灌钢工艺新探

乔尚孝 潜 伟

(北京科技大学 科技史与文化遗产研究院，北京 100083)

灌钢亦称团钢，其核心在于合炼生铁和熟铁两种原材料以制钢，在中国古代独特的生铁及生铁制钢技术体系中具有重要地位。古文献中关于灌钢的记载较为丰富，前人在古文献与文物考古资料的基础上进行过多项研究，并得到了许多重要见解。当下灌钢以“匀碳制钢”为核心的观点得到了张子高[1]、华觉明([2]，387- 390页)、韩汝玢([3]，627- 628页)等学者的广泛认同。李约瑟[4](Joseph Needham)首次使用术语“co-fusion(1)学界往往将“co-fusion”工艺称为共熔工艺或共熔生熟工艺。汉语中“熔”与“融”常被混用，以下加以辨析。“融”应当指升温过程中由固体向固液两相区发生的相转变，用“fuse”来翻译较为合适；而“熔”则是由固液两相区向液相发生的相转变，可能用“melt”一词更为恰当。受古代炉温条件及生铁脱碳速率影响，相较于“熔”，用“融”来描述灌钢中生铁中的行为更为合适。以此论之，李约瑟用“co-fusion”来翻译灌钢其实是较为恰当的，而“共熔工艺”似乎改称为“共融工艺”更为合适。”翻译中国古代灌钢工艺，巧妙揭示了灌钢合炼生熟铁制钢的本质。华道安(Donald B. Wagner)[5]认为按照冶炼温度的高低，可以将灌钢区分为“低温灌钢”(lower temperature co-fusion)与“高温灌钢”(higher temperature co-fusion)，而“低温灌钢”不需要熔融生铁。何堂坤[6]认为灌钢的本质并非是“匀碳钢”而是“排渣钢”，这与所用的熟铁成分紧密相关。潜伟[7]在对镔铁的考证中推测灌钢与大马士革钢之间存在重要关联。柯俊[8]、苗长兴[9]、陈建立[10]、贾莹[11]、刘海峰[12]等曾对考古出土的疑似灌钢样品显微组织特征进行过实验研究，并提出了各自的判断依据。应当说，前人的研究对于理解灌钢起到了很大的作用，但对灌钢的技术细节与工艺内涵认识仍显不足，对灌钢制品的显微结构特征尚不够了解，对灌钢在古代钢铁冶金技术体系中地位的认识尚不清晰。近年来，随着古文献不断被挖掘与深入解读，文物考古资料不断丰富，模拟实验的设计与进行，冶金史研究的视野愈加宽广，对目前研究尚不充分的灌钢工艺进行再探讨很有必要。

1 古文献中的灌钢工艺

1.1 与刀剑相关的灌钢工艺

从文献上来看，早期可能为灌钢的工艺常常与宝刀名剑联系起来。钢铁制品中最早的“灌”字见于咏赞刀剑的诗歌之中。东汉王粲(177—217)《刀铭》云：

相时阴阳，制兹利兵。和诸色剂，考诸浊清。灌襞已数，质象已呈。附反载颖，舒中错形。([13]，1084页)

这段话已有不少学者进行过解读。何堂坤([14]，302- 303页)认为“襞”指钢铁料的多层积叠、多次折叠，“灌”指生铁水向熟铁料灌炼，“灌襞已数”意指整个灌炼工艺中积叠、折叠、灌炼已进行了多次。这句阐明了灌钢中灌入生铁，折叠锻打的操作工艺，是灌钢工艺发明于东汉晚期的主要证据。

类似的，关于灌辟合炼的工艺，西晋张协(？—307)在《七命》中也有记载：

楚之阳剑，欧冶所营。邪溪之铤，赤山之精。销踰羊头，镤越锻成。乃炼乃铄，万辟千灌。[15]

晋杨泉(生卒年不详)《物理论》中关于阮师造刀的记载也有可能是一种灌钢工艺，学界对其工艺有着不同解读。其文曰：

古有阮师制刀，天下之所宝贵也……神教以水火之齐、五精之陶，用阴阳之候，取刚软之和，行其术三年，作刀千七百七十口而丧其明。其刀平背狭刃，方口洪首，截轻微绝丝发之细，斫坚而无变动之异。世不惜百金精求不得也。([13]，1085页)

这段话与章樵对王粲《刀铭》所作注最大的区别在于“水火之齐”后面有“五精之陶”这样的说法，文中所记应当不是凭空捏造，这说明在灌钢中“五精之陶”可能是非常重要的一步(2)章樵(生卒年不详)对王粲《刀铭》中“相时阴阳，制兹利兵”一句作注，云：“吴喜志林，古人铸刀以五月丙午，取纯火精以协其数。杨泉《物理论》：阮师之作刀，七月庚辛见金神于冶监之门，教以水火之齐，用阴阳之候，取刚柔之和也。”有两处颇为有趣：一是此段并未谈及使用到“五精之陶”；二是“相时阴阳”与“用阴阳之候”相对应，可能为氧化还原气氛。；“用阴阳之候”可以理解为控制氧化还原气氛；“取刚软之和”应当指将“刚”的生铁与“软”的熟铁混合制钢。

由这段话可知，阮师造刀所用的工艺应当是一种以制造高品质刀剑为目的的生熟铁混合的坩埚钢工艺，相当耗时耗力，制成刀剑“世不惜百金精求不得也”。

南北朝时期陶弘景(456—536)对灌钢的记载见于宋代唐慎微的《重修政和经史证类本草》中：

陶隐居云：铁落是染皂铁浆。生铁是不破鑐、鎗釜之类。钢铁是杂炼生鍒作刀镰者。[16]

这条文献详细地说明了灌钢工艺的原理，其要点是利用鍒即熟铁和生铁，按一定比例配合进行合炼，杂炼生鍒而作刀镰。这些都表明，至南北朝时期灌钢一般用作刀剑或工具刃器。

东魏北齐间的綦毋怀文(生卒年不详)以灌钢造宿铁刀，其工艺见于《北史》卷89中：

怀文造宿铁刀，其法烧生铁精以重柔铤，数宿则成刚。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斩甲过三十札。[17]

这段文献中，“烧生铁精以重柔铤”点明了灌钢合炼生熟铁制钢的本质。“数宿则成钢”中“宿”一指生铁与熟铁聚合、合炼，其中生铁精即为生铁，柔铤即为熟铁料，这句话表明这项技术要经过多次灌炼。也有学者认为这里的“宿”即夜晚，数宿表明这种工艺所需时间相当长。从原理上讲，很难想象一般的灌钢需要这么长的时间，因此有两种合理解释：一是炉温条件所限，依靠固态渗碳；二是生熟铁同置坩埚中冶炼出坩埚钢[7]。

唐代诗歌中也有提及灌钢所作刀剑。刘禹锡(772—842)在《砥石赋》中记载道：

彼屠者之刃兮，猎者之铤；不灌不淬兮，糅锡衔铅。[18]

此文献表明灌钢主要用以作刀剑刃器并且用到了淬火工艺。

由此可见，早期的灌钢工艺与刀剑制作紧密相连。尽管上述记载中灌钢的工艺细节较为模糊，但目的却十分明确，即灌钢往往以生产兵器或工具的刃器为目标，产品质量相当之高。

1.2 灌钢工艺的详细记载

过去学界通常认为最早是北宋沈括(1031—1095)的《梦溪笔谈》使用了“灌钢”、“团钢”的名称。近来发现唐代苏游(生卒年不详)在其《三品颐神保命神丹方叙》中就首次将“灌”“刚”连用，并较为详细地描述了此种工艺：

凡欲合铁胤神丹者，必先辩诸铁性，择其善者乃为之。古方多以雅州百丈，建州东瞿为上，陵州都卢为次，并州五生为下。又牂牁及广郴二州所出，并不烦灌炼，即堪打，用此即自然刚也。又嘉陵荣资四州所出，功力与广郴相似，而灌刚之时，要须百丈者相参，乃堪服用……又灌刚之时，必须栎栗等炭，余皆不堪用。调停火色，唯须善别生熟，失宜即不任用。其方曰：刚铁一百斤……[19]

文中所反映出的“灌刚”工艺主要有二：一是所用燃料必须用栎木炭或是栗木炭，而其余木炭是不堪用以灌炼的(3)本条文献表明时人已经可以将不同冶炼工艺中所使用的木炭加以区分。清光绪《永嘉县志》对此有更详细的记载：“铁砂，东瓯杂俎，西山处处有之，在黄土中淘出色黑者，是以松炭炼之成铁，以栎炭炼之成钢。”[21]由此可见，根据用途不同，木炭的选用也很不一样。早期青铜等材料的冶炼，往往对木炭的要求并没有那么严格；用以炼铁砂的木炭，则须是松炭这种硬度高、热值高的木炭；而用以灌钢的木炭，则必须是价值更高、燃烧性能更好的栎炭或者栗炭。，这体现了时人对燃料、炉温与冶炼工艺之间关系的深刻认识；二是灌炼之时，工匠必须有足够的经验，善以观察炉火颜色，进而对炉中铁料是否适宜锻打加以判断。

宋代文献资料为研究灌钢的工艺细节提供了重要证据。在沈括的《梦溪笔谈》中首次出现灌钢的详细工艺操作记载，这段文献极为重要：

世间所谓钢铁者，用柔铁盘屈之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之“团钢”，亦谓之“灌钢”。此乃伪钢也。真钢是精铁百炼，至斤两不耗者，纯钢也。此乃铁之精纯，其色明莹，磨之黯然，青且黑，与常铁异。[20]

就工艺而言，“柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间”重点指出了两种原材料使用的状态及方式，熟铁的弯曲方式与间隙决定了生熟铁之间量的比例，最终可以得到不同含碳量的灌钢制品。“泥封炼之”传达出的工艺思路通常是指在完成上述工艺后，将其进行完整的封泥；当然存在第二种思路便是利用泥质坩埚盛装盘屈好的生熟铁贴层，置入后将坩埚封泥(4)李约瑟[4]、华道安[5]等学者均曾提到这种工艺的可能性。。

经封泥，有学者([14]，496页)认为此举目的有三：一是减少碳的烧损；二可防止生铁熔化后流失；三是使灌钢封泥内部均匀受热。笔者认为更重要的一点是，如果封泥水平较高，那么封泥内部将形成相对独立的气氛，那么封泥的用途就与坩埚相近。“锻令相入”便是将二者锻合，从而成钢。

至明代，有关灌钢的记载变得更多更具体，并且与宋代沈括记载的灌钢工艺有所差别。其中以宋应星(1587—？)的记载最为详细。《天工开物》中记载道：

凡铁分生熟，出炉未炒则生，既炒则熟，生熟相和，炼成则钢……凡钢铁炼法：用熟铁打成薄片如指头阔，长寸半许，以铁片包(尖)[夹]紧，生铁安置其上(广南生铁名堕子生钢者妙)，又用破草履盖(粘带泥土者，故不速化)，泥涂其底下。烘炉鼓鞲，火力到时，生钢先化，渗淋熟铁之中，两情相投。取出加锤，再炼再锤，不一而足。俗名团钢，亦曰灌钢者是也。[22]

“用熟铁打成薄片如指头阔，长寸半许”首先指出熟铁的加工方式，这里主要是将熟铁片锻打至薄片，“以铁片束包夹紧”中应当是将熟铁条弯折、夹紧，以此留下均匀的缝隙以便于生铁可以淋渗其间。“生铁安置其上”讲到将生铁放置于熟铁之上，注中“堕子生钢”以形容生铁开始熔化后，铁液熔渗滴落到熟铁夹缝之中，比喻恰到好处，体现出了作者对该工艺认识的深入。“又用破草履盖，泥涂其底下”一句讲到本工艺与沈括所在的一大差别，无法密封便是对灌炼过程中气氛控制的变弱。而在熟铁底部涂泥可能代表着两种工艺思路，一是涂泥后避免了灌钢直接和炉中木炭直接接触，减缓了生熟铁贴层间的升温速率，令生铁在其中不迅速熔化改善二者间的接触条件；另一则是熟铁贴层是否封底存疑，若是没有则底部封泥应当是防止生铁熔融后烧损最为简单可行的工艺。“烘炉鼓鞲，火力到时，生钢先化，渗淋熟铁之中，两情相投。取出加锤，再炼再锤，不一而足”则是说后续的灌钢工艺需要多次反复多次灌炼，重复锻打，提升灌钢品质。

自唐以降，灌钢工艺的详细记载屡有所见，且各个时代不同工艺的细节有所区别。唐代苏游的记载侧重于灌钢所使用的燃料、工匠控制火候的经验；宋代沈括的记载侧重于原材料间的设计与配比，封泥的使用；明代宋应星的记载表明了原材料间接触方式的改进，工艺上的简化。以上线索表明，灌钢经过工艺改进逐步成为古代社会一种相对主流的制钢技术，被广泛接受并使用。但也正因为如此，后来的灌钢很难再像早期一样与高品质刀剑联系起来。

2 从文物考古看灌钢工艺

2.1 博物馆馆藏灌钢刀剑

前文已经谈到，钢铁制品中最早的“灌”字见于咏赞刀剑的诗歌中，部分博物馆馆藏刀剑为理解这项工艺提供了实物证据。中国国家博物馆对一件东汉永寿二年错金钢刀(5)与此刀相近的是，中国社会科学院考古研究所曾对一把东汉永寿一年错金钢刀进行过分析，铭“五十灌二百五十劈”，遗憾的是未见专文发表。的分析中提到，该刀铭文字数为我国迄今发现汉代铁刀中最多的一件，内容也极为重要，释文如下：

关于铭文中的“廿雚(灌)百辟”，“灌”字的错金剥落，仅剩雚部，从后文的人名“灌宜”中可以推断出是灌字。“廿[雚](灌)百辟”所体现的便是一种灌辟合炼的工艺。首先对该工艺中的关键工序予以解读。当下学界已经对“辟”、“灌”、“炼”等字眼有了一定认识，即“辟，谓叠之”，当折叠锻打讲；“灌，谓注之”，当灌注讲；“炼，铄治金也”，当入炉精炼讲，每入炉加热锻打一次称为一火或一炼。其次，此灌辟合用的工艺常与“廿”、“百”、“千”、“万”等数词连用，这些数词当是一种虚指，具体数目不足信；而二者之间操作次数的相对多寡则具有相当的可信度，也即操作中“灌”比“辟”的次数要进行得少。

2.2 疑似灌钢样品的分析检测

目前学界已经对灌钢样品的显微特征有了初步认识，主要结合显微组织与夹杂物两方面进行判定。

从显微组织上看，经判定为疑似灌钢的样品主要体现为分层的特征，此分层可能连续也可能不连续，且在高低碳层间存在较为明显的碳扩散现象；从夹杂物特征上来看，不同分层区域内夹杂物存在一定差异，通常原生铁层内基体纯净，鲜见夹杂物，原熟铁层内有夹杂较多，类型也不尽相同。尽管各样品状态有所区别，但大体上均体现出了这样的规律。几件被学界判定为疑似灌钢样品的情况如下：

河南唐河窖藏铁器[8]中，样品编号分别为4142、4143、4144、4172的4件六朝铁刀可能为灌钢制品。这几柄铁刀组织特征相似，高碳层含碳量相对较高，基体纯净；低碳层内夹杂很多，分层排布且沿加工方向排列；高低碳层间有明显的碳扩散现象。这些样品的组织特点与后续进行的灌钢模拟试验样品的组织相同[9]。辽宁北票喇嘛洞[10]出土铁器中，样品编号为7121的铁矛可能为灌钢制品。该样品组织不均匀，高碳一侧为球状珠光体，低碳一侧为铁素体+珠光体，且有细长条亚复相、单相夹杂物变形拉长；样品截面基体纯净，夹杂物处有高碳组织(如图1a)。辽宁五女山城[11]V区T504探方内出土的铁器中，经研究发现样品编号为03HWJ2的铁块，可能为灌钢制品。样品含碳量从边缘向中心由高到低呈梯度分布，且组织上高低碳层重叠分布(如图1b)。河北徐水东黑山遗址[12]出土的铁器中，对编号为T1319⑥∶3的凿疑似采用了灌钢工艺，其组织上呈现出了明显的分层现象，不论是横剖面还是纵剖面，它都有着高碳层与低碳层交替排布的规律，高碳区域与生铁有关，基体纯净未见夹杂物(如图1c)。在受古代中国生铁及生铁制钢技术影响体系之下的高句丽王国中，今韩国汉江流域峨嵯山军事要塞遗址[24]出土的编号为S3E1∶2与S3E1∶4的两件铁块(约公元5世纪)怀疑采用了生铁与块炼铁混合制钢的工艺，可能为灌钢制品。该样品整体含碳量较高，显微组织上高碳层与低碳层交替分布，高碳区域内基体纯净，高低碳层间存在明显的碳扩散现象(如图1d)。

图1 疑似灌钢样品的显微组织

以上样品大致可分为两类，一类为中间产品即铁块，另一类为最终产品即铁刀、铁矛、铁凿等兵器或工具。两类样品在显微特征上存在一定的差异。铁块的高碳区域内通常存在生铁的残余组织，且高低碳层间的碳扩散现象较为明显。加工为成品的样品高碳区域仍可能存有少量残余生铁的信息，但碳扩散的现象相比铁块要弱很多，高低碳层间的分布也更加均匀。可以想象随着进一步的锻打及热处理的进行，这种现象将更加模糊。柯俊[8]在对河南新郑出土的一件明代铁刀的分析中指出，该刀刃部组织有明显分层，一种为马氏体+点状残余奥氏体转变的珠光体，另一种也为马氏体，二者马氏体点不同且有分界氧化夹杂。无法判断该刀究竟为灌钢还是两种钢锻打在一起的。

由此可知，目前学界暂时判定为灌钢的样品，显微结构上往往体现出不均匀的特点，这类制品显然不属于性能优良的灌钢制品的范畴。而经过反复锻打的灌钢产品，当下学界对灌钢判断的标准又很难对其予以判定。模拟实验的结果可能为解决此问题提供重要依据。

3 灌钢工艺模拟实验

3.1 前人的灌钢模拟实验

模拟实验是灌钢工艺研究的重要手段，旨在以古文献及文物考古资料为依据，尽量在古人的工作条件下复原灌钢工艺，进而探讨完整工艺流程中灌钢样品的显微结构变化。

李约瑟与惠特克[4]曾进行过灌钢模拟实验，该实验在通一氧化碳(CO)的还原性气氛炉中置入生熟铁贴层，手工锻打成钢条，该样品显微组织上存在明显的高碳区域与高低碳层间的碳扩散现象。更为重要的是，在900℃的还原气氛下经8小时的匀制渗碳，该样品显微组织为珠光体基体上具有排状分布的碳化物，排间距为初始置入生铁片的间距，原高低碳层间明显的扩散现象消失。李约瑟认为该显微组织体现出了大马士革钢(6)在现代实验室条件下复制出具有大马士革钢特征的模拟灌钢样品，李约瑟认为该实验结果令人难以置信。的特征。苗长兴[9]等进行过多组控制条件下的灌钢实验，结果表明不同生熟铁原材料在不同条件下可以进行灌炼，且有着与前文提到的唐河窖藏铁刀4144号相似的显微组织特征。不同的是后续采取的均匀化退火工序中，结合实际情况采用了将钢锭埋于含碳量0.45 %钢屑中的长时间退火工艺，结果为样品脱碳较为严重，缺乏典型特征。何堂坤还进行过北平折花钢的模拟实验([14]，698- 703页)。

李约瑟与苗长兴进行的模拟实验前期均可以得到高低碳层交替重叠分布、具有明显碳扩散现象的样品，区别在于长时间退火后的组织特征有很大不同。李约瑟的实验中采用现代工艺控制炉内为还原性气氛(CO)，因此得到的样品含碳量较高，组织特征也清楚；苗长兴的均匀化处理实验在氧化性气氛(空气)中进行，样品最终组织特征不清楚。由两组试验对比可知，控制气氛在灌钢均匀化退火过程中极为重要。而在缺乏可以严格控制炉内气氛条件的古代，最直接有效的方法便是利用坩埚做容器，在其内部形成相对于炉子独立的气氛。

以上模拟实验为灌钢工艺的研究提供了重要证据，但研究尚不充分。笔者分别对灌钢过程中可能发生的生熟铁贴层发生粘连、发生明显碳扩散、折叠锻打均匀化、均匀化退火等不同工序取样，分析其成分、显微组织、物理性能、夹杂物分布等信息，初步总结出灌钢样品的形貌特征及夹杂物分布情况。

3.2 对灌辟合炼工艺的解读

古文献及文物考古中的证据表明，灌辟合炼的工艺常用以制高品质刀剑。笔者曾于浙江省龙泉市一处刀剑作坊进行过灌钢的现场模拟实验研究，现结合实际情况对灌辟合炼的流程进行分析以解释其科学道理。

钢锭在热锻前需要先入炉加热升温，铁匠凭借经验判断适宜锻打的火候。出炉后即马上锻打钢锭，所谓“趁热打铁”便是此理。锻打过程中常常会将钢锭拔长后折叠，即“辟”。折叠的方式可能有多种，或是多层钢料折叠，或是一块钢料多次折叠，以对折的方式最为常见。折叠锻打数次后，钢锭往往会产生明显的脱碳现象。孙机[25]认为钢材折叠锻打的次数必须适可而止，华觉明([2]，383- 387页)认为钢质刀剑的锻打并非越多越好，需要合理和适度，其中道理便是锻打过多导致钢锭脱碳严重，另一方面均匀化程度过高则会导致刀剑表面花纹不够清楚。面对此种情况，工匠自然会想到“灌”生铁以补救，“灌”生铁的方式也可能有多种，最直接的便是在坩埚内将生铁化成铁水再进行灌注，也有可能会用到生铁粉或生铁块。由此而论，“灌”比“辟”的次数少是合乎逻辑的。例如在实践中将60号钢(含碳量0.57%—0.65%)折叠锻打数次，钢锭便会出现变软的现象，这显然是其脱碳至低碳钢的水平造成的，此时便适宜将一定量的生铁补入到钢锭中。生熟铁的配比也相当讲究，灌钢常常以制中、高碳钢(含碳量约0.5%—0.8%)为目标，将含碳量很高的生铁(含碳量约3.5%—4.5%)与含碳量很低的熟铁进行配比，此生铁量与熟铁量之比例理论上应在1∶5到1∶10之间。因此“灌”比“辟”少、“廿雚(灌)百辟”、“万辟千灌”相当合理。

由以上分析可知，在灌辟结合的工艺中“炼”、“灌”、“辟”均是其中的重要工序。这项工艺以灌钢所制的中、高碳钢为原料，反复辟炼以使组织均匀、挤出夹杂。锻打次数过多后钢锭脱碳严重，则需要继续灌炼再锻打，反复进行此操作以制得高品质刀剑。结合古文献与文物考古资料来看，这项灌辟结合制高品质刀剑的工艺至晚在东汉已经达到了相当成熟的阶段。

3.3 灌钢模拟实验样品显微结构的初步分析

笔者在模拟实验中发现，将模拟灌钢制品按照灌辟合炼的工艺反复折叠锻打后，残余生铁的信息基本消除，很难按照前人的判定方法将该样品判断为灌钢。这个问题较为复杂，本文不展开讨论。

笔者于刀剑作坊按照《梦溪笔谈》中灌钢工艺的相关记载进行模拟实验，并依据现场条件加以一定改进。模拟实验主要利用敞开式炭火炉进行冶炼，锻造设备为手锤与鲁南一锻生产的C41- 45 kg型空气锤，利用雷泰(Raytek)公司生产的手持式红外测温仪3i2ML3U实时测温。锻造主要由胡小军高级工艺美术师操作，笔者辅助配合。模拟实验首先在1300℃的温度条件下灌入生铁，后将锻温区间控制在850℃—1150℃的范围内，采用手工锻与机锻结合的方式折叠锻打钢锭9次，每灌炼、锻造一次均取样，最终锻成刀型。不同工序现场取样情况如图2所示。

图2 模拟锻制灌钢刀并取样

在此实验条件下，对灌辟合炼样品进行分析。笔者分别对灌入生铁、折叠3次、折叠6次、折叠9次进行取样，折叠方式为三折。对显微结构的变化予以观察，结果如图3所示。

图3 模拟实验灌钢样品显微组织，放大50倍

从金相组织上可以清楚地看到灌钢样品显微结构发生的变化。灌入生铁(如图3a)样品残留有较为明显的残余生铁信息，自心部向外部样品组织大致可分为四层，分别为：珠光体+二次渗碳体+变态莱氏体；珠光体+针状渗碳体；珠光体；铁素体+少量珠光体。以上各层有明显的碳扩散现象。折叠锻打3次(如图3b)样品基本可分为高碳层与低碳层，高碳层每层厚约20—30μm，以珠光体+网状碳化物为主；低碳层每层厚约50—70μm，以铁素体+珠光体为主。折叠锻打6次(如图3c)样品分层更加细密，同样可分为高碳层与低碳层，高碳层每层厚约1—3μm，以珠光体组织为主；低碳层每层厚约10μm，以铁素体+珠光体为主。经反复折叠锻打9次(如图3d)，样品分层现象基本消失，组织均匀，以珠光体+铁素体为主，存在少量魏氏组织。

由图3可知，灌钢样品在反复折叠锻打过程中的组织变化明显，图3a所显示的组织按照学界以往对灌钢的判定标准尚且说得通，但后三图所示组织却很难将其判定为灌钢。这说明以往学界对灌钢制品的判定标准是有问题的。模拟实验结果表明，性能优良的灌钢制品具有均匀分层及均匀化的显微结构，学界对此类产品认识尚不足，需要进行重新分析与再探讨。结合成分、组织与夹杂物三方面的结果，依托夹杂物辅助铁质文物加工工艺判别方法可能对均匀化程度高灌钢样品的讨论提供重要依据。

4 灌钢工艺的技术思想与地位

4.1 “和”的技术思想与灌钢工艺

以“和”为核心，以“和而不同”、“和实生物”为本质的哲学思想，是中国古代哲学思想体系中的重要组成部分。华觉明指出，“和”的思想经流变([2]，634- 647页)，由感官拓展到物性、人性等诸多层次，至技术领域最终形成以“和”为核心的技术观。纵观古代金属的使用，不论是由纯铜到青铜，由块炼铁到钢铁，均体现出由使用金属单质到合金的转变。这一合金化的过程，便是“和实生物”的过程，便是“和”的技术思想在古代冶金领域的融汇。就古代制钢技术而言，以“和”为核心最典型的工艺便是灌钢。

前文已经谈到，古文献中灌钢工艺常提到两组与“和”相关的重要概念，一为“阴阳之和”，一为“刚柔之和”。华觉明[26]在对和的流变中分析到，就所追求的“太和”而言，“阴阳之和”所达到的为“气之和”，“刚柔之和”所达到的为“物之和”。

“阴阳之和”这一组概念，在先哲眼中常常与气相联系，即阴阳二气。就灌钢而言，此“阴阳”则可能与氧化还原气氛密切相关。杨泉《物理论》中关于阮师制刀的记载中所谓“用阴阳之候”，王粲《刀铭》所言“相时阴阳”结合章樵的注释来看均有这层意思。在古代工艺条件下，利用坩埚控制气氛最有可能达到“阴阳之和”。“刚柔之和”较为易于理解。生铁与熟铁两种原材料尽管均由铁矿石冶炼加工而来，但却有着不同的物理化学性质。生铁所含碳分多，硬度高、韧性差，这与中国古代“刚”的哲学思想具有相通之处；熟铁中几乎不含碳，其硬度低、韧性好，这又与中国古代“柔”的哲学思想等密切相关。如西汉《盐铁论》中记载“刚柔和”，阮师制刀中“取刚柔之和”的说法，均是此理。

由此观之，以“和”的技术观为本质，以“阴阳相和”、“刚柔并济”、“和实生物”为内涵的技术思想指导着技术创新，推动着灌钢这一项合炼生熟制钢技术的发明。灌钢之“和”，便是“阴阳之和”、“刚柔之和”。

4.2 灌钢在中国古代钢铁冶金技术体系中的地位

生铁及生铁制钢技术是中国古代钢铁冶金技术体系的基础，是中国古代最重要的发明之一。依托于生铁这一重要的原材料，中国在一定时间范围内建立起了领先于世界的农耕经济文明。关于中国古代钢铁冶金技术体系，柯俊([3]，6- 10页)指出其为中华民族的民族融合统一和国家的巩固、保证文明的连续性奠定了坚实的物质基础。华觉明([2]，416页)将该体系凝练为“最终形成以蒸石取铁，炒生为熟，生熟相和，炼成则刚为主干，辅以渗碳制钢、夹钢、贴钢等冶炼工艺的传统钢铁技术体系，其后被长期沿用，成为定式”。对中国古代钢铁冶金技术体系的研究是一个系统、完整的过程，灌钢作为本体系中的一项重要技术，对其进行研究需要依托于前人的诸多研究成果。研究表明，中国在17世纪前至少有十项钢铁技术居于世界领先地位，灌钢便是其中之一([3]，6- 10页)。

在灌钢未发明之前，古代钢铁冶金技术体系虽然已经基本成型，但如何高效制备中、高碳钢一直是一大难题。此前的制钢技术主要包括块炼渗碳钢、铸铁脱碳钢、炒钢、百炼钢等，这些工艺虽各有其适用范围：块炼渗碳钢属于块炼铁体系，以反复在炭火中渗碳并锻打的方式成钢，生产效率自然不会高；铸铁脱碳钢需要在合适的温度、气氛下经过长时间退火才能得到目标成分的碳钢；炒钢的碳分控制极为困难，华觉明结合实践指出有相当丰富经验的匠师也不易得到所希求的钢料([2]，385页)；百炼钢虽然品质极高，但这是以消耗相当的人力物力为代价的。总之，以上制钢技术各有所用，但在高效制备中、高碳钢方面存在相当的缺陷，灌钢的发明很大程度上弥补了以上工艺的不足。

灌钢在中国古代钢铁冶金技术体系中的地位与其解决了古代高效制备中、高碳钢的难题有着密不可分的联系。相较于为极少数人提供高品质钢铁材料，改良后的灌钢工艺为古代社会提供了足量的刃钢，极大程度上提升了古代工具刃器的数量与质量。灌钢工艺的改良与普及或许正是唐宋以后产生工具、农具由铸改锻趋势的一个重要原因。自灌钢被发明并形成自己独特的技术体系后，中国古代钢铁冶金技术体系基本形成，此后的各项技术均是在此框架内的改良而再难有开创性质的突破。

4.3 灌钢在世界钢铁冶金技术中的地位

结合前文所谈，早期的灌钢工艺虽未明确提及使用坩埚，但却可能存在多处线索将二者联系起来。从古文献来看，杨泉《物理论》中关于阮师制刀的记载中就有“五精之陶、用阴阳之候”这样的记载；王粲《刀铭》所言“相时阴阳”结合章樵的注释来看应该也有这层意思；綦毋怀文造宿铁刀的工艺也很难想象需要用如此长的时间，有可能便是利用坩埚进行冶炼[7]；从考古文物资料来看，洛阳吉利工匠墓出土的坩埚附着钢也有可能将坩埚与灌钢联系起来；从模拟实验的结果来看，物料的配比、气氛的控制在灌钢工艺中极为重要，要达成此目标在古代最直接有效的方法便是利用坩埚。

从原理上讲，灌钢的实质在于将高碳低碳的物质向一个平衡的中间碳含量发展，这需要温度、气氛、环境等多重因素的配合。在古代，坩埚便是其最重要的载体。将精确配比的生铁料与熟铁料置入坩埚，保证坩埚内温度、气氛、环境等条件的合适，进而冶炼得到质地优良的钢材，这便是坩埚钢共融工艺(7)古代世界坩埚钢通常经由两种不同工艺冶炼得到，即流行于中亚地区的“布拉特钢”与南印度——斯里兰卡地区的“乌兹钢”。布拉特钢便可能以共融工艺为核心，而乌兹钢以在相对还原的气氛下熔融块炼铁渗碳为核心。。

坩埚钢共融工艺目前在学界存在很大的争议，争论主要集中于物料的使用上。从文献上看，阿拉伯学者比鲁尼(al-Biruni，973—1048)[27]曾有“利用坩埚将熟铁片与生铁共同加热”这样的记载；金迪(al-Kindi，801—866)[27]在其著作中也有关于混合生铁与块炼铁制钢的相关记载；霍兰德(Robert G. Hoyland)[28]、威廉姆斯(Alan Williams)[29]等曾对相关工艺进行过梳理总结。从考古文物证据来看，科拉道克(Paul T. Craddock)[30]认为阿克希凯特(Acksiket)遗址的坩埚钢工艺使用了用石英作掺合料的耐火材料制作坩埚，主要物料很可能有生熟铁存在。费尔巴哈(Ann Feuerbach)[31]、梅克尔(John F. Merkel)[32]等也认为梅尔夫(Merv)遗址实际上采用的便是混合生铁与块炼铁制坩埚钢的工艺。

然而并非所有学者都认可此观点，任天洛(Thilo Rehren)[33]、阿里波尔(Rahil Alipour)[34]等学者认为该种中亚坩埚钢工艺的实质仍是一种熟铁渗碳工艺。

以上争论的焦点中，生铁在该工艺中居于怎样的地位是其核心所在。生铁及生铁制钢技术体系在公元14世纪前仅在中国及周边国家地区被规模化生产使用，是中国古代最重要的发明创造之一。怎样判断共融生熟工艺中作为物料加入的生铁经坩埚冶炼、锻造后的显微特征，当是解决此问题的关键。部分存有较明显生铁信息的样品可能具有一定说服力。例如前文提到的韩国峨嵯山军事要塞遗址出土铁铤[24]，蒙古哈拉和林(Karakorum)遗址出土样品[35- 36]均体现出了此技术特点。部分大马士革刀实物亦是如此，例如史密斯(Cyril S. Smith)[37]对大英博物馆收藏的一把大马士革短刀的组织进行分析后，认为这种片层组织很可能是共融生熟铁，高碳铸铁先融化然后碳渗入熟铁的结果。

作为古代世界所能得到的最高品质钢种之一，以坩埚钢为原料锻造的刀剑曾在世界范围内产生过深远影响。尽管坩埚钢共融工艺仍存在比较大的争议，但相信随着学界对新的文物考古资料的深入研究，将会对此问题有更加明确、系统的认知。研究表明，坩埚钢共融工艺与生铁及生铁制钢技术体系密切相关，生铁是其重要物料。就工艺内涵来看，朝鲜半岛南部、蒙古、中亚及北印度等地区(8)在第九届世界冶金史大会(BUMA-IX)上，朴长植对比了韩国、蒙古和印度的早期冶铁技术，认为韩国的铸铁生产技术系由中国传播而来；而基于块炼铁冶炼的铁器生产并非中国传统，在蒙古、印度和朝鲜半岛南部具有相似的技术特点，其间的联系值得深入分析。可能存在的共融工艺并无差别，与国内的灌钢工艺也无不同，“和”的技术思想在其中处于核心地位。更为有趣的是，以上各地区在很大的历史跨度内可以通过古代丝绸之路上的冶金技术交流联系起来。或许正是古代不同民族、文化间的贸易往来促进着共融工艺的交流与传播，而其与当地冶金技术传统的融合又推动着该技术的演变与创新。

从中国古代的灌钢工艺，到中亚地区的坩埚钢共融工艺，再到近世的平炉炼钢工艺，一脉相承的合炼生熟以制钢的思想闪烁着源自于“和”的智慧光芒。直至今日，钢铁材料早已不再局限于碳钢，但精确配比炉料仍然是炼钢工艺中应当首先考虑的问题，这便是灌钢这一项看似古老的技术在世界钢铁冶金技术中的地位所在。

5 结 语

自古至今，一项炼钢技术的兴衰均与当时的社会背景有着密不可分的关联。灌钢工艺源起于中国古代钢铁冶金技术体系在生产中、高碳钢方面的不足，兴盛于古代社会对刃钢在数量与质量方面的需求，衰落于整个体系在近代所受到的来自西方钢铁业的冲击。值得重视的是，尽管工艺操作已不合时宜，但“和”、合炼生熟的内涵仍启迪着近现代乃至当代钢铁技术的创新。李约瑟曾盛赞灌钢为19世纪中叶发明的“西门子-马丁炉”式平炉炼钢工艺之理论先驱，因该工艺以合炼废钢与调配碳分所用生铁的本质与灌钢有着异曲同工之妙。平炉炼钢曾于20世纪50年代前被广泛使用，但在氧气顶吹转炉技术的冲击下迅即淘汰。在当代，氧气顶底复吹转炉技术大行其道，但不少学者已经将精力投入到关于电弧炉炼钢等新的炼钢工艺的研究中去。电弧炉炼钢对炉料的适应性很强，废钢、调配碳含量的生铁、合金料、直接还原铁等均可应用到冶炼中。未来炼钢技术将流向何处，“和”的技术思想又将在其中起到怎样的作用，其中道理引人深思。

致 谢本文得到了韩汝玢教授、李延祥教授、陈坤龙教授、李秀辉副教授的亲切指导，审稿专家、邹大海研究员、黄兴副研究员提供了宝贵的修改意见，模拟实验部分得到了胡小军高级工艺美术师的协助，谨对他们致以诚挚的谢意。