn)國時(shí)代形成了實(shí)力強(qiáng)大的少數(shù)國家之間的長期對峙局面之后，戰(zhàn)爭的勝負(fù)往往更取決于各國的綜合國力、軍事策略以及統(tǒng)治階層的決策水平。在這樣的情況之下，鐵質(zhì)兵器并沒有取代銅質(zhì)兵器。比如，公元前210年秦始皇下葬時(shí)，當(dāng)時(shí)的中國人早已掌握冶鐵技術(shù)，但在秦始皇陵迄今為止的考古發(fā)掘中，研究人員鮮有發(fā)現(xiàn)鐵器，卻已陸續(xù)出土了四萬多件銅質(zhì)兵器。到了漢代，中國也有相當(dāng)長的銅器與鐵器的混用時(shí)期。然而與銅器相比，鐵器畢竟具備重量輕、更堅(jiān)韌、更鋒利等優(yōu)勢，而且礦產(chǎn)資源相對更豐富，因此，古代中國的冶鐵技術(shù)最終還是得到了穩(wěn)定的發(fā)展，并在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、紡織業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、軍事、文化、日常生活等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

中西方早期的原始冶鐵技術(shù)多為塊煉鐵技術(shù)，即在空氣中用炭火加熱坩堝中鐵礦石，使之逐漸轉(zhuǎn)化成海綿狀疏松的鐵塊。隨后，借助加熱并捶打成形的方式，去除鐵塊中的雜質(zhì)、控制碳含量進(jìn)而制成鐵器。如果在坩堝底部開口使空氣順暢流通，可明顯提高升溫速度和加熱溫度，直至使還原出來的鐵熔化成液體，并從坩堝底部的開口不斷流出，集中收集，此即為豎爐冶鐵技術(shù)。這種技術(shù)需要更高的溫度，而中國發(fā)明早期瓷器時(shí)所能實(shí)現(xiàn)的高溫技術(shù)，為古人發(fā)展豎爐冶鐵提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。公元前500年以前，中國的湖南、湖北、江蘇、山西、河南、甘肅等地均出現(xiàn)了豎爐冶鐵，因此當(dāng)時(shí)古人有能力把鐵水直接澆鑄成形，制成生鐵鑄件。而在歐洲，直到公元14世紀(jì)，才出現(xiàn)類似的技術(shù)。

豎爐技術(shù)的出現(xiàn)使得古人的一次冶鐵量得以明顯提高，為制造大型鑄件提供了便利。到目前為止發(fā)現(xiàn)的中國鐵器時(shí)代中期最大的鑄造鐵器，是公元953年后周時(shí)期制造的重約40噸的滄州鐵獅“鎮(zhèn)海吼”。

需要指出的是，在鐵器時(shí)期，中國在煉鐵、煉鋼方面的許多關(guān)鍵環(huán)節(jié)曾出現(xiàn)過領(lǐng)先于世界的重要技術(shù)。比如，將生鐵鑄件再次加熱，燒損鑄件中的碳或改變碳的形態(tài)可以明顯降低所制鐵器的脆性，并大幅提高鐵器鑄件的性能。這些技術(shù)在中國的春秋戰(zhàn)國時(shí)期就已經(jīng)出現(xiàn)，并在秦漢時(shí)期得到了推廣應(yīng)用，而直到17、18世紀(jì)歐洲才出現(xiàn)類似的技術(shù)。根據(jù)宋《太平御覽》記載，東漢時(shí)的人們就懂得以含碳較高的冶煉鐵條為原料，經(jīng)過反復(fù)加熱、鍛打，可加工制成鋼條。其反復(fù)加工的次數(shù)可為三十次、五十次甚至百次，并由此稱為三十煉鋼、五十煉鋼、百煉鋼等，這就是古代的百煉鋼技術(shù)，并由此衍生出“千錘百煉”“百煉成鋼”等成語。百煉鋼制品具有堅(jiān)韌、鋒利、經(jīng)久耐用的優(yōu)點(diǎn)，而歐洲是在公元6世紀(jì)出現(xiàn)了類似技術(shù)。在公元1世紀(jì)，中國出現(xiàn)了水力驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)技術(shù)，17世紀(jì)又出現(xiàn)了活塞式風(fēng)箱鼓風(fēng)技術(shù)用于提高冶鐵的溫度和生產(chǎn)效率。歐洲出現(xiàn)這兩項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的時(shí)間則分別遲至公元4世紀(jì)和18世紀(jì)。在公元10世紀(jì)，中國開始把煤用于冶鐵，16世紀(jì)把焦炭用于冶鐵，相比之下，歐洲到了17世紀(jì)才在冶鐵中使用這些更高燃燒值的燃料。在大約公元前2世紀(jì)，中國出現(xiàn)了一種炒鋼技術(shù)。公元1世紀(jì)成書的東漢《太平經(jīng)》中就曾經(jīng)記載過這種技術(shù)，即采取對生鐵水鼓風(fēng)攪拌促使鐵水中的碳燒損氧化，以使生鐵變成鋼。明朝的《天工開物》中描述了類似的過程。用風(fēng)箱鼓風(fēng)冶煉出生鐵水后，可以直接澆鑄成鑄件，也可以將高碳鐵水繼續(xù)導(dǎo)入一個(gè)方池，用長桿攪拌，即“炒”鐵水，使其與空氣混合，促使鐵水中的碳燒損。這套工藝中會(huì)向方池中拋撒泥灰，這種泥灰很可能就是造渣劑。《天工開物》中記載的這一套煉鐵、煉鋼連續(xù)流程，已經(jīng)包含了現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)原理中最主要的流程，而歐洲要晚到18世紀(jì)才形成類似的流程。在11世紀(jì)初的北宋時(shí)期，中國的冶鐵制鋼技術(shù)領(lǐng)先當(dāng)時(shí)世界水平達(dá)到了頂峰，當(dāng)時(shí)鐵的年產(chǎn)量已達(dá)到十幾萬噸的水平。而在歐洲，直到18世紀(jì)初，整個(gè)歐洲的鐵的年總產(chǎn)量才達(dá)到或超過這一水平，其中的工業(yè)革命發(fā)源地英國在1788年僅生產(chǎn)了6.8萬噸鐵。

工業(yè)革命與中西方鐵器時(shí)代發(fā)展差異

自18世紀(jì)中期開始，英國連續(xù)發(fā)明出了新的各類機(jī)器裝置，并由此引發(fā)了工業(yè)革命。用機(jī)器大量取代人工，可以使工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品具備大批量、高效率、低成本、優(yōu)品質(zhì)等特征。不過，制造這些機(jī)器不可避免地要大規(guī)模使用鋼鐵材料，同時(shí)也就對鋼鐵材料的生產(chǎn)提出了大量、高效、低價(jià)、優(yōu)質(zhì)的要求。因此鋼鐵材料是推進(jìn)歷史上的工業(yè)革命必備的物質(zhì)基礎(chǔ)。1856年，德國人西門子構(gòu)想了一種具有熔池的高效煉鋼爐，其中設(shè)計(jì)了燃料和熱空氣通道，可以快速加熱并控制鋼水溫度，保證鋼材的質(zhì)量?；谖鏖T子的構(gòu)想，1864年法國人馬丁建造了第一個(gè)專用煉鋼設(shè)備，被稱為西門子-馬丁爐，又名平爐。由此開始了現(xiàn)代的煉鋼生產(chǎn)。到了1871年這一年，英、美、法、德的鋼產(chǎn)總量達(dá)到了約75萬噸。四年后的1875年，則快速提高到約165萬噸。1879年，英國開始用平爐鋼建造鋼結(jié)構(gòu)橋梁，1889年法國政府用約7000噸平爐鋼建成了324米高的埃菲爾鐵塔，這是工業(yè)革命推進(jìn)煉鋼技術(shù)改進(jìn)的標(biāo)志性成果。1856年英國人貝斯麥公布了一種轉(zhuǎn)爐煉鋼法，在一個(gè)可以翻轉(zhuǎn)的熔池內(nèi)把空氣吹入生鐵來煉鋼的高效方法。但這種方法并不適用于西歐地區(qū)生產(chǎn)的酸性生鐵。1878年，英國的托馬斯發(fā)明了把爐磚改造成堿性磚的托馬斯法，并迅速在法國和德國得到推廣應(yīng)用。隨即，1895年英、美、法、德的鋼產(chǎn)總量已經(jīng)超過了1000萬噸。從歷史上來看，優(yōu)質(zhì)鋼鐵材料的大規(guī)模生產(chǎn)，有力地支撐了工業(yè)革命的推進(jìn)。

綜合以上內(nèi)容分析原因，歐洲多國鄰近的環(huán)境，客觀上有利于鋼鐵技術(shù)的交流和鋼鐵產(chǎn)業(yè)的競爭發(fā)展。各國的技術(shù)思想和鋼鐵生產(chǎn)會(huì)互相借鑒、促進(jìn)、接續(xù)、融合，歷史上出現(xiàn)的每一項(xiàng)新技術(shù)，如果在一國受阻，就可能在另一國繼續(xù)發(fā)展，由此導(dǎo)致歐洲鋼鐵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的局面。

而在工業(yè)革命來臨之際，中國雖然已經(jīng)具備了多種良好的、甚至領(lǐng)先的煉鋼技術(shù)，但這些技術(shù)大多是依靠長期的摸索和經(jīng)驗(yàn)的積累。其間雖然有很多的技術(shù)發(fā)明和創(chuàng)新，但人們對其中的科學(xué)原理并不十分明了。中國自西周出現(xiàn)采礦業(yè)，春秋時(shí)期有了冶鐵業(yè)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)顯示，西周、春秋、秦漢、三國魏晉、隋唐、五代時(shí)期、宋元明清等歷代歷朝都有政府管制礦產(chǎn)和冶鐵業(yè)的記載。在中央集權(quán)的治理下，這種管制體現(xiàn)出執(zhí)行力強(qiáng)且高效的特征，但如果管制決策不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)則，也可能會(huì)對冶鐵業(yè)造成較大傷害。春秋時(shí)期的齊國就禁止民間采礦。到了漢朝，官方為限制地方勢力，實(shí)施嚴(yán)格的官營冶鐵和稅收管理，并杜絕地方私自鑄鐵。宋朝徽宗時(shí)曾下令民間除制作農(nóng)具外，禁止買鐵，嚴(yán)厲控制鋼鐵流通。明朝初期，在時(shí)間上臨近工業(yè)革命的開端，明太祖認(rèn)為礦冶業(yè)勞民傷財(cái)，下令停止采礦冶鐵，后雖有所松動(dòng)，但終又行禁令。明成祖、明英宗、明代宗、明世宗等都實(shí)施過禁礦禁鐵的政策。明神宗為獲取稅收包庇礦監(jiān)營私，致使礦冶業(yè)遭到嚴(yán)重破壞。進(jìn)入清朝，康熙和雍正統(tǒng)治時(shí)期都禁止包括冶鐵在內(nèi)的礦務(wù)。2000多年來，封建王朝的統(tǒng)治者在沒有明顯外來競爭壓力的情況下嚴(yán)管采礦冶鐵業(yè)，一方面可獲得大量稅收來源，另一方面也為防范地方、民間借助采礦冶鐵業(yè)迅速強(qiáng)大和因此導(dǎo)致的反叛。同時(shí)也造成了中國冶鐵業(yè)以經(jīng)驗(yàn)積累的方式形成的先進(jìn)技術(shù)很難借助技術(shù)交流的途徑在全國得以推廣，并且也很容易因政府的禁鐵政策而喪失整體傳承的連續(xù)性。重新開放的冶鐵業(yè)在很大程度上有需要大量累積重復(fù)的經(jīng)驗(yàn)和技能。因此，從18世紀(jì)末期到19世紀(jì)末期的100年間，中國的冶鐵業(yè)很快從領(lǐng)先世界淪落到極度落后于世界的境地。到了晚清末年，隨著洋務(wù)運(yùn)動(dòng)的興起，中國全面引進(jìn)歐洲鋼鐵技術(shù)和設(shè)備，于1890年建成青溪鐵廠并投產(chǎn)，于1894年建成漢陽鐵廠并投產(chǎn)。然而時(shí)過境遷，中國已經(jīng)錯(cuò)過了工業(yè)革命的最佳時(shí)機(jī)，所建的兩個(gè)鐵廠，前者很快破產(chǎn)，后者只能慘淡經(jīng)營。

（演講人：毛衛(wèi)民 演講地點(diǎn)：北京大學(xué) 演講時(shí)間：二〇一九年四月）