郭沫若(1892—1978)认为,《考工记》原是齐国的官书。“六齐”的“齐”同“剂”,原是调剂、配合的意思。“金”指赤铜。“六分其金而锡居一”就是六分铜一分锡,“金锡半”就是一分铜半分锡。所以“六齐”中各“齐”的含锡量分别是:“钟鼎之齐”百分之一四·三,“斧斤之齐”百分之一六·七,“戈戟之齐”百分之二○,“大刃之齐”百分之二五,“削杀矢之齐”百分之二八·六,“鉴隧之齐”百分之三二·二。
“六齐”的成分配比规定是我国古代青铜技术高度发展的表现,它是许多试验资料的反映和归纳。现有考古资料表明,我国早在夏代(公元前二十一世纪到公元前十六世纪)就掌握了红铜冷锻和铸造技术,夏末商(公元前十六世纪到公元前十一世纪)初就有了青铜冶炼和铸造,商代中期以后就创造了高度发展的青铜文化。目前出土的青铜器中,既有大批礼器、兵器、日用器,也有部分生产工具(包括手工业工具和农具)等。浑厚庄重的司母戊大鼎、技术高超的四羊尊等都是青铜器的精品。兵器都刚强锋利;响器的声音悦耳悠扬。这些都说明我国人民很早就有了丰富的合金知识。
“六齐”的成分配比规定和现代科学的基本原理是完全相合的。我们知道铜锡合金的含锡量是百分之十四左右的,色黄,质坚而韧,音色也比较好,所以宜于制作钟和鼎。铜锡合金含锡量是百分之十七到百分之二十五的,强度、硬度都比较高,所以宜于制作斧斤、戈戟、大刃和削杀矢。斧斤是工具,既要锋利,又要承受比较大的冲击载荷,所以含锡量不宜太高,否则太脆。戈戟、大刃、削杀矢都是兵器,都需要锋利。戈戟受力比较复杂,对韧性要求比较高,所以在兵刃中含锡量最低。大刃(刀剑)既需要锋利,也要求一定的韧性以防折断,所以含锡量比较高而又不太高。削杀矢比较短小,主要考虑锐利,所以在兵器中它的含锡量最高。铜锡合金含锡量是百分之三十到百分之三十六的,颜色最洁白,硬度也比较高。色洁白,就宜于映照;硬度高,研磨时就不容易留下道痕。所以这种铜锡合金宜于制作铜镜和阳燧。
有一点需要指出的是,除了钟鼎外,“六齐”规定成分和考古实物科学分析的成分基本上是不相符合的,原因是:“六齐”并不是生产经验的总结,而是一种试验资料的反映和归纳;人们在生产实践中已对“六齐”成分作了适当的修正。
“六齐”的产生有极大的技术意义和社会意义。它是世界上对合金成分和性能的关系的最早认识。在古代世界中,我国青铜技术的产生并不是最早的,但发展很快。除资源等方面的原因外,在技术方面至少有两点:首先是我国很早就掌握了金属冶炼所需要的高温技术:其次是很早具有了水平比较高的合金技术。世界上不少国家在公元前二三千年就进入了青铜时代,但发展缓慢。我国却不是这样。我国人民一旦发明了冶铜技术,很快就具有丰富的合金知识,并且迅速地把整个青铜技术推到更高的阶段,建立了世界上最光辉灿烂的青铜文明。
黄铜和锌的冶炼锌在我国古代又叫“倭铅”、“白铅”。“倭铅”一名最早见于署名“飞霞子”著的《宝藏论》(辽神册三年,公元918年)一书中。
据文献记载和一些实物分析,我国用锌的历史大概分三个阶段。
第一阶段是西汉以前。这时锌作为伴生矿成分随铜或者随锡、铅进入铜合金中,铜器含锌量常在万分之几的水平上,个别的比较高,也有含锌量超过百分之二十五的。
第二阶段是西汉到来元时期。这时开始有意地把锌的氧化物如炉甘石加入化铜炉里,氧化锌被还原并立刻溶解到铜中,成为以锌为主要合金元素的铜合金,就是黄铜。这一技术是逐渐成熟的。
第三阶段至迟从明代开始,这时发明了用炉甘石生产金属锌、55习再用金属锌配制黄铜的方法。明《天工开物》卷十四曾详细地记述了金属锌的生产过程:把十斤炉甘石装入泥罐,用泥封牢,晾干,用煤垫底,用木柴煅烧。炉甘石熔化成团,冷定后破罐取出,就得倭铅,每十斤损耗两斤。原记载虽不尽完美,如遗漏了还原剂等,但基本原理和设备同现代横罐炼锌法是相似的。这说明至迟在明代我国就生产了比较多的金属锌。
黄铜和锌的出现有重要的技术意义。黄铜耐蚀性能、机械性能都比较好,在现代工业中有广泛的用途。
我国是世界上最早冶炼并使用了金属锌的国家。欧洲直到十六世纪才了解到锌是一种金属,十七世纪才知道由炉甘石炼锌。这充分显示了我国人民的聪明才智和创造精神。
含镍白铜我国使用含镍白铜的时间比较早,制炼工艺最初大约是使用一种铜镍矿,后来才使用含镍矿石和铜矿或者和铜一起冶炼的。
文献上关于“白铜”的记载开始见于东晋常璩《华阳国志》,说在令云南会泽、巧泉一带有一座螳螂山“出银、铅、白铜、杂药”。结合后世的大量资料看,这“白铜”就是含镍白铜。因为那一带就产铜和铜镍矿,东晋时候冶炼出含镍白铜是完全可能的。
国内外不少学者对我国生产和使用镍白铜的问题作过研究。有人说早在秦汉时期,我国镍白铜就运到了大夏国,他们还用它铸成了钱币,它的成分和中国的白铜十分接近,含铜百分之七十七,镍百分之二十。十八世纪的时候,西方许多人都极力仿制中国白铜,直到公元1823年才由英国人和德国人仿制成功。以后各种各样的仿制品都进入了市场,最流行的名叫“德国银”。我国白铜的西传,对西方镍白铜的生产和近代化学工艺起了很大的启发和推动作用。
鼓风技术和冶金燃料水排水排是我国古代一种冶铁用的水力鼓风装置。人类早期的鼓风器大都是皮囊,我国古代又叫橐。一座炉子用好几个橐,放在一起,排成一排,就叫“排囊”或“排橐”。用水力推动这种排橐,就叫“水排”。
水排发明干东汉早期,它是南阳太守杜诗(?—38)在总结劳动人民实践经验基础上发明出来的。因为它“用力少,见功多”(《后汉书·杜诗传》),所以大家乐于使用。三国时期的韩暨把它推广到了魏国官营冶铁作坊中,用水排代替过去的马排、人排,四季不歇。水排不但节省了人力、畜力,而且鼓风能力比较强,因此促进了冶铁业的发展。水排在我国沿用了很长一个时期,直到本世纪七十年代,一些地方还在使用。
汉代水排的具体构造现在已经很难了解,由同一时期的永碓和翻车结构推测,大约也是一种轮轴拉杆传动的装置。我国古代水排构造的详细记述最早见于元代的《王祯农书》,依水轮放置方式的差别,王祯把水排分成立轮式和卧轮式两种,它们都是通过轮轴、拉杆以及绳索把圆周运动变成直线往复运动的,以此达到启闭风扇和鼓风的目的。因为水轮转动一次,风扇可以启闭多次,所以鼓风效能大大提高。
鼓风器最早是皮囊,后来是风扇,再后是风箱。风扇大约发明于公元十世纪以前。北宋《武经总要》前集的行炉图,敦煌榆林窟西夏(公元1032年到1227年立国)锻铁壁画,元代《王祯农书》的水排图,都有风扇的形象。活塞式风箱最早见于明代《天工开物》中。
水力鼓风有十分重要的意义,它加大了风量,提高了风压,增强了风力在炉里的穿透能力。这一方面可以提高冶炼强度,另一方面可以扩大炉缸,加高炉身,增大有效容积。这就大大地增加了生产能力。足够强大的鼓风能力,足够高大的炉子,是炼出生铁的必要条件。欧洲人能在十四世纪炼出生铁来,和水力鼓风的应用是有一定关系的。水排的发明是人类利用自然力的一次伟大胜利。
冶金用燃料的发展燃料在冶金生产中占有特殊的地位。它既是一种发热剂,也是一种还原剂;既要为冶炼过程创造必要的高温,也直接参与冶金的物理化学过程。因此,人们对冶金燃料提出了许多特殊要求。
人类最早使用的冶金燃料是木炭。木炭的优点是:第一,容易获得。第二,气孔度比较大,使料柱具有良好的透气性。在鼓风能力不强、风压不高的条件下,这点具有尤其重要的意义。第三,所含硫、磷等有害杂质比较低。一直到现在,木炭还是冶炼高级生铁的理想燃料。
木炭的最大缺点是资源有限,所以人们一直在努力寻找新的燃料。首先找到的是煤。
我国冶炼生铁用煤的起始年代大约可以上推到南北朝时期。北魏郦道元(约466—527)《水经注·河水篇》说:今新疆库车县北二百里有山,人们取山上的煤来冶炼山上的铁,供给周围的广大地区使用。一般认为,宋代以后,冶炼用煤又有了一些发展。
但是用煤冶炼也有缺点:一是所含硫、磷等有害杂质成分比较高,它们在冶炼过程中会渗入生铁而引起金属加工过程中的热脆和冷脆。二是所含其他杂质也比较多,因此炼渣多,炉子容易发生故障。三是煤的气孔度小,热稳定性能比较差,容易爆裂,影响料柱透气性。于是人们又进行新的探索,终于找到了另一种冶金燃料,就是焦炭。焦炭是由煤干馏得到的,它保留了煤的长处,避免了煤的缺点。直到现在,仍旧是冶金生产的主要燃料。
我国冶炼用焦的记载最早见于明末清初方以智的《物理小识》卷七,说把发臭味(挥发分多)的煤烧熔封闭起来,就成焦炭(“礁”)了;用它“煎矿煮石”,都“殊为省力”。在《戒庵漫笔》、《颜山杂记》、《会理州记》等书上,也有关于炼焦的记载。
冶金用燃料由木炭到煤,由煤到焦,都是重大的转变,这每一次转变对冶金生产都产生过重大的影响。欧洲人到十八世纪初才使用焦炭,才解决了冶炼用焦的问题。在生铁冶炼用煤和冶金用焦上,我国都比欧洲早得多。
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