冶炼能力,冶金才能与中华文明

日期:2019-08-16编辑作者:现代文学

  古代的铜矿开采术

第二届中国考古学大会公共讲座系列之一,北京科技大学冶金与材料史研究所教授、博士生导师、国家文物局金属与矿冶文化遗产研究重点科研基地主任,兼任中国科学技术史学会理事、中国考古学会理事、中国科学技术史学会金属史分会主任——李延祥在成都金沙遗址博物馆主讲“冶金技术与中华文明”,讲座由成都金沙遗址博物馆科技与信息中心副主任吴彬主持。

  先秦时期青铜冶铸的高度发达,也从一个侧面反映了铜矿开采技术的先进。湖北省大冶铜绿山的古铜矿遗址,向人们展现了从商周至汉代铜矿开采状况和采矿技术的发展过程。这是迄今发现的中国最早的古矿遗址,在世界矿业史上也是不可多得的珍贵遗存。

  讲座伊始,李延祥教授首先向大家介绍“冶金技术与中华文明”这一课题。李教授谈到从全世界来看,冶金是文明的基石,尤其是我们中华文明,在冶金技术方面是有重大的发明创造的,直接奠定了我们文明起源、早期发展和后期壮大的物质基础,其中青铜和钢铁对文明产生了重大的影响。

  清代所修《大冶县志》记载,铜绿山“山顶高平,巨石对峙,每骤雨过时,有铜绿如雪花小豆点缀土石之上,故名。”这里,铜矿富集,矿体规模大,而且矿石含铜品位高,成为中国古代一个重要的采铜中心。至今,地上堆积着40万吨以上的古代炼渣,地下古矿井分布密集,还有多种形式的炼铜竖炉,记录着古代矿冶生产的宏大规模和卓越技术。

  之后,李教授主要从五个部分来说明冶金技术与中华文明之间的关系。

  商代遗址采用的是群井开采方法。井筒打在矿体内,下掘井筒就是开采矿石,掘进终了即开采完毕。继续开采又另打新井。群井开采简单易行,井深一般为20~30米,开挖在软岩或围岩蚀变带内,用打水井的工具即可掘进。提升矿石和废石,采用大轮导向往返拉动。

  第一部分:娲神补天有遗石——冶金术的起源与传播

  西周的遗址仍用群井开采。井为方形,井深与商代相同。井中有支护遗址,支护形式为间隔支护,距离40~60厘米。井框木为带榫的套接方式,榫口一律凿成方形。井框外,四壁先背一层竹席,竹席内间格敷有直径4~5厘米的木枝条。这时期已出现有巷道、平巷,但处于初始阶段。

  1.铜矿产及冶炼技术:人类对铜的利用已有一万年的历史,由于铜太软,直接使用不太方便。所以最早人类使用的是自然铜,随着技术的发展开始有人工冶炼铜,早期是砷青铜,之后发展到锡青铜。

  春秋战国时期已采用竖井、斜井、平巷的联合挖掘,初步形成了地下开采系统。其中,斜井的掘进施工和支护技术都有较大的难度,它的出现,是坑采技术的一大进步。斜井的倾度因地而异,由25度至70度不等。斜井的作用不仅可以沿矿体倾斜延伸,节省人力和费用,而且还有探矿的作用。平巷和竖井也较西周时期有明显的进步,最大井深达64米,延伸至潜水面下8~10米。春秋时期主要的开挖工具为铜制,战国时期则主要应用铁制工具。同时,这时期已比较成功地解决了有关掘进、通风、排水、照明、运输、支护等一系列问题。这些技术,在当时世界上都是无与伦比的。

铜矿及主要用矿物

  铜绿山遗址现在已被作为重要的文化史迹,受到国家的保护。

  2.国外铜冶金考古:李教授认为冶铜技术起源于西亚,并开始向外传播。在今西亚的土耳其东南著名的卡萤泰佩(Cayonu Tepesi)等多处遗址出现了最早的一批权杖头等自然铜制品,年代为距今约10000年,与当时已出现的女神崇拜(生殖崇拜)相伴随。在西亚一带也发现了炼铜的古遗址以及相关的女神庙,目前可以证实的是古人把冶金的大神——耶和华写到了圣经里面。此外,李教授为大家介绍东欧地区和东南亚地区的铜冶金遗址。李教授谈到美洲的铜冶金独立起源——从自然铜发展到锡青铜,其中北美洲一直使用自然铜,直到欧洲白人进入美洲,才开始不使用自然铜;中南美洲使用人工冶炼铜,也发展到了砷青铜和锡青铜阶段;印加帝国在被西班牙统治的时候正处于青铜时代繁荣时期。

  青铜冶铸术

  3.中国早期铜冶金遗址:目前学术界主流观点是冶金技术通过欧亚大草原或者草原丝绸之路传播到中国,且一传播到中国立刻迅速的发展。他认为中国冶铜技术也有可能独立起源,比如中国石家河文化遗址多次出土铜矿石、铜块等,但需要进一步研究确认。随后分四个地区为大家介绍了中国早期铜冶金遗址,包括晋南地区、河西地区、辽西地区和长江中下游地区,主要考察相当于中原夏商周时期青铜矿冶遗址。

  从世界范围看,古代美索不达米亚人大约于9000年前开始利用自然铜,6000年前有了铜的冶炼,5500年前有了炼青铜;古埃及大约于7000年前开始炼铜,5000年前有了青铜。相比之下,中国对于铜的加工和利用要晚得多,大约在四五千年前方有自然铜的利用和青铜的冶炼。但是中国不像其他古文明地区那样,曾经经历过较长时间的炼制红铜阶段,而是在红铜加工出现不久就开始冶青铜,并利用青铜熔点低、易于浇铸的特点,使青铜冶铸技术迅速发展起来,一跃而跨入世界先进行列,并居领先地位,创造了举世瞩目的青铜文明。

  李教授表示中原地区的遗址不太好找,因为黄土深,以前考古对炉渣这方面不太重视,所以寻找遗址比较困难。目前晋南地区所发现的龙山至二里岗阶段的冶炼遗址共七处,采矿遗址一处。其中刘家庄遗址出现少量炼砷铜炉渣,其年代可能为龙山晚期。其余各遗址皆为由氧化矿石直接冶炼红铜的遗址,未见任何进一步炼制砷青铜、锡青铜的证据。通过对比研究冶炼遗址可以得出二里头、二里岗有继承关系。李教授指出在晋南地区不仅发现了冶铜遗址,还有盐池,推测这正是夏商朝占据此地的原因。

  迄今出土或传世的大量先秦青铜器,向人们展示着中国青铜文化的盛况。其中,河南殷墟出土的重达875公斤的司母戊鼎;湖北随县曾侯乙墓出土的大型编钟,总重量达10吨以上,以及精巧绝伦的铜尊盘;在地下埋藏2500多年,表现依然花纹清晰、光彩照人的越王勾践剑和吴王夫差剑;等等,都堪称世界之最。这些青铜器物,反映了当时青铜铸造技术的高度发展水平,包括浑铸、分铸、失蜡法、焊接、镶嵌、表面处理等工艺的高超程度。

  同时还在河西地区的黑水河流域发现了多处遗址,分别位于张掖、金塔、玉门、敦煌和瓜州等地,其中张掖的西城驿遗址是规模巨大的冶炼遗址。

  高超的青铜铸造加工的技术工艺,是以高超的青铜冶炼技术为基础的。没有优质的青铜材料,就不可能产生优秀的青铜器物。当时的人们已经熟练地掌握了青铜的冶炼技术,而且已掌握了鉴定青铜质地是否精纯的方法。这就是在《考工记》一书中记载的火焰颜色判定法。

  李教授指出中国东北地区最早的冶金遗址出现在有女神雕像出土的牛河梁遗址群上。他表示辽西地区分为两个时期:青铜时代早期和晚期,牛河梁青铜时代早期炼铜遗址群属于夏家店下层文化。(辽西不是指辽宁西部,而是指以赤峰为中心的老哈河和西拉沐沦河交汇地带)。他特意指出辽西地区早期冶炼技术(二元配方:铜和锡)很先进,其中大甸子墓地出土的青铜器检测出铜锡制品的先进性。辽西青铜时代晚期主要以夏家店上层文化为主,形成了以林西大井古铜矿为矿源地的冶炼遗址群,使用铜锡铅砷共生矿直接冶炼青铜合金的产业格局。

  《考工记》中说,在冶炼青铜时,铜料与锡料中会先冒出黑浊的气体,

  长江中下游的冶炼遗址分布较散,皆使用当地所产的铜矿,配合砷锡等合金矿物冶炼青铜,并能够在中原技术影响下铸造少量青铜礼容器。

  “黑浊之气竭,黄白次之;黄白之气竭,青白次之;青白之气竭,青气次之,然后可铸也”。近代科学证明,金属加热时由于蒸发、分解、化合等作用,会产生不同的颜色。冶炼青铜时,原料中所附着的碳氢化合物会燃烧,产生黑浊的气体;随着炉温的升高,原料中所含的氧化物、硫化物等杂质会产生黄白、青白的气体;到只冒青气时,说明杂质已基本去除,青铜已经炼成,可以浇铸了。这是冶金史上关于火焰颜色鉴别法的最早记载。

  4.中国不同地区的青铜产业格局:共性在于普遍存在采矿、冶炼遗址分离现象,采矿在山,冶炼近水,河流是重要通道;采用石器采矿;冶炼遗址经过精心选择。其不同之处在于四个地区早期冶金遗址的内涵与格局有异:1)中原晋南呈现分级现象。冶炼遗址仅冶炼纯铜,只有在垣曲商城、东下冯遗址才出现青铜铸造遗址。虽然目前仅初步探明铜的产业链,但一定存在未发现的锡铅的产业链,铜的产业链与锡铅产业链只在最高级的二里头遗址和次高级的东下冯等遗址才能连接在一起;2)辽西青铜时代早期可能与中原相近;3)河西和长江中游地区出现锡砷等资源直接在与炼铜遗址相结合的现象,没能出现明显的分级。但长江中游地区有礼容器的铸造;4)辽西青铜时代晚期由于资源方面的优越性,反而未能出现冶金遗址的分级,多处遗址内涵相同,无等级差别。

  顺便应该指出的是,“炉火纯青”是我们常用的一句成语,用来比喻功夫达到纯熟完美的程度。其来源,现在通用的一般辞典中都说是来自道家炼丹成功时火焰发青,有的还加注“迷信”二字。这种说法恐有误。它的最早出现应是上引的《考工记》记载。

  李教授也提到最开始采矿和冶炼是分开的。铜矿是公共资源,谁开采都可以,但春秋战国之后,国家控制力强,不能再随意开采。所以采矿遗址是由自然因素决定,而冶炼遗址则由人为因素决定。

  湿法炼铜

  李教授强调如果分析青铜器,只知道其成分,但并不知道其生产过程,这种研究意义不大,要从青铜器的产生、使用至传播等方面的内容研究清楚,才能研究清楚青铜对中国文化的影响。

  湿法炼铜,也叫胆铜法,这是中国历史上在炼铜技术上的一项重大发明。

  第二部分:天涯何处觅锡源——早期锡料产地之谜

  今天,铁元素比铜元素活跃,它能在铜盐溶液中,经过置换反应,置换出铜来,这已是最基本的化学知识。而这种置换反应,却是由中国首先发现,并加以实际利用的。

  1.锡矿及其冶炼技术:他指出中近东地区对早期锡的产地的探讨有近百年的历程。学者们分别对锡的来源、矿产分布、古代贸易路线、地中海出水的锡锭等方面开展了研究,使用了铅同位素、锡同位素等多种方法,分别提出来自阿富汗等中亚地区、西班牙里奥廷托矿区、英国康沃尔矿区等观点。

  铁铜置换反应的发现,是炼丹家在化学方面的一大贡献。他们在炼丹实践中,观察到这一置换现象,并不断加以记录和总结。现知这一置换现象的最早文字记录,是2000多年前在西汉时成书的《淮南万毕术》一书中所记载的,“曾青得铁则化为铜”。曾青,又叫空青、石胆、胆矾,为天然的硫酸铜。硫酸铜一般是蓝色结晶体,因在空气中会部分风化失去水分,而呈白色,故又有白青之称。曾青是炼丹家在炼丹活动中的常用药物,被认为“久服身轻不老”。它亦被引入医学,作为治疗疮疖等疾患的用药,故中药本草著作中也有记载。汉代成书的《神农本草经》中,即记有石胆“能化铁为铜”。不单是硫酸铜会与铁起置换反应,其他可溶性铜盐也会与铁起置换反应。对此,古代的炼丹家和药物学家也有所发现。南北朝时著名的炼丹家和药物学家陶宏景就说:“鸡屎矾……投苦酒中,涂铁皆作铜色”。苦酒即醋酸,鸡屎矾可能是碱性硫酸铜或碱性碳酸铜,因难溶于水,要加醋酸方能溶解。

  近年来在土耳其东南部、伊朗西北部等地的考古发现,并在地中海沉船中发现了锡锭,但到目前为止尚无明确结论。总的看来,锡是远距离贸易对象。

  所谓胆铜法,就是把铁放在胆矾溶液 (胆水)中,使铁离子置换出胆水中的铜离子,从而析出单质铜的冶铜方法。胆铜法,是一种先进的炼铜方法,为中国所首创。与火法炼铜相比较,它有着多方面的优越性。它可以就地取材,在胆水多的地方设置铜场,设备简单,技术操作容易,成本低;只要把蒲铁片或碎铁块投入胆水槽中浸渍,就可获取铜,而且铜质精纯。它的冶炼过程是在常温下进行的,可以节省大量燃料,免除鼓风、熔炼等设备,也减轻了炼铜工人的劳动强度,并减少了环境污染。而且,胆铜法不管是贫矿还是富矿,都可使用。

  2.中近东地区早期锡料产地:阿富汗等中亚地区富产的青金石很早就输入到中东,因而推测锡矿也一起输入中东。在塔吉克斯坦和乌兹别克斯坦交界处发现早期锡矿开采遗址群,年代在公元前三千到二千年间。接着介绍了伊朗、土耳其、英国和西班牙等地早期的锡矿遗址。

  胆铜法何时由炼丹家的炼丹实验转成工业生产,现在尚不清楚。有人推测在唐末或五代已经开始湿法炼铜,而在北宋时已经实际应用并得到推广,却是确定无疑的。在11世纪末叶,北宋哲宗时的张潜已著有湿法炼铜专著《浸胆要略》,尽管此书已经佚亡,但却反映了当时已有一整套湿法炼铜的工艺,并已有人进行了总结。据《宋会要辑稿》记载,北宋时用湿法炼铜的地区有11处,分布在广东、湖南、江西、福建、浙江等地。其中,信州铅山(今江西省铅山县)的冶铜工场有浸铜沟漕77处,绍圣三年(1096年)产铜38万斤;而广东韶关岑水的工场,在政和六年(1116年)产铜达100万斤之多。据统计,在1107~1110年间,北宋政府每年收铜660万斤,其中胆铜有100多万斤,占15%~20%。到南宋时,政府收取的铜中,胆铜所占的比例达到85%之多。湿法炼铜的方法,在明、清两代仍继续采用,至今仍有些地区用此方法炼铜。

  3.探讨东亚地区锡矿分布及中原早期锡料来源问题,提出因二里头遗址铸铜渣大量锡被氧化而形成的SnO2,据之不能判定锡的来源形式。虽然自殷墟发掘以来,中原锡料来源问题就备受学者关注,老一辈根据古籍等,曾指出在安阳500公里范围内能够满足铜锡矿产资源供应。李教授认为目前的地质矿产资源不能给出充分的支持。

  生铁冶铸和柔化术

  4.谈到中原地区早期锡料来源,李教授另辟蹊径地从汉语中锡的字源来解释其来源,从字源上分析,锡从易演变而来,其最早的意义是交换,即锡是通过贸易获得的金属;易字还可能指向地域或古族群,也可能是指向易水流域,或活动于该流域的有易氏。

  与炼铜一样,中国冶铁技术的发明亦晚于其他一些古文明发达的国家和地区。埃及大约在公元前1000年左右开始进入铁器时代,美索不达米亚地区大约在公元前1200年左右开始进入铁器时代,爱琴海地区大约在公元前1000年左右开始进入铁器时代,印度大约在公元前800年左右开始进入铁器时代,而中国则是在公元前600~500年左右开始炼铁的。但是,中国不似其他国家和地区,经历了一个漫长的块炼法冶铁时期,而是很快发明了生铁冶铸技术和生铁柔化技术,因此后来居上,很快跃居世界冶铁事业的前列,并长期居于世界领先的地位。历史上中国的钢铁除输往邻近国家外,还曾远销古罗马和西南亚。

  5.李教授最后指出辽西地区有大量的早期锡矿遗址,赤峰北部有两大有色金属矿带,皆属于有易氏所属的夏家店下层文化范围,正是在这一地区目前已经发现了五处锡多金属矿开采、冶炼遗址,他介绍了其中比较出名的遗址,如喜鹊沟、依和沃门特锡矿遗址以及哈巴其拉炼锡遗址,其年代为距今3300年前后,属于商代晚期。

  在历史上,炼铁方法主要有两种,一是块炼法,一是生铁冶炼。块炼法是在比较低的温度下进行的,它用烧红的木炭使铁矿石直接由固态还原成铁。用块炼法炼得的铁质地疏松,故有海绵铁之称。海绵铁含夹杂物较多,要把它制成铁器,必须经过反复加热锻打。生铁是在1100~1200℃的炉温下,由还原出的固态铁吸收碳而炼成。由于其熔点低,冶炼时呈熔融状态,可直接用范浇铸成器,从而免除了块炼铁加工费工费时的缺陷,提高了生产效率,降低了成本,使铁器的大规模、高效率生产成为可能。中国在公元前6世纪即已发明了生铁冶铸技术,这项技术在世界领先约2000年。罗马人虽在公元前后也偶尔炼出过生铁,但却被当作废品而抛弃,直至14世纪时,欧洲人才认识到生铁的意义,开始生产生铁。

  结合前述中下游地区出现大量冶炼锡青铜遗址的现象,以及商代早期曾经向长江中下游地区挺进等种种迹象,李教授提出中国的锡矿南北分布的特点决定了中原王朝为获得充分的锡料供应,曾先后向长江中下游和辽西地区努力开拓,客观上讲推进了这两个地区文明进程。

  生铁的最大特点是其可铸性,故又称铸铁。但生铁含碳量高,一般都在2%以上,往往又含有硫、磷等杂质,因而性脆,韧度低,直接铸造出来的农具、工具和兵器,使用时容易断裂。为了弥补这一缺陷,我们的祖先在战国时期又发明了铸铁柔化术。

  第三部分:模范陶冶商周鼎——青铜冶金与早期中华文明

  中国早期的铸铁柔化术可分为两类:一类是在氧化气氛下对生铁进行脱碳热处理,使成白心韧性铸铁;一类是在中性或弱氧化气氛下,对生铁进行石墨化热处理,使成黑心韧性铸铁。在西方,白心韧性铸铁的生产技术是1722年由法国人发明的,黑心韧性铸铁是1831年在美国问世的。到汉代时,铸铁柔化术又有新的突破,形成了铸铁脱碳钢的生产工艺,可以由生铁经热处理直接生产低、中、高碳的各种钢材。

  1.李教授首先用一张图介绍了青铜器的制造方法,指出石范铸造和陶范铸造是制造青铜器的主要方法,其中,中原地区大量使用陶范铸造制造青铜器,但青铜器铸造后陶范会被扔掉,故能够在铸铜遗址上找到大量的陶范。

  铸铁柔化术的发明,在冶金史上是一项具有划时代意义的成就。它大大加快了铁器取代铜器的历史进程,有力地促进了社会生产力的发展,使中国社会迈人一个新的发展时期。

  2.中原青铜器主要做礼容器和兵器,分别用于用于象征身份地位和杀伐征战,且青铜器是礼制的承载物,具有重要意义。直到郑国春秋大墓出九鼎,礼崩乐坏,开始了诸侯争霸的局面。此外李教授谈到与青铜器和礼制有关的成语,如问鼎中原,延续至今;还谈到了《考工记》中记载了不同器物的合金配方和很多著名的兵器,如越王勾践剑。

  值得一提的是,大约在明代时,出现了从生铁到熟铁的连续生产工艺。据《天工开物》记载,这项技术是把炼铁炉与炒铁炉串联在一起,让由炼铁炉炼出的生铁液流入炒铁炉,用柳木棍急搅,使生铁液中的碳份氧化,而成熟铁。这种连续生产的工艺,已初具组合化生产的系统思想,既提高了生产效率,又减少了能耗,是冶铁技术的又一重大突破。

  3.介绍了中原周边地区的青铜器:云南滇文化青铜器、辽西出土商周青铜器、长城沿线地带出土的青铜时代早期兵器和辽西的青铜时代晚期青铜器所具有的不同特征。

  灌钢技术

  4.李教授最后总结:中原先进发达的青铜产业结构是促进国家机器发展壮大的重大因素。而精美绝伦的青铜器是早期中华文明礼制的代表物,是精神与物质、软实力和硬实力的结合物,对周边地区产生了巨大的吸引力,是中原成为东亚地区文明中心的重要原因,并强调陶范铸造技术是中华民族最早的重大发明!

  灌钢技术是中国历史上在炼钢技术方面的一项重大发明。其工艺过程大致为,将生铁与熟铁合炼,因生铁熔点低,熔化后的生铁水就会向熟铁中渗透,使熟铁增加碳份而成钢。因生铁水像灌进熟铁一样,故称灌钢。这种炼钢方法无需加热锻打,碳份分布均匀,且可去除部分杂质,得到的即是优质钢材,可用以制造刀锋的锋刃。在1740年西方坩锅炼钢法发明之前,是世界上最先进的炼钢方法。

  第四部分:钢铁铸就大汉威——钢铁技术与中华文明的壮大

  灌钢法大约创始于5世纪后半叶的南北朝时期。陶弘景说:“钢铁是杂炼生柔作刀镰者。”“生”指生铁,柔指柔铁,即熟铁。北齐的冶金专家綦母怀文也说:“造宿铁刀,其法烧生铁精以重柔挺,数宿则成钢。”他用灌钢造出的宿铁刀,是当时的名刀,非常锋利,可“斩甲过三十札”。也有人认为,东汉末年王粲《刀铭》中的“灌辟以数”,西晋张协《七命》中的“乃炼乃炼,万辟千灌”,其中之“灌”即指灌钢。如是,则灌钢的创始年代可提前到3世纪时。

  1.介绍了钢铁基本知识,再谈到古人很早就认识到了陨铁来自天外并使用之,所以人们最开始使用的最早的铁是陨铁,且陨铁分布在全世界。接着介绍了钢铁的种类:熟铁和生铁,以及两种基本炼铁方法:块炼铁技术和生铁冶炼技术,后者是中国独有,其特点是产量大、效率高、用工多和可以处理成钢等。李教授谈到中国出现生铁的原因主要是青铜时代先进炼铜技术形成了合理的炼炉结构和发达的陶范铸造技术。到了春秋末战国初,中国生铁使用增多,分布地区增多,器物种类繁杂,并开始出现生铁深加工制品。

  在灌钢技术应用的初期阶段,需经多次灌炼,方能成钢。宋以后灌钢技术不断得到改进。据史籍记载,其加工工艺大致可分为3种,其发展趋势是减少灌炼次数,以至一次炼成。

  2.介绍以生铁为基础的钢铁技术体系,主要包括生铁韧化技术、生铁固态脱碳钢、炼钢重大技术革新——炒钢技术、百炼钢等技术。

  第一种加工工艺,是北宋沈括在《梦溪笔谈》卷三所记载的,“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,泥封炼之,锻令相入,谓之团钢,亦谓之灌钢。”其中,把柔铁屈盘起来,是为了增加生熟铁的接触面,提高灌钢的效率,并使碳份分布更加均匀;封泥则可以促进造渣,去除杂质,并起保护作用。《梦溪笔谈》中还说“二三炼则生铁自熟,仍是柔铁”,反映了加工时灌炼次数的减少。

  3.战汉时期钢铁及技术的重大作用,主要体现在以下几点:农业手工业全面铁器化;兵器全面钢铁化;精良的武器装备为汉武帝反击匈奴提供了军事保障。

  第二种加工工艺,记载于宋应星的《天工开物》卷十四之中。它把柔铁屈盘改为薄熟铁片,进一步增加了生熟铁的接触面,加速了“生熟相和,炼成则钢”的进程,泥封亦改为草泥混封,反映了明代灌钢技术的改进。

  4.李教授最后总结:战国到汉代的中原地区出现了世界上独一无二的生铁冶炼技术,这是中华民族最伟大的发明;与块炼铁技术相比,以生铁为基础的钢铁技术体系具有极高的生产效率,为战国至汉代中原农业、手工业、军事的铁器化提供了保障,是汉武帝时期开始反击匈奴、开疆扩土的最主要物质基础;深刻地影响了欧亚大陆历史,汉代击败匈奴,南匈奴入边,北匈奴西迁,导致民族大迁移,西罗马帝国因此灭亡,西欧陷入黑暗的中世纪达千年之久。

  第三种加工工艺,是自清代至近代盛行于江苏、安徽、湖北、湖南、四川、福建等地的“抹钢”或“苏钢”。其特点是,先将料铁加热,再把生铁板的一端伸入炉中,待生铁熔化时,用钳夹住生铁板的一端,并不断移动,同时不断转动料铁,让生铁水均匀地滴在料铁上,再经锻打,去除杂质。这种方法有利于去除夹杂,提高金属的收得率。

  李教授强调中国独特的建立在生铁基础上的钢铁冶金技术是中华民族最伟大的发明创造,既为战国至汉代的中国文明奠定了坚实基础,也是秦汉王朝开疆扩土的最根本物质保障,是钢铁铸就了大汉天威。但其历史作用,由于学科的隔阂、传统观点的流行等原因未能得到应有的宣传和展示,这不利于总结历史经验教训、振兴中华文明。

  垒铸技术

讲座现场

  中国冶金史上的一个突出特点,是铸造技术占有很重要的地位,以至于铸造既作为成形工艺而存在,又成为冶炼工序中的一个组成部分,达到了

  第五部分:五胡以何乱中华——中原钢铁技术外传与优势丧失

  “冶”与“铸”密不可分的地步。因此,在古代文献中往往是冶铸并称,而且对中国文化产生了深刻的影响。如常用词汇“模范”、“范围”、“陶冶”、

  1.冶铁技术外传:战国秦汉版图内的传播,从中原传到燕国、赵国、楚国、汉代边疆地区;中原动乱时期人口对外迁移导致传播,秦统一战争、楚汉相争、三国时期魏晋南北朝时期分别向东北亚传播、西北亚传播和东南亚传播。而在技术传播的过程中,工匠十分重要。

  “熔铸”、“就范”等,都是由冶铸技术演生而来的。这种冶与铸密不可分的冶金传统,是古代世界上其他国家和地区所无法比拟的。

  2.北方民族的冶铁技术:由于三国以来,中原战乱,大量中原人口向边疆迁移以躲避战乱,带去了中原的各种技术。所以在三燕墓地中出土了很多佐证技术传播的器物,与同时期中原的钢铁兵器水平相同,且最早发明使用了马镫,装备了重装骑兵,这是导致“五胡乱中华”重要的技术原因。

  中国铸造技术可以说是伴随青铜冶炼而产生与发展,其后又随着生铁冶炼而持续发展着。历史上,在铸造技术方面有很多重要的发明,并取得过很多重要的成就。例如,被认为是中国古代文明象征的商周到战国的青铜器,在某种意义上可以说是铸造技术所造就的。从重875公斤的司母戊方鼎、精美的曾侯乙尊盘和大型的随县编钟群,以至大量的礼器、日用器、车马器、兵器、生产工具等,可以看到当时中国已经非常熟练地掌握了综合利用浑铸、分铸、失蜡法、锡焊、铜焊的铸造技术,在冶铸工艺技术上已处于世界领先的地位。而叠铸技术则是在铸造方面的又一重大发明。

  3.南北朝发明灌钢技术以后,中原地区在钢铁技术领域内的发明基本完成,钢铁冶金技术体系形成,中原的钢铁技术优势开始逐渐丧失。宋代前后很可能中原开始使用煤来冶铁,导致生铁中含有较多的硫化亚铁夹杂,影响其所炼出的钢质量。而宋代开始,中国铁兵器质量下降。北方敌国辽、西夏的钢铁兵器及日本的钢铁兵器质量超出中原。辽人、西夏的钢铁兵器在中原备受推崇。并且日本刀开始在东方显露优势。

  所谓叠铸,是把许多个范块或成对范片叠装在一起,由一个共用的浇口和浇道进行浇注,一次可以得到几十件,以至上百件铸件。它可以批量生产,生产效率高,成本比较低,又能够节省造型、浇注的用地,是一种比较先进的铸造方法。这种方法在西方是随着大机器生产才出现和发展起来的,至今仍被广泛采用。而在中国,这种方法在2000多年前的战国时期已经开始应用。

  4.李教授最后总结了中国古代钢铁的历史启示,认为振兴中华必须做到:

  现在发现的最早叠铸件,是战国时齐国的刀币。它是用铜质范盒翻制出具有对称性和互换性的范片,每两片合成一层,再多层叠合浇注而成。

  第一:内部安定团结,长治久安,社会稳定。 第二:科学技术是第一生产力,必须掌握最高科技水平。 第三:有充分的文化软实力。

  在汉代,叠铸技术得到了很大的发展。本世纪70年代,在陕西咸阳、西安,河南南阳、温县,山东临淄等地,都曾多次出土有汉代的叠铸泥范。其中,以温县烘范窑中出土的叠铸范数量最大,保存最为完好,计出土有16类、36种规格的叠铸范500多套。每套铸范由5至14层叠成,最少的一次可浇铸5件,最多的达84件。这些铸范的设计和制作都很精细。据分析,用这些铸范浇出的铸件,表面光洁度可达五级(计分14级),金属收得率可达90%,工艺水平已相当先进。而且,从中还可以看到当时已具备了制范、烘范、叠装、浇铸、成器等一整套成熟的生产工艺。

文字整理:四川会务组 任华利

  电信技术

  摄影:四川会务组 张艳

  走向明天的电话

资料图片:李延祥教授讲座PPT

  自从电话发明以来,它作为传递信息的一种基本手段,正在得到日益普及和更新。今天,世界各国的电话分为市内电话和长途电话两种,长途电话从发端到收端一般要经过当地市内电话网,再进入长途线路。同时,电话又有人工接转和自动接转之分,人工接转是指电话交换过程中,接、拆线都由话务员手工操作完成,自动电话的交换全由交换机自动进行。

  审核:万娇

  据统计,美国现有电话机1.8亿多部,普及率为80%,世界平均普及率为12%。中国大陆最早的电话业务是1881年上海英商瑞记洋行华洋德律风公司开办的,随后,丹麦大北电报公司于1882年2月21日在上海外滩设立了电话交换所,当时只有用户30家。

  编辑:荼荼

  今天,老式陈旧的拨盘式电话机正被淘汰,取而代之的是按键式多功能电话机。美国推出的一种声控电话,可免去按键电话的麻烦,用声音直接呼叫对方的名称和号码,就可接通对方了;无线电话机的发展也十分迅速,它可以在一个移动点到固定点之间,实现简单的通信;电话接入由计算机控制的智能网时,其功能会大增,如相隔数千里的用户可利用电话相互发送文件、交换计算机数据或召开可视电话会议;在研制重量最轻电话机的竞赛中,美国摩托罗拉公司的蜂窝式电话机只有30克重,它使用了一块砷化镓芯片,消耗能量仅为普通半导体收音机的一半,一节电池可供谈话45分钟,还有一个自动应答装置,并能储存99个电话号码;公用电话机目前主要采用投币式和卡式,卡式由于使用方便,在欧美较为流行。

  根据专家们的预测,电话在今后若干年的发展趋势,主要是实现如下“十化”:

  一、增音化:话筒里的音质更为清晰,以避免在噪声环境中通话时声音不清;

  二、微型化:这种可以塞在耳朵里的电话,是通过使用者口腔和耳朵间的骨头和软组织来拾取声波,因此不会产生反馈啸声;

  三、声控化:使用者在数米远的地方,用声音控制接通电话,无需拨号,唯声是从;

  四、录音化:主人外出时,它会自动接电话,把对方的话录下来并自动关机;

  五、复印化:除了通话外,还可根据需要,把文件和图表存入电话中,三分钟内,对方电话机便可接收到复印的文件和图片,这种电话在商业、科研、新闻出版界大受欢迎,聋哑人打电话也将如愿以偿;

  六、智能化:这种电话会以柔和的声音向你报告,有人给你打电话,如果你不愿意接电话,只要拨动某个键,电话即会婉言回绝;

  七、翻译化:不同语言的人也可以互相直接通话,该电话通过输入不同语言的单词、短语等,通话时可自动翻译;

  八、娱乐化:这种电话与幽默电台相通,当你需要自我娱乐时,只需拨一个专用电话号码,便可从电话中听到令人捧腹的笑话;

  九、电视化:这是电话与电视相结合的产物,使用这种电话,双方可以通过荧光幕见面,以满足通话者的需要;

  十、多用化:电话除了通话以外,还带有报时、显示天气情况等功能。

  电信之“线”

  说起有线电通信之“线”,一般有三种:架空明线、电缆和光纤。

  架空明线是指架设在电线杆上的用于通信的金属导线。金属导线有:铝线、铁线、钢线等多种。明线架设起来省事、同时方便、传输质量也较好,缺点是线对数量少,通信容量小,因为这种导线是架设在野外高空,所以容易受损,特别是在发生自然灾害或战争的时候。

  电缆由包裹在同一外皮中的若干根导线构成,这些导线互相绝缘。外皮分纱包、铝包、塑料包几种,其中以电缆较为坚固,应用最广。电缆的优点是线对数量多,不易受损。如果敷设在地下,还有很强的保密性。但是,电缆里面的导线直径小,线距窄,因而衰耗大,投资也多。

  电缆按敷设方式分为三种:架空电缆、地下电缆和海底电缆。架空电缆是把电缆架在电线杆上;地下电缆在地下2~3米处;海底电缆敷设在海底或海中一定深度,根据通信距离分为短距离、中距离和远距离,并根据海洋深度分为浅海和深海等类型。在敷设海底电缆方面,英国物理学家威廉·汤姆森曾作出过举世瞩目的贡献,他坚持不懈地从理论上和工程上积极参与了大西洋海底电缆的建设。

  在无线电还没有发明以前,莫尔斯电报只能进行有线传送,而且只能在陆地上使用,被称为“陆地电报”。随着经济和国际贸易的发展,制造和敷设大西洋电缆成了一种迫切的需要。1856年,大西洋海底电缆公司正式组成,资本总额为35万英镑。苏格兰的股东选聘汤姆森为董事,他高兴地接受了这一职务。在从1896年到1866年的10年时间里,他不但解决了许多海底电缆通信的理论问题,而且面对挫折、打击,始终宽容大度、意志坚定。1866年6月,当两条完善的连接加拿大纽芬兰岛和英属爱尔兰岛的大西洋海底电缆敷设成功时,人类首次实现了全球性的远距离通信,它和电报的发明一样,是人类通信史上的一座新的里程碑。

  今天,海底电缆仍是国际通信的一种重要手段。据统计,英美两国之间每年的通话量达二千多万次,其中有一半以上是通过海底电缆传送的。

  光纤有石英光纤和塑料光纤之分,通信用的光纤对传输特性、环境等都有严格要求,要确保光纤在制缆、安装、接头以及一般的热循环下不受损坏,它本身要用塑料等保护起来。

  用光纤制成的光缆,分为通信用光缆、非金属光缆、光海缆等种类。通信用光缆有两种,一种是高密度多光纤光缆,适用于公共通信系统,另一种是低密度光缆,适用于一般通信系统。

  今天,光纤光缆正呈爆炸式的势态发展,它正在逐步取代铜导体电子线缆。通过光纤线路进行数字传输,现在已是平常事情。采用光纤线路,以任意调制方式转输模拟信号,将是今后光纤技术应用的新领域。

  光纤通信

  由于科学技术的突飞猛进,尤其是电子计算机技术的迅速发展和广泛应用,人们对通信的要求也越来越高。电报、电话等传统的通信手段,虽然在不断得到改进,但仍不能完全满足社会的要求。

  20世纪中叶,同轴电缆问世以后,由于各国大力进行科研开发,它的传输容量有了惊人的发展。以话路来计算,起初只有300路,后来相继增加到960路、2700路,最后达到13200路。随着同轴电缆线路的广泛采用,它开始在有线传输领域形成干线网路,并逐步蚕食了明线和风靡一时的对称电缆线路。

  20世纪60年代末、70年代初,万路同轴电缆载波系统研制成功。尽管这一系统的中继距离只有1500米,但一些科技发达国家仍对它抱有很大希望,努力提高它的性能,加大电缆的尺寸,研制新的元器件、放大器和均衡器等,进一步挖掘这一系统的潜力。

  但是,70年代中期以后,实用光纤的研制成功,给通信传输带来了意义深远的突破。发达国家纷纷放弃了对同轴电缆的进一步研究,而投入大量的人力、物力和财力,加紧开发光缆。于是,光纤通信以令人眼花缭乱的速度向前发展。

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