冶铁业是古代社会最重要的手工业生产部门之一。魏晋以来，由于战争频仍，对铁质武器的数量和质量有了更高的要求，因此各族统治者都十分重视冶铁业的发展。而自先秦以来，在长期的生产实践中我国古代劳动人民已经积累了丰富的冶铁炼钢知识和经验，这些都为冶铁技术的迅速发展提供了条件。这一时期出现了百炼钢和灌钢等冶铁方法，特别是灌钢冶炼法的发明和推广，对于增加钢的产量，改善兵器、农具和手工业工具的质量，促进社会生产力的发展，都起了积极的作用，对后世的炼钢生产也有着深远的影响。冶铁技术的进步为各种机械的发明和创新提供了条件。这一时期出现了许多重大的机械发明和革新，并涌现出许多的机械发明家。

一、百辟千灌，精炼成钢

我国是世界上最早生产钢的国家之一。西汉后期我国已发明了“炒钢”技术。炒钢法发明以后，使百炼钢技术发展到成熟阶段。魏晋南北朝时期，最精良的钢就称为“百炼精钢”或“百炼钢”。当时用百炼钢制成的刀，十分锋利，能够斫断用头发丝悬挂起来捆成一束的13根芒草，可见百炼钢质量很高。百炼钢技术具体说来就是将钢铁反复加热锻打，这可以使钢的组织更加致密，成分更加均匀，夹杂物减少和细化，从而显著提高钢的质量。在炼制百炼钢产品时，需要工匠千锤百炼，这是一项十分艰苦的劳动，耗工费时。据记载，曹操曾命工匠为他自己和儿子们炼制宝刀5把，花了3年时间才造成。这种宝刀叫做“百辟刀”，在曹操的《内诫令》中称为“百炼利器”。曹植还写了一首《宝刀赋》，对炼制宝刀的生产场面进行了生动的描绘：“炽火炎炉，融铁挺英。乌获奋椎，欧冶是营。”就是说，当时满庭炉火熊熊，钢花四溅，锻工们奋锤猛击，像古代传说中的大力士乌获那样刚劲有力，像冶铸大师欧冶子那样老练高明。这一时期涌现了许多炼制这种宝刀宝剑的著名冶炼家，如晋代永嘉年间的刘昼和南朝齐、梁时的黄文庆，都是当时最有名的刀剑冶炼家。当时“炼”的工艺有“三十炼”“五十炼”“七十二炼”“八十炼”“百炼”等区别，它们分别代表着不同的质量标准，百炼钢就是经过100次左右的加热和反复折叠锻打的精钢，代表了当时炼制优质钢铁利器工艺的最高水平。

百炼钢虽然质量很高，但是因为太费时费力，所以成本高昂，不可能大量生产。为了解决社会对钢铁的供需矛盾，北魏著名工匠綦毋怀文经过不断研究和反复实践，发明了一种新的炼钢工艺——灌钢法。据史书记载，綦毋怀文的炼钢方法是：“烧生铁精以重柔铤，数宿则成钢。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斩甲过三十札。”[65]这种冶炼方法利用生铁的铁液灌入未经锻打的熟铁，能使碳能较快、均匀地渗入。只要掌握好生铁和熟铁的比例，再经反复锻打，就可以炼成质地均匀、质量较好的钢铁。綦毋怀文炼造的产品称“宿铁刀”，至于“灌钢”一词最早见于宋人沈括的《梦溪笔谈》，其冶炼方法与宿铁的炼制方法非常相似，可见，宿铁就是后世所说的灌钢。

灌钢法是我国炼钢技术发展史上一个重大的成就。它同百炼法和炒炼法相比，具有很多十分突出的优点。首先，灌钢法在古代各种炼钢方法中是效率最高的方法，炼制时间短，适于大量生产；其次，在高温下，熟铁中的杂质会被强烈氧化而挥发掉，因而炼造后的钢可以减少锻打次数，降低冶铁工匠们的劳动强度；另外，工匠们还可以通过调整生铁和熟铁的比例，获得不同含碳量的钢，这是前代诸法所不能比拟的。总之，灌钢冶炼法的显著优点是成本低、工艺简便，容易推广应用，而且比较能保证质量。值得注意的是，綦毋怀文对钢的热处理技术也有很大的创新。淬火是中国古代对钢铁进行热处理最重要的方法，就是将已经锻好的钢铁烧红，达到一定的温度，然后迅速浸入冷却剂中冷却，使其获得较高的硬度和一定的物理机械性能。在綦毋怀文之前，工匠们单纯采用一种淬火介质（一般是用水）淬火，这容易导致工件的变形和开裂。綦毋怀文在用灌钢冶炼法制成“宿铁刀”之后，便“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”，这样依次运用两种不同的**淬火可以使钢铁得到比水淬火更坚韧的性能，还可以减少淬火过程中的开裂和变形。綦母怀文懂得使用双液淬火法说明当时的熟练工匠通过长期实践，对淬火工艺的功能已经有了更深刻的认识。

随着灌钢冶炼法的发明和推广，南北朝各地的钢产量有了大幅度的提高，农具、兵器和手工业工具得以用钢来制造，从而提高了工具的质量，促进了社会生产力的进一步发展。同时，灌钢法对后世的炼钢生产也有着深远的影响。

这一时期，工匠们还发明了锻制固体脱碳钢的技术。这种使用生铁铸件在固体状态下脱碳制钢的方法，是在铸铁柔化处理工艺的基础上发展起来的。秦汉以后，炼钢技术虽已发展到相当高的水平，有了多种炼钢方法，但毕竟还不能冶炼出**钢来，因此不可能铸成钢件。魏晋以后，工匠们参考生铁铸造技术将白口生铁的铸件脱炭退火，在这一过程中适当地控制时间和温度，使之析出石墨，从而使生铁中多余的碳被氧化成气体挥发掉，成为全钢组织。在不能炼出**钢的古代，用这种巧妙的方法得到铸造成型的钢件，充分表现了我国劳动人民善于创造条件、攻破技术难关的首创精神。当然，这种制钢方法也有局限性，它不能用以制造较大和较厚的钢件，现在出土的这种钢件都是比较薄的，一般在1厘米以下。

二、巧思绝世的机械发明家马钧

马钧，字德衡，曹魏扶风（今陕西扶风县）人，官至博士、给事中。他一生刻苦好学，对机械制造有着浓厚的兴趣，并专心致志地进行研究和制造，终于成为一代“巧思绝世”的机械发明家。时人称赞道：“马先生，天下之名巧也。……虽古公输般、墨翟、王尔，近汉世张平子，不能过也。”[66]

马钧最重要的机械发明是一种新式的引水工具——翻车。翻车，即水车，又叫做龙骨车。在马钧发明它之前，农业生产常用的灌溉工具是桔槔和辘轳，农夫用它们从水井里汲水，然后手提肩挑着去浇灌农田。东汉灵帝中平年间，掖庭令毕岚发明了一种结构简单的洒水车，也称翻车。《后汉书·张让传》载：“（毕岚）又作翻车渴乌，施于桥西，用洒南北郊路，以省百姓洒道之费。”李贤注曰：“翻车，设机车以引水。渴乌，为曲筒（虹吸管），以气引水上也。”毕岚发明的翻车是否就是龙骨水车，由于缺乏资料，现在已经无法得知了。而马钧所造的翻车就是后世传用的龙骨水车，却是没有疑问的。史载，马钧居住在魏都洛阳时，有一次他看到城内有一片土地可以辟为园圃，但因地势较高，灌溉困难。于是，他便发明了高效率的引水工具——翻车。这种翻车结构十分巧妙，可以连续提水，而且非常轻便，“令童子转之，而灌水自覆，更入更出，其巧百倍于常”[67]。翻车发明后不久便得到推广使用，并沿用了1600多年，一直是我国古代劳动人民最常用的水利灌溉机械之一，在农业生产中发挥了极其重要的作用。

水磨模型

马钧另一重要创造是对织机的改进。我国很早就发明了织机来织造提花织物，从文献记载和考古发现来看，早在先秦时代就已经有了多综提花腰机，迟至汉代已有了可以织造精美织物的多综多蹑的脚踏织机，但其构造十分复杂，操纵不便，效率亦不高。据《西京杂记》记载，西汉一位最善织造蒲桃锦、散花绫的妇女，所用的织机上有综、蹑各达120个之多，织成1匹绫锦需要60天。东汉时，织机虽经逐渐改进和简化，但仍需50个综蹑，操作仍然很复杂。马钧“患其丧功费日，乃皆易以十二蹑”[68]，把蹑数减少了四五倍。新织机不仅操作大为简化，工效大为提高，而且所织出的花纹图案更加精美，“其奇文异变，因感而作者，犹自然之成形，阴阳之无穷”[69]。新型织机以其优良性能对曹魏纺织生产的发展起了重要的作用。晋人左思《魏都赋》说：“锦绣襄邑，罗绮朝歌，绵纩房子，缣总清河。”反映的便是中原地区纺织业生产日益发达的情景。

指南车模型

记里鼓车模型

马钧还制造了一辆指南车，这是他的另一重大创造。指南车是我国历史上一项杰出的机械发明，相传为周公所作，“以送荒外远使。地域平漫，迷于东西，造立此车，使常知南北”[70]。但这仅是传说而已，事实上，从先秦到西汉一直没有人制造过指南车。东汉大发明家张衡首先试制了此车，但因汉末丧乱，其器不存，也没有留下任何资料。魏明帝青龙年间，马钧奉诏更造指南车，很快就试制成功。由于他是在毫无前人资料的情况下制造出来的，因此其工作完全可以说是一种发明创造。《晋书·舆服志》记载了指南车的具体形制：“驾四马，其下制如楼，三级；四角金龙衔羽葆；刻木为仙人，衣羽衣，立车上，车虽回运而手常南指。大驾出行，为先启之乘。”指南车之所以能指示方向，关键就在于车中设置有可自动离合的齿轮传动机构，能够抵消车子向左右转动的影响，使木人的手臂永远指示正南方。整座车结构简单，构思灵巧，说明马钧对齿轮系统的传动原理已经有了十分深刻的认识。晋代工匠在指南车工作原理的基础上又创造了指南舟，后赵人解飞、后秦人令狐生、北魏人马岳和南朝人祖冲之先后根据马钧制作指南车的方法复制过此车。

三、各显神通的水力机械

这一时期，随着农田水利灌溉事业的发展，各种水力机械也被广泛使用。两汉之际就已发明的水排、水碓和南北朝时期出现的水磨、水碾等机械在人们的日常生活中逐渐占据了相当重要的地位，发挥了巨大的作用。同时，许多能工巧匠对这些水力机械进行了革新改造，使其功效成倍地增加，如韩暨改进了水排，杜预创制了连机碓，刘景宣发明了连转磨等。他们的发明对中国古代手工业和科学技术的发展起到重大的作用，堪称手工业技术发展史上的重大革新。

韩暨改进的水排是利用水力推引鞲鞴鼓风的器具，用于冶金。《后汉书·杜诗传》说，河内汲县（今河南省汲县）人杜诗，在东汉光武帝建武七年（31年）到南阳郡做太守，他总结当地冶炼经验，发明了水排以铸造农具，结果“用力少，见功多，百姓便之”。二百年后，曹魏人韩暨改进了水排，并把它推广到整个魏国官营冶铁手工业中去。韩暨（159—238年），字公至，南阳堵阳（今河南省方城县）人，曾任乐陵太守，后徙监冶谒者，掌管官营冶铁业。他对水排的改进主要是“因长流为水排”，即利用大河作为水排的动力。这样做既增加了水排的动力，又便于水排使用地区的推广，“计其利益，三倍于前”[73]。西晋以后，这种改良型水排在南北各地都得到了广泛的使用。据《太平御览》卷八三三引《武昌记》说：元嘉初，刘宋政权还曾在武昌开挖“冶塘湖”，“发水冶，水冶者以水排”。而在欧洲，直到13世纪才发明了水排，这比我国要晚1200年。

水碓，即水舂，是利用水力舂米的机械装置。它出现于两汉之际，东汉初年著名的哲学家、经学家桓谭在其论著《新论》中提到：“伏羲之制杵臼，万民以济。及后世加巧，因延力借身重以践碓，而利十倍。杵舂又复设机关，用驴、羸牛马及役水而舂，其利乃百倍。”所谓“役水而舂”就是指用水碓舂米。水碓发明以后，在雍州地区使用最广，《后汉书·西羌传》载顺帝永建四年（129年）尚书仆射虞诩上疏说：“雍州之域，厥田惟上……因渠以溉，水舂河漕，用功省少，而军粮饶足。”所谓“水舂河漕”也是指水碓。魏晋时期，水碓的使用更加普遍。曹操曾徙陇西、天水、南安人民充实河北之地，“民相恐动，扰扰不安”[74]，雍州刺史张既“假三郡人为将吏者休课，使治屋宅，作水碓，民心遂安”[75]。可见，当时比较富裕的人家已多有水碓。在晋代，因为利用水力的大手工业，特别是利用水力的农产品加工的手工业利润很大，有权势的官僚地主往往霸占河道，建筑拦河坝，安装水碓。史载西晋大富豪石崇家中就有水碓30区。又如《晋书·刘颂传》载“（刘颂）为河内（太守）。……郡界多公主水碓，遏塞流水，转为浸害。颂表罢之，百姓获其便宜”。

魏晋以前的水碓都是单碓，西晋杜预进行了改革，在单碓的基础上又发明了连机碓，使舂捣谷物的效率成倍地增加。杜预（222—284年），字元凯，京兆杜陵（今陕西省西安市）人，官至河南尹、度支尚书。咸宁间，代替羊祜出任都督荆州诸军事，镇守襄阳。他大兴水利，灌田万余顷，“公私同利，众庶赖之，号曰‘杜父’”[76]。大约就是在此时，他发明了连机碓。据元人王祯《农书》记载，这种连机碓的形制是于河中立一个大轮，轮轴上装有一排滚角不动的短横木，起凸轮的作用，当流水冲击大轮使它转动时，轴上横木一个接一个地推动一排碓梢，使碓舂米。连机碓可以使水力平均利用，减少功耗，增加效率。时人傅畅曾经称赞说，由于杜预发明了连机碓，“洛下谷价丰贱”[77]。

水碓和水磨是效率很高的粮食加工的手工机械，它们的出现给人民生活带来了巨大的方便。而且我国水碓、水磨的出现比西方几乎早了900年，这充分反映了我国古代机械制造和技术理论水平居于世界的先进行列。

注释

[1] 《南史·祖冲之传》。

[2] 《隋书·律历志上》。

[3] 《宋书·律历志下》。

[4] 《九章算术注·自序》。

[5] 《九章算术·商功章》注。

[6] 《旧唐书·经籍志》。

[7] 《隋书·天文志上》。

[8] 《晋书·虞喜传》。

[9] 《隋书·天文志中》。

[10] 同上。

[11] 《隋书·天文志中》。

[12] 《齐民要术·序》。

[13] 《齐民要术·序》。

[14] 《齐民要术·序》。

[15] 《齐民要术·耕田第一》。

[16] 《齐民要术·栽树第三十二》。

[17] 《齐民要术·养鸡第五十九》。

[18] 同上。

[19] 《齐民要术·养羊第五十七》。

[20] 《齐民要术·养牛、马、驴、骡第五十六》。

[21] 《齐民要术·造神曲并酒第六十四》。

[22] 同上。

[23] 同上。

[24] 同上。

[25] 同上。

[26] 《齐民要术·笨曲并酒第六十六》。

[27] 同上。

[28] 同上。

[29] 《后汉书·华佗传》。

[30] 《三国志·魏志·方技传》。

[31] 《三国志·魏志·方技传》。

[32] 《后汉书·华佗传》。

[33] 《晋书·皇甫谧传》。

[34] 《针灸甲乙经·序》。

[35] 同上。

[36] 《晋书·葛洪传》。

[37] 同上。

[38] 《南史·隐逸传下》。

[39] 《本草经集注·序》。

[40] 同上。

[41] 苏轼：《分类东坡诗·送蹇道士归庐山》注文。

[42] 《抱朴子·内篇·黄白》。

[43] 魏伯阳：《周易参同契》。

[44] 《淮南子·坠形训》。

[45] 《抱朴子·内篇·黄白》。

[46] 《史记·孝武本纪》。

[47] 《黄帝九鼎神丹经诀》，见《道藏》温字号总，584—585册。

[48] 同上。

[49] 《三国志·魏志·明帝纪》。

[50] 《南史·王昙首传王俭附传》。

[51] 《南齐书·东昏侯纪》。

[52] 《晋书·简文三子传》。

[53] 《洛阳伽蓝记》卷一《城内》。

[54] 同上。

[55] 同上。

[56] 《宋书·谢灵运传》。

[57] 《宋书·谢灵运传》。

[58] 顾炎武：《历代宅京记·邺下》引《魏都赋》。

[59] 《魏书·茹皓传》。

[60] 《南史·齐本纪》。

[61] 《洛阳伽蓝记》卷二《城东》。

[62] 《洛阳伽蓝记》卷三《城南》。

[63] 《洛阳伽蓝记》卷三《城南》。

[64] 同上。

[65] 《北史·术艺传》。

[66] 《三国志·魏志·方技传》注。

[67] 《三国志·魏志·方技传》注。

[68] 同上。

[69] 同上。

[70] 《宋书·礼志五》。

[71] 《三国志·魏志·方技传》注。

[72] 同上。

[73] 《三国志·魏志·韩暨传》。

[74] 《三国志·魏志·张既传》。

[75] 同上。

[76] 《晋书·杜预传》。

[77] 《太平御览》卷七六二引《晋诸公赞》。

[78] 《太平御览》卷七六二引嵇含《八磨赋》。

[79] 《南齐书·祖冲之传》。