中國早期的冶金鼓風機—皮橐

鼓風應用于冶金，在我國有悠久的歷史。我國古代先民發明的鼓風設備主要有皮橐、木扇式風箱和活塞式風箱。皮橐出現應不晚于春秋時代，是唐宋以前主要的鼓風設備，也是我國古代社會使用時間最長的鼓風機械，對我國冶金業的發展起到了重要的推動作用。因此，對皮橐的源流、原理、結構及原動力的演變等相關問題加以探討很有必要。

皮橐源流

我國至遲在夏代已將鼓風技術應用于冶金業。夏代早期主要是通過鼓風管用口吹氣的方式向煉爐內吹風，從而達到提高冶煉溫度的效果。遼寧凌源縣牛河梁夏家店下層文化（前1900～前1600年）遺址中發現粘有煉渣的帶有鼓風孔的煉銅坩堝爐殘片，是目前所知鼓風應用于冶金的最早實物，殘片上的鼓風孔內壁表面光滑，沒有磨損痕跡，表明鼓風器具并未通過鼓風孔與坩堝爐相連，推測其鼓風方式可能是用人力吹管鼓風（李延祥等：《牛河梁冶銅爐壁殘片研究》，《文物》，1999年第12期）。北京科技大學冶金與材料研究所對冶爐上部結構進行了復原，鼓風孔分上下兩排交錯排列，兩排孔中心間距為8cm，上排兩相鄰孔中心距為12cm，每排有6個，共12個，說明當時應該是一爐多人同時向爐內吹風以進行鼓風作業的。略晚于夏家店文化的古埃及古墓的壁畫（約前1500年）上有人力吹管鼓風來熔化金屬的場景圖，該圖形象地再現了早期人們利用陶管口吹鼓風工作的情景。這是目前發現的最原始的冶金鼓風方式。

到夏代中后期，我國應已出現了早期的鼓風設備。內蒙古赤峰市林西縣的大井古銅礦（距今約2700～2900年，時間為夏家店上層文化）是青銅時代晚期一處較典型的冶煉遺址。經考古發掘的部分遺址中出土有陶質獸首鼓風管1個，管長33cm，首部內徑7cm，中部外徑6cm，尾部稍殘，管首外部結有爐渣（孫淑云主編：《中國古代冶金技術專論》，中國科學文化出版社，2003年版）。這一發現表明，這一時期的鼓風方式應是將鼓風管通過鼓風管孔插入冶爐內進行鼓風。發掘的冶爐中的橢圓形豎爐，爐口殘存部分長軸120cm，短軸80 cm，說明這一時期的煉爐容積較早期有明顯的增大，靠人力吹管鼓風顯然不能滿足生產的需要。此外，鼓風管插入爐內，因爐內高溫使氣體膨脹，在通常狀態下，爐內高溫氣流可能通過鼓風管外竄，若仍為人力吹管鼓風，高溫氣體則會灼傷鼓風者，所以，當時應已發明并使用了原始的鼓風設備來代替人口吹鼓風。只是當時用來鼓風的設備實物，還有待考古學的進一步發現。

皮橐應是在原始鼓風設備的基礎上逐步改進而成的，至遲在春秋時期已經出現。春秋及以后的文獻中有較多的關于皮橐的記載，在古文獻中皮橐被稱為橐、爐橐、韋囊、鞴囊等。如《老子·道德經》載：“天地之間其猶橐乎”，這是目前所見關于皮橐最早的文獻記載。《管子·揆度》：“搖爐橐而立黃金也。”《墨子·備穴》簡單記述了皮橐的制作材料及工作方式：“具爐橐，橐以牛皮，爐有兩，以橋鼓之。”“灶用四橐，穴且遇，以桔槔沖之，疾鼓橐熏之。”《墨子·備城門》載：“救池者，以火與爭，鼓橐，馮外內，以柴為燔。”西漢淮南王劉安《淮南子·本經訓》載：“鼓橐吹，以銷銅鐵。”東漢趙曄《吳越春秋·闔閭內傳》：“使童男童女三百人鼓橐裝炭，金鐵刀濡，遂以成劍。”“鼓橐裝炭”需三百人，反映了當時冶金規模之大。以上記載表明，春秋戰國以來，皮橐不僅被廣泛應用，而且成為一種用途廣泛的鼓風機械，被應用于冶金、戰爭等領域。到了唐宋時期，皮橐逐漸被相繼出現的更為先進的木扇式風箱和活塞式風箱所取代。

皮橐的原理及結構

1930年山東滕縣出土的漢畫像石刻中，有一幅冶鐵圖，其中左側部分為應用鼓風設備進行冶煉作業的場景。經我國考古界、史學界的許多專家學者的研究，一致認為圖中由兩人操作的橢圓形物是鼓風機械—皮橐。

1959年中國歷史博物館王振鐸根據畫像石刻及有關的文獻記載，成功復原了皮橐。材料以木、皮為主。氣囊部分有三個木環、兩塊圓板，外敷以皮革制成，由四根木制吊桿懸掛于橫木上；一端圓板設手柄及進氣活門，另一端圓板設出氣活門及通風管道。工作時，人推拉與圓板相連的吊桿及裝于圓板上的手柄，往復拉壓皮橐，即可進行鼓風作業。

皮橐的出現，奠定了我國古代冶金鼓風設備的基本原理—即通過進出氣門實現鼓風設備箱體內外氣體的流通，靠壓縮箱體內的空氣產生一定氣壓的氣流實現鼓風作業；并且也確定了古代鼓風設備的發展方向——即通過往復運動來壓縮空氣實現鼓風作業。同時，它也在其他領域得到利用，甚至其小型化的皮橐在現代清除精密儀器中的灰塵等作業時還在沿用。皮橐是整體的往復運動，以后出現的木扇式風箱采用門扇近似往復運動的擺動運動，到活塞式風箱則實現了活塞的往復運動雙沖程做功，其技術發展的軌跡與皮橐的原理一脈相承。我國鼓風設備技術及結構至此日臻成熟。

皮橐對冶金技術的提高起到了重要作用，但其缺點是只能單沖程間歇鼓風，效率較低。為保證冶煉的效率，克服皮橐僅能單沖程鼓風的不足，當時的煉爐應是采用一爐多橐同時鼓風作業，這也許是后來稱之為“人排”、“馬排”、“水排”的原因。

皮橐鼓風的自動化—馬排、水排

《吳越春秋》記述當時冶煉一爐需要300人“鼓橐裝炭”，勞作極為辛苦。“欲免力役繁”，減輕勞動強度，提高功效，以適應社會生產發展的需要，人們將畜力、水力應用于鼓風作業，發明了自動化的鼓風機械—馬排、水排。《三國志·魏書·韓暨傳》記載了馬排、水排的演變過程：“舊時冶，作馬排，每一熟石用馬百匹；更作人排，又費功力；暨乃因長流為水排，計其利益，三倍于前。”

馬排的結構文獻少有記載，根據后世文獻關于以畜力為動力的機械的記載，可推知馬排的原理及驅動機構。《中國科學技術史·機械工程卷》中繪制了結構示意圖。豎立一圓木為立軸，在立軸上裝橫桿和大繩輪，由馬拉著橫桿轉動帶動大繩輪，通過繩套帶動小繩輪；然后通過安裝在小繩輪上的曲柄，再由連桿和另一曲柄將動力傳到臥軸，使其發生擺動；再通過臥軸上的曲柄和另一連桿推動皮橐，使其往復擺動，達到鼓風的目的。

水排是通過原動機—水輪將水流的勢能轉化為鼓風所用的機械能，以推拉皮橐鼓風作業。元代《王禎農書》對我國古代的立輪式和臥輪式兩種水排的結構有詳細的記載。

關于立輪式水排的結構，《王禎農書》載：“先于排前直出木，約長三尺，頭豎直偃木，形如初月，上用秋千索懸之。復于排前置一勁竹，上帶索，以控排扇。然后卻假水輪、臥輪所列拐木，自然打動排前偃木，排即隨入。其拐木既落，引排復回。如此間，打一軸可供數排，宛若水碓之制，亦甚便捷。”楊寬先生在《關于水力冶鐵鼓風機“水排”復原的討論》中繪有末端為木扇式風箱的立輪式水排示意圖，即以“秋千索”控制“木”，用“勁竹”以控制“門扇”，使門扇開合作業，達到鼓風的目的。

對臥輪式水排，《王禎農書》載：“其制當選湍流之側，架木立軸，作二臥輪。用水激轉下輪，則上輪所周弦索，通繳輪前旋鼓，掉枝一例隨轉，其掉枝所貫行桄，因而推挽臥輪左右攀耳以及排前直木，則排隨來去，冶甚速，過于人力。”李崇州先生對其進行了復原。

水輪作為原動機最早應用于水力糧食加工機械—水碓。中國最早出現的應是立式水輪（譚徐明：《中國水力機械的起源、發展及其中西比較研究》，《自然科學史研究》，1995年第1期），最早見于西漢人桓譚的《新論》，用水碓“役水而舂”。水排出現于公元31年，晚于水碓。根據立輪式水排的結構及相關文獻記載可知，立輪式水排的出現應源于立輪式水碓，是我國最早出現的水排，東漢杜詩發明的水排應為立輪式水排。立輪式水排鼓風作業時，其空回行程是利用“勁竹”的彈力，使皮橐恢復到初始狀態，“勁竹”的彈力很難持久保證，所以其運行的穩定性較差；另外，以“秋千索”控制“木”，結構本身穩定性不高，效率較低，因此，推測立輪式水排未能得到很好的使用。到曹魏時，人們在馬排的基礎上，改進而發明臥輪式水排。臥輪式水排結構上更為成熟，效率也較立輪式高。水排發明改進后，為后世冶金業長期沿用，到唐宋時期仍有使用。但唐宋時期的水排，其末端的皮橐已被木扇式風箱所取代。

畜力、水力的使用，實現了皮橐鼓風作業的自動化，不僅使人得以從繁重的體力勞動中解放出來，也促進了冶金業的進一步發展。特別是水排的發明，較早地將水能與風能結合起來，充分反映了我國勞動人民的勤勞和智慧，也反映了我國古代利用自然能的先進的科學技術水平。歐洲直到13～14世紀才開始將水力用于鼓風，到15世紀水力鼓風才得到普及。

（作者單位：鄭州大學歷史學院）

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”