古代是如何炼铜,炼铁的?

古代是如何炼铜,炼铁的?

古人最初采集铜矿石,是用于提炼纯铜.纯铜因为是红色的,所以叫红铜.红铜虽然可锻并能熔铸工具,但质地不如石器坚硬和锋利,制作出来的工具刀口容易钝.同时,由于红铜溶液粘稠,流动性差,所以难以浇铸出造型复杂的大件容器.古人在提炼及使用红铜工具过程中,发现将红铜与锡、铅等金属熔融在一起,就能克服以上这些弱点,于是开始在红铜中掺进定量的锡、铅,炼制出一种青灰色的合金,这就是青铜.与红铜相比,青铜有熔点低,易于铸造；硬度大；融化后流动性好,少气泡等优点,适于铸造锋利的刀刃和细密的纹饰.
青铜文化的出现和发展是建立在冶金设备的发展和完善基础上的.先进的炼铜竖炉是青铜冶铸业兴起的基础之一.从湖北大冶铜绿山发现的春秋时期的炼铜竖炉看,当时的竖炉由炉基、炉缸和炉身组成,在炉的前壁下部设有金门和出渣、出铜的孔洞,炉侧还设有鼓风口,整体结构已相当先进.
在冶炼青铜的过程中,我国古代劳动人民还逐步发现了铜与锡、铜与铅的配比的改变,能够使炼制出来的青铜的属性发生变化.青铜熔点低,加进的锡越多,熔点越低.同时随着加锡量的增多,硬度也随之增高,远远超过了红铜的硬度.但是当加锡过多时,青铜反而变脆,容易断裂.后来,人们又发现在青铜中加入定量的铅,就能克服青铜较脆的弱点.通过反复的实践,到春秋战国时期,古人已经总结出配制青铜的合金规律.战国时代的《周礼•考工记》里对于铸造各种青铜器物的合金配比,就有比较明确的记载："金有六齐,六分其金而锡居其一,谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居其一,谓之斧斤之齐；四分其金而锡居其一,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."这里的"金"是指青铜,"齐"是剂量的意思.
古代世界冶炼生铁的技术最早发现于中亚,但是由于炼铁炉过小,鼓风力弱,只能炼出海绵状的块炼铁.从春秋晚期开始,中国在炼铁技术上就开始独领风骚,竖式炼铁炉成了生铁冶炼的主要设备.特别是到了汉代,国家专营的冶铁作坊技艺精进,使生铁得以大量生产.
高炉的鼓风设备叫“橐”（音tuó）,是一只皮制的鼓风机.这种橐,在汉代又作了进一步的改进,由皮革制作的风囊和木架构成,有入风口和排风口,把几个橐连在一起的称为排橐或排,它可以增大进风量,增强燃烧的火力,把炉温迅速提高到炼铁所需要的1200多度.最早,橐用人力畜力带动.据史书记载,当时的炼铁,需要上百匹马拉动大型排橐鼓风,加上装运矿石的成百上千的工人,真是人强马壮.但是,无论人力还是畜力鼓风机都不能满足日益发展的炼铁的需要,炼铁业呼唤更有力的鼓风机的出现,于是功率更强大的水力鼓风机——水排应运而生了.宋代的王祯在《农书》中详细记载了水排的结构和工作原理,并绘图说明.水排是在湍急的水流之滨竖立起的巨大的木轮,靠水流的冲击力带动木轮转动,再由传动机构带动橐排的转动,从而将强大的风吹入高炉.古代水力鼓风机所包括的动力机构、传动机构和工作机构三部分已经达到相当完备的程度,制作技术和尺寸大小和中国高炉的规模相适应,举世无匹.
铸铁柔化术是中国古代钢铁业的另一重大发明.铸铁炼制出来之后,因为性脆、缺乏韧性而不适合锻造优良的铁器.而适合锻造铁器的铸铁,因热处理的温度和方法的不同,分作白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种.白心可锻铸铁具有比较高的硬度和强度,黑心可锻铸铁具有较好的耐冲击性.这种技术的关键是将普通铸铁长时间高温加热,使其中的化合碳发生变化,当碳的含量介于铸铁和钢之间,其性质也随之变化,具有较强的延展性并保持了一定的硬度.这种技术叫铸铁柔化术.
炒铁是古代中国钢铁冶炼的重大发明,是一种简便有效的炼铁术.方法是把含碳量过高的可锻铸铁加热到半流体状态,再和铁矿石粉混和起来不断“翻炒”,让铸铁中所含碳元素不断渗出、氧化,从而得到中碳钢或低碳钢.如果继续炒下去,就得到含碳更低的熟铁.这种方法始于西汉,东汉的《太平经》中就明确记载了炒铁技术.
两晋南北朝时,新的灌钢技术兴起了.这种方法是先将生铁炒成熟铁,然后同生铁一起加热,由于生铁的熔点低,易于熔化,待生铁熔化后,它便“灌”入熟铁中,使熟铁增碳而得到钢.这样,只要配好生熟铁用量的比例,就能比较准确地控制钢中含碳水平,再经过反复锻打,就可以得到质地均匀的钢材.这种方法比较容易掌握,工效提高较大,因此南北朝以后成为主要炼钢方法.灌钢技术在南北朝时已相当流行,这种方法是在炒钢的实践过程中逐步发展起来的.