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古代科技史:出神入化话冶炼

  我们的祖国是四大文明古国之一,其许多生产制造技术曾长期领先于世界各国,这里单讲我国古代的冶铁技术。

  走进北京的故宫博物院,你会发现这里陈列着各式各样的青铜器具,其造型之精巧,纹饰之华美,真令人难以想象这些竟是我们3000年前的祖先制造出来的。

  在新石器时代晚期,我们的祖先就开始了铜的铸造,但目前只发现一些残片,没有完整的器物保存下来。1973年在河南省偃师县二里头遗址出土的乳钉纹平底铜爵,是目前所见到的新石器时代最早的青铜器。

  随着生产力的进一步发展和工匠们的不断努力,青铜的冶炼技术在商代达到了相当成熟的地步。灿烂的青铜文化成了商代文化的重要标志。

  在商朝已出现了规模宏大的青铜冶炼作坊。如河南安阳殷墟的铸铜作坊遗址的面积,至少在1万平方米以上,而洛阳西周早期铸铜作坊遗址的面积,则达到了10万平方米以上。在手工业作坊里,劳动者把铜(孔雀石)、锡和铅放在一起冶炼,熔炉的温度高达摄氏1000度以上。依靠高超的冶炼技术,商代的劳动人民铸造了一大批精美的青铜器。在这批青铜器中,最著名的是司母戊大方鼎(或称“后母戊大方鼎”),它通高133厘米,口长112厘米,口宽79.2厘米,重达875千克,是我国古代青铜器中最重的一件。其形体巨大,花纹秀丽,在世界青铜文化中是个罕见之物。铸造这样的大型器具,首先必须制作好陶范(相当于现代的石膏模),并分内范和外范。在外范上,雕刻出设计好的花纹,然后将熔化的铜液浇入内外之间的空隙中。待其冷却后揭去陶范,再精心修整,磨光后即成。但较大型的青铜器必须采用多范合铸,需众人协调配合,并依靠出神入化的技术才能办到,尤其像“司母戊”鼎这样巨大的器具,铸造难度系数更大,它需要熔化1000千克以上的金属(包括铜、锡、铅等)原料,在熔铜炉里用槽铸法才能铸成(河南省安阳小屯村商代铸铜遗址出土的熔铜炉,直径约80厘米)。与此同时,它还需要二三百人的共同协作,并精确控制合金配料的比例和观察熔铜炉的火候。

  丰富的铸造经验,壮观的生产规模,铸造了一大批像“司母戊”大方鼎这样举世惊叹的瑰宝,为世界冶金史写下了最为光辉的一页。

  变值得一提的是,当时我们的祖先已能总结出有关合金配制的理论。《周礼·考工记》中记载了6种不同成份的青铜合金配方,即“六齐(剂)”,并指出了青铜合金性能的变化规律。迄今为止,这是世界上最早的关于合金的科学总结。

  假如你去过北京的故宫青铜馆的线多年前的古铜器竟是如此光洁如新,完全不是想象中的那种剥蚀失泽的破样。这里有必要提一提我国古代的防锈处理技术,它在世界上同样也是遥遥领先的。早在商代,人们就已知道在铜头盔上镀一层锡以防锈。现代科学家还曾对秦兵俑坑中出土的铜箭镞用现代仪器作过分析,发现这些青铜器表面都包了一层含有2%铬的氧化膜。而西方直到20世纪才有类似的防锈处理技术,其步履已整整比我们的祖先晚了2000多年!

  除了闻名遐迩的中国青铜器外,白铜也是我国首先冶炼成功的。在1735年出版的《中华帝国全志》中,法国的耶稣会教士杜霍尔德写道:“最特殊的铜是白铜,其色泽和银一样。只有中国才有。”色泽银白的白铜是一种铜镍合金,能制造出美观实用的各种器具。到我国唐朝,白铜冶炼技术臻于成熟。

  唐宋时期,白铜沿着丝绸之路传到了今天的一些阿拉伯国家。大约16世纪之后,中国白铜传到了世界各地。世界各国的冶炼师和科学家对白铜表现出了浓厚的兴趣,他们也纷纷实验和仿造中国白铜。可直到1823年,白铜才由英国人和德国人仿造成功。

  水法冶金,是一种重要的冶金方法,其首创者也是中国人。远在宋代,我国各地就采用了胆水炼铜法,这也为世界冶金史增添了光辉的一页。

  胆水炼铜法无需燃料和炉子,只需在胆水(即含有天然硫酸铜成份的水)流经的地方放置一段木槽,放进一些铁片或碎铁块。时间一久,它们便起化学变化。浸渍几天后,通过置换反应,便可获得金属铜粉末。这种炼铜法操作简便,成本低廉。据历史记载,宋朝时期,全国每年胆铜产量可达50多万千克。而欧洲直到15世纪才发现铁片浸入硫酸铜中表面会附有铜末的现象,比我国晚了500多年,至于将此法用于实际生产,那就更晚了。

  我国古代劳动人民除了在铜的冶炼方面驰誉于世界,铁的冶炼和使用也长期领先于世界各国。

  铁的发现和使用,大大地提高了当时的生产力促进了人类文明史的发展。恩格斯也曾评价:“它是在历史上起过革命作用的多种原料中最后的和最重要的一种原料。”

  我们的祖先早在3000多年前就开始了铁器的使用。在春秋中期产生了当时先进的人工冶炼技术江苏六合程桥出土的春秋末期的铁条和铁丸,是目前所知最早经人工冶炼的铁。据科学家检验,铁条是早期的炼铁,铁丸则是白口铸铁。这块白口铸铁是世界上最早的生铁实物,欧洲到了14世纪才炼出生铁,比我国落后了整整1000多年。

  除白口铸铁外,另一种品质更优良,适用范围更广泛的可锻铸铁也是我国最早炼成的。湖北大冶铜像绿山战国铜矿井出土的六角锄和河北易县燕下都44号墓出土的镘、销,是目前为止最早的白心可锻铸铁。河南洛阳我国战国时期灰坑出土的一件铁则可能是最早的黑心可锻铸铁。白心韧性铸铁在欧洲到了1722年才开始使用,至于黑心韧性铁,直到19世纪才由美国研制成功。至此,欧美国家已比我国迟了2000多年。

  两汉时期,我国的铸铁热处理技术趋于成熟。河南巩县生铁沟汉代冶铁遗址中出土的铁镘表明,当时已生产出类似现代球墨铸铁的球化石墨组织的铸件。而西方国家到了1948年左右才研制成功现代球墨铸铁。

  “谁意百炼钢,化为绕指桑。”这是西晋著名诗人刘琨留下的诗句。但我国的炼钢技术出现显然早于这些诗句。据科学考证,西汉时代,我国已创出了称之为“百炼钢”的炼钢方法,产生了像东汉曹操的“百辟刀”,三国蒲元的“神刀”等一些著名的“宝刀”、“宝剑”。1974年在山东苍山出土了一把东汉永初六年(112年)制造的“卅大刀”。经科学测定,这把刀竟是用含碳0.6%-0.7%的“炒钢”反复折叠锻打而成。由此,这把刀也成为反映当时先进炼钢水平的有力见证。

  经我国一代代优秀工匠的不断努力,炼钢技术得以不断地发展。到了南北朝时期,綦毋怀文发明了当时最为先进的“灌钢法”,炼钢技术取得了新的突破。

  生活在公元6世纪北朝的东魏、北齐间的綦毋怀文,是当时出色的钢刀能手。据说他制出的“宿铁刀”能一下子斩断铁甲30札。

  綦毋怀文总结了历代炼钢师的丰富经验,通过多年实践而发明的“灌钢法”,是他毕生的心血成果他为世界炼钢技术的发展作出了永远不可磨灭的贡献。

  史书记载,綦毋怀文的炼钢法为:“烧生铁精,以重柔铤,数宿则成钢。”这就是说,选用品质优良的铁矿石,冶炼出优质生铁,然后,把液态生铁浇注在熟铁上,经几度熔炼,使熟铁渗入碳而成钢。由于让生铁和熟铁“宿”在一起,所以炼出来的钢被称为“宿铁”,炼出的宝刀也因此称为“宿铁刀”。

  灌钢冶炼法优于以前各种炼钢法。它操作简便,冶炼时间缩短,大大提高了劳动生产率。

  灌钢冶炼法是我国冶炼技术史上一项重大发明。欧洲直到1740年才发明类似灌钢法的坩锅炼钢,比我国迟了将近1000年。

  中国的铁器早在2000多年以前就传到欧洲,中国的钢铁冶炼技术也早在西汉就传往大宛(今乌兹别克和费尔干地区)和安息国(今伊朗)等地。这一切一都大大推动了全世界生产力的发展和整个人类文明的进步。

  如今,中国古代的冶炼技术已成为全人类的宝贵财富。面对辉煌的历史,我们应继往开来,用我们新生一代的双手开创中国又一个光芒四射的金属冶炼的腾飞局面。

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