汉代高超的钢铁冶铸技术

・７８・　化学教育　２０１０年第５期　汉代高超的钢铁冶铸技术　马一岚　（甘肃西和县第一中学７４２１００）　摘要汉代是我国古代钢铁冶铸技术发展史上的一个主要时期。这一时期，令人瞩目的钢铁治　铸技术主要有：球墨铸铁技术、炒钢、灌钢和单孔小口叠铸技术。　关键词　汉代　钢铁冶铸　球墨铸铁　炒钢法　灌钢法　汉代，我国钢铁工匠在总结实践经验的基础上，　对过去的一些生产技术作了改进，并且有多项技术　发明，使我国古代钢铁冶铸业达到了一个新的高度，　不仅对我国封建社会的农业、手工业、水利、交通以　及人们的物质生活有着重要影响，而且在中外钢铁　冶铸史上具有划时代的意义。这时期，令人瞩目的　钢铁冶铸技术介绍如下。　１球墨铸铁技术　钢与铁都是纯铁与碳的合金。冶金学上，一般　把含碳量小于０．５　的合金称为熟铁，含碳量在　０．５　～２　之间的称为钢，含碳量大于２　的称为　生铁，生铁又称铸铁。它是在１１５０￣１３００℃的温度　下冶炼而得，出炉时呈液态，可以浇铸成型，其质脆　硬，夹物较少。生铁经高温退火后，可得到一种高强　度展性铸铁（称可锻铸铁）。这一技术，中国在两千　年前的东周时期已经掌握，而对于西方国家，则是　１７２２年以后的事情。可锻铸铁中，有一种性能优　良，甚至可以代替铸钢的球墨铸铁。现代冶炼球墨　铸铁技术是在１９４８年左右发明的。但是，令人惊诧　的是，我国考古工作者在河南铁生沟汉代冶铁遗址　中出土的铁镬，以及在河南渑池出土的汉魏时期的　铁斧，经权威部门化验，证明其中有十分良好的球状　石墨，有明显的石墨核心和放射性结构，与现代球墨铸　铁国家标准相当。可见，我国早在汉代已经在制造球　墨铸铁了。汉代球墨铸铁的生产是世界冶金史上的一　大奇迹，是我国古代钢铁冶铸史上一项重大发明。　２炒钢、灌钢技术　钢毕竟比铁具有更多的优越性。因而，古代工　匠总在想方设法把铁制造成钢。最初的时候，工匠　们在８００￣１０００￣Ｃ较低温度下，用木炭还原铁矿石，　得到一种含杂物较多，呈海绵状的块炼铁。因为块　炼铁含碳量低，相当软，只能锻，不能铸，因此不是理　想的造器材料。铁匠们以块炼铁为原料，对它反复　加热，折叠锻打，挤出杂物，并在与碳火接触中使之　增碳变硬，就成了块炼钢，这是最原始的钢。这种钢　在制造过程中，需要反复加热锻打，故又称“百炼　钢”。这种制钢法，劳动量大，效率低。西汉中后期　以后，铁匠们发明了炒钢技术。即将生铁加热至　１２ｏｏ＇ｃＤ￣，撒人矿石粉，并不断搅拌，使生铁含碳量　降低（碳氧化）而成钢。这是一种制钢简便快捷的工　艺。炒钢技术的出现，标志着炼钢技术发展到一个　新阶段。它可以使社会得到大量廉价的熟铁和钢，　对于生产工具的改进，起着重要作用。河南南阳出　土的一把铁刀，刀身有一道平行于刃部的锻接痕迹，　刃部就是用高质量炒钢煅接而成的。欧洲是在１８　世纪中叶才开始运用炒钢技术，比我国落后了１８ｏｏ　年。炒钢再经锻打，钢的成分就会更均匀，组织更密　致，强度更高。这种以炒钢为原料的“百炼钢”，比前　述“百炼钢”工序简化，劳动量减少，产品质量更好。　１９７８年江苏徐州铜山县驼龙山汉墓出土的一把“五　十炼”钢剑，就是用炒钢做原料制作的百炼钢件。这　是高级阶段的百炼钢。　但是，炒钢时，如果火候掌握不好，炒过了火，钢　的含碳量就会偏低，炒钢便炒成了熟铁。后来，工匠　们发现，加人生铁，即可弥补这一缺陷。这就引发一　种新的炼钢技术一灌钢法。从现代冶金原理分　析，这种技术，就是利用生铁含碳量高，熟铁含碳量　低的特点，将熔化的生铁灌入熟铁液中去，使成碳含　量合乎要求的钢。　当然，中国当时在冶炼规模和技术规范上还有　许多不足之处，与现代钢铁业不可同日而语。　３单孔小口叠铸技术　所谓叠铸，就是将多层铸范叠合起来，装配成　套，一次就能铸造几个，十几个甚至上百个铸件。叠　铸技术早在战国时期已经发明。到汉代，叠铸技术　较过去有了很大进步，由原来多孔改为单孔。这样，　冶铸效率更高，质量更好，材料更省，成本更低。河　南温县发掘的一座汉代烘范窑，在约９　ｍｚ的长方型　窑里，发现五百多套叠铸范，这些范，大部分仍保存　完好，范的总浇口只有８～１０　ｒａｍ；范与范之问的分　浇口则只有１～３　ｍｍ；范的结构十分严谨，范腔轮　廊清晰，每层之问合拢严密，保证了产品的规格化，　连仅３　ｍｍ的薄壁铸件也能铸造。可见汉代叠铸工　艺已经相当细致了。　追溯世界冶金史，在西方，如地中海东岸及两河　流域上游一些地区，开始冶铁的时间比中国早，但中　国古代的钢铁冶铸技术，却长期处于领先的地位，这　是什么原因呢？我们认为，中国古代的钢铁冶铸技　术，之所以领先于世界，有几个方面的原因：首先，我　国商周时期青铜冶铸业高度发达，形成了一整套冶　铸工艺传统，使我国早期的钢铁冶铸业有多方面的　技术借鉴；其次，我国在世界上最早采用高炉冶炼钢　２０１０年第５期　化学教育　铁，产量大幅度提高。在河南、江苏、北京及新疆等　地，均发现有汉代的冶铁高炉遗址。再次，高温技术　的掌握，包括鼓风设备的改良，燃烧的更新。钢铁冶　炼，温度是一个关键因素。第四，设备完全，分工细　致。从河南巩县铁生沟遗址看，当时冶铸有一套完　整的生产设备，有藏铁坑，配料池、铸铁坑、淬火坑　等，仅冶铸炉就有炼炉、排炉、反射炉和锻炉（炒钢　具具有更明显的优越性，社会的需求量大增，钢铁冶　铸业也就成为一门可以牟取暴利的职业。冶铸之家　无不暴富，财或累致万金。汉武帝时，因为与匈奴大　规模的作战，国家对钢铁需求增加，为保障国防需　要，乃推行盐铁官营政策。国家投入大量资本，集中　各地能工巧匠，从事钢铁冶铸，由于政府的重视，由　于各地先进经验、技术的交流、推广，汉代的钢铁冶　炉）等二十余座；而且有了选矿、配料、人炉、熔铁、出　铸业取得了辉煌的成就。　铁、铸造锻打等工序之分。这就使得技术的精益求　参考文献　精有了可能。　［１］北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学无机化学教研室．　中国，是世界上最早冶铸钢铁的国家之一，从考　无机化学．第４版，北京：高等教育出版社，２００３：９５８—９６０　古资料看，商代伊始，我国先民已经懂得利用天然陨　［２］白云翔著．先秦两汉铁器的考古研究．北京：科学出版社，　铁锻造铁器。至春秋中晚期，我国古代工匠开始冶　２００５　铸钢铁，这是我国钢铁冶铸业的创始时期。到了汉　［３］徐龙国．考古，２００７，（１０）：８７—９０　Ｅ４］谭德睿，廉海萍．科学，１９９８，（２）：４３—４４　代，西汉文帝实行放任政策，钢铁治铸业得到迅速发　［５］张学铭等．化学小辞典．北京：科学技术文献出版社，１９８４：　展。由于钢铁器具比其他材质（如石、木、铜等）的器　１　９４　（上接第６６页）※※柒※米※※※※※※※※．※※※※．※※※．※※※※※※※※※※※※※※米．※．※※米※※　实验结论，特进行了试剂加入顺序的对换探究（见实　实验４不同浓度的ｃ６Ｈｌ２ｏ６溶液与０．０１　ｍｏｌ／Ｌ酸性ＫＭｎＯ４　验３）。　溶液反应的探究　ｃ６Ｈ１２Ｏ６溶液　０．１　ｍｏｌ／Ｉ　０．２　ｍｏｔ／Ｌ　０．５　ｍｏｌ／Ｌ　１．０　ｍｏｌ／Ｌ　实验３　０．０１　ｍｏｌ／Ｌ酸性ＫＭｎＯ４溶液与不同浓度的　Ｈ２ｃ２　０４溶液反应的探究　呈现橙红色　６　４８”　３　１５　１　２０　３５　时间　Ｈ２Ｃ２０４溶液　０．１　ｍｏｌ／Ｌ　０．２　ｍｏｌ／Ｌ　０．５　ｍｏｌ／Ｌ　饱和溶液　呈现无色　１６　３０　６　３９　３｜１０　１　３４　呈现橙红色　１５　３２　１１　２７　９　３Ｏ　５　３９　时间　时间　①药品用量：　Ｈ１２０６溶液２　ｍＬ，ＫＭｎＯ４溶液　呈现棕黄色　２Ｏ　１０”　ｌ４　１７”　１１　３３　７　３５　４　ｍＬ　时问　实验说明　②酸化程度：每２Ｏ　ｍＬ　ＫＭｎＯ４溶液＋２　ｍＬ浓　呈现无色　２５　３３　２１　Ｏ３　１６，２ｏ　，　１４　ｌ２　Ｈ２ＳＯ４　时间　③添加顺序：将２　ｍＩ　不同浓度Ｃ６Ｈ１２（）６溶液同　①药品用量：Ｈ２Ｃ２Ｏ４溶液４　Ｊ１１Ｌ，ＫＭｎＯ４溶液　时倒入到４　ｍＬ酸性ＫＭｎＯ４溶液中　１　ｍＬ　实验说明　②酸化程度：每２Ｏ　ｍＬ　ＫＭｎ（￣溶液＋４　ｍＬ浓　实验数据和现象表明，实验过程中用不同浓度　ＨｚＳＯ４　的葡萄糖溶液分别与酸性ＫＭｎＯ　溶液进行反应，　③添加顺序：将ｌ　ｍＬ同浓度酸性ＫＭｎＯ４溶液　同时倒入到４　ｍＬ不同浓度的Ｈ２Ｃ２０４溶液中　实验现象符合浓度对反应速率的影响规律，但低浓　度的葡萄糖溶液使酸性ＫＭｎＯ　溶液褪色所需时问　稍长，因此建议用０．５　ｍｏｌ／Ｌ或１．０　ｍｏｌ／Ｌ葡萄糖　由实验数据和现象表明，实验过程中若将草酸　溶液的量相对于酸性ＫＭｎＯ４溶液的用量稍多一　溶液与酸性ＫＭｎＯ　溶液进行实验，所需时间相对　较短一些。另外，ＫＭｎＯ４溶液的酸化程度也对褪　些，并且将量少的酸性ＫＭｎＯ　溶液加入到量多的　草酸溶液中，可以得到合理的结论，但实验褪色时间　色时间有较大影响，最合理的酸化程度还有待于进　一步探讨。　稍长，建议用０．５　ｍｏｌ／Ｌ或饱和Ｈ２Ｃ。Ｏ　溶液与酸　性ＫＭｎＯ　溶液进行实验，时间相对较短一些。另　对于本实验的最佳用量和最佳实验演示，还有　外，ＫＭｎＯ　溶液的酸化程度也对褪色时间有较大影　待于进一步的研究。　响，最合理的酸化程度还有待于进一步探讨。　致谢：感谢北京大学严宣申教授对本研究的指　导！　３．２草酸替代试剂（葡萄糖）与ＫＭｎＯ４溶液反应　的实验探究　参考文献　为了进一步寻求合理方便的实验操作方案，并　［１］宋心琦．普通高中化学课程标准实验教科书：化学４（选修）．　北京：人民教育出版社２００７：６　得出合理的实验结论，特进行了不同浓度的葡萄糖　Ｅ２３彭崇慧等．定量分析化学简明教程．第２版，北京：北京大学出　溶液替代草酸试剂与ＫＭｎＯ　溶液反应的实验探究　版社１９９７：６　（见实验４）。　［３］陈久宽，杨永根．实验教学与仪器，２００７，（７，８）：６３—６４