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古代中西方铁器应用的比较

发?#38469;?#38388;:2019年06月04日 来源?#21917;?#27665;网 查看评论

  毛卫民:北京科技大学材料科学与工程学院教授、博?#21487;?#23548;师。主要研究方向包括多晶体材料晶体学各向异性的形成与利用、电工钢材料学原理及新型电工钢?#20998;?#30340;开发研究、高强度钢材各向异性的开发与利用等。负责完成10多项国家级材料科研项目以及大?#31185;?#19994;工程研究项目,在国内外刊物上发表200余篇学术论文,出版学术专著6部、教材6部。

  陕西宝鸡市周原遗址出土的青铜器。资料照片

  表1铁器时代前中西方铜器使用量差异示意图

  铁器时代之前的铜器时代

  进入铁器时代之前,人类文明处于铜器时代,且中西方在铜器生产和使用上存在着巨大的差异,这种差异,我们可以通过表1的简易图表,对其有直观的掌握。

  对人类文明产生巨大影响的材料?#38469;酰?#20854;关键要素不仅包括新?#38469;?#20986;现时间的早晚,更重要的是大量使用这种材料的规模。公元前5000年—公元前4000年期间,中西方均出现了人工冶铜?#38469;酢?#22312;伊?#30465;?#21465;利亚、埃及等地考古发现了约公元前4000年的人工制造的铜器和冶铜遗址。因此通常认为,西亚地区是最早出现人工冶铜?#38469;?#30340;地区。在中国陕西临潼姜寨出土了约公元前4700年的人工冶炼制造的原始黄铜残片和黄铜管。在?#20998;?#20063;发现了约公元前5000年的人工冶铜制品。可见,世界各地均很早就进入了使用人工冶铜制品的时代。

  由于当时的中国地区拥有到处可得的铜矿资源和良好的高温烧陶?#38469;酰?#20013;国铜器时代的铜器使用量?#20013;?#22686;长。自约公元前3000年开始的时代(也就是古代史书中所说的“五帝时代”),中国的冶铜?#38469;?#24050;经比较成熟,并且广泛应用于生产生活和战争。在夏代,中国已经出现了铜鼎等大型铜器,至商周时期中国的铜器?#38469;?#21457;展到历史的巅峰。考古发掘显示,约公元前1500年的中国已经普遍出现了利用高温冶炼和铸造?#38469;?#21046;作的精美青铜大鼎。这些青铜遗存,在如今的中国各省、?#23567;?#33258;治区的博物院馆中都可以发现。

  铜器时代冶铜、制铜业的发展首先要能够从自然环境中较方便地获得铜矿资源。除去小型铜矿资源不论,在中国发现了五十多处中型、大型和超大型铜矿,这为中国铜器时代的快速发展提供了充足的铜矿资源。而当时?#20998;?#30340;铜矿资源则相对比较匮乏,难以支撑冶铜?#38469;?#30340;快速发展。同时,?#20998;?#26089;期的冶铜?#38469;?#25152;使用的铜矿石主要是碳酸铜或氧化铜,这种矿石比较容易借助加热过程冶炼成铜。在当时,当?#20998;?#22320;表的碳酸铜或氧化铜基本被耗尽后,?#32622;?#26377;适当的高温?#38469;?#21450;把硫化铜矿石冶炼成铜的相关?#38469;酰?#22240;而?#20998;?#20986;现了约公元前3500年之后冶铜活动的低?#38498;?#20572;滞。之后?#20998;?#20918;铜业虽有所?#27492;眨?#20294;在古罗马出现之前,?#20998;?#25972;体的铜产量始终保持较低的水平:自公元前5000年?#20998;?#21450;附近地区出现人工冶铜?#38469;?#32780;进入发展期?#38498;螅?#30001;于不能利用上述那些?#38469;趵创?#29702;需要更高温度冶炼的铜矿,导致?#20998;?#38108;器的使用进入了衰退期。在公元前2000年—公元前700年的1300年期间,根据不完全统计,西亚、北非和?#20998;?#31561;地铜的年平均总生产量仅?#24615;?00吨。

  工业革命之前的铁器时代

  自公元前1000多年前世界各地发明人工冶铁?#38469;?#20197;来,至20世纪70年代,人类都是处于广义的铁器时代,包括工业革命前的传统铁器时代,直至其后的后铁器时代或钢铁时代。20世纪晚期在所涌现大量新材料的推动下信息产业的兴起,才标志着铁器时代的结束。

  早期的人工冶铁?#38469;?#20027;要包括炼铁和炼钢两个重要?#26041;凇?#28860;铁过程大致为:用燃烧木柴、煤炭或木炭?#28909;?#26009;加热以氧化铁或硫化铁为主的铁矿石,达到足够高的温度后燃料中的碳与铁矿石中的氧或硫结合成气体逸出,还原出铁矿石中的铁。还原出来的铁中还残留了铁矿石中的硫、磷、硅等等,以及多余的碳等?#21448;省?#28860;铁获得的产物被称为生铁,其性质脆而硬,通常并不适合直接使用。我们可以把炼铁过程简单地理解为:把天然铁矿石转变成含有很多?#21448;?#30340;生铁。炼钢或制钢过程大致则可以理解为:利用多数?#21448;?#20803;素比铁更容易氧化的特性,在高温下向生铁内输入?#25484;?#20013;的氧气以便氧化生铁内的硫、磷、硅、碳等?#21448;?#20803;素,然后设法清除这些?#21448;?#27687;化物。例如,在液态铁水中?#24230;?#27687;化?#39057;?#36896;渣剂,使其与氧化的?#21448;?#24418;成钢渣漂浮于铁水表面并被清除。炼钢过程中还可以控制适当的含碳量或加入某些有利的元素,以获得更好的使用性能。我们可以简单地把炼钢过?#35848;?#25324;为?#21917;?#38500;生铁中的?#21448;?#24182;获得洁净和优良性能的钢制品。

  在大约公元前1000年,?#20998;?#22320;区进入铁器时代初期,由于铜器的应用很不发达,率?#26085;?#25569;冶铁?#38469;?#30340;古罗马人迅速推广使用铁器,包括铁剑、铁标枪、铁盾、铁弩箭发射装置以及铁链、扒?#26538;場?#38081;镰头等,当时罗马军队中?#21476;?#22791;铁?#24120;?#38543;时维修和制作铁?#26102;?#22120;。面对?#20998;奚形?#20805;?#22336;?#23637;的冶铜制铜业及其冶铁制铁?#38469;?#23578;不够成熟的广大地区,已经积累了较强军事技能的古罗马军团因其完备的铁?#26102;?#22120;?#20302;?#32780;具备了较为显著的军事优势,并最终利用这种铁器优势横扫北非、西亚和?#20998;?#22823;陆。

  而在同一时期,铜器使用非常发达的中国,对铁器的推广使用并不那么急迫。公元前770年至公元前221年,当时的中华文明处于春秋战国时期,诸侯国之间的战事连绵不断。基于当时已经十?#22336;?#36798;的冶铜制铜?#38469;酰?#26149;秋时期各国在战争中大规模使用的基本上还是铜质的兵器。铁的密度比铜约低15%;与铜?#26102;?#22120;比较,铁?#26102;?#22120;具备更加轻便、锋利、强韧等特点。因此,随着冶铁?#38469;?#36880;渐成熟直至秦统一前的战国时期,虽然各国军队仍以铜?#26102;?#22120;为主,但?#37096;?#22987;部分使用铁?#26102;?#22120;。不过,由于当时各地都有了非常发达的冶铜制铜业,各国用于战争的兵器?#38469;?#27809;有太大的差异。当进入战国时代形成了实力强大的少数国家之间的长期对峙?#32622;?#20043;后,战争的胜?#21644;?#24448;更取决于各国的综合国力、军事策略以及?#25345;?#38454;层的决策水平。在这样的情况之下,铁?#26102;?#22120;并没有取代铜?#26102;?#22120;。比如,公元前210年秦始皇下葬时,当时的中国人早已掌握冶铁?#38469;酰?#20294;在秦始皇陵迄今为止的考古发掘中,研究人员?#35270;?#21457;现铁器,却已陆续出土了四万多件铜?#26102;?#22120;。到了汉代,中国也有相当长的铜器与铁器的混用时期。然而与铜器相比,铁器毕竟具?#38050;?#37327;轻、更坚韧、更锋利等优势,而且矿产资源相对更丰富,因此,古代中国的冶铁?#38469;?#26368;终还是得到了稳定的发展,并在农业、畜牧业、纺织业、建筑业、交通运输业、军事、文化、日常生活等各领域得到了广泛的应用。

  中西方早期的原?#23478;?#38081;?#38469;?#22810;为块炼铁?#38469;酰?#21363;在?#25484;?#20013;用炭火加热?#24005;?#20013;铁矿石,使之逐渐转化成海绵状疏松的铁块。随后,借助加热并捶打成形的方?#21073;?#21435;除铁块中的?#21448;省?#25511;制碳含量进而制成铁器。如果在?#24005;?#24213;部开口使?#25484;?#39034;畅流通,可明显提高升温速度和加热温度,直至使还原出来的铁熔化成液体,并从?#24005;?#24213;部的开口不断流出,集中收集,此即为竖炉冶铁?#38469;酢?#36825;种?#38469;?#38656;要更高的温度,而中国发明早期瓷器时所能实现的高温?#38469;酰?#20026;古人发展竖炉冶铁提供了坚实的支撑。公元前500年以前,中国的湖南、湖北、江苏、山西、河南、甘肃等地均出现了竖炉冶铁,因此当时古人?#24515;?#21147;把铁水直接浇铸成形,制成生铁铸件。而在?#20998;蓿?#30452;到公元14世?#20572;?#25165;出现类似的?#38469;酢?/p>

  竖炉?#38469;?#30340;出现使得古人的一?#25105;?#38081;量得以明显提高,为制造大型铸件提供了便利。到目前为止发现的中国铁器时代中期?#30066;?#30340;铸造铁器,是公元953年后周时期制造的重约40吨的沧州铁狮“镇海吼”。

  需要指出的是,在铁器时期,中国在炼铁、炼钢方面的许多关键?#26041;?#26366;出现过领先于世界的重要?#38469;酢?#27604;如,将生铁铸件再次加热,烧损铸件中的碳或改变碳的形态可以明显降低所制铁器的脆性,并大幅提高铁器铸件的性能。这些?#38469;?#22312;中国的春秋战国时期就已经出现,并在秦汉时期得到了推广应用,而直到17、18世纪?#20998;?#25165;出现类似的?#38469;酢?#26681;据宋《太平御览》记载,东汉时的人们就懂得?#38498;?#30899;较高的冶炼铁条为原料,经过反复加热、锻打,可加工制成钢条。其反复加工的次数可为三十次、五十次甚至百次,并由此称为三十炼钢、五十炼钢、百炼钢等,这就是古代的百炼钢?#38469;酰?#24182;由此衍生出?#25170;?#38180;百炼”“百炼成钢”等成语。百炼钢制品具有坚韧、锋利、经久耐用的优点,而?#20998;?#26159;在公元6世纪出现了类似?#38469;酢?#22312;公元1世?#20572;?#20013;国出现了水力驱动鼓风?#38469;酰?7世纪又出现了活塞式风箱鼓风?#38469;?#29992;于提高冶铁的温度和生产效?#30465;E分?#20986;现这?#36739;?#30456;关?#38469;?#30340;时间则分别迟至公元4世纪和18世纪。在公元10世?#20572;?#20013;国开?#21450;?#29028;用于冶铁,16世纪把焦炭用于冶铁,相比之下,?#20998;?#21040;了17世纪才在冶铁中使用这些更高燃烧值的燃料。在大约公元前2世?#20572;?#20013;国出现了一种炒钢?#38469;酢?#20844;元1世纪成书的东汉《太平经》中就曾经记载过这种?#38469;酰?#21363;采取对生铁水鼓风搅拌促使铁水中的碳烧损氧化,以使生铁变成钢。明朝的《天工开物》中描述了类似的过程。用风箱鼓风冶炼出生铁水后,可以直接浇铸成铸件,也可以将高碳铁水继续导入一个方池,用长杆搅拌,即“炒”铁水,使其与?#25484;?#28151;合,促使铁水中的碳烧损。这套工艺中会向方池中抛撒泥灰,这种泥灰很可能就是造渣剂。《天工开物》中记载的这一套炼铁、炼钢连续流程,已经包含了现代钢铁生产原理中最主要的流程,而?#20998;?#35201;晚到18世纪才形成类似的流程。在11世?#32479;?#30340;北宋时期,中国的冶铁制钢?#38469;?#39046;先当时世界水平达到了顶峰,当时铁的年产量已达到十几万吨的水平。而在?#20998;蓿?#30452;到18世?#32479;酰?#25972;个?#20998;?#30340;铁的年总产量才达到或超过这一水平,其中的工业革命发源地英国在1788年仅生产了6.8万吨铁。

  工业革命与中西方铁器时代发展差异

  自18世纪中期开始,英国连续发明出了新的各类机器装置,并由此引发了工业革命。用机器大量取代人工,可以使工业化生产的产品具备大批量、高效?#30465;?#20302;成本、优?#20998;?#31561;特征。不过,制造这些机器不可避免地要大规模使用钢铁材料,同时也就对钢铁材料的生产提出了大量、高效、?#22270;邸?#20248;质的要求。因此钢铁材料是推进历史上的工业革命必备的物质基础。1856年,德国人西?#25243;?#26500;想了一种具有熔池的高效炼钢炉,其中设计了燃料和热?#25484;?#36890;道,可以快速加热并控制钢水温度,保证钢材的质量。基于西?#25243;?#30340;构想,1864年法国人马丁建造了第一个专用炼钢设备,被称为西?#25243;?马丁炉,?#32622;?#24179;炉。由此开始了现代的炼钢生产。到了1871年这一年,英、美、法、德的钢产总?#30475;?#21040;了约75万吨。四年后的1875年,则快速提高到约165万吨。1879年,英国开始用平炉钢建造钢结构桥?#28023;?889年法国政府用约7000吨平炉钢建成了324米高的埃菲尔铁塔,这是工业革命推进炼钢?#38469;?#25913;进的标志性成果。1856年英国人?#27492;?#40614;公布了一种转炉炼钢法,在一个可以翻转的熔池内把?#25484;等?#29983;铁来炼钢的高效方法。但这种方法并不适用于西欧地区生产的酸性生铁。1878年,英国的?#26032;?#26031;发明了把炉砖改造成碱性砖的?#26032;?#26031;法,并迅速在法国和德国得到推广应用。随即,1895年英、美、法、德的钢产总量已经超过了1000万吨。从历史上来看,优质钢铁材料的大规模生产,有力地支撑了工业革命的推进。

  综合以上内容分析原因,?#20998;?#22810;国邻近的环?#24120;?#23458;观上有利于钢铁?#38469;?#30340;交流和钢铁产业的竞争发展。各国的?#38469;?#24605;想和钢铁生产会互相借鉴、促进、?#26377;?#34701;合,历史上出现的每一项新?#38469;酰?#22914;果在一国受阻,就可能在另一国继续发展,由此导致?#20998;?#38050;铁?#38469;?#19982;产业蓬勃发展的?#32622;妗?/p>

  而在工业革命来临之际,中国虽然已经具备了多种良好的、甚至领先的炼钢?#38469;酰?#20294;这些?#38469;?#22823;多是依靠长期的摸索和经验的积累。其间虽然有很多的?#38469;?#21457;明和创新,但人们对其中的科学原理并不十分明了。中国自西周出现采矿业,春秋时期有了冶铁业。现有文献显示,西周、春秋、秦汉、三国魏晋、隋唐、五代时期、宋元明清?#22756;?#20195;历朝都有政府管制矿产和冶铁业的记载。在中央集权的治理下,这种管制体现出执行力强且高效的特征,但如果管制决策不够科学严谨则,也可能会对冶铁业造成较大伤害。春秋时期的齐国就禁止民间采矿。到了汉朝,官方为限?#39057;?#26041;势力,实施严格的官营冶铁和税收管理,并杜绝地方私自铸铁。宋朝徽宗时曾下令民间除制作农具外,禁止买铁,严厉控制钢铁流通。明朝初期,在时间上临近工业革命的开端,明太祖认为矿冶业劳民伤财,下令停止采矿冶铁,后虽有所松动,但终?#20013;?#31105;令。明成祖、明英宗、明代宗、明?#38647;?#31561;?#38469;?#26045;过禁矿禁铁的政策。明神宗为获取税收包庇矿监营?#21073;?#33268;使矿冶业遭到?#29616;?#30772;坏。进入清朝,康熙和雍正?#25345;?#26102;期都禁止包括冶铁在内的矿务。2000多年来,封建王朝的?#25345;?#32773;在没有明显外来竞争压力的情况下严管采矿冶铁业,一方面可获得大量税收来源,另一方面也为防范地方、民间借助采矿冶铁业迅速强大和因此导致的反叛。同时也造成了中国冶铁业以经验积累的方式形成的先进?#38469;?#24456;难借助?#38469;?#20132;流的途?#23545;?#20840;国得以推广,并且也很容易因政府的禁铁政策而丧失整体传承的连续性。重新开放的冶铁业在很大程度上?#34892;?#35201;大量累积重复的经验和技能。因此,从18世纪末期到19世纪末期的100年间,中国的冶铁业很快从领先世界沦落到极度落后于世界的境地。到了晚清末年,随着洋务运动的兴起,中国全面引进?#20998;?#38050;铁?#38469;?#21644;设备,于1890年建成青溪铁厂并投产,于1894年建成汉阳铁厂并投产。然而时过境迁,中国已经错过了工业革命的最佳时机,所建的两个铁厂,前?#21510;?#24555;破产,后者只能?#19994;?#32463;营。

N 编辑:张梭梭责任编辑:张梭梭
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