工业炼铁焦炭的作用：趣话煤炭九
工业炼铁焦炭的作用：趣话煤炭九为什么在较长一段时间内，煤炭不能取代木炭，成为冶铁的主要燃料呢，究其原因，主要在于：冶铁技术发明后很长一段时期内，冶铁的主要燃料一直是木炭。汉代桓宽《盐铁论·禁耕篇》载："盐冶之处，大校皆依山川，近铁炭"，这说明，一直以来，煮盐和冶铁等作坊都设在靠近林木资源丰富的地方，依山川之便，伐木取炭，作冶炼燃料。最早记载木炭的文献资料，见于《周礼·月令》："季秋草木黄落，伐薪为炭。"为满足日常所用、不时之需，政府设有专人，专职负责木炭的烧制和管理工作，《周礼·地官》即云："掌炭：掌灰物、炭物之征令，以时入之。"木炭（资料图片）关于我国冶铁技术的起源时间，一直是学术界探讨不断和争论不休的问题。目前，学界普遍认为，早在西周后期，我国就发明了冶铁术和开始使用块炼铁；春秋中叶，能够生产冶铸生铁；战国初期，已掌握了脱碳、热处理等技术方法，发明了韧性铸铁。
冶铁技术的发明，在人类历史上曾起过划时代的革命性作用。而煤炭，则是这场革命之火的助燃剂。
早在春秋战国时期，我国就已经发现和利用煤炭，然而早期的冶铁，所用燃料一直是以木炭为主。直到宋朝，煤炭才开始普遍用作冶铁燃料。用煤作为燃料替代看起来十分简单，但这个过程却花费了将近一个世纪的时间，这究竟是为什么呢？
炼铁（资料图片）
最初：冶铁燃料主要是木炭木炭，是一种非常古老的燃料。早在商周时期，我国的窑烧木炭技术就非常成熟了。从出土的实物来看，最早用木炭作为燃料的冶铜器应是仰韶晚期的制品，距今约六千年左右。
最早记载木炭的文献资料，见于《周礼·月令》："季秋草木黄落，伐薪为炭。"为满足日常所用、不时之需，政府设有专人，专职负责木炭的烧制和管理工作，《周礼·地官》即云："掌炭：掌灰物、炭物之征令，以时入之。"
木炭（资料图片）
关于我国冶铁技术的起源时间，一直是学术界探讨不断和争论不休的问题。目前，学界普遍认为，早在西周后期，我国就发明了冶铁术和开始使用块炼铁；春秋中叶，能够生产冶铸生铁；战国初期，已掌握了脱碳、热处理等技术方法，发明了韧性铸铁。
冶铁技术发明后很长一段时期内，冶铁的主要燃料一直是木炭。汉代桓宽《盐铁论·禁耕篇》载："盐冶之处，大校皆依山川，近铁炭"，这说明，一直以来，煮盐和冶铁等作坊都设在靠近林木资源丰富的地方，依山川之便，伐木取炭，作冶炼燃料。
为什么在较长一段时间内，煤炭不能取代木炭，成为冶铁的主要燃料呢，究其原因，主要在于：
古代煤炭开采模拟场景（资料图片）
一是煤炭获取相当不易。由于受生产工具、技术和设备条件的限制，在古代，要把深藏于地底深处的煤炭挖掘出来，并不是一件容易的事情，相对于"伐薪烧炭"来说，获取难度较高。
二是煤炭冶铁缺点较多。煤的气孔度小，透气性很差，在炉内受热后容易碎，更使炉内料层凝结堵塞，从而影响正常冶炼。最要命的是，煤中含硫、含磷较高，会导致生铁的热脆性，使之无法锻造成形，严重影响生铁的质量。
燃烧的木炭（资料图片）
而木炭冶铁，则大大优于煤炭。木炭气孔度较大，燃烧充分，能使料柱具有良好的透气性，在当时鼓风能力不强、风压不高的条件下，这一点尤其具有重要的意义。同时，木炭杂质少，冶炼出来的生铁，结构细粒、铸件紧密、没有裂纹。即便是今天的现代冶铁工业中，木炭依然是冶炼高级生铁的理想燃料。
汉代：开始尝试用煤冶铁西汉初年大力推行休养生息政策，国家政治经济比较稳定。铁制农具的大规模推广，几十万军队的兵器装备，加上汉武帝采取盐铁官营政策，这些都促进了西汉冶铁业的较快发展。
济南魏家庄古墓群出土的汉代铁器（资料图片）
从目前的考古成果来看，北京、河北、山西、内蒙古、山东、江苏、河南、陕西、新疆等地都有汉代冶铁遗址发现，共有二十多处。值得注意的一点是，这些冶铁遗址几乎无一例外，都处于煤炭资源蕴藏丰富的地区。
在目前已经发现的汉代冶铁遗址中，河南省是发现汉代冶铁遗址最多的一个省区，境内的郑州、巩县、临汝、登封、温县、鹤壁、南阳、鲁山、桐柏、方城、西平、确山、林县、新安等地都发现有汉代冶铁遗址，其中巩县铁生沟、郑州古荥镇、南阳瓦房庄、温县招贤村为具有代表性的四处遗址。
河南巩县铁生沟汉代冶铁遗址（资料图片）
在这些遗址中，都发现了煤灰、原煤块等遗物。特别是铁生沟遗址中，发现有大量的原煤块、煤饼、煤渣，以及与铁块烧结在一起的原煤和多座炼炉、熔炉、锻炉，其中原煤和煤饼在各个炼炉附近都有发现。从燃料出土的位置推测，煤饼主要用于圆形和长方形的排炉和反射炉，原煤块主要用于海绵铁炉。
考古上还有一项值得关注的发现，即1979年在河南洛阳市吉利工区的一座西汉中晚期墓葬中，出土了11个炼铁坩埚，这些坩埚内外壁均烧流，都粘满了熔炼后残剩的铁块、煤块和炼渣、煤渣。
出土的汉代铁器（资料图片）
这些考古发现，都有力地证明了我国早在西汉时期，就开始尝试着用煤炭来冶铁。
魏晋：以煤冶铁规模进一步扩大我国最早记载用煤冶铁的文献，见于北魏郦道元《水经注·河水篇》引用东晋僧人释道安《西域记》中用煤冶铁的一段记载："屈茨北二百里有山，夜则火光，昼日但烟，人取此山石炭，冶此山铁，恒充三十六国用。"屈茨，即龟兹，在今新疆库车地区。
古代以煤冶铁模拟场景（资料图片）
屈茨一地之铁，要供给西域三十六国，足见其规模之大。如此之大的冶炼规模，首先要考虑的就是燃料问题。新疆地区地广人稀，木材资源不甚多，而煤炭蕴藏却相当丰富，故煤之用于冶铁，是再自然不过的事情了。
近几年的考古发掘，也证明了这段文献记载的真实性。在新疆库车县境内的阿艾山、可可沙、提克买克等汉代冶炼遗址，考古人员发现了炼铁炉灶及房屋遗迹，以及遗址冶炼场地遗留的坩埚、炼渣、煤渣、矿石、陶吹管、陶片及磨盘残块，还发现了汉代遗物"陶瓴"和"灰陶三耳罐"等。
古代以煤冶铁模拟场景（资料图片）
龟兹冶炼，其实是汉代中原地区以煤冶铁历史的一个缩影。西北地区的冶铁技术是从中原地区传过去的，这在《史记·大宛列传》中有佐证："自宛以西至安息国，……其地无丝漆，不知铸铁器。及汉使亡卒降，教铸作它兵器。"这句话是说，西域这些地方没有丝绸漆器，也不会铸造铁器的。直到后来投降过去的汉族士兵，才把铸造兵器和其它工具的技术传授给他们。
这里需要着重指出的是，在魏晋南北朝时期，诸侯割据，互相攻伐，为应付频繁的战乱，各国都大力发展冶铁业，制造更多的兵器，以备不虞。
古代水排，即水力鼓风冶炼图（资料图片）
这一时期，由于发明了把生铁和熟铁合炼成钢的灌钢法，而且炼钢技术也有较大改进，如高炉冶炼技术，坩埚冶炼技术、水力鼓风技术、型煤加工技术等，一定程度上解决了煤炭冶铁带来的一些问题，使生铁的产量、质量都达一个非常高的水平。
冶铁业的快速发展，同时也促使煤炭使用量的进一步提升。魏晋直至隋唐，用煤冶铁的规模较汉代有了一定的发展。
宋代：煤炭成为冶铁燃料的主角用煤炼铁，缺陷很多，但是煤炭最终还是取代了木炭，最根本的原因，就是木炭作为冶铁燃料，成本实在是太高了。
河南郑州古荥镇汉代冶铁遗址保管所（资料图片）
以郑州古荥汉代冶铁遗址一号高炉为例，据现代推断，每生产1吨生铁，约需要铁矿石2吨、石灰石130公斤、木炭7吨，也就是说矿石、燃料比高达1：3.5。如此惊人的消耗在人类能源利用史上可以说是空前绝后的，不但造成了冶炼成本高昂，而且对精耕细作的中国农业区来说，显然意味着对生态环境，特别是对森林植被的严重破坏。
《汉书·禹贡传》载："攻山取铜铁……斩伐林木亡存时禁，水旱之灾未必不由此也"，说明汉代大量伐木烧炭，用以冶铁，因过度樵采，致水土流失，对环境造成了严重的破坏。
古代生熟炼铁炉图（资料图片）
到宋以后，天然森林经历代不断砍伐，呈快速减少趋势，特别是可作为手工业原料、营建等用途的林木，更是被大量采伐，以至于出现了中国历史上著名的第一次能源危机，中国人口密集区已经无法大量用木炭炼铁，只能用煤。
为加强煤炭的生产和管理，北宋专设官吏来掌管煤炭生产和买卖。煤炭成为冶炼、烧石灰、烧砖、制陶、酿酒等手工业行业的重要能源，对煤炭的大量需求，使得"仰石炭以生"的民户数量大增，加之灌钢法、水力鼓风等技术得到广泛推广应用，宋代成为了我国封建时代煤炭业发展最快的一个时期，采掘、冶炼行业都获得巨大的进步和发展。
山西省盂县宋代大铁钟（资料图片）
北宋初年，各地共有矿冶场务201处，英宗时增至271处。仅徐州的利国监，就三十六冶，有矿工四千余人。从北宋对矿冶所征税数看，公元1078年(元丰元年)，年收铜一千四百六十万斤，铁五百五十多万斤，铅九百多万斤，已大大超过唐朝。
明清：焦炭作为冶铁主要燃料得到普遍使用解决燃料问题后，我国冶铁业一路高歌猛进。至元代，仅在今山东、山西、河北、河南就先后设铁冶26所，每地冶户多达760～6000户。此外，江浙、湖广也有铁器生产，征收的钢铁税"独江浙、湖广之课为最多"，可见当时全国冶铁业规模之庞大。
古代以煤冶铁模拟场景（资料图片）
明洪武六年，在全国置铁冶13所，南方设6所、北方设7所，但南方的产铁量已远远超过了北方。明朝中后期，在河北遵化开设了著名的"遵化铁冶"，是当时最大的生铁生产基地，工人最多时曾达2500多人。
不过，煤炭烟气大、含杂质、硬度小、易破碎等缺点，一直影响着冶铁炼业的进一步发展。如何去掉煤的这些缺点，是历史发展和技术进步提出来重大课题，也必然是古代劳动人民在利用煤炭过程中努力探索和解决的问题。
在长期的金属冶炼和煤炭利用实践中，人们发现，解决煤炭含硫量超高的办法，就是把煤炭炼制成焦炭。
焦炭（资料图片）
焦炭，是焦煤在隔绝空气的高温条件下，经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等复杂的物理化学过程，而获得的固体炭质材料。据现代科学技术检测，焦炭能把生铁中的含硫量降低到千分之一以下，这对于冶金行业的发展和煤炭的开发利用具有十分重要的意义。
中国炼焦技术发明于何时，多年来，学界对此多有研究论及，但争议颇多，分歧较大，目前尚未得出一致的意见。
大致来说，唐代就出现了焦炭的雏形——炼炭，至宋金时期，炼焦技术臻于成熟。然而，在历史文献中，有关焦炭和用焦炼铁的记载却出现得较晚，是到了明末清初才看到的。
明代方以智《物理小识》（资料图片）
不少学者把明代方以智《物理小识》中记载的"礁炭"（焦炭），认为是最早的记载，但有最新研究成果表明，早在元代官修《经世大典·工典》之《元代画塑记》中，就有"水和炭九万七千七百六十三斤，燋炭七百斤"的记载。明代也把焦炭称作"燋炭"，《明英宗实录》载，天顺元年（公元1457年），英宗皇帝在一则派办物料的文告中，除列有"木炭、煤砟"等外，还列有"燋炭"，这说明焦炭已经成为当时朝廷向全国各地征办的物品。
在考古发掘方面，河北观台炼焦遗址、山东博山玻璃作坊遗址和山西稷山古墓等都出土了炼焦炉和大量的焦炭，这些遗址的年代大致为"北宋起一直延续到元代"。
古代炼铁模拟场景（资料图片）
焦炭的发明，引发了冶铁业及相关行业的巨大发展。据相关资料，明代钢铁产量达到我国历史最高水平。洪武初年，全国官营生铁年产量1847万余斤，是唐代8.9倍，北宋的2.8倍，南宋初年的8.1倍，元代的3.1倍。
至明末清初，在官营铁矿采冶业发展的同时，民间采矿冶铁业也逐渐萌生发展起来，进一步打破官方独家控制经营的局面。全国共有135处铁矿产地，制作作坊更是不计其数，著名的铁厂北有汉中，南有佛山。
山西省阳泉市保晋公园“以平定煤冶太行铁”石碑（张文平 拍摄）
到了清末，外国质高价廉的"洋铁"大量涌入，刺激了国内近代钢铁业的兴起，以1890年湖广总督张之洞主持兴建的汉冶萍煤铁厂矿公司为标志，中国历史由此被带入了"钢铁时代"。（张文平）
