【科普】罗马帝国的钢铁工业
想做这个系列也有段时间了，之前有一篇文章讲了一些罗马冶金之类的东西，但感觉其实还是有点泛泛而谈的感觉，所以在这里做一个新的短系列，大概也是会讲得更全面一些。
矿石勘探：
罗马人在这方面的知识很充足，矿石勘探除了可以挖一些沟渠和简单的小矿坑来勘测以外，还可以像老普林尼所说的，根据土地形态来判断矿的分布，甚至还能在从植物这一块做文章。不过在铁矿勘探这方面没多少讲究的，因为老普林尼也说了铁矿这个东西随处可见，他举了一个例子，他说坎塔布里亚海沿海有座很高的山，几乎整座山都是铁矿石组成的，而且也说铁矿石也很容易辨别。不过老普林尼很注重铁矿床是由于何种力量形成的，水的力量或者是土地本身的力量，并且它也说了不同的土壤中会有不同的铁，有一些软得像铅，有一些则很脆，都各自有不同的用途。
UP注：插几句，矿物学也是古典时代的一个有意思的学科，这个学科的建立者也依然是大名鼎鼎的亚里士多德，但是真正写书好好讨论这个的人是提奥弗拉斯托斯，之前我们在讲农业的时候提到过他，但是他也写过一本叫De Lapidibus的书来阐述16种矿物并且将其归类，老普林尼很大程度上是基于提奥弗拉斯托斯，但他的书里也有大量前人没提到过的矿物。
有些东西还是很有意思的，老普林尼已经有了一些沉淀结晶过程的认识，但是落实到一些具体的方面时又不完全正确。还有就是老普林尼的时期对于矿物的物理性质和光学性质比之前都要宽广很多。密度和硬度这些不说，甚至还有解理、刻痕，甚至是热电效应（比如说琥珀和电气石，事实上现代英语的electricity的来源，就是拉丁语electricus、希腊语elekron）。
采矿：
这个其实也需要分类，一般来说有三种形式，1.表层采矿、2.露天开采和3.地下采矿。
表层开采：这种就是直接从地表收集零零散散的铁矿石，算所有采矿方式里最简单的，这种采矿方法在整个罗马都很常见。这种方式的采矿是和小规模的、通常为家庭作业的方式有关，对于军事生产或者别的什么的影响是微乎其微。不过表层开采可能会发现更大的矿坑和矿层，能够在之后通过露天和地下采矿作业进行开采。
露天开采：露天开采就是罗马帝国时期最常用的一种采矿方法，从小型采矿场到和与超大型的采矿场，各种规模的都有，最大的如在萨塞克斯郡发掘的一个公元二世纪的采矿场，总占地面积超过2.5公顷，需要清除十万立方米的材料才能挖出来这么一个露天采矿场，还有波利比乌斯说新迦太基附近的那个矿场有4万名工人（up注：当然波利比乌斯本人也对这个数字表示了质疑，认为这4万名工人不是所有人都是在挖矿的，肯定有一部分人算“后勤部”，是给挖矿的工人提供生活必需品的，考虑到一般矿石再挖出来后，如果不是特别缺燃料的话，一般在附近就直接给冶炼了，所以肯定也有一部分人是负责搞冶炼的，但即便这样来讲，也不是一个小数字了）。
地下采矿：地下采矿比前两种方法都麻烦得多，因为矿山要排水，也有矿井崩塌和吸入有毒气体的风险，还有也要考虑通风和照明之类的。一般来说对于铁这种“随处可见”的东西不会用，主要也都是用于采金银矿的。当然，这也不是说完全就不用地下采矿的方式来开采铁矿，比如比如凯撒在他的《高卢战记》里就提到高卢中部的比图利及人擅长开采地下铁矿，这个也成为了他们能够破坏罗马的包围工事的原因，斯特拉博也提到了很多。同样也有一些考古的证据，例如在现在的奥地利，在罗马那时候是诺里库姆行省的地方，在Lölling附近的Knicht发现了三世纪下半叶深度22米的罗马矿道。
简单来说，第一种方法不是大规模生产铁的方法，而第三种方法不是常见于生产铁的方法，当然地下采矿这个，可以稍微谈一下。
比如之前我在动态里提到罗马人会用一种被称之为ruina montium，原理类似帕斯卡桶的静水压力崩掉整个矿山的做法，在山体里挖巨大的洞穴，挖出一个空腔，并且用一个通道把下面的空腔和上面的人工蓄水池连接起来，让水从一个较高的位置往下灌入这个空腔，P=ρgh，h升得很多，所以底下的水压就也大起来了，最后把山体给崩掉，最后罗马人就从这些崩坏的石头里把矿择出来了。不过罗马人最常用的方式还是钟型挖矿法。
但是还是有很多细节需要注意一下的，比如说排水，比如说遇到地下河流该怎么办，如何解决矿山的通风和照明问题，尤其是排水这一点，越来越多的使用各种复杂方法来解决问题。根据老普林尼的说法，罗马那时候有一些挖得很深的矿井，恨不得住里面的人几个月都不见阳光。
但是除了工具以外，老普林尼也提到过使用醋和火来使得燧石容易被敲碎，但是他也提到了在矿井里使用这个毕竟不是特别安全，有烟，而且还很闷热。另外还有一种用几十公斤的破碎机直接冲撞的，一般是用来对付粘土和砾石组成的砾岩的。
初步的矿石加工：
矿石的初步加工乃至到冶炼这一步往往都是离矿场不远的，因为铁矿冶炼，中间会生成大量的不要的炉渣之类的废物，所以从运输成本考虑，要尽可能地减少矿石的移动，直接把铁矿给就地冶炼了。
当然这种情况也不是绝对的，一些考古证据表明船只也会携带矿石比如亚得里亚海那块就发现了一艘装满铁矿石的沉船。这种现象的出现往往是因为采矿地没有足够的燃料，比如说厄尔巴岛，这个岛的矿石质量很高，但是岛上却没有足够的用来提供给冶炼的染料，导致矿石必须要送到别到亚平宁半岛的本土陆地上去冶炼，那里有利古里亚山脉提供的木炭。
另外特别要强调的是人们普遍低估了罗马人在钢铁业时的机器使用。
破碎：矿石再进行其他的处理之前首先要进行的工作就是破碎，这一步可以通过机器来辅助，可以使用水平轴上的简单齿轮对来驱动这台机器，所以也一样能用水力带动，用这个大圆盘里碾碎它下方放置的矿石，不过这个跟后来十六世纪阿格里科拉说的那种通过旋转运动中创建线性运动以破碎矿石的机器的原理还不同。虽然早在之前的希腊时期人们就知道了这种运动，但是并没有把它利用在生产工作上。此外，水力锻锤也在矿石破碎的这一步当中。
洗矿：这一步的目的是初步剔除部分杂质。
焙烧：虽然一些矿石可以在没有准备措施的情况下进行冶炼，但产量会显著降低，所以就需要焙烧这一步，比如在冶炼碳酸盐矿时就需要通过烘烤的方式先产生氧化铁，然后再一个加热的化学反应中，把氧化铁搞成三氧化二铁。同时，碳酸盐的吸热解离的这个过程也会去掉矿石中的水，这同样有三个好处，增加矿石的孔隙率，也就是增大接触面积；使得矿石更容易破碎；防止由于水迅速膨胀成水蒸汽导致矿石在炉子里炸开。这一步不需要木炭，因为加热太厉害就过度焙烧了。
磨粉：这一部分经常是在磨机中进行的，需要由4~6人操作，一台这样的磨机能够在24小时把4吨已经破碎过的矿石磨成粉，也就是说借助了这台机器，每个人每小时能加工三四十公斤。
炼铁法：
罗马帝国时期的冶铁还是块炼法，也就是说铁一直都是固体，没有烧成铁水（UP注：过去的一些观点认为罗马没有铸铁是因为炉温达不到，这个观点主要是出自上个世纪八十年代的一本书叫《世界冶金发展史》，现在炉温达不到这一点基本上就已经被推翻了）。块炼法的原理也不复杂，就是先把炉温升到1200℃，让木炭先不完全燃烧产生一氧化碳，然后一氧化碳与矿石中的氧化铁反应，一氧化碳变成二氧化碳，把铁还原（UP注：如果使用碳酸盐铁矿，就要先焙烧声称氧化铁，然后再还原，这个在上一篇专栏里提到过了）。在这个过程中，一些杂质会以液体的方式被去除，也有一些杂质会作为气体排出，也有一些杂质会以固体的炉渣形式取出，那么在形成固体的炉渣这个过程就不得不牺牲一些铁。在Laxton revisited: a first report on the 1998 excavations这篇中，Crew得出的结论是500kg矿石和600kg木炭在24小时内可能生产出100kg的铁胚，基于对渣堆大小的评估和铁坯固结产量为60%的系数，作者认为能Laxton这地方每年能够30吨铁条。
燃料从哪里来：
木炭在冶铁中有两个作用，首先，即便是和干燥的木柴相比木炭中所含的水也是更低的，所以木炭的温度更高；另一点，而且在块炼法的情况下，需要先把碳转化成一氧化碳再与氧化铁反应进行还原，而木炭正是碳元素的来源。
目前我们尚且不能从考古中得知罗马人生产木炭的方法，遗存太少了（UP注：这个很正常，一方面是木炭的生产一般在树多的地方，这些地方离炼铁的地方是远的，而冶铁遗址是发掘的重点，另外一点就是木炭的生产也是一种流动性活动，再加上木炭的重量低，运输也不是什么大的麻烦事；外加这个本来就是不容易保留下来的考古遗存，而且一般木炭烧完之后烧炭的窑炉就被破坏了。这样一看，能够证明这个地方有木炭生产的唯一证据就是燃烧强烈并且富含碳的土壤了，可能还有一些窑衬和其他材料之类的，然而这个也不好找，富含碳的土壤往往总是因为犁耕而暴露出来时，人们才会发现这个遗存，但是这个犁耕本身又会破坏这个遗存。此外还有一点，木炭和篝火的考古遗存的区别也很难区分，二者都有类似的富含碳的土壤共同之处；即便抛去这些不说，这些木炭散落物的年代测定和解释是非常有问题的，因为这些遗址的地层学模糊，除了检测成本之外，还阻碍了C14测年的使用。），但是古典文献里记述得很详细。比如古希腊植物学家提奥弗拉斯托斯在他的书《植物学》说的很简单，先把木头削成平直光滑的料子，然后封闭窑炉。当然老普林尼也细说过一些窑炉的结构，这个就之前提奥弗拉斯托斯说的那个东西更先进了。
两个方法各有优缺点，挖坑烧炭需要更多的劳动力，除非可以对这些烧炭坑进行改造，也可以搞一个可以重复使用的坑，这样还有一个好处重复用多了，那么坑壁的烘烤效果也可以防止木炭被污染，但却点在于每次炭化之后，地上的夹具都会被破坏，这种方式的好处就是流动性很强，因为夹具的制作不难。
此外，根据提奥弗拉斯托斯的说法，最好的木炭是用常绿橡树和杨树制作的，而最差的是用落叶橡树制作的，而盛年的树木是首选。罗马人很可能专门有用来生产木炭的林地的系统，不过那个就不在本文的讨论范围之中了。
炉与冶铁：
炉的种类也有很多：碗口炉、半球形炉、罐式炉和竖炉，其中最被广泛使用的是作为碗口炉改进版的容易建造且耐用的竖炉。罗马时期的炉生产的铁胚大概在5kg~10kg之间，但是在北安普敦郡的拉克斯顿也表明罗马炉可以生产出非常大的铁胚。
拉克斯顿发掘的竖炉的底部直径为1.2~1.5m，地下深度1m，地上高度可能为2m，据估计一次可以冶炼500kg矿石和600kg木炭，能够冶炼20kg×5次的铁胚，这种尺寸的铁胚只有一小点炉渣，可以精铁成棒铁，损耗只有40%，
此外对于竖炉而言，铁胚是在炉下方的铺砌的木炭上形成的，冶炼完的铁胚可以直接从炉拱那里取出来，并且也不需要冷却，换句话说就是在完成一次冶炼之后，只需要再重新修复一下炉衬就可以了（UP注：尽管铁没有黏在炉壁上，但是炉衬在燃烧的时候发生了化学反应而剥落了一些），就可以立刻进行下一次的冶炼。
首先先在炉中装一层层的磨好的铁矿粉和木炭，木炭不完全的燃烧会放出一氧化碳，一氧化碳与氧化铁反应把铁复原，生成的二氧化碳从炉顶中跑出去。铁需要在1540℃才会熔化，但是杂质在1135℃就会化成液态，这些液态的熔渣在炉底部聚集然后被排出。而铁只会形成半流体的滴子在鼓风口那边聚集，直到鼓风口那边形成的过大的铁胚，阻碍了空气的循环，这就标志着一次炼铁的结束，一些大熔炉会有多个鼓风口，来保证空气流通均匀，并且作为几个小且更加容易拿捏的铁胚生成的核心。
加工：
直接从炉子里取出来的铁还是不能用的，从铁胚到锻打成棒材，这个过程大概还会损失20%的重量，体积也会被大大压缩，因为熔渣和空气会被排出，氧化也会损失一部分的铁。
首先就是要进行锤击，刚从熔炉里取出来的铁很热，但没有到融化那个程度，而熔渣其实也应该被加热到熔化更够流动的程度，这样他们才能在锤子击打铁胚时被挤出。此外，铁胚在被取出来后会被分成小块进行锻造以加固，而非是整块加固的，通过实验考古学，可以发现在小块小块地加固，仅1个人能够在1个小时能够固结2kg的铁，而一般来说铁匠通常还至少有一个双手抡大锤的给他打下手，效率只会更快。
但是通过反复加热和锻打是无法得到非常纯净含渣量低的铁的，因为锤击会不断让铁的表层变得更加致密坚固，把炉渣包裹起来，等炉渣量低于5%的时候，这个方法就不怎么好用了。但是考古发掘的罗马铁又非常纯净，这个是怎么做到的呢？
这里有三种可能：
1.拉克斯顿竖炉这种大型冶铁炉可能本身就可以生产出一些比较低渣的铁胚，但是这个证据不够。
2.熔炉在熟练掌握下已经能够降低铁胚中的熔渣含量，现在已经可以确定的是高质量的初轧铁是可以做到相对来说比较低含渣的。
3.一些铁可能是通过先还原成液体的工艺制程的，这个有可能是一个广泛应用的过程。
但总之还有争议。
品控：
这个还是谜一样的东西，不太清楚罗马帝国关于铁的质量的生产有没有品控（UP注：对于某些材料的一些尺寸，比如板材的厚度是有品控的，但是对于铁的冶炼的质量这一点是不清楚的），也不清楚这个品控是什么形式进行的，但是不同的东西对材料的要求是不同的，比如链条可能需要好铁，而箭矢的箭头的要求可能就没那么大。从铁胚到精炼铁所花费的时间、材料损失和材料性能之间也有存在着某种明显的权衡，而考虑到罗马军队使用的是非常标准的铁胚，以及既然罗马时期的货币有成分含量的品控，说供给军队的铁器存在着某种品控倒也是合理的。
渗碳：
渗碳也是全固体的方式，把铁和富碳材料（UP注：例如木炭、皮革、蹄和角，事实上这些材料一直被用到20世纪。此外，通过试验各种混合物，一些罗马制造商试图生产出比同行更好的钢材而在竞争上压过一头，这个可能也是罗马铁在质量和夹渣方面差异的原因。）装在容器中，然后密闭，防止氧气进入，并根据情况用800~950℃的情况下加热，可能是几个小时，也可能是好几天，在加热的过程中，碳在铁上扩散开来形成钢，一般来说为了追求效率，会在薄板材上做渗碳，但是有时候也会整块地渗碳，希望制作出中心坚韧外表坚硬的东西。
但是渗碳的成本是很高的，在最初3~4个小时内，吸收率为每小时1mm，但会随着时间下降，一根9mm的棒材需要在950℃的情况下维持11个小时才能变成钢材，本身就很长的时间且不提，这么长的时间会消耗多少的燃料也不言而喻。
直接生产钢：
但是如果矿石质量好的话，就可以直接从炉子里生产钢。竖炉以1.5:1的铁矿与木炭的配比装料，在这个过程中，铁会吸收碳，而吸收了碳的铁又会降低自己的熔点变成液体，形成有不同不同碳含量的钢胚，接着再把这些小片焊接成块，再进一步加工。
这个工艺好就好在经济，因为矿石中的铁能够更多地留在钢胚里而不是被熔渣带走，从考古也能看得出来用这种方式出来的熔渣里铁的含量是极低的，说明铁流失少，但缺点在于温度，这个温度不会让熔渣融化，因此钢胚里有大量的熔渣甚至是木炭，出来的钢胚很不均匀，非常不容易进行进一步的工作，所以这个也是为什么后来人不用这个方法的原因了。
铸铁脱碳：
罗马时期是否生产铸铁这个事情还是有待争论的，不过也有一些证据。过去的观点认为罗马人无法生产铸铁，因为他们的炉达不到铁的熔点，这一点还揪着《世界冶金发展史》的人应该出来挨打了，因为这个已经被实验考古学推翻了，1600℃很容易在封闭的炉中达到。在某些地区发掘的一些东西因为一些特殊的细节也让人怀疑有是铸造的可能。
坩埚法：
把小块的熟铁加入坩埚中，并加入一些富碳材料和少量熔渣，坩埚用黏土封闭，能够加热到1400℃，持续稍长的时间，铁吸收碳变成钢并且化为液体，并且这种钢也很干净，没什么杂质。罗马人首推的就是这种坩埚钢。
这个是印度的技术，但是在公元三世纪的时候，亚历山大的炼金术师Zosimos of Panopolis也阐述了坩埚钢的生产。
淬火：
简单来说，淬火就是把钢铁加热到比其碳含量上限高30℃~50℃的温度，一般是723~900℃，具体温度取决于钢的碳含量，并且根据物件的厚度持续保持加热，而在这个过程中钢铁中的原子会移动并且形成一定的结构，然后迅速在水和油里冷却，在迅速冷却的这个过程中，在高温下生成的结构就被固定下来了。这种方法可以让钢铁变得很硬，但是也会变脆，一般也要回火，但是如果淬火的器物不是那种会受到强冲击反作用的物件就不用，比如手术刀之类的。
罗马人在淬火中会使用各种各样的液体来冷却钢铁，老普林尼提到过油淬，并且表示对比较小的物件淬火时应该用油，因为用水淬火会让那些小东西过淬，另外也有用尿液、血液和醋作为用来淬火的液体的。选择使用什么液体进行淬火是什么重要的，取决于物件的碳含量和厚度，而使用不同的液体来淬火可能是罗马世界里的铁匠的一种常识。
UP注：特别要说的是，淬火过的钢铁未必比没有淬火锅的钢铁更有优势，因为战争也要看成本，不仅是制造成本，修复成本也很重要，淬火过的钢铁很硬，敲打起来应力也更大，所以需要先让它变得足够软再行，无论是退火还是正火，都需要先加热几个小时，然后再冷却一夜，接着才开始进行修复，最后通过一系列热处理来重新提高硬度。
回火：
普鲁塔克认为淬火能够通过冷却的方式变得致密，但是淬火也会让东西变脆，所以就有通过加热来进行放松和软化的回火，不过回火肯定是会损失一些硬度的，回火温度通常在220~300℃之间，罗马铁匠是根据钢铁上出现的氧化膜的颜色来判断的，220℃时是淡黄色，300℃时是深蓝色。
退火：
退火就是根据碳含量把铁进行持续加热，通常是760~900℃的温度，还原到最软的状态，一般铁匠们会把钢铁埋在炉子的灰中或者其他隔热性能比较好的材料，在熄火后让钢铁非常缓慢的冷却。主要是为了方便打铁和消除应力，尤其考虑到一些钢铁物件的生产是需要经过冷锻的，所以退火是非常重要的。
正火：
正火和退火类似，因为都是加热到相同的温度，但是冷却时不同，退火的温度是非常慢的，正火在空气中冷却，所以正火的钢铁比退火更硬，但是不如淬火的钢铁。这一过程产生了最大程度的晶粒细化，因此钢比完全退火条件下的钢稍硬且强度更高。
锻造：
锻造依赖于铁的结构在高温下的变化，当加热超过912℃的时候，铁素体就会转化成更容易可塑性更强的奥氏体，并且奥氏体在1400℃一下都是稳定的，而在冷却时，奥氏体又会便会成铁素体，因此想把一个东西初步锻打成型，最好就是在铁1000~1100℃这个温度下进行的。热锻很繁琐，需要先把钢铁加热到炉火中到红热，然后在铁砧上锻打，大概锻打五六十秒又要放回炉子里继续加热。
除了热处理，锻造也能够提高金属的强度，在锤子敲击金属的过程中，金属的厚度会减小，在微观上，单个晶体会开裂会断裂，会增加硬度而减低韧性和延展性。等到了无法变形的时候，抗拉强度和硬度都达到最大，而延展性达到最小时，就能达到锻造的目的了。
