作者|冷研作者團(tuán)隊(duì)-微漫煙葉
▲對(duì)噴是網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)藝能,,不得不品 遍地開花的青銅冶煉 ▲銅鐵被用于劃分人類文明的發(fā)展階段 煉銅比冶鐵要早得多,,大約在公元前4500年左右,。彼時(shí)人們會(huì)挖掘出一個(gè)坑,在底層鋪上木炭等燃料,,再在其上鋪上銅礦,,便形成了原始的碗式爐。當(dāng)工匠通過(guò)鼓風(fēng)將爐中的溫度提升至1084℃時(shí),,銅礦中的銅元素便會(huì)融化脫離礦石,,進(jìn)而凝結(jié)成顆粒,接著只需要扒開礦渣,,便可以從中找出顆粒狀的銅,。 隨著時(shí)間的推移,煉銅技術(shù)從近東地區(qū)向四周迅速擴(kuò)散開來(lái),,在公元前3000-2600年間,,埃及的煉銅技術(shù)經(jīng)愛(ài)琴海向西擴(kuò)散;公元前2200年伏爾加河下游的居民學(xué)會(huì)了煉銅,;而公元前2000-1500年之間,,遠(yuǎn)東地區(qū)開始出現(xiàn)銅基合金,至此人類開始普遍進(jìn)入青銅時(shí)代,。 ▲純銅太軟做工具不夠好 由于銅的硬度很低,,不能滿足撞擊和耐磨的工具需求。人們便開始添加其他元素改善其性能,,一開始工匠在冶煉過(guò)程中加入含砷的礦石或者直接選擇用高砷銅礦進(jìn)行冶煉獲得了砷銅,,但由于砷銅制品只能通過(guò)鍛打提高硬度,于是人們開始嘗試添加錫,,從而獲得了更為優(yōu)越的青銅(無(wú)論鑄造還是鍛造就能提高硬度)。對(duì)于冶煉青銅的探索,,為日后的冶鐵提供了基礎(chǔ),,也開啟了東西冶金路徑的差異。 ▲因生銹后銹呈青色而得名青銅 從鐵開始的技術(shù)路徑差異 ▲取出的海綿鐵塊 除了塊煉法外,,還有一類冶煉鐵的方法,被稱為生鐵冶煉法,。得益于鼓風(fēng)技術(shù)的發(fā)展,,中國(guó)率先解決了爐溫低的問(wèn)題,因而在冶煉鐵礦時(shí)能產(chǎn)生更接近液態(tài)的鐵水,,從而獲得了可以鑄造的鐵,。 但也正因?yàn)楣娘L(fēng)充分,爐內(nèi)保持氣氛的能力不如碗式爐等塊煉法用爐,,導(dǎo)致脫碳的速度沒(méi)有超過(guò)氧化速度,,脫碳不夠充分,故而成品并非塊煉法所取得的熟鐵或低碳鋼,,而是含碳量高于2%的生鐵,。生鐵因其較高的含碳量而具有脆硬的特點(diǎn),只能用于鑄造,,無(wú)法鍛制,。 ▲生鐵冶煉法 無(wú)論鑄造還是鍛制,均是一種金屬塑性的方法,,前者通過(guò)融化灌入模范冷卻成型,,后者通過(guò)鐵錘敲打成型。這兩類方法的成品有著很大的區(qū)別,,鑄造成型更簡(jiǎn)單,,但沒(méi)有經(jīng)過(guò)擠壓,內(nèi)部的結(jié)晶組織不夠緊密,,鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔也會(huì)破壞鑄鐵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,,故而鑄鐵通常沒(méi)有良好的機(jī)械性能;而鍛造產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)晶組織嚴(yán)密,,機(jī)械性能較好,,但因應(yīng)力等問(wèn)題很難由人力加工成形狀復(fù)雜的大型產(chǎn)品。 ▲鐵水澆筑 從上述鑄鐵的特點(diǎn)不難看出,,在火器時(shí)代以前鑄鐵的應(yīng)用范圍有限,,無(wú)論是農(nóng)具還是武器鎧甲,都不適合組織疏松且通常更厚的鑄鐵。 而對(duì)大型鐵器的需求還要等到火炮,、鋼鐵裝甲載具的出現(xiàn)才夠充足(此前的機(jī)械,、船只、大型雕塑等均以木材,、石料或青銅為主,,金屬零件要么不大,要么可以用青銅代替,,且就船只,、雕塑所需求的防水性而言,青銅更加適合),。因此雖然塊煉法難以制造大型鐵器,,但已能滿足冷兵器時(shí)代的需求,成為了所有文明通用的冶鐵法,。 ▲船只直到火器時(shí)代都還是木質(zhì) 當(dāng)然,,中國(guó)人并不滿意單單使用塊煉法,即便生鐵冶煉法的產(chǎn)物太脆只能鑄造,,也沒(méi)有擋住他們進(jìn)一步發(fā)展生鐵冶煉的熱情,,為了解決生鐵脆硬的問(wèn)題,在戰(zhàn)國(guó)時(shí)代開始了柔化鑄鐵的發(fā)展,,這是一種通過(guò)再加熱并使其在氧化性氣氛中充分反應(yīng),,從而脫去生鐵內(nèi)的碳的辦法,通過(guò)這種技術(shù),,中國(guó)先民做出了白心韌性鑄鐵和鑄鐵脫碳鋼,,在漢代,甚至通過(guò)退火的方式創(chuàng)造出了球化石墨鑄鐵,。 然而無(wú)論是柔化的鑄鐵還是球狀石墨鑄鐵,,都保留了鑄造時(shí)產(chǎn)生的孔洞缺陷,不能滿足盔甲武器這種需要高強(qiáng)度機(jī)械性能的需求,,鍛制仍然是高強(qiáng)度鋼鐵器具的首選加工方法(至今都是如此,,冷軋鋼性能要優(yōu)于任何鑄鐵)。 ▲鑄鐵氣孔 于是在西漢中期,,進(jìn)一步發(fā)明了炒鋼法:先將生鐵錘成碎片,,再丟入加熱的爐中,形成半熔融狀態(tài),,而后對(duì)其進(jìn)行翻炒,,使其氧化脫碳得更充分,,更均勻,,產(chǎn)出疏松柔軟的鋼鐵團(tuán)塊,進(jìn)而便可以進(jìn)行鍛打加工。 這種技術(shù)開啟了生鐵冶煉的新路徑,,然而炒鋼法本身也有很大的問(wèn)題,,在缺乏檢測(cè)手段、科學(xué)體系,,全憑經(jīng)驗(yàn)加工的古代,,氧化脫碳很難被控制好,往往在過(guò)分的攪拌中損失了大量的碳,,一下炒成了柔軟的熟鐵,,還需要再滲碳才能成為性能更好的鋼,徒增加工工序,。 于是在魏晉南北朝又發(fā)明了灌鋼法,,在生鐵中加入熟鐵攪拌,使二者的含碳量均勻,,從而更容易獲得鋼,。當(dāng)然,受限于經(jīng)驗(yàn)的掣肘,,無(wú)論采用什么方法都很難一次性作出需要的成品,,重新滲碳加工仍是常事。但這些技術(shù)的發(fā)展,,無(wú)疑拓展了冶鐵的技術(shù)思路,,為人類冶金工藝的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 ▲因其翻炒動(dòng)作而得名的炒鋼法 古代中國(guó)人選擇生鐵冶煉的成本考慮 ▲泰勒對(duì)歐洲和中國(guó)的礦渣進(jìn)行了檢測(cè) 其次是塊煉法需要?dú)t取鐵,這就導(dǎo)致連續(xù)生產(chǎn)的效率不足,,而生鐵冶煉則不需要如此,,流動(dòng)的鐵水可以自動(dòng)與礦渣分離并離開爐身,,為連續(xù)生產(chǎn)提供了便利。 ▲扒開爐身取鐵 而炒鋼,、灌鋼法在攪拌脫碳時(shí),,會(huì)促使鋼鐵內(nèi)的夾雜比較細(xì)碎,分布相對(duì)均勻,,雖仍須鍛打去渣,、成型,但排渣,、碎渣所需的鍛打次數(shù)也相應(yīng)的減少了,,節(jié)省了制作低端制品時(shí)的人力成本(高級(jí)貨仍需要多次反復(fù)鍛打,如百煉鋼制品),。綜上所述,,可見(jiàn)在成本方面,生鐵冶煉也有著不小的吸引力,。 ▲反復(fù)折疊鍛打有利于排渣,,使夾雜更細(xì)更均勻 未來(lái) 中國(guó)在生鐵冶煉上的探索,為人類的未來(lái)提供了可能,,也因?yàn)樯a(chǎn)出來(lái)的大量鐵質(zhì)工具,,帶來(lái)漢代中國(guó)在生產(chǎn)力上的飛躍,使得中國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)總值,,直到明清時(shí)代依然冠絕全世界,。而歐洲在16世紀(jì)后,也開始普及生鐵冶煉,,促成了大型鋼鐵制品的蓬勃發(fā)展,,并為日后成熟的高爐冶鐵技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),是不折不扣影響人類未來(lái)結(jié)束發(fā)展的一項(xiàng)偉大嘗試,。 參考書目: 《世界冶金發(fā)展史》 《A History of Metallurgy》by R·F·Tylecote 《滿城漢墓發(fā)掘報(bào)告·上冊(cè)》 《徐州獅子山西漢楚王陵出土鐵器的金相實(shí)驗(yàn)研究》 《呼和浩特二十家子古城出土的西漢鐵甲》 《北京昌平馬刨泉長(zhǎng)城戍所遺址出土鐵器的實(shí)驗(yàn)研究———兼論炒鋼工藝的一種判據(jù)》 《鹽鐵論·卷六·水旱》 《武庫(kù)永始四年兵車器集簿》 《漢代鐵質(zhì)農(nóng)具研究》 |
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