古代提炼金属
在早期的文明国度和地区中,中国使用铜、铁等金属的年代相对说来是较晚的。但是,由于中国在冶铸技术方面的发明和创新,使中国的冶金业很快就后来居上,跃升于世界的前列,并为中国古代文明的高度发达奠定了坚实的物质基础。 从这里我们可以看到一个技术进步带动生产发展,并进而促进社会文明进步的典型范例。 埃及大约在公元前5000年时开始进入青铜时代,公元前1000年左右开始进入铁器时代;美索不达米亚地区大约在公元前7000年时开始利用自然铜,公元前4000年时开始进入青铜时代,公元前1200年左右开始进入铁器时代;爱琴海地区大约在公元前3300年时开始进入青铜时代,公元前1000年左右开始进入铁器时代;...全部
在早期的文明国度和地区中,中国使用铜、铁等金属的年代相对说来是较晚的。但是,由于中国在冶铸技术方面的发明和创新,使中国的冶金业很快就后来居上,跃升于世界的前列,并为中国古代文明的高度发达奠定了坚实的物质基础。
从这里我们可以看到一个技术进步带动生产发展,并进而促进社会文明进步的典型范例。 埃及大约在公元前5000年时开始进入青铜时代,公元前1000年左右开始进入铁器时代;美索不达米亚地区大约在公元前7000年时开始利用自然铜,公元前4000年时开始进入青铜时代,公元前1200年左右开始进入铁器时代;爱琴海地区大约在公元前3300年时开始进入青铜时代,公元前1000年左右开始进入铁器时代;印度大约在公元前2500年时开始进入青铜时代,公元前800年左右开始进入铁器时代;而中国是在公元前1500年左右开始进入青铜时代,公元前500年左右开始进入铁器时代的。
中国冶金史上的一个最突出的特点,是铸造技术占有重要的地位,以至于铸造既作为成形工艺而存在,又成为冶炼工序中的一个组成部分,达到了“冶”与“铸”密不可分的地步。因此在古代文献中往往是冶铸并称,并对中国文化产生了深刻的影响。
如常用词汇“模范”、“范围”、“陶冶”、“就范”等,都是由冶铸技术衍生而来的。这种冶与铸密不可分的冶金传统,是古代世界上其它国家和地区所无法比拟的。 1。青铜冶炼 被认为是中国古文明象征的商周到战国的青铜器,在某种意义上可以说是铸造技术所造就的。
中国开始冶炼青铜的时期虽然晚于西方约千余年,然而后来居上,冶炼水平很快超过了西方。 从重875公斤的司母戊方鼎、精美的曾侯乙尊盘和大型的随县编钟群,以至大量的礼器、日用器、车马器、兵器、生产工具等,可以看到当时中国已经非常熟练地掌握了综合利用浑铸、分铸、失蜡法、锡焊、铜焊的铸造技术,在冶铸工艺技术上已处于世界领先的地位。
而《考工记》中所记载的:“金有六齐。六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐。五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐。四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐。三分其金而锡居一,谓之大刃之齐。五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐。
金、锡半,谓之鉴燧之齐”,是世界上最早的合金配比的经验性科学总结,表明当时中国已认识到合金成分与青铜的性能和用途之间的关系,并已定量地控制铜锡的配比,以得到性能各异,适于不同用途的青铜合金。 《考工记》中还记载有:“凡铸金之状,金与锡,黑浊之气竭,黄白次之;黄白之气竭,青白次之;青白之气竭,青气次之,然后可铸也”,说明当时已掌握了根据火焰的颜色,来判定青铜是否冶炼至精纯程度的知识,这是后世化学中火焰鉴别法的滥觞。
用以比喻工夫达到纯熟完美境界的成语“炉火纯青”,就是由此引伸出来的。 在炼铜中的另一项重要成就是湿法炼铜,也叫胆铜法。这是利用炼丹家所发现的铁对铜离子的置换反应,进行冶铜的方法。其工艺过程是把硫酸铜或碳酸铜(古称曾青、胆矾、石胆等)溶于水,使成胆水,然后投铁块于溶液中,因铁的化学性能比铜活泼,铁离子会置换出铜来。
这是世界上最早的湿法冶金,宋代已用此法进行大规模的炼铜生产。 2。铸铁冶炼 中国冶炼块铁的起始年代虽然迟至公元前6世纪,约比西方晚900年,然而冶炼铸铁的技术却比欧洲早2000年。中国铸铁的发明出现在公元前5世纪,而欧洲则迟至公元后的15世纪。
由于铸铁的性能远高于块铁,所以真正的铁器时代是从铸铁诞生后开始的。社会发展的历史表明,铸铁的出现是社会生产力提高和社会进步的主要标志。中国从块铁到铸铁发明的过渡只用了约一个世纪的时间,而西方则花费了近三千年的漫长路程。
中国古代炼铁技术发展得如此迅速是世界上绝无仅有的。英国著名科学史家贝尔纳说,这是世界炼铁史上的一个唯一的例外。 由于生铁含碳量高,虽硬但脆,不耐碰击,易毁坏,为改进生铁的性能,中国古代发明了一系列的生铁加工技术: 其中,首先是战国时期问世的铸铁柔化术。
该项技术又分为两类,一类是在氧化气氛下对生铁进行脱碳热处理,使成白心韧性铸铁;一类是在中性或弱氧化气氛下,对生铁进行石墨化热处理,使成黑心韧性铸铁。而在西方,白心韧性铸铁的生产技术1722年方由法国人首次记述,黑心韧性铸铁是1831年才在美国问世的。
到汉代,铸铁柔化术又有新的突破,形成了铸铁脱碳钢的生产工艺,可以由生铁经热处理直接生产低、中、高碳的各种钢材,中国从此成为世界上的先进钢铁生产国。其产品亦随着中外交通贸易的发展,输运到周围各国以及中亚、西亚和阿拉伯一带。
另一杰出的生铁加工技术是炒钢,它是中国古代由生铁变成钢或熟铁的主要方法,大约发明于西汉后期。其法是把生铁加热成液态或半液态,并不断搅拌,使生铁中的碳份和杂质不断氧化,从而得到钢或熟铁。河南巩县铁生沟和南阳瓦房庄汉代冶铁遗址,都提供了汉代应用炒钢工艺的实物证据。
东汉时成书的《太平经》中也说:“有急乃后使工师击治石,求其中铁,烧冶之使成水,乃后使良工万锻之,乃成莫耶。”“莫耶”乃古代宝剑之称。这段文字虽失之疏简,但不难看出,它叙述的是由矿石冶炼得到生铁,再由生铁水经过炒炼,锻打成器的工艺过程。
炒钢工艺操作简便,原料易得,可以连续大规模生产,效率高,所得钢材或熟铁的质量高,对中国古代钢铁生产和社会发展都有重要的意义。类似的技术,在欧洲直至十八世纪中叶方由英国人发明。 中国古代的炼钢技术主要是百炼钢。
自从西晋刘琨写下“何意百炼钢,化为绕指柔”这一脍炙人口的诗句后,“千锤百炼”、“百炼成钢”便成为人们常用的成语。百炼钢肇始于西汉早期的块炼渗碳钢,其后不断增加锻打次数而成定型的加工工艺。到东汉、三国时,百炼钢工艺已相当成熟。
上引《太平经》中的“万锻之,乃成莫邪”,即是其生动的写照。曹操曾令工师制作“百辟利器”,曹丕的《典论·剑铭》中说:“选兹良金(指铁),命彼国工,精而炼之,至于百辟”。刘备曾令“蒲元造刀五千口,皆连环,及刃口刻七十二湅”。
《古今注·舆服》亦说:“吴大帝有宝剑三,……一曰百炼,二曰青犊,三曰漏景”。后世这一工艺一直被继承,并不断得到发展。 此外,在1981年经中国学者关洪野等人对513件出土的汉魏时期铁器研究后表明,中国早在两千多年前的汉代就已经发明了球墨铸铁,远远早于发达的欧洲国家。
目前,中国学者所做的结论已经得到了国际学术界的承认。 创始于魏晋南北朝时期的灌钢技术,是中国冶金史上的一项独创性发明。陶弘景说:“钢铁是杂炼生柔作刀镰者”,北齐的綦母怀文“造宿铁刀,其法烧生铁精以重柔铤,数宿则成刚”,说的就是灌钢技术。
灌钢的工艺过程大致为,将熔化的生铁与熟铁合炼,生铁中的碳份会向熟铁中扩散,并趋于均匀分布,且可去除部分杂质,而成优质钢材。灌钢技术在宋以后不断被改进,减少了灌炼次数,以至一次炼成。沈括在《梦溪笔谈》卷三说:“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,泥封炼之,锻令相入,谓之‘团钢’,亦谓之‘灌钢’”,并说“二三炼则生铁自熟,仍是柔铁”,正反映了灌炼次数的减少。
其中把柔铁屈盘起来是为了增加生熟铁的接触面,提高灌钢的效率,并促使碳份分布更均匀;封泥则可以促进造渣,去除杂质,并起保护作用。明代灌钢技术又进一步发展,据《天工开物》卷十四记载,已把柔铁屈盘改为薄熟铁片,进一步增加了生熟铁的接触面,加速“生熟相和,炼成则钢”的进程,泥封亦改为草泥混封。
灌钢又称“抹钢”、“苏钢”,其工艺自清至近代仍很盛行。在坩埚炼钢法发明之前,灌钢法是一种最先进的炼钢技术。 铜、铁外,中国古代冶炼和使用的金属还有金、银、汞、铅、锡、锌等,其中锌的炼制是中国首先发明的。
中国在先秦的青铜中已把锌作为伴生矿加入铜合金中,从汉代至元代更是有意识地把锌的氧化物“炉甘石”加入化铜炉中,以生产锌为主要合金元素的铜合金黄铜。明代时,则开始了大规模地用炉甘石作原料提炼金属锌。
从十六世纪起,中国的锌便不断传进欧洲。欧洲到十七世纪才开始炼锌,其工艺也是源自于中国。收起