铁，他们是如何制造的，补充件：坩埚钢和铸铁

本周，作为我们四个(半)部分(I，II，III，IVA，IVB)的补充，我们将看看前现代钢铁生产，我们将看看两个可供选择的地区性流程，它们在哪里适合我们已经详细描述的整个钢铁生产流程，它们是如何工作的，以及它们生产了什么样的产品。特别是，我们将考察中国早期的铸铁生产，以及印度(以及更广泛的南亚)一种名为Wootz的坩埚钢的生产情况。

首先，一些必要的警告。这两种钢铁生产方法在我的核心研究领域(希腊化和罗马时期的大地中海地区)都没有实践过，尽管伍兹钢材在那段时间是少量进口的，中国生产的少数铸铁产品也进入了更广泛的罗马或希腊化世界(尽管很少很少)。因此，我在这里的知识要少得多，我更多地依赖于报道其他学者的工作。此外，关于这些主题的一些学术研究是用我不会读的语言写的，所以我也依赖于其他学者。因此，这将是对这些过程的更广泛的讨论，我将更加谨慎地谈论这些过程。与此同时，我没有太多的信息来谈论这里的钢铁工人自己的生活细节，就像我在之前的帖子中所能做的那样，所以这篇帖子将主要关注过程和产品，而不是人。

尽管如此，我认为这仍然是值得做的，因为看起来这两个人周围都有相当多无用的“神秘感”。一方面，许多关于中国铸铁生产的讨论没有真正把创新放在钢铁生产过程中的正确位置上，也没有真正放在炼铁技术发展的正确语境中。另一方面，在印度，很多关于Wootz钢的流行讨论都把它视为一种准传奇的“迷失”和神秘的生产过程，而实际上，它是一种相当广为人知的生产高质量钢材的方法。

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在这个系列中，我已经说过几次了，一般来说，在前现代时期用于冶炼铁的钢厂无法达到实际熔化铁所需的高温(1538摄氏度)，而是通过固态还原(即Bloomery过程)生产纯金属铁，同时基本上熔化所有不是铁的东西。对于世界上大多数前现代时期的国家来说，这是真的。

中国似乎是个奇怪的例外。我应该指出的是，这是一个仍然相当活跃的学术领域--据我所知，日期仍在变化(随着新发现推迟最早的日期而倒退)，在中国从青铜加工到钢铁加工的过渡的确切性质，以及我们所讨论的布卢姆里过程作为中间阶段的程度仍存在争议。不出所料，有关这个问题的很多讨论都是用中文进行的，我看不懂。所以我会尽我最大的努力来总结我所知道的。

铸铁在中国似乎在战国时期(453-221年)变得普遍起来，尽管这项技术本身可能起源于春秋早期(770-454年)，在秦汉早期(公元前221年-公元220年)变得真正无处不在。基于证据的一般工作假设是，铸铁产品不是来自Bloomery铁生产(在中国似乎在最初的几个世纪里与铸铁生产并驾齐驱)，而是来自已经用于铸造铜合金(即青铜)物品的熔炉技术，直到铸铁工艺能够生产出足够高质量的铁产品，以至于它取代了Bloomery生产，很可能是在公元前上个世纪。再说一次，这些日期非常接近，在我看来，按照我在学术领域看到的范围，似乎仍然没有确定下来(我能找到的最近的一次是“一切旧的都是新的？”《中国中原地区向铸铁生产转型的再思考》发表在《人类学研究杂志》(2014)上，所以这些都是

问题是，正如我们之前讨论过的，铸铁(明确地说，用这种方法生产的铁仍然是铸铁，即使你不把它倒进模型中；它是一种会变得普通的铁)从这个过程中出来时会有不利的特性，特别是在强度、脆性和延展性方面-简而言之，它太硬、太弱，而且太容易断裂和破裂，而不是弯曲。当然，铸铁的含碳量非常高：在4%以上，碳使铸铁变得太硬、太硬，导致它变得非常脆。特别是，如果硅含量(很可能来自高温下熔化和溶解到铁中的少量炉渣)较低，而铁冷却得相当快，它就会形成硬脆的渗碳体。渗碳体本身并不坏--我们在经过热处理的钢中看到了这一点，在铁素体中只有少量的渗碳体就能提供更高的强度和硬度。但这不只是一小块渗碳体，它是大量的渗碳体。超过60%的渗碳体，有时被称为‘白口’铸铁。在这些水平上，渗碳体的数量使铸铁变得非常坚硬和脆性，很可能破裂，实际上很难有效地铸造(因为它很可能在冷却时因热应力而开裂)。

冷却速度较慢的含硅量较高的铸铁可以被称为“灰色”铸铁，它的渗碳体较少，但却有石墨--一小块不能被铁吸收的固化结晶碳--强度很低，本质上就是铸铁内部的裂缝，大大降低了整体韧性。Craddock指出，早期的中国铸铁往往是灰色铸铁，但奇怪的是，硅含量略低于我们对灰色铸铁的预期。因此，对于几乎任何工具或武器的使用，我们的铸铁在功能上都是毫无价值的：太脆了，承受不了有意义的压力。但我们还没说完。

中国钢铁工人似乎在这里开发的关键技术是延展性。通过在氧化性环境(也就是说，露天环境)中将铁加热到熔化温度(或略低于)，炼铁工人可以导致一些事情发生。首先，氧化过程开始吸收铁中的碳(同样，你会记得我们在讨论炼钢时，热和空气使铁脱碳的趋势)。与此同时，原本呈细长片状的石墨开始形成更紧密的圆形，这对金属造成的压力更小(石墨的含量也更少，因为它是由空气在脱碳过程中排出的碳组成的)。如果铁在空气中保持足够长的热暴露时间，它既可以脱碳为钢，也可以完全脱碳为熟铁，使其可用于工具、武器、盔甲等。

(我应该指出的是，在中世纪晚期的欧洲，出现了一些不同的脱碳工艺，使铸铁成为可加工的熟铁，称为精炼。这是在一家精美的锻造厂完成的(我们早在公元13世纪的欧洲就开始看到这一点，包括将铸铁切成小块，然后在氧化环境中加热，使铁熔化，多余的碳(以石墨形式)会燃烧殆尽，在铁曾经所在的地方下方留下一块钢水。)。到了15世纪，这项技术已经成熟到足以生产盔甲和武器级的钢材，显然比公元前1世纪要晚得多，当时这种方法在中国已经成熟。)。

因此，到了秦汉时期(公元前221年-公元220年)，我们看到了各种各样的物品(工具、武器等)。它们是由铸铁制成的，这些铸铁在某种程度上具有延展性。然而，在这些物体中发生的延展量往往差异很大，显微结构(因此金属质量)也有很大的不同，正如Craddock所说的那样，这表明“复杂、耗时和耗费精力的治疗[读作：延展化]往往没有实施，或者没有达到预期的结果”(Craddock Op)。引文。269)。考虑到延展化过程通常需要将铁在露天加热数小时(如果不是数天)，考虑到燃料需求，有时缩短加工过程会生产出质量较低的金属也就不足为奇了。到了公元前一世纪，中国的延展性方法明显改进，固态脱碳在从铸铁生产钢铁方面变得足够可靠，以至于布卢姆里冶炼法被放弃，转而采用这种方法。

现在需要注意的是，生产过程中哪些部分取代了铸铁生产，哪些不替代。对于极低品位的铁产品--实际上可以直接用铸铁生产的东西--铸铁生产实际上可能会取代熔炼(也就是bl)。

此外，铸铁然后进行延展性处理可能会生产出劣质产品--这种方法生产的钢往往含有更高的硫、磷和硅元素，如果可能的话，这些元素通常是你希望在铁碳合金中避免的；中国的铸铁制品似乎通常比(比方说)早期欧洲铸铁所含的这些元素的比例要低，但更低的比例并不是零。这是因为，与使用近乎纯碳的木炭并还原掉所有硅和许多其他微量物质的Bloomery流程不同，在铸铁流程中，经常使用矿物煤，矿石中可能有微量的硫和其他微量元素，而不是被还原掉，而是可以被熔融的铁吸收。坩埚流程(见下图)通过先还原铁矿石(通过Bloomery流程)，然后在铁矿石相对纯净后再熔化，从而避免了这一问题。这或许可以解释为什么，尽管延展化过程--如果是在铁完全熔化的情况下进行的--可以生产出功能上没有炉渣、碳含量非常均匀的铁，但中国的延展铁从未获得伍兹如此明显地享受到的卓越产品的美誉，这可能解释了为什么中国的延展铁可以生产出功能上没有熔渣、碳含量非常均匀的铁。

因此，据我所知，有一件事我们没有看到，那就是中国的炼铁产品进行了远程贸易，这与南亚Wootz钢形成了鲜明对比(南亚Wootz钢在中国是一个有价值的贸易项目，表明它众所周知优于当地产品)。例如，在更广阔的罗马世界里，我只知道几个这样的物品--都是铸铁大锅(见Tylecote，OP。325-6)，这是惊人的，因为罗马人从中国进口了相当多的其他东西(特别是丝绸)，也相当热衷于从印度进口Wootz(所以他们并不是不在国外优质钢材的市场上)。当然，中国的钢铁产品在中国各地的扩散要多得多(但我看到的大多数例子都是中国的钢铁加工扩散到草原，那里基本上没有竞争，因为游牧民族通常不做太多的金属生产)，但中国的钢铁产品不会取代日本、韩国和东南亚等地的当地产品，这表明运输成本超过了不同工艺提供的任何生产优势。

因此，据我所知，中国的铸铁工艺--不像后来的贝塞默(Bessemer)工艺--并不比Bloomery工艺更便宜、更快、效率更高(尽管它看起来确实更好一些)，而且在很多情况下，它的最终产品可能略差一些。我必须强调，这是一种非常粗略的感觉，因为我没有看到任何努力以任何形式的确定性(与大方坯和坩埚钢的实验形成对比)来衡量中国铸铁加工的生产率和燃料需求，所以这主要是基于缺乏扩散的推论。

所有这些都关系到我们如何理解中国的铸铁生产系统，以适应钢铁工业的发展。人们常常屏息讨论中国的铸铁产量，暗示中国在冶金方面遥遥领先于世界其他国家。这里要注意使用的一些统计数据，这一点很重要。仅举一个例子，J.L.Abu-Lugbod在《欧洲霸权之前》(1989)一书中重复了罗伯特·哈特威尔的估计，他说：“11世纪中国北方每年仅用于钢铁生产的煤炭吨数就大致相当于18世纪初英国所有金属工人每年使用煤炭总量的70%。”(Hartwell，1967：122)“表明中国的生产规模”“在工业革命之前是世界上任何地方都无法比拟的”(Hartwell，1967：122)“(Hartwell，1967：122)”(Hartwell，1967：122)“表明中国的生产规模在工业革命之前是世界上任何地方都无法比拟的”(Hartwell，1967：122)。这一切听起来都很令人兴奋。

但这一评估存在各种各样的问题。首先，试图通过煤炭使用量来评估铁的产量是非常不明智的，因为根据所用方法的效率不同，可能产生一定量铁的煤(或木炭)的量会有很大的不同。例如，毫无疑问，贝塞默流程通常在不到30分钟的时间内完成一次铁的脱碳加热，每单位钢铁消耗的煤比中国的延展化要少得多，如上所述，中国的延展化必须在露天条件下将铁加热数天-通常是熔化的(当然，贝塞默流程直到1856年才开发出来，因此不能计入哈特维尔的计算，这是为了说明这一点；)。以铁的价格来看，1800年英国使用的坩埚工艺比贝塞默工艺贵约6倍，这是一个很大的差别，但不像两种工艺之间的差别那么大。