中國(guó)古代化學(xué)工藝——冶金

茶香飄萬(wàn)里 2015-02-27

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冶金

　　中國(guó)古代在銅、鋼鐵、金、銀、錫、鉛、鋅、汞等金屬的冶煉史上均居于世界的前列。中國(guó)古代的冶金技術(shù)，特別是秦漢以后的鋼鐵冶煉技術(shù)及其產(chǎn)品，不斷向外輸出，對(duì)亞洲各國(guó)產(chǎn)生很大影響。在著名的羅馬學(xué)者老普林尼所著《博物志》中曾記載了“中國(guó)鐵”西傳的情況，并認(rèn)為最優(yōu)良和最卓越的鋼是中國(guó)的產(chǎn)品。中國(guó)生鐵（鑄鐵）的發(fā)明，大約比歐洲早1000多年。英國(guó)學(xué)者李約瑟認(rèn)為，歐洲的鑄鐵技術(shù)是在11或12世紀(jì)由中國(guó)傳去的?；瘜W(xué)在冶金技術(shù)中占有很重要的地位，中國(guó)古代在冶金過(guò)程中積累了豐富的冶金化學(xué)知識(shí)。

冶煉紅銅

中國(guó)先民在不斷改進(jìn)石器和尋找、開采石料的勞動(dòng)中發(fā)現(xiàn)了天然紅銅。這是他們最早利用的金屬。在今甘肅單純齊家文化的多處遺址中出土了這類銅質(zhì)鍛造器件。由于當(dāng)時(shí)燒制陶器的技術(shù)已相當(dāng)成熟，既有了耐高溫的陶器,又能造成1000°C以上的窯溫,這就具備了用礦石冶煉金屬的條件。大約在距今5000年前，中國(guó)已進(jìn)入了冶煉紅銅的時(shí)期。最初是利用孔雀石類氧化銅礦石，將它與木炭混合加熱還原，得到金屬銅。

冶鑄青銅

中國(guó)幾乎在開始冶煉紅銅的同時(shí)就出現(xiàn)了青銅，主要是銅錫合金，其中往往含有鉛和其他金屬。由于其硬度比銅大而且堅(jiān)韌,熔點(diǎn)也較低，容易鑄造,所以得到了較快發(fā)展。甘肅馬家窯和馬廠文化遺址中出土了約公元前2500年的青銅器件。最初冶煉青銅，大概是將紅銅和錫礦石、木炭一起合煉而制得的；后來(lái)才逐漸發(fā)展到先煉出錫、鉛，然后再與銅合煉。商和西周時(shí)期是中國(guó)青銅器的鼎盛時(shí)代。河南偃師二里頭早商遺址出土了30余件錫青銅器，包括生產(chǎn)工具、兵器和禮器。河南安陽(yáng)出土的商代晚期禮器“司母戊鼎”是該時(shí)期青銅器的代表作，重875千克,是世界上最大的古青銅器，其中銅占84.77％，錫11.84％，鉛為2.76％。　　

安陽(yáng)小屯還出土了殷代的成塊錫錠和外鍍厚錫的銅盔。殷代墓葬中也發(fā)現(xiàn)有鉛質(zhì)酒器。這表明中國(guó)至遲在殷代已掌握了金屬錫和鉛的冶煉技術(shù)，有可能加入金屬錫、鉛煉制青銅。至遲在西周，中國(guó)已在冶鑄中使用鼓風(fēng)設(shè)備。湖北銅綠山古礦冶遺址還保存有春秋時(shí)期的煉銅豎爐，具有金門和鼓風(fēng)口，已大體具備了現(xiàn)代鼓風(fēng)爐的雛形。煉銅渣中含銅平均僅0.7％,表明那時(shí)冶煉技術(shù)已很高。戰(zhàn)國(guó)后期成書的《周禮·考工記》記載了鑄造各類青銅器的“六齊”規(guī)則（“六齊”是鑄造青銅時(shí)銅和錫的六種配方）；戰(zhàn)國(guó)末期成書的《呂氏春秋·別類編》有“金（即銅）柔錫柔，合兩柔則剛”的論述，說(shuō)明那時(shí)對(duì)青銅的成分與性能之間的關(guān)系已有了較系統(tǒng)的知識(shí)。

煉鐵

中國(guó)先民用鐵是從隕鐵開始的。河北藁城縣臺(tái)西村曾出土商代的鐵刃銅鉞。河南浚縣辛村也曾出土周初的鐵刃銅鉞和鐵援銅戈。它們都是用隕鐵鍛煉成的。中國(guó)開始冶鐵的時(shí)間大約在春秋時(shí)期。由于那時(shí)已經(jīng)有了豐富的冶鑄青銅的經(jīng)驗(yàn),進(jìn)步很快,生鐵和“塊煉鐵”幾乎同時(shí)出現(xiàn)。長(zhǎng)沙識(shí)字嶺楚墓出土的鐵臿、長(zhǎng)沙楊家山和窯嶺山出土的白口鐵鼎是春秋晚期的生鐵鑄造品；甘肅靈臺(tái)景字坪秦墓出土的銅柄鋼劍和長(zhǎng)沙出土的鐵削，分別是春秋中期和末期的塊煉鐵制品。塊煉鐵冶煉溫度低，夾雜物多，但含碳量低，接近于熟鐵，熔點(diǎn)高，質(zhì)地柔軟，適于鍛造器物；生鐵的冶煉溫度高，含硫、磷量較大,質(zhì)地硬脆，但耐磨,適于鑄造器物。

中國(guó)古代的生鐵先后發(fā)展出了四個(gè)品種，即白口鐵、灰口鐵、麻口鐵和韌性鑄鐵。白口鐵發(fā)展最早，其中的碳以碳化鐵(Fe3C)形態(tài)存在，質(zhì)硬脆耐磨，適宜鑄造犁鏵之類。最早的灰口鐵出土于河北滿城西漢墓，用于制作車上的锏。因其中硅含量高，促使碳石墨化，因此脆性減小，而其中的石墨片又具有潤(rùn)滑作用，所以這種生鐵正適合鑄造軸承材料。麻口鐵介于白口鐵和灰口鐵之間。銅綠山遺址和滿城漢墓都有麻口鐵犁鏵出土。韌性鑄鐵是將白口鐵加熱，長(zhǎng)期保溫而得，碳以團(tuán)絮狀石墨析出，而基體相當(dāng)于低碳或中碳鋼，所以這種鑄鐵的出現(xiàn)，表明工匠已掌握了退火柔化處理技術(shù)。這一工藝在戰(zhàn)國(guó)初期就初見端倪，后漢、魏晉南北朝時(shí)已得到廣泛應(yīng)用?！　?/section>

在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，工匠在鍛打塊煉鐵的過(guò)程中，由于炭火中碳的滲入而煉成了最早的滲碳鋼，并掌握了淬火工藝。這種方法到西漢初年又發(fā)展成為百煉鋼工藝。在西漢后期又發(fā)明了以生鐵為原料的炒鋼技藝，并從而得到熟鐵。大約在晉、南北朝時(shí)發(fā)明了將生鐵和熟鐵按一定比例配合冶鍛的方法，以調(diào)節(jié)鐵中的含碳量，而創(chuàng)造了“團(tuán)鋼”（又名灌鋼）冶煉工藝。中國(guó)的煉鋼技術(shù)在中古時(shí)期一直走在世界的前列?！　?/section>

中國(guó)大約在秦代或漢初開始采煤為薪。河南鄭州漢代古滎鎮(zhèn)煉鐵仍用木炭，在山東平陵、河南鞏縣鐵生溝的漢代冶鐵遺址中雖發(fā)現(xiàn)了煤塊、煤粉和煤餅，但只用作加熱爐和退火爐的燃料。五代時(shí)開始用煤煉鐵。明代后期，中國(guó)煉鐵不僅主要用煤，而且開始煉制和使用焦炭。　　

古滎鎮(zhèn)漢代煉鐵爐渣的流動(dòng)性良好，渣和鐵完全分離，爐渣中含CaO 25％左右、MgO 2.5％、鐵生溝漢代冶鐵遺址中曾發(fā)現(xiàn)石灰石。由此可知，那時(shí)冶鐵已采用堿性熔劑。

膽銅法

用膽水煉銅是中國(guó)古代冶金化學(xué)中的一項(xiàng)重要發(fā)明。這種工藝是利用金屬鐵將膽礬溶液中的銅離子置換出來(lái),還原為金屬銅,再熔煉成錠。早在西漢時(shí)就已有人覺察到這一化學(xué)反應(yīng)，《淮南萬(wàn)畢術(shù)》、《神農(nóng)本草經(jīng)》就提到：“白青（堿式碳酸銅）得鐵化為銅”，“石膽……能化鐵為銅”。唐代已有人用這種方法小規(guī)模煉制赤銅。北宋時(shí)膽銅法發(fā)展成為大規(guī)模生產(chǎn)銅的重要方法之一，最高年產(chǎn)量曾達(dá)180余萬(wàn)斤。

淘冶黃金

黃金都是以游離狀態(tài)存在于自然界，分沙金和脈金（小金）兩種。歷史上的早期采金技術(shù)都是“沙里淘金”。例如，《韓非子·內(nèi)儲(chǔ)說(shuō)上》提到“麗水之中生金”。開采脈金的時(shí)期就晚得多了，大約在五代之后。在河北藁城縣臺(tái)西村商代中期宮殿遺址中已有金箔出土。河南安陽(yáng)殷墟也有許多金器出土，所以黃金淘冶加工技術(shù)的出現(xiàn)應(yīng)早在商代前期，湖北隨縣擂鼓墩戰(zhàn)國(guó)早期的曾侯乙墓中曾出土金盞、金勺、金盒及金彈簧，表明那時(shí)黃金加工技術(shù)已達(dá)到很高水平。

煉銀

銀雖有以游離狀態(tài)或銀金合金狀態(tài)(黃銀)存在于自然界的,但很少，主要以硫化礦形式存在,并多與鉛礦共生。這種銀最初大概就是從冶煉到的鉛中發(fā)現(xiàn)的。所以銀的利用較黃金晚。中國(guó)大約在春秋初期才開始采集銀。陜西咸陽(yáng)路家坡出土了東周的銀質(zhì)空首布(貨幣)。而在戰(zhàn)國(guó)至漢代的墓葬中已有工藝技術(shù)較高的銀器隨葬品。東漢時(shí)期發(fā)明了以黑錫（鉛）結(jié)金銀的“灰吹法”。明代著作《菽園雜記》、《天工開物》中有翔實(shí)記載?！　?/section>

天然黃金中總混有一些銀，又常有人以銀摻入黃金謀利，所以提純黃金，使它與白銀分離，在古代成為一門專門的技藝。中國(guó)曾先后利用黃礬－樹脂法、礬鹽法、硫黃法、硼砂法、礬硝法、礬硝鹽法來(lái)分離金和銀，有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

煉汞

在自然界中雖有游離態(tài)汞存在,但量很少,主要以丹砂（硫化汞）狀態(tài)存在。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，中國(guó)已用水銀作外用藥。同時(shí)中國(guó)發(fā)明了利用水銀的鎏金術(shù)。這種技藝發(fā)展到西漢初年已達(dá)到極高的水平。河北滿城西漢中山靖王劉勝妻竇綰墓出土的“長(zhǎng)信宮燈”（見彩圖西漢長(zhǎng)信宮燈──用金汞齊進(jìn)行表面鎏金的制品）和茂陵（漢武帝墓）出土的鎏金馬至今光燦奪目。從丹砂升煉水銀的技術(shù)，在西漢時(shí)興起的中國(guó)煉丹術(shù)中得到了很大的發(fā)展。方士們?cè)诿荛]的設(shè)備中升煉水銀，先后利用過(guò)石灰石、黃礬、赤銅、黑鉛、鐵和炭末來(lái)促進(jìn)硫化汞的分解。南宋時(shí)期發(fā)明了蒸餾水銀的工藝，設(shè)計(jì)了專用的裝置，《天工開物》中也有類似記載。在中國(guó)的醫(yī)藥化學(xué)中還曾利用過(guò)鉛汞齊、錫汞齊。唐代已開始用銀錫汞齊作為補(bǔ)牙劑。

黃銅

宋代以前，鋅黃銅稱為鍮石，唐代已較多見，價(jià)值在銀、銅之間。明代以前，這種合金是利用爐甘石（碳酸鋅礦）和金屬銅、木炭合煉而成的。這個(gè)煉制方法的記載最早見于五代末期的“日華子點(diǎn)庚法”，是一個(gè)煉金術(shù)的配方。此法一直沿用到清代。

煉鋅

明初中國(guó)已掌握了從爐甘石煉取金屬鋅的技術(shù)，那時(shí)稱這種金屬為“倭鉛”。16～18世紀(jì)中國(guó)已向歐洲出口鋅錠，18世紀(jì)時(shí)出口鋅的純度達(dá)到99％。明代著作《天工開物》中有世界上現(xiàn)存最早的關(guān)于煉鋅術(shù)的文字記載。

鎳白銅

鎳白銅自古是中國(guó)云南的特產(chǎn)。東晉常璩《華陽(yáng)國(guó)志》就已記載：“螳螂縣因山名也，出銀、鉛、白銅、雜藥?！斌肟h在今滇北會(huì)澤、巧家一帶。在其附近，東川產(chǎn)銅，貴州章赫縣產(chǎn)鋅，四川會(huì)理有古鎳礦遺址。明代云南已大量生產(chǎn)似銀的鋅鎳銅合金，含銅40％～58％，鎳7.7％～31.6％，鋅25.4％～45％,稱為“中國(guó)白銅”。清朝康熙、雍正、乾隆三代，白銅大量銷往歐洲。

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