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第13章 中国古代科技史(12)

“六齐”的产生有极大的技术和社会意义。在古代世界中,我国青铜技术的产生并不是最早的,但发展很快。除资源等方面的原因外,在技术方面至少有两点:首先是我国很早就掌握了金属冶炼所需要的高温技术;其次是很早具有了水平比较高的合金技术。世界上不少国家在公元前两三千年就进入了青铜时代,但发展缓慢。我国却不是这样。我国人民一旦发明了冶铜技术,很快就具有丰富的合金知识,并且迅速地把整个青铜技术推到更高的阶段,建立了世界上最光辉灿烂的青铜文明。

铸铁柔化处理技术的发明

我国劳动人民早在战国时代就开始广泛使用铸铁工具,但是早期的铸铁,是质脆而硬的白口铁,很容易折断,不耐用。因此,经过生产实践,我国劳动人民创造了两种桑化铸铁的技术:一种方法是铸铁件的可锻化热处理,经过氧化脱碳并析出部分石墨,使成为白心可锻铸铁。到战国晚期,出现了黑心可锻铸铁,是经过长时间加热退火而成,韧性比白心可锻铸铁高。另一种方法是经过加热氧化,对铸铁进行脱碳处理。在脱碳不完全时,铸件外层已成为钢,内层还是铸铁,成为一种钢和铁同存于同一工具中的复合组织;在脱碳较完全时,白口组织消失,铸件组织全部由铁变成钢,但还保存有铸件的特点。

当时还利用控制退火办法,创造了表面为低碳纯铁、中心为硬度高的体质复合铸件,使用中把表面层磨损,露出中间层作为刃口,解决了某些工具既要有坚硬锋利耐磨的刃口又要有韧性的要求,这种方法在战国后期,北起燕赵、南达楚国的范围内广泛使用,大大提高了铁工具的功能。

我国铸铁柔化技术的发明要比外国早2000多年。欧洲到18世纪才有白心可锻铸铁,19世纪美国才开始熔制黑心可锻铸铁。我国这个铸铁柔化技术的发明,对于当时铁工具的广泛使用,一对于促进当时社会生产力的发展,具有重大作用。

铸铁脱碳钢的发明

铸铁脱碳钢是一种特殊的制钢方法,约可以追溯到战国早期。它是经过热处理方法制作出来的。它的操作要点是先生产出白口铁铸件,然后在氧化性气氛中脱碳退火,使含碳量降低到钢的成分范围以下,不析出或很少析出石墨。它的金相组织同近代的钢和熟铁相似。

洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址出土过两件铁锛(ben奔),对其中一件的銎(qiong穷)部作了金相分析,知道它的表层已经脱碳,稍里是珠光体,中心是白口铁组织。这表明铁锛进行过不完全的脱碳退火处理,应属铸铁脱碳钢的前身或早期阶段。经秦、汉、魏、晋到南北朝时期,这项技术发展到相当成熟的阶段。主要表现在:第一,进行这种处理的器物更多了。近年在北京大葆台、河北武安和河南绳池、南阳瓦房庄、郑州古荣镇、鲁山望城岗等处都有发现,种类有铁斧、铁剪、铁铲、铁小刀、铁凿、铁笄、铁犁、铁铧等成型件以及梯形和长方形的小铁板等半成品件。第二,多数器件的整个断面都已经脱碳成钢或熟铁,中心再没有白口铁组织残余,没有或只有微量石墨在晶粒间界析出。第三,部分器件在整体脱碳成钢或熟铁后,经过局部锻打、刃部渗碳或其他加工,获得了更加良好的使用性能。第四,铸铁脱碳钢主要用作手工业工具的斧、剪以及农具的镰一类锋刃器,而一般可锻铸铁主要用作农具的锄、铲一类,至于铁釜、铁范、轴承一类生活用器、生产工具和交通用具,多用白口铁和灰口铁制作,说明当时人们对这些材质的性能已经有了相当认识,也说明铸铁脱碳钢技术、可锻化处理技术已经达到比较高的水平。南北朝时期以后,由于炒钢等冶炼工艺和加工工艺的发展等,铸铁脱碳钢技术、可锻铸铁技术逐渐失去了它们在生产中的重要地位,唐代以后就很少看到了。

铸铁脱碳钢的发明具有十分重要的意义。古代一般是没有铸钢的,而锻钢生产率很低,加工成型比较难,所含杂质比较多。我国古代利用生铁生产率比较高、容易成型、杂质比较少的优点,通过脱碳退火的办法,得到一种组织和性能同近代铸钢相近的铸件,这是我国古代冶金技术上的一项重大发明。

球墨铸铁的发明

碳以石墨形式存在的铸铁,根据石墨状态的不同,大体上分为三种:石墨是片状的为灰口铸铁;石墨呈团絮状的为可锻铸铁;石墨呈球状的为球墨铸铁。其中,球墨铸铁既有比较高的强度,又有比较高的塑性和韧性,铸造性能和加工性能都很好。我国在汉代就发明了球墨铸铁。

在河南巩县铁生沟西汉中晚期的冶铁遗址中出土的铁锡,经过金相检验,具有放射状的球状石墨,球化率相当于现代标准一级水平,而现代的球墨铸铁则是迟至1947年才在国外研制成功的。我国古代的铸铁,在一个相当长的时期里含硅量都偏低,也就是说,在约2000年前的西汉时期,我国铁器中的球状石墨,就已由低硅的生铁铸件经柔化退火的方法得到。这是我国古代铸铁技术的重大成就,也是世界冶金史上的奇迹。球墨铸铁以其优良的性能,在使用中有时可以代替昂贵的铸铜和锻钢,在机械制造工业中得到广泛应用。国际冶金行业过去一直认为球墨铸铁是英国人于1947年发明的。西方某些学者甚至声称,没有现代科技手段,发明球墨铸铁是不可想象的。1981年,我国球铁专家采用现代科学手段,对出土的513件古汉魏铁器进行研究,通过大量数据断定,我国汉代就出现了球状石墨铸铁。有关论文在第18届世界科技史大会上宣读,轰动了国际铸造界和科技史界。国际冶金史专家于1987年对此进行验证后认为:古代中国已经摸索到了用铸铁柔化术制造球墨铸铁的规律,这对世界冶金史作重新分期划代具有重要意义。

炒钢技术的发明

炒钢因钢铁在冶炼过程中要不断地搅拌好像炒菜一样而得名。我国的炼铁炒钢工艺大约发明于西汉。炒钢的原料是生铁,操作要点是把生铁加热到液态或半液态,利用鼓风或撒人精矿粉等方法,令硅、锰、碳氧化,把合碳量降低到钢和熟铁的成分范围。炒钢的产品多是低碳钢和熟铁,但是如果控制得好,也可以得到中碳钢和高碳钢。

炒钢的优点是成分可适当控制,生产率比较高,质量也比较好。在现代,人们常把由矿石直接制钢的工艺叫一步冶炼或直接冶炼,而把先由矿石冶炼成生铁然后再由生铁炼钢的工艺叫两步冶炼或间接冶炼。炒钢的生产过程也分两步:先炼生铁,后炼钢,因而在某种意义上说,炒钢的出现便是两步炼钢的开始,是具有划时代意义的重大事件,它进一步促进了我国古代铁器的广泛使用和社会生产力的发展。

炼铁高炉

我国炼铁的高炉是由炼铜的竖炉发展而来的。春秋时代,我国已经比较广泛地用坚炉炼铜了。在湖北大冶地区发现的春秋时代三座炼铜竖炉,复原后其结构特点与炼铁用的高炉十分相似。

根据目前考古发现,我国最早的高炉产生于汉代。汉代的冶铁高炉遗址在河南、北京、江苏以及新疆等地多次被发现,其中结构最先进的一座是河南郑州古荥镇~号高炉。经过复原,高炉炉体高4.5米,为椭圆形,这种炉体结构能克服风力吹不到中心的困难。高炉下部的炉墙向外倾斜,形成62度的炉腹角,从而使边缘的炉料与煤气能够有相当充分的接触。全炉可能有4个风口,用4个皮风囊鼓风。这座高炉的容积约44立方米,日产量约0.5吨到1吨。在约2000年前,我国高炉就已具有如此先进的结构,实在是一项杰出的成就,这在当时是世界上其他国家望尘莫及的。

水力鼓风技术在冶铁中的利用

人类早期的鼓风器大都是皮囊,我国古代又叫橐。一座炉子用好几个橐,放在一起,排成一排,就叫“排囊”或“排橐”。用水力推动这种排橐,就叫“水排”。水排是我国古代一种冶铁用的水力鼓风装置。

水排发明于东汉早期,它是南阳太守杜诗在总结劳动人民实践经验基础上发明的。因为它“用力少,见功多”(《后汉书·杜诗传》),所以大家乐于使用。三国时期的韩暨把它推广到了魏国官营冶铁作坊中,用水排代替过去的马排、人排,四季不歇。水排不但节省了人力、畜力,而且鼓风能力比较强,因此促进了冶铁业的发展。水排在我国沿用了很长一个时期,直到20世纪70年代,一些地方还在使用。水力鼓风具有十分重要的意义,它加大了风量,提高了风压,增强了风力在炉里的穿透能力。这一方面可以提高冶炼强度,另一方面可以扩大炉缸,加高炉身,增大有效容积,大大地增加了生产能力。足够强大的鼓风能力,足够高大的炉子,是炼出生铁的必要条件。水排的发明,是我国古代科技史上的一大成就,比西方水排的出现早了1100多年,它是人类利用自然力的一次伟大胜利。

灌钢技术的发明

“灌钢”,又称“团钢”。它是由生铁和熟铁合在一起冶炼得到的一种含碳量较高、且质地均匀的优质钢(合碳量在0.05%~2.0%的铁称为钢)。这种具有独创性的灌钢冶炼方法,至少在南北朝时期就已经发明了。

在历史上,灌钢有过几种不同的操作工艺。一种是把生铁和柔铁片捆在一起,用泥封住,入炉冶炼,称为“团钢”,或“灌钢”。一种是把生铁放在熟铁(可锻铁)片的上面,生铁先化,渗淋到熟铁中,如宋应星《天工开物》卷十四所说:“用熟铁打成薄片如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖紧,生铁安置其上,又用破草覆盖其上,泥涂其底下,洪炉鼓鞲(gou),火力到时,生钢先化,渗淋熟铁之中,两情投合。取出加锤,再炼再锤,不一而足。俗名团钢,亦曰灌钢者是也。”一种是“苏钢”,它是灌钢发展的高级阶段,灌钢的优点在这里得到了最充分的表现。

灌钢以生铁和可锻铁作为原料,灌炼操作在生铁熔点以上进行,因此生产率比较高,渣、铁分离比较好,人们可以通过控制原料配比和鼓风等操作来控制产品成分,因此产品质量也比较好。在公元1740年坩埚液态炼钢法发明以前,世界上制钢工艺基本上属于固态冶炼和半液态冶炼,渣、铁分离比较难。像灌钢这样,成分比较容易控制,渣、铁分离也比较好,在古代制钢技术中是十分罕见的。

灌钢法是我国古代炼钢技术上的卓越成就,它的发明和推广,对于增加钢的产量,改善兵器、农具和手工工具的质量,都有着重大的意义,它是公元1740年以前世界上最先进的制钢技术。

最早炼焦和用焦炭冶金

燃料在冶金生产中占有特殊的地位。它既是一种发热剂,也是一种还原剂。既要为冶炼过程创造必要的高温,也直接参与冶金的物理化学过程。因此,人们对冶金燃料提出了许多特殊要求。

人类最早使用的冶金燃料是木炭。木炭的优点是:第一,容易获得。第二,气孔度比较大,使料柱具有良好的透气性。在鼓风能力不强、风压不高的条件下,这点具有尤其重要的意义。第三,所含硫、磷等有害杂质比较低。一直到现在,木炭还是冶炼高级生铁的理想燃料。

木炭的最大缺点是资源有限,所以人们一直在努力寻找新的燃料。首先找到的是煤。我国冶炼生铁用煤的起始年代大约可以上推到南北朝时期。北魏郦道元(约466~527年)《水经注·河水篇》说,今新疆库车县北200里有山,人们取山上的煤来冶炼山上的铁,供给周围的广大地区使用。一般认为,宋代以后,冶炼用煤又有了一些发展。

但是用煤冶炼也有缺点:一是所含硫、磷等有害杂质成分比较高,它们在冶炼过程中会渗入生铁而引起金属加工过程中的热脆和冷脆。二是所含其他杂质也比较多,因此炼渣多,炉子容易发生故障。三是煤的气孔度小,热稳定性能比较差,容易爆裂,影响料柱透气性。于是人们又进行新的探索,终于找到了另一种冶金燃料,就是焦炭。焦炭是由煤干馏得到的,它保留了煤的长处,避免了煤的缺点。直到现在,仍旧是冶金生产的主要燃料。

冶金用燃料由木炭到煤,由煤到焦,都是重大的转变,这每一次转变对冶金生产都产生过重大的影响。欧洲人到18世纪初才使用焦炭,才解决了冶炼用焦的问题。在生铁冶炼用煤和冶金用焦上,我国都比欧洲早得多。

胆铜法

胆水炼铜,以我国为最早,是湿法冶金的起源,湿法冶金术的先驱,在世界冶金史上占有光辉的一页。所谓胆铜法,就是把铁放在胆矾(就是水合硫酸铜)溶液(俗称胆水)里使胆矾中的铜离子被金属铁所置换而成为单质钢沉积下来的一种产铜方法。这种产铜方法有许多优点。它可以就地取材,在胆水多的地方设置铜场。设备比较简单,技术操作容易,成本低,只要把铁薄片和碎块放人胆水槽中,浸渍几天,就能得到金属铜的粉末。胆铜法可以在常温下提取铜,不必像火法炼铜那样需要高温,这样既节省大量燃料,又不必使用鼓风、熔炼等设备。胆铜法还可以使含有铜的贫矿和富矿都能作原料用。

在欧洲,湿法炼铜出现比较晚。15世纪50年代,人们把铁片侵人硫酸铜溶液,偶尔看见铜出现在铁表面,还感到十分惊讶,更谈不上应用这个原理来炼铜了。

古代三大铸造技术一泥范铸造、铁范铸造、融摸铸造

我国古代金属铸造生产,不但历史悠久,成就辉煌,而且具有广泛的社会影响。今天经常运用的“模范”、“就范”、“模式”、“熔铸”等词语,就是由铸造业的术语演变而来的。古代劳动人民经过长期的生产实践,创造了具有我国民族特色的铸造工艺。其中以泥范、铁范、熔模铸造最重要,成为古代三大铸造技术。

泥范铸造

我国在夏代已能用石范熔铸青铜器,不过石范制作起来比较费事,又不耐高温,所以逐渐改用泥范。到了商代,泥范已经大量使用。用泥范铸造器物,是我国古代最主要、应用最普遍的铸造方法。

商代早期的泥范,以比较简单的两合范、三合范为主,用来铸造铜锛、铜凿等小型生产工具及铜铃、铜爵等小型日用工具。商代中期发展到使用多个型、芯组成的复合范,铸造百斤以上的大型铜器。商代晚期的泥范结构更加复杂,世界著名的“司母戊大方鼎”,重875公斤,高1.33米,鼎身用8块外范铸成,鼎底用4块外范铸成。同时泥范的质量也提高了,晚商一些青铜器上面的花纹和铭文,非常清晰,很难看出是用泥范铸成的。西周晚期的泥范质量进一步提高,一副范可以铸造数器,连续使用多次。春秋战国时期铸造工艺又有新的发展,普遍采用器身和附件分铸的方法,能够铸造体型大、形状复杂、花纹精细的青铜器。

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