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古代如何煉銅煉鐵?

古人最初采集銅礦石是為了提煉純銅。純銅被稱為紫銅,因為它是紅色的。紫銅雖然可以鍛造鑄造成工具,但其質地不如石器堅硬鋒利,制成的工具邊緣容易鈍。同時,由於銅溶液的粘性和流動性差,很難鑄造出形狀復雜的大型容器。古人在提煉和使用紫銅工具的過程中,發現這些弱點可以通過將紫銅與錫、鉛等金屬熔化來克服,於是開始在紫銅中摻入壹定量的錫、鉛來提煉壹種藍灰色的合金,這種合金就是青銅。與紫銅相比,青銅熔點低,易於鑄造。硬度高;熔化後流動性好,氣泡少等優點,適合鑄造鋒利的葉片和精細的花紋。

青銅文化的出現和發展是以冶金設備的發展和完善為基礎的。先進的煉銅豎爐是青銅冶鑄業興起的基礎之壹。從春秋時期湖北大冶銅綠山發現的煉銅豎爐可以看出,當時的豎爐由爐座、爐缸和爐體組成。爐前壁的下部設置有金色的門和用於出渣和出銅的孔,並且爐的側面也設置有風口。整體結構相當先進。

中國古代勞動人民在冶煉青銅的過程中,逐漸發現銅與錫、銅與鉛比例的變化可以改變精煉青銅的性能。青銅的熔點很低。錫加得越多,熔點越低。同時,隨著錫加入量的增加,硬度也增加,遠遠超過紫銅的硬度。但是錫加多了,青銅就變脆了,容易斷。後來發現在青銅中加入壹定量的鉛可以克服青銅的脆性。通過反復實踐,到了春秋戰國時期,古人已經總結出了準備青銅的合金規則。戰國時期的李周?《考公基》中對鑄造各種青銅器的合金比例有明確的記載:“金有六等,其中金錫六等,稱為鐘鼎其金錫五分居第壹,謂之斧;其金錫四分在其中,謂之格極之氣;其金、錫三分之二在壹處,謂之大刃之氣;其金錫五分於第二,即箭之裁殺;"據說,金錫的半學位就是壹個很好的例子. "這裏的“金”是指青銅,“氣”是指用量。

古代世界冶煉生鐵的技術最早發現於中亞,但由於煉鐵爐太小,吹來的風又弱,只能制成海綿狀的塊狀用於煉鐵。自春秋晚期以來,中國在煉鐵技術上壹直領先,豎式煉鐵爐成為生鐵冶煉的主要設備。特別是在漢代,國營冶鐵作坊提高了技術,使生鐵大量生產。

高爐的鼓風設備叫tuó,是壹種皮革鼓風機。這種木筏在漢代得到了進壹步的改進。它由皮革氣囊和木制框架制成,有進氣口和出氣口。將幾個筏子連接在壹起稱為筏或筏,可以增加進風量,增強燃燒火力,迅速將爐溫提高到煉鐵所需的1200度以上。起初,它是由人力和畜力驅動的。據史料記載,當時煉鐵需要幾百匹馬拉大型排風機,加上幾百個運礦石的工人。這真是壹個堅強的人。但無論是人力還是畜力鼓風機都無法滿足日益增長的煉鐵需求,煉鐵行業呼喚更強大鼓風機的出現,於是更強大的液壓鼓風機——水排應運而生。宋代的王鎮在農書中詳細記載了水筏的結構和工作原理,並用圖畫加以說明。木筏是壹個巨大的木輪,豎立在水流湍急的岸邊。水流的沖擊帶動木輪轉動,再通過傳動機構帶動木筏轉動,從而將強風吹進高爐。古代液壓鼓風機的動力機構、傳動機構、工作機構三大部分已經達到相當完備的水平,制造技術和尺寸與中國高爐規模相適應,舉世無雙。

鑄鐵軟化是中國古代鋼鐵工業的又壹偉大發明。鑄鐵經過精煉後,因其脆性大,缺乏韌性,不適合鍛造優質鐵。由於熱處理的溫度和方法不同,適於鍛鐵的鑄鐵可分為白芯可鍛鑄鐵和黑芯可鍛鑄鐵。白芯可鍛鑄鐵具有更高的硬度和強度,而黑芯可鍛鑄鐵具有更好的抗沖擊性。這項技術的關鍵是對普通鑄鐵進行長時間高溫加熱,使其中的結合碳發生變化。當碳含量介於鑄鐵和鋼之間時,其性能也發生變化,具有很強的延展性,並保持壹定的硬度。這種技術被稱為鑄鐵軟化。

炸鐵是中國古代鋼鐵冶煉的重要發明,是壹種簡單有效的煉鐵技術。方法是將含碳量高的可鍛鑄鐵加熱至半流體狀態,再與鐵礦粉混合不斷“翻炒”,使鑄鐵中所含的碳不斷滲出氧化,從而得到中碳鋼或低碳鋼。如果繼續炸,會得到含碳量更低的熟鐵。這種方法始於西漢,東漢的《太平經》中明確記載了炸鐵的技術。

晉南北朝時期,出現了新的澆鋼技術。在這種方法中,首先將生鐵炒至熟鐵,然後與生鐵壹起加熱。由於熔點低,生鐵容易熔化。生鐵熔化後,被“倒入”熟鐵中,使熟鐵滲碳,得到鋼。這樣,只要熟鐵原料配比好,就可以更精確地控制鋼中的碳含量,經過反復鍛造,就可以得到組織均勻的鋼。這種方法相對容易掌握,大大提高了工作效率,因此成為南北朝以後的主要煉鋼方法。南北朝時期澆鋼技術相當流行,這種方法是在炸鋼的實踐中逐漸發展起來的。