从”青铜段位”一路升级,为打造一款爆款合金,人类做了哪些努力?

来源: 数字北京科学中心

闲暇时光,当你想要和小伙伴们相约打一场游戏放松一下的时候,是不是经常因为自己的青铜段位而惨遭嫌弃?

有意思的是,除了游戏等级,在几千年前,人类还有一件事也与青铜有着密切关系,那就是金属冶炼。

金属冶炼,指的是把金属从化合态变为游离态的过程。大约在距今6000年前,我们的祖先就已经掌握了青铜的冶炼技术,开启了金属冶炼的“段位进化史”。为什么铜会成为人类最早“驯服”的几种金属之一呢?人类的金属冶炼技术是如何进步发展的?下面我们就一起来一探究竟吧。

铜的冶炼

铜,可以说是人类第一种有较多文献记载,并得到广泛应用的金属。相信大家都听过“青铜时代”这个词,能用金属命名一个时代,可见青铜器具在当时确实对人类生活影响广泛。

人类最早认识和利用的铜矿石应该是一种颜色碧绿的孔雀石。早在商代,当时的人们已经将这种矿石当做陪葬品放入了墓穴。孔雀石的主要成分为碱式碳酸铜,这种矿石含铜量高达10%-20%,只要将木炭和孔雀石一同放在炼炉中冶炼,加热到1000℃左右,一定时间后就能得到铜单质,这就是最早的火法炼铜。

人们先将矿石放在炼炉中,燃烧木炭,直至得到炼铜液,除去炼渣后得到初铜,再经过提炼,添加锡、铅后熔成合金,就得到了青铜。整个过程看似简单,实则需要耗费很大的人力物力,成语“炉火纯青”就出于此。

铜的另一个常见合金是黄铜(铜锌合金),但因为氧化锌在1000℃左右才能被还原金属锌,而锌的沸点却只有906℃,炼制后得到的锌已经是蒸汽状态,难以收集和利用。

因此,相对方便制造的青铜就先于黄铜被加以运用,做成青铜鼎、酒杯和各种兵器。

后来随着技术的发展,人们才终于掌握了黄铜的冶炼技术。冶炼工人把粉碎的锌矿和木炭跟铜块混合起来加热,使锌和铜结合在一起,再加热使合金熔融,然后将铜液灌入铸模,最终得到固态黄铜。黄铜的柔韧和塑形性很好,在西汉时期被用来制作乐器,在现代则被用作阀门水管的密封件等。

到了唐宋时期,湿法炼铜技术得到了比较广泛的应用。在文献中有关于“胆水浸铜法”的记载。这种方法的原理是把铁放在胆矾(硫酸铜)中浸泡,胆矾水和铁发生化学反应,前者的铜离子被铁置换成单质铜,得到沉积的铜单质。铜的这种冶炼方式成本相对较低,但需要有一定量的胆水,因此受季节、气候影响较大,在工业上大量应用的条件不够成熟。

在现代社会,火法炼铜和湿法炼铜仍是铜最常见的两大冶炼方式,且火法冶炼的产量占比高达80%。

现代火法冶炼通常选出铜含量20%以上的精矿,先在炼炉中熔炼,后送入转炉中得到含铜量98%~99%的粗铜,再在反射炉内氧化精炼或利用电解法得到精铜。现代湿法炼铜的成本相对较低,但目前的技术无法满足工业的产量需求,因此使用范围受到限制,但湿法冶炼技术也正在逐步推广。

铅,汞和银的冶炼

除了有大量文献记载的铜的冶炼史以外,对铅、汞和银等金属的冶炼在历史上也占有一席之地。当时的人们并不清楚背后的原理,对冶炼所得金属的化学性质也缺乏较为深入的了解,这些金属的冶炼往往被归于“炼金术”、“炼丹术”的范畴。

据史书记载,汉代的人在烧制陶器时偶然将含铅的矿物质加入陶器中,发现加热后陶土表面竟有金属铅滴渗出。这是因为铅的氧化物和硫化物在高温加热条件下较容易分解,得到金属单质,汞和银也是类似的道理。因此,铅成为了人类采用湿法冶金法最先冶炼得到的金属之一。

但是由于这几种金属的耐高温性较差,300度左右的高温就会使其融化,再加上其硬度不够,还有一定的毒性,因此除了在一些容器中少量使用外,并没有在古代工业上得到广泛应用。

钢铁的冶炼

铁的出现虽然晚于铜,但不论在古代还是现代,它对人类社会的发展都十分重要。铁器时代出现在青铜时代之后,其在现代工业社会中的地位甚至超过了铜。

钢是铁与其他元素结合而成的合金,其性质主要受碳以及其他元素含量的影响。钢制品因其高强度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗冲击等优良性能而被广泛利用。

虽然铁元素在自然界分布广泛、含量丰富,但天然的纯铁在地球上却很难找到,再加上铁的还原性较差,熔点较高,更难冶炼,被人类利用的时间自然晚于铜。

人类最早发现的铁矿石来自陨石(又被称作陨铁),在我国河北省曾出土了一把商代铁刃青铜钺,其上嵌有的铁刃就是将陨铁经加热锻打后和青铜钺体嵌锻在一起的。

春秋战国时期,铁器在农业和工业生产中就已经有了广泛应用,当时使用的冶炼方法主要是块炼法。

这种方法利用木炭作燃料,在炉体中冶炼,因为鼓风设备差,炉温较低,炼出的铁多是海绵状的固体块,称为“块炼铁”。这种冶炼方式既费时,得到的铁质地又比较软,含氧化亚铁等杂质较多,必须再经过成千上万次的反复加热锻打,才能让铁吸收木炭中的碳,得到质地更均匀细密的“渗碳钢”,用于制作刀剑。

直到西汉中后期,炒钢技术才慢慢发展,人们将生铁加热成半液体和液体状,加入铁矿粉的同时不断搅拌,利用铁矿粉和空气中的氧去掉生铁中的一部分碳,使生铁中的碳含量降低,再经过去渣就能直接获得钢。炒钢法是炼钢技术上的重大突破,其工艺简单,能在较短时间内生产出大量的优质钢铁,供军事、工业和农业等方面使用。

东汉末年,灌钢法开始形成发展,先把生铁和熟铁按一定比例混合,共同加热至生铁熔化,将其灌入熟铁中,由于生铁的浸入使熟铁碳含量增加,再经过反复锻打,就可以得到质地均匀的钢。通过调整生铁和熟铁的混合比例,就能根据需要得到含碳量不同的钢,这种方法操作也较为简单,金属在液态下反应,提升了纯度;熟铁因为碳的渗入变成钢,生铁因为脱碳变成钢,大大提升了钢铁的产量。

到了现代社会,大部分钢铁由高炉炼铁法得到,但其基本原理与灌钢法类似,只是随着技术的发展,在冶炼温度、炼钢炉和其他设备、原材料的配比等方面都能够更精确地掌控。

几千的历史长河中,人类对于金属冶炼的探索从未停止,冶炼技术不断进步,冶炼范围逐步丰富。到今天,我们基本可以算得上达到了金属冶炼的“王者段位”,这不仅得益于科学技术的发展,更源自于劳动人民伟大的智慧!

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