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《少年科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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中国古代的金属冶炼

2018-09-26 20:04:00

  人类在很早以前就开始使用金属器物了,它们在人类文明的发展中有着不可替代的作用。而如何冶炼金属,则是全世界人民面临的共同问题。在发展金属冶炼技术上,中国古人走在了世界的前列。

  生铁

  人类从很早就开始炼铁了。早期冶炼出的铁叫作块炼铁,它呈固体,夹杂着很多非金属杂质。当冶炼技术提高后,人类冶炼出了生铁。与块炼铁相比,生铁呈液态,可以浇铸成型,非金属杂质比较少,产量和质量都有了大幅提高。从块炼铁到生铁的冶炼是炼铁技术史上的一次飞跃。

  我国的冶铁技术大约出现在西周(公元前1046年~公元前771年)时期,冶炼出生铁使我国成为世界上最早发明和使用生铁的国家。而欧洲许多地方的古人,虽然早于我国冶炼出了块炼铁,却经过了漫长的发展,直到公元14世纪才冶炼出了生铁。

  水排

  冶铁少不了空气的参与,鼓入炉内的大量空气可以使炉火燃烧得更旺,也可以提高化学反应的速率,促进铁的提纯。水排是我国古代冶铁用的水力鼓风装置。

  我国古代的鼓风器叫橐(tuó)。好几个橐排成一排,就叫排橐。早期的排橐动力来源于马或人,非常费力。东汉年间,南阳太守杜诗在总结劳动人民经验的基础上,发明了水排。

  水排的发明是冶铁技术上的一大进步,它加大了炉内的进风量,有效地提高了冶炼温度。同时还可以扩大炉缸,加高炉身,增加有效容积,从而大大地提高了生产能力,最终促进了生铁的冶炼。

  可锻铸铁

  可锻铸铁是一种高强度的铸铁,具有一定的可塑性和冲击韧性。欧洲和美国分别在16世纪和17世纪发明了这种铸铁。但事实上,我国早在他们2000多年前就已经发明并使用这种铸铁了。河南省洛阳市的一座战国早期遗址中曾出土过一件铁铲,科学家在这件铁铲中找到了一些可锻铸铁残余,上面分布着团絮状的退火石墨,这是到目前为止世界上经过科学分析的最早的铸铁可锻化退火处理件。

  在可锻铸铁中,“球墨可锻铸铁”因所含有的石墨呈球状而得名。它有比较高的强度、塑性和韧性,铸造加工性能也比较好。在河南省巩义市铁生沟曾出土过一件汉代铁?(jué),它的石墨结构甚至和现行国家球墨铸铁标准一类A级相当。

  炼钢

  冶炼技术在汉代又有了进步。炼钢的工匠们将生铁熔化后,在向炉内鼓风的同时,不断地搅拌炉内的铁水,使得铁水中的碳元素变成二氧化碳。待二氧化碳逸散后,生铁也就达到了除碳的目的,这个过程叫作炒钢。炒钢后,完全脱碳的铁就变成了柔软的熟铁。这时,再进行“千锤百炼”就得到了质量上乘的钢材,也就是百炼钢。

  百炼钢制作艰难,成本很高,主要用来制造宝刀、宝剑等贵重的物品。魏晋时期,我国的百炼钢就已发展到了鼎盛阶段。

  除了百炼钢,由生铁和可锻铁冶炼得到的灌钢,也是用来制作刀剑的高质量钢材。灌钢的制作温度高于生铁的熔点,容易将矿渣和铁分离开来,还可以通过控制原料配比和鼓风量等操作来提高产品的质量。北朝北齐的工匠綦毋(qí wú)怀文曾用灌钢制造了一把钢刀,非常锋利。他“ 浴以五牲之溺,淬以五牲之脂”,制作了这把钢刀。牲畜的尿液和脂肪均对淬火后的钢质量有不同的影响。这说明在綦毋怀文所在的时代,不仅有了灌钢技术,同时也知道了淬火速度对钢质量的影响。

  除了铁和钢的冶炼以外,我国古人也从很早就开始冶炼锌、黄铜、含镍白铜等金属。这些技术在世界冶炼史上,都有着领先的地位。聪明、勤劳的中国人,在与矿石、炼炉和火的博弈中,充分展现了自己的聪明才智和创造精神,让古老中国的冶炼工艺在世界文明的进程中大放异彩!

本文来自《少年科学画报》

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