冶铁术诞生的物质前提
在《尚书•禹贡》篇中，铁以贡品的面目出现，其地位仅次于金而先于银，足证铁在当时之珍贵。这无疑是冶铁术诞生之初的真实写照。英国著名冶金史学者泰利柯特认为，“由于铁很稀贵，所以它最初被用于小件的珠宝上。”这种看法与《禹贡》篇的记载可以相互印证。
在《冶金史》一书中，泰利柯特还写下过这么一段话：“在青铜时代，铜矿石的冶炼已采用氧化铁作为熔剂，这很可能使铁在炉的底部被还原，从而使炉底含有许多渣和可锻的铁。”这也正是学术界已经达成的共识：冶铁术起源于铜矿的冶炼。
笔者以为，在冶铜之初，后人认为属于熔剂的氧化铁，很可能并非有意加入。氧化铁的存在实际是由于铜、铁矿几乎总是共生。换句话说就是，铜、铁矿共生才是导致原始冶铁术出现的最直接的原因。
现代考古学为我们提供了足够的证据。1929年，在殷墟炼铜遗址里，发掘出了一块重18.8kg的孔雀石，其中混杂着许多赤铁矿。此后，在殷墟曾几次发现这种矿石，与商代中期湖北黄陂盘龙城遗址的发现相同。这说明至少在殷商时期，中原地区炼铜是以夹杂有赤铁矿的孔雀石为主要原料。而湖北铜绿山春秋战国时期古铜矿井遗址的考古发掘资料，对说明这一问题更有帮助：“老窿中主要矿物有：孔雀石、自然铜（粉粒状）、磁铁矿、赤铁矿。从老窿挖出来的黄泥巴，化验含铜品位12－20％，含铁品位30％左右，当时主要开采对象应是孔雀石和自然铜两种主要含铜矿物。”“大理岩周围的红色粘土沉淀有孔雀石、赤铜矿和自然铜，而自然铜常为赤铜矿、褐铁矿所包裹或存在于含褐铁矿的泥土中。”研究者称，铜绿山铜矿属矽卡岩类型矿床，原生矿石矿物以磁铁矿、黄铜矿（CuFeS2）、斑铜矿（Cu5FeS4）为主，辉铜矿（Cu2S）少量。矿体上部，即氧化带，由于长期的风化作用，矿石变为氧化矿，矿体中的黄铜矿被水和空气所氧化溶解成为硫酸铜。因为有碳酸盐（大理岩）的存在，它和硫酸铜相互作用，使铜变为碱式碳酸铜，即孔雀石（CuCO3•Cu(OH)2）和蓝铜矿（2CuCO3•Cu(OH)2）。矿体中除黄铜矿外，还有黄铁矿（FeS2）也是容易溶解而变成褐铁矿（nFe2O3•mH2O）的，褐铁矿和硫酸铜相互作用就形成了自然铜。
泰利柯特也认为，“大部分铜矿，也可能全部铜矿最初都是硫化矿。其表层矿物由铁帽亦即铁的氧化物组成，相当于硫化矿床中的氧化铁成份。在这些表面矿层中，有可能找到贵金属、自然铜和一些氧化铜矿物（孔雀石和赤铜矿（Cu2O）应是主要的两种）”。
科学是枯燥的，但未必乏味，因为我们已经说明了铜、铁矿共生是不容否认的事实。由于铜、铁矿共生，炼铜时炼出铁来才有可能。既然直到殷代，中原地区炼铜的主要原料仍然是处于表层的含有氧化铁的孔雀石，夏代炼铜的原料就可想而知了。无疑，铜铁共生是原始冶铁术能够在文明初始即告诞生的主要物质前提。
冶铁术诞生的技术背景
炼铜早于炼铁，不仅已为考古文物和历史文献所证实，而且也符合冶金技术的发展规律。原因很简单，就像从树上摘苹果总是从低处摘起一样，由于炼铜（专指古代）较炼铁容易，最早诞生的当然是炼铜术。
炼铜术起源于新石器时代的人们对自然铜的利用。绝大部分自然铜是含铜高达98－99％的红铜，不仅具有金属光泽，而且具备良好的加工性能。最初，人们也许只是把自然铜当成石料来打制石器，在实践中必然会发现自然铜具有石头无法比拟的延展性，容易按需要打制成形。接下来，人们自然也会发现，将自然铜放到火里烧过后，打制起来就会更加容易。如果火焰温度足够高，自然铜就会熔化，而熔化的铜水能够流动，凝固以后又可随容器成形。这一现象的反复出现，必然导致炼铜技术与铸造技术的萌生。
红铜的熔点是1083℃，而早在公元前5000年前后的仰韶文化前期，陶器的烧成温度就已达到了900－1000℃，已经具备熔炼自然铜的技术基础。我们已经知道，在铜矿床的表层，除了自然铜外，还有孔雀石和赤铜矿，尤其是孔雀石，色彩鲜艳夺目，极易引人注意。孔雀石常同自然铜一起出现，并与铜锈有类似的颜色，这就容易使人产生联想，激起用孔雀石炼铜的冲动。而这种冲动一旦付诸实践，就是炼铜技术的诞生。稍具化学知识的人都知道，孔雀石属于碱式碳酸铜，只要加热到一定温度，就会分解为氧化铜，而氧化铜同木炭一起加热，就能还原出铜来。
铁的情形则很不相同。铁很易被氧化，除陨铁外，自然界中的铁都呈氧化物或其它化合物的形态存在。纯铁的熔点为1537℃，直接熔铁在新石器时代根本就不可能。铁矿石的还原温度虽然并不需要这么高，但温度低时还原速度很慢，对实际生产没有意义。同时，低温还原出来的铁在冷却时很容易被重新氧化，又变成了铁锈。因此，尽管铜、铁矿总是共生，在炼铜术诞生之后，冶铁术的诞生仍须时日，需要一场深刻的技术革命为其准备足够的条件。事实是，这场技术革命果然发生了，时间是公元前3500年至公元前2600年，持续近千年之久，相当于中国铜石并用时代的早期。
从严格意义上讲，这是一场制陶技术的变革，变革的内容主要是：用快轮制坯代替手制；改革陶窑火道和箅面火眼，使窑室内的火力更加均匀；扩大窑室直径，窑壁由直立改为内收。窑壁内收是为了封窑的方便。在陶器烧到一定火候时密封饮窑，就会制造出还原气氛而烧出灰陶，此时如果让大量松烟进入，使其发生渗碳作用，就会烧出很好的黑陶。由敞口氧化烧制红陶进步为密封饮窑制造还原气氛烧制灰、黑陶，透露了一个非常重要的信息：人们已经掌握了对铜铁冶炼至关重要的知识――高温下的还原。
由于时代的局限，我们今天还无法弄清原始冶铜术的细节，但是，有一点是可以肯定的，在制陶术完成上述变革之后的公元前2600年－前2000年，中华大地上的铜器突然多了起来，除红铜外还有了青铜和黄铜，并最终顺利进入了青铜时代。这当然不会是偶然现象，唯一合理的解释只能是，源于制陶术的冶铜术分享了制陶术的最新成果，完成了由萌生期到成熟期的过渡。而随着冶铜技术的成熟，冶铜实践也变得丰富多彩起来。也只有到了这时，铜、铁矿共生的前提对于冶铁术的诞生才有了实际意义。而炼铁高炉首先在中国诞生也才有了根据，当然，这是后话。
冶铁史始于块炼铁出现
目前已知的中国最早的铜器，是1973年出土于陕西临潼姜寨仰韶文化遗址（约公元前3700年）的原始黄铜片和出土于甘肃东乡马家窑文化遗址（约公元前3100年）的青铜刀，中国冶铜术的起源当然不会晚于公元前3100年。根据国家“夏商周断代工程”的最新成果，夏代的纪年范围为公元前2070年～前1600年。也就是说，大禹活动的时间是在公元前2070年前后，距离冶铜术的起源至少已有千年之久。在长达千年的冶铜实践中，无论是铜矿的冶炼、铜器的铸造，还是冶炼设备的修造，都没有理由不进步。
考古发现证实，中国早期炼铜使用陶尊，外部涂有草拌泥，起绝热保温作用，内面涂有耐火泥层，铜矿和木炭直接放入炉内。这一装置不同于从外部加热的“坩埚”式熔炉，可以使炉内温度提得更高。可以想象，在这种内热式陶尊炉中，当混入铜矿中的氧化铁矿较多时，在炼渣中还原出铁来几乎是一种必然现象。而块炼铁在冶铁史中首先出现就是最好的证明。
块炼铁也称为锻铁，是在较低的冶炼温度下由铁矿石固态还原得到的铁块。在西南亚和欧洲等地区，直到十四世纪炼出生铁之前，一直采用块炼法炼铁。冶炼块炼铁，一般是在平地或山麓挖穴为炉，装入高品位的铁矿石和木炭，点燃后，鼓风加热。当温度达到1000℃左右时，矿石中的氧化铁就会还原成金属铁，而脉石成为渣子。由于矿石中其它未还原的氧化物和杂质不能除去，只能趁热锻打挤出一部或大部，仍然会有较多的大块夹杂物留在铁里。由于冶炼温度不高，化学反应较慢，加之取出固体产品需要扒炉，所以产量低，费工多，劳动强度也大。与生铁不同，块炼铁含碳极低，质地柔软，适于锻造成形。由于块炼铁在锻打前疏松多孔，故也被称为海绵铁。
不难看出，我国古代的内热式陶尊炼铜炉很适于冶炼块炼铁，中国历史上最早的人工冶铁产品当然也非块炼铁莫属。曾经有一种流传很广的说法，以“江苏六合程桥两座东周墓曾出土用块炼铁制成的铁条和白口铸铁丸，湖南长沙一座春秋晚期墓中曾出土白口铸铁鼎和一把中碳钢制成的剑”为据，断论在中国冶铁史上，一开始就是块炼铁、白口铸铁和钢同时出现，“这是我国古代冶铁工匠的勋业，是世界冶铁史上的奇迹”云云。世界上哪来那么多奇迹？事物发展的规律又岂能轻易违背。当然，立此论者以春秋时期为中国冶铁史的开端，而“中国冶铁始于春秋”又是学术界权威的结论，提出这种看法原也情有可原。殊不知，中国冶铁术在夏代就已开花，春秋战国之际的铁、钢并出，不过是中国冶铁术取得突破性进步，开始结果而已。
说到这里，不由使笔者想到了一个有意思的插曲。事情发生于古人类考古学界，中国史前历史上最为重要的晚期智人――山顶洞人的化石材料，在建国前经西方古人类学专家魏敦瑞（Weidenreich.F）研究，认为其中的三具头骨分别代表原始蒙古人、美拉尼西亚人和爱斯基摩人三个不同的类型。言下之意，是这三种人的祖先跑到了一个山洞里。建国以后，中国当代古人类学家吴新智根据模型又作了新的研究，发现三者均代表原始的蒙古人种，差别只在于一些细节尚未充分形成。学术界这才恍然大悟，原来山顶洞人本来就是这三种人的共同祖先，而不是这三种人的祖先为了某一重大事件不远万里到一个山洞里来聚会。
差之毫厘，谬以千里。同样的事实可以得出相反的结论，为学者能不慎哉！
文明初肇“刚铁”生逢其时
在缺乏物证的情况下，笔者胆敢把块炼铁放在中国冶铁史的开篇，当然有所根据。以《古代社会》一书名垂青史的摩尔根曾告诉我们，“人类的经验所遵循的途径大体上是一致的。在类似的情况下，人类的需要基本相同。”验之于人类发展史，此说不谬。由石器而陶器，再到铜器和铁器，是世界上所有民族共同的发展轨迹。当世界上其它地区的冶铁史都从块炼铁开始时，中国冶铁史独从生铁开始，当然不合情理。不仅不合情理，也有悖科学规律。冶炼温度只能由低到高，冶炼设备也只能由简易到复杂。先有块炼铁，后有生铁，必然是历史的真实。
前文已述，由于块炼铁产量低、费工多、劳动强度大，人们为了提高产量，就要强化鼓风和加高炉身，炉子必将逐渐从地坑式向竖炉发展。炉身加高以后，炉内上升的煤气流与矿石接触的时间延长，能量利用率有了提高。鼓风强化则有两方面的效果：一方面使气体压力加大，穿透炉内料层的能力增强，因而允许增加炉身高度；另一方面是燃烧强度提高，直接提高了炉内温度。这些都促使产量提高。可是，事物总是一分为二的，温度高了虽然铁产量有所提高，往铁里渗碳的速度也加快了，当渗碳超过2％以后，就引起了质变，得到的是另外一种产品――生铁。生铁的熔点最低可达1146℃，而温度升高后还促使原料中的其它元素被还原进入铁中，这就使得生铁的熔点更为降低。于是，得到液体产品的可能出现了。当然，也不排除另一种可能，这就是在原始的块炼炉中，由于炉子过热或燃料比过大，偶然也能得到生铁。笔者以为，这种最早的液态生铁非白口铸铁莫属。在这种白口铸铁中，几乎全部的碳都与铁化合形成了碳化三铁，其断口呈暗白色，晶粒粗大，具有很大的硬度和脆性，因此被称为“刚铁”，既不能承受冷加工，也不能承受热加工。问题的关键恰恰是在这里。本来块炼铁含碳极低，质地柔软易于锻造；而白口铸铁又脆又硬，完全失去了块炼铁优良的锻造性能。白口铸铁，也即“刚铁”有没有用？如何利用？对这一问题的不同认识是东西方冶铁史发展的分水岭。
毫无疑问，西南亚和欧洲地区在早期由于炉子过热或燃料比过大肯定也得到过液态生铁，由于其锻造传统过于强大，而生铁不耐锻打，这种液态生铁多被视作冶炼不正常的产物而抛弃了。在中国则不然，生铁一开始就有了用武之地。这一点在《禹贡》篇中同样透露了玄机。
我们知道，夏代已迈入了文明的门槛，而文明的主要标志是发明了文字。“仓颉造字，鬼神夜哭”，文字既能“感天地而泣鬼神”，足见其在先民心目中的重要位置。而中国先民对文字载体的选择则决定了中国冶铁史的走向。考古发现已经证实，中国最早的文字或画于陶器，或刻于竹木，或铸于铜铁，或镂于甲骨，而竹木和甲骨是最常用的材料。不管是刻还是镂，“笔”的硬度至关重要。当“刚铁”初现时，虽然不耐锻打，其硬度却是当世之最。作为部落联盟的首长，让梁州进贡“刚铁”用于刻镂文字实属理所当然。而一旦这种产品有了用途，其生产工艺自然就会有人琢磨。春秋战国之际的铸铁大兴，实肇始于此。“刚铁”的出现，恰逢其时。
当然会有人对这一说法不以为然，他们会问，比中华文明更早的古埃及文明，为何对生铁的早期发明未做出贡献？原因当然很多，其中之一则可能是其文字用不着刻镂。古埃及人发现了纸草，并用作书写材料。纸草是由生长在尼罗河三角洲的一种近似芦苇的水生植物（纸草）制成的，古埃及人割下纸草，取出草骨，切成小薄条，在木板上一块块贴起来，压平晒干后即成黄色纸卷。笔管则用纸草茎，墨水由纸草炭化加水配成。在纸草上写字当然要比在竹木或甲骨上容易得多。欧洲作为古埃及文明的影响区，在初期视生铁为废物实属情理之中。
承接传统生铁铸造成形
大胆也好，狂妄也罢，至此为止，笔者为中国冶铁术的起源提供了一个新的说法，这就是：中国原始冶铁术至少在公元前2070年前后即已在古梁州诞生。块炼铁（柔铁）首先出现，白口生铁（刚铁）紧随其后。由于白口生铁一出现就派上了用场（刻镂），使得生铁冶炼技术得以生存并有所发展，并最终由于青铜冶铸技术的影响，在春秋战国之际奠定了中国冶铁术的基本走向――以生铁冶铸为主。而以生铁冶铸为主的技术传统是中国古代金属文化与西方早期以锻铁为主的金属文化的主要区别。从某种意义上说，也正是生铁冶铸技术的早期发明与广泛应用，造就了中华文明最初的辉煌。
为了弄清中国早期冶铁术以生铁冶铸为主的原因，我们不妨简要回溯一下中国早期青铜冶铸的历史。
黄帝采首山铜铸鼎的传说，前人多认为荒诞不经。现在看来，黄帝生存的年代肯定是在公元前3000年以后，其时冶铜术早已诞生。将此说与“蚩尤以铜作兵”的传说相联系，则黄帝铸鼎未必不可能。
继黄帝铸鼎说之后，传说中还讲到禹铸九鼎以及禹子启曾命人在昆吾（其地在今河南濮阳附近）铸鼎。据郭沫若考证，昆吾在当时是一个冶铜中心，昆吾的铜在古代非常著名。如果说黄帝铸鼎之说因无法证实可以存疑的话，禹铸九鼎的传说却几乎可以肯定，因为河南偃师二里头文化可以作证。
二里头文化一期至四期的年代为公元前1900～前1600年，而夏代的纪年范围是公元前2070～前1600年，二里头文化当然属于夏文化。在二里头文化遗址中，不仅发现了铸铜手工业作坊的遗迹，找到了冶炼用的陶锅、陶范和残留铜渣，而且出土了青铜材质的刀、镞、锥、鱼钩、铃之类的小件铜器和凿、锛、爵等较大的铜器。其中的一件铜爵，通高12厘米，经电子探针法定量分析，含铜92％，含锡7％，属于典型的青铜器。研究者指出，当时的青铜冶铸技术正在由初级阶段向高级阶段过渡。
在时代稍晚于二里头文化的郑州二里岗商代遗址（碳14年代为公元前1550年左右）中，出土了大量的青铜器，其中有多种兵器。与二里岗文化同期的湖北盘龙城则出土了159件青铜器，有器形25种。在四件青铜礼器中，其中三件的含锡量在7％上下。研究者据此断定，当时的青铜礼器，大多数是按一定的铜、锡配比铸成的，这只有在青铜冶铸技术的高级阶段才能办到。
到了以安阳殷墟为代表的殷商后期，青铜器的冶铸技术已相当高超，不仅器形相当完备，而且尽可能用铸造的方法解决金属器件的成形问题，其它加工工艺均处于从属地位。从殷商后期到西周晚期，几乎所有的青铜器件都由铸造成形，尽管某些器物的形制相当复杂，匠师们习惯的做法仍是采用多种形式的铸接工艺或经多次铸接使之成形。甚至轴配合和薄壁件的制作也通过铸造手段来实现。
不难看出，铸造成形是中国早期青铜冶铸技术根深蒂固的传统。而传统的力量往往是巨大的。在冶铁术诞生之初，需要锻造成形的块炼铁占主导地位，用于刻镂的“刚铁”只是偶然才能得到，数量极少。问题在于，当冶铁术诞生的时候，青铜冶铸技术已接近成熟，炼铜炉也已逐渐由矮小的陶尊炉向具有一定高度的鼓风竖炉发展，这一技术进步的趋势迟早要对冶铁术产生影响。当“刚铁”由于技术进步变得越来越多，仅仅用于刻镂已无法消化时，为“刚铁”寻找新的出路就成了问题。而这时，拥有铸造成形技术传统的中国古代冶铸匠师，当然不会把液态生铁及其凝集物视作废物，他们必定会采用最得心应手也是最近便的铸造成形方法来利用这些（虽然不太令人满意的）“恶金”。于是，铸铁技术宣告诞生。接下来当然是铸铁技术的不断完善和发展。当社会终于认识到铸铁的作用，开始大力推广时，这种最富“革命性”的金属终于大摇大摆地登上了历史舞台，而这一时刻，历史的车轮正好行进到春秋中叶，距离冶铁术的诞生，已有1400多年之久。
管仲霸齐铸铁初显神通
照理说，有高度发达的青铜冶铸技术作背景，冶铁术的发展不应如此缓慢。不过，既然事实如此，我们倒不妨试着找出其中的原因。
泰利柯特有一个论点：冶铁术并非先进炼铜工匠的专利，而是更早期原始炼铜工匠的发明，或者竟然完全是由不懂炼铜技术的一批新人创造的。这一说法似乎暗示着冶铁术的起源比我们能够认识到的还要久远。不过，这一说法确有道理。以常识而论，工艺愈先进，规矩就愈多，出现意外的可能性就愈小。而炼铜时炼出铁来，本来就纯属意外。顺着这一思路下推，我们就会发现，在青铜时代，冶铁术的诞生并非惊天动地的大事，只不过是一桩新生事物而已。而新生事物要取得社会的承认当然颇费时日。更何况，在制钢技术发明以前，作为新产品，（块炼铁）制工具硬度不如青铜，（白口生铁）铸礼器又黑不溜秋，缺乏耀眼的光泽。铁欲大行于世，必须等待时机，而这一时机到来的标志应该是：处于地表易采易炼的氧化铜矿已不敷使用，铸铁的生产成本已大为降低，生产力的发展又急需大量的工具。试想，在生产力低下的奴隶制时代，要满足这样的条件谈何容易，铸铁的姗姗来迟自有道理。不过，当时钟指向公元前六世纪的春秋中叶时，这一时机终于成熟了。
在烽火戏诸侯的周幽王自取灭亡后，关中地区充满了野蛮的戎人。宫室文物大部被毁，土地日见荒芜，继位于危难之时的周平王不得不东迁洛邑，重新建国，这就是东周的开始。东周之时，王室衰微，加上周边夷狄不断侵扰，国家名为统一，实已分崩离析。各路诸侯趁隙而起，争霸中原，以实力较短长（后人将这段历史称为春秋，始于公元前770年，终于公元前476年）。在经过了一番此消彼长之后，公元前651年，齐桓公在葵丘（今河南兰考县东）大会诸侯，周王派宰孔参加，赐给齐桓公“专征伐”的权利，自此开始了“礼乐征伐自诸侯出”的局面，齐桓公也由此成为春秋时代的第一个霸主。
齐国原本不大，又地处文化较为落后的东海之滨，为何能首先称霸呢？最直接的原因是明智的齐桓公任用了管仲为相。能干的管仲则通过发展工商业赚取钱财，使国家很快富足，军力迅速强大了起来。而在管仲诸多的富国强兵措施中，“官山海”是最为有效的一种。
据《管子•海王》篇载：“桓公曰：然则吾何以为国？管子对曰：唯官山海可耳。”郭沫若认为，“‘官’者，管也。‘管海’自然是指管制盐业，‘管山’就是把矿产管制起来，这里就包含着铜铁。齐桓公时已有铁的使用，我看是毫无疑问的。因此，《国语•齐语》里面，管仲所说的‘美金以铸剑戟，试诸狗马；恶金以铸锄夷斤，试诸壤土’，美金是指青铜，恶金是指铁，也是毫无疑问的。……齐桓公之所以能够划时代地成为五霸之首，在诸侯中特出一头地，在这儿可以找得出它的物质根据。煮海为盐积累了资金，铸铁为耕具提高了农业生产。所以桓公称霸并不仅仅由于产生了一位特出的政治家管仲，而是由于这位特出的政治家找到了使国富强的基本要素。”
郭沫若的分析是令人信服的。这同时也告诉我们，铸铁技术在齐桓公时已接近成熟，因此才引起了当权者（管仲）的注意。反过来，由于当权者的大力提倡，铸铁技术的发展也就大大加快了速度。试想，铸铁农具的使用既然能使齐国“足食”，相邻各国必将仿而效之。稍后的战国时代铸铁技术被七国普遍采用，其最初的契机应该是在这里。而中国冶铁术以生铁冶铸为主的基本走向由此而奠定就毫不奇怪了。
