Gang Trung Hoa cổ: lò cao và nồi gang có từ hơn hai nghìn năm trước

Trung Hoa cổ đại đã nấu chảy sắt thành gang lỏng và rót khuôn từ khoảng thế kỷ 5 trước Công nguyên, tức sớm hơn châu Âu chừng 1.500–1.700 năm. Bí quyết nằm ở lò cao cỡ lớn, gió mạnh, quặng và đất làm lò phù hợp, cộng với kinh nghiệm đúc đồng lâu đời. Đến thời Hán, nồi gang, lưỡi cày gang, cuốc gang đã thành vật dụng phổ biến, và từ năm 31 Công nguyên đã có ghi chép về bễ thổi lò chạy bằng sức nước.

Gang là gì và vì sao làm được gang là một bước nhảy?

Sắt nguyên chất chảy ở khoảng 1.538 °C. Nhưng khi sắt hấp thụ cacbon, nhiệt độ nóng chảy tụt xuống rất mạnh. Hợp kim sắt chứa khoảng 4,3% cacbon chảy ở chỉ khoảng 1.147 °C — thấp hơn sắt nguyên chất gần 400 độ. Đó là gang: hợp kim sắt có trên khoảng 2% cacbon, chảy lỏng được trong lò than, rót vào khuôn như đồng.

Ở phần lớn thế giới cổ đại, thợ luyện sắt cố tránh để sắt ăn nhiều cacbon, vì gang cứng nhưng giòn, không rèn được, và với họ đó là mẻ hỏng. Thợ Trung Hoa đi ngược lại: họ chủ ý làm ra gang, rồi khai thác đúng thế mạnh của nó — đúc hàng loạt.

Vì sao Trung Hoa làm được gang sớm như vậy?

Các nhà nghiên cứu, từ Joseph Needham (bộ sách Khoa học và Văn minh Trung Hoa) tới Donald Wagner, đưa ra nhiều yếu tố cộng hưởng:

• Truyền thống đúc đồng. Thời Thương – Chu, thợ Trung Hoa đã đúc những đỉnh đồng nặng hàng trăm ký, nắm vững làm khuôn, nấu kim loại số lượng lớn, tổ chức nhiều lò rót cùng lúc. Khi sắt tới, họ nhìn nó bằng con mắt thợ đúc.
• Lò cao và gió mạnh. Lò cao hơn khiến quặng và than đi xuống lâu hơn trong vùng nóng, sắt có thời gian ngấm cacbon. Bễ lớn, nhiều người kéo, cho lượng gió đủ đẩy nhiệt lên quá điểm chảy của gang.
• Đất sét chịu lửa tốt. Thành lò phải chịu được nhiệt độ cao mà không chảy sụt.
• Quặng nhiều phốt pho ở một số nơi. Phốt pho hạ thêm nhiệt độ chảy của gang, giúp gang lỏng hơn khi rót.
• Nhà nước tập trung. Sản xuất quy mô lớn cần tổ chức lao động và đầu tư — điều mà các nước thời Chiến Quốc rồi nhà Hán có thể làm.

Mốc chính xác của mẻ gang đầu tiên còn tranh luận. Có vài hiện vật được cho là sớm hơn, nhưng các nhà nghiên cứu thường đồng ý rằng gang được dùng rộng từ khoảng thế kỷ 5–4 trước Công nguyên, thời Xuân Thu muộn – Chiến Quốc.

Bễ chạy sức nước của Đỗ Thi hoạt động thế nào?

Lò cao cần gió liên tục, đều, mạnh. Kéo bễ bằng tay hay bằng sức ngựa tốn rất nhiều công. Sách Hậu Hán thư ghi rằng năm 31 Công nguyên, Đỗ Thi, thái thú quận Nam Dương, cho làm bễ thổi lò chạy bằng bánh xe nước để đúc nông cụ, giúp dân đỡ tốn sức mà được việc nhiều.

Nguyên lý: dòng nước quay bánh xe; trục bánh xe nối với hệ thanh truyền biến chuyển động quay thành chuyển động qua lại, đẩy kéo bễ. Sách nông học Nông thư của Vương Trinh, viết năm 1313, có vẽ và mô tả một cơ cấu như vậy, gọi là "thuỷ bài". Đây là một trong những ví dụ sớm nhất về dùng sức nước cho công nghiệp nặng.

Ở châu Âu, bễ chạy sức nước cho lò luyện sắt chỉ phổ biến từ khoảng thời Trung cổ, hơn một nghìn năm sau.

Gang đúc được dùng vào những việc gì?

Thế mạnh của gang là đúc nhanh, nhiều, giống nhau. Thời Chiến Quốc và Hán, người ta làm khuôn bằng đất nung, rồi về sau cả khuôn bằng chính gang, để đúc hàng loạt:

• Nông cụ: lưỡi cày, mũi cày, cuốc, thuổng, liềm. Một số mũi cày được thiết kế lắp vào phần gỗ để khi mòn thì thay.
• Đồ gia dụng: nồi, chảo, đỉnh nấu, chân đèn.
• Dụng cụ xây dựng: chốt, đai, móc nối.
• Tượng và tháp: về sau có những vật gang rất lớn. Sư tử sắt Thương Châu (tỉnh Hà Bắc), đúc năm 953 thời Hậu Chu, nặng khoảng 30–40 tấn tuỳ nguồn, là một ví dụ nổi tiếng còn tới hôm nay.

Gang giòn nên dễ vỡ khi va đập. Thợ Trung Hoa tìm ra cách ủ gang: nung nóng lâu vật đúc trong môi trường thích hợp để cacbon thoát bớt ở lớp ngoài, hoặc để graphit kết tụ lại, giúp gang bớt giòn. Nhiều nông cụ thời Hán được khảo cổ học xác định đã qua ủ như vậy.

Từ gang làm ra thép bằng cách nào?

Có gang rồi thì muốn có sắt rèn hay thép, phải lấy bớt cacbon ra. Từ thời Hán, thợ Trung Hoa đã biết xào gang: nấu gang trong lò hở, khuấy đảo cho không khí ôxy hoá cacbon, gang dần chuyển thành sắt dẻo hoặc thép tuỳ lúc dừng. Châu Âu có kỹ thuật tương tự — luyện gang thành sắt trong lò khuấy (puddling) — mãi tới năm 1784 với Henry Cort.

Một cách khác là trộn gang lỏng với sắt rèn để cân bằng lượng cacbon, ra thép. Nhờ hai con đường này, Trung Hoa có thể làm ra lượng sắt thép lớn mà vẫn đi từ gang.

Nhà Hán coi sắt là mặt hàng chiến lược. Năm 117 trước Công nguyên, dưới thời Hán Vũ Đế, triều đình lập chế độ độc quyền muối và sắt, đặt quan quản lý các lò luyện lớn. Cuộc tranh luận về chính sách này giữa quan lại và học giả năm 81 trước Công nguyên được ghi lại trong sách Diêm thiết luận — một tài liệu quý cho thấy sắt đã gắn với đời sống kinh tế sâu đến mức nào.

Vì sao châu Âu tới muộn hơn nhiều thế kỷ?

Lò cao làm ra gang ở châu Âu xuất hiện sớm nhất khoảng thế kỷ 12–13, với ví dụ được khảo cổ học xác nhận ở Lapphyttan (Thuỵ Điển), và chỉ phổ biến ở vùng Rhine, Bỉ, Pháp, Anh từ khoảng thế kỷ 15. Có mấy lý do được đưa ra:

• Châu Âu không có truyền thống đúc đồng quy mô lớn như Trung Hoa; thợ sắt quen rèn hơn đúc.
• Lò sắt xốp nhỏ, phân tán, hợp với nhu cầu làng xã; không có động lực làm lò lớn.
• Gang bị coi là phế phẩm vì không rèn được.

Có giả thuyết cho rằng kỹ thuật gang Trung Hoa lan sang phương Tây qua con đường tơ lụa, nhưng chưa có bằng chứng thuyết phục. Phần nhiều nhà nghiên cứu nghĩ châu Âu tự phát triển lò cao từ lò sắt xốp ngày càng lớn.

Mốc thời gian gang thép Trung Hoa cổ

1. Khoảng thế kỷ 5–4 TCN: gang đúc được dùng rộng rãi thời Chiến Quốc.
2. 117 TCN: nhà Hán lập độc quyền muối và sắt.
3. 81 TCN: hội nghị tranh luận được chép thành Diêm thiết luận.
4. 31 CN: Đỗ Thi ở Nam Dương làm bễ thổi lò chạy sức nước.
5. 953 CN: đúc sư tử sắt Thương Châu.
6. Thời Tống (thế kỷ 11): than đá dùng nhiều cho luyện sắt ở miền Bắc; sản lượng sắt được nhiều nhà sử học đánh giá là rất lớn so với thời đó.
7. 1313: Nông thư của Vương Trinh vẽ cơ cấu bễ chạy sức nước.

Hôm nay tìm hiểu gang Trung Hoa cổ ở đâu?

Sư tử sắt Thương Châu vẫn đứng ở tỉnh Hà Bắc, là điểm tham quan cho người mê vật liệu: thân tượng đúc từ nhiều đoạn, còn thấy các đường ghép khuôn. Bảo tàng Quốc gia Trung Quốc (Bắc Kinh) và nhiều bảo tàng tỉnh có trưng bày nông cụ gang, khuôn đúc gang thời Hán.

Sách nên đọc: bộ Khoa học và Văn minh Trung Hoa của Joseph Needham (tập về luyện kim sắt do Donald Wagner viết); các công trình của Wagner về sắt thép Trung Hoa cổ. Khi đọc, hãy để ý cách các tác giả phân biệt rõ cái gì có hiện vật khảo cổ chứng minh và cái gì chỉ có trong văn bản.

Còn ở nhà, chiếc chảo gang trong bếp chính là hậu duệ trực tiếp của truyền thống này — một vật đúc từ hợp kim chảy ở khoảng 1.200 °C, công thức đã có từ hơn hai nghìn năm trước.