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  [组图]中国古代科学技术成就         ★★★ 【字体:
中国古代科学技术成就
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:14002    更新时间:2012-5-24    
当时的场面会是多么的盛大。

  卓越的冶铁技术——沧州铁狮

  天然的纯铁在地球上几乎找不到,人类最早发现和利用的铁,便是天空中落下来的陨铁。我们的先人大约是在商王朝 (公元前1300年左右)时,对陨铁有了认识,并加以利用的。我国对陨铁的发现和利用虽然比埃及晚,但却是最早进行人工冶炼铁的国家。最迟在春秋时期,我国的劳动人民就掌握了冶铁技术。人们发明了高大的竖炉,以木炭为冶炼燃料,用皮口袋鼓风来使炉温升高,冶炼出世界上从未有过的生铁,使我国的冶炼技术后来居上。而在欧洲,直到公元 14世纪,才炼出生铁,比中国晚了 1000多年。我国的考古工作者曾在江苏六合程桥出土了春秋晚期的一种铁丸,经科学鉴定,这种铁丸就是用白口生铁铸造的。这是到目前为止我国出土并且经过分析的最早的生铁实物,也是世界上最早的生铁实物。 “生铁”是相对于“熟铁”而言的,它是人们根据铁含碳量的多少,而给铁划分出的两个类别,一般我们把含碳量小于0.05%的铁叫熟铁,把含碳量大于2.0%的铁叫做生铁。

  在我国古代,生铁最早主要是用来铸造家具和手工业用器,但到后来,随着生铁应用范围的扩大,一些大型和特大型铁铸件便不断问世了。浙江北雁荡山能仁寺,曾铸有一口上口直径为2.2 米,高为1.55米的大铁锅,这口大铁锅据锅上的铭文记载,重二万七千斤。五代后周时期,河北沧州还铸有一个铁狮子,这狮子重达五万余斤。那么,这么重的铁铸件,是怎样铸出来的呢?

  沧州铁狮在河北沧县旧州城内,距沧州市 20 公里,沧州古城又名狮子城,就是因铁狮子而得名。铁狮铸于公元953 年。相传是周世宗北征契丹时,罚罪人铸此,以镇守州城。铁狮身高3.8 米,头部 1.5米,通高5.3 米;通长6.5 米,身躯宽3 米,总重量约五万余斤,是我国早期最大的铁铸件。

  铁狮栩栩如生,历经千年,雄风犹存,即使是在眼下,要铸这么庞大的活灵活现的铁狮子,也不是一件容易的事。先人们采用的是中国传统的泥范铸造技术,按照分节叠铸方法而成的。狮腹内壁光滑,当是用整块泥模为芯;外观有明显的范块拼接痕迹,显然是分段接铸而成的。从拼接痕迹上看,范块的尺寸大小不同,像四肢和左、右肋的范块就有 13种规格。狮身各段铸范共300 余块,另加背上莲花盆65块,总共约有400 多块外范。仅从这众多的外范块数来看,就可见铸造工艺之复杂,也足见我国铸造技术的水平。

  古代最先进的制钢技术——灌钢

  世界上,在 1740年坩埚制钢法发明之前,最先进的制钢技术,是算中国古代创造的 “灌钢”冶炼法。

  “灌钢”,又称“团钢”。它是由生铁和熟铁合在一起冶炼得到的一种含碳量较高、且质地均匀的优质钢,(含碳量在0.05%~2.0%的铁称为钢)。这种具有独创性的灌钢冶炼方法,至少在南北朝时期就已经发明了。除了那些无名英雄之外,从文献记载上,我们知道的这种先进技术的最初实践者,就是北朝东魏、北齐间 (公元550 年前后)的著名冶金家綦毋怀文。

  綦毋怀文是个讲究 “道术”的人,在北齐的信州做过刺史。他曾炼造出一种 “宿铁刀”。这“宿铁”,就是后世所说的“灌钢”。《北史·艺术列传》里记录有他的这一发明创造。书中记载说:

  “怀文造宿铁刀,其法烧生铁精,以重柔铤,数宿则成刚(钢)。以柔铁为刀脊,浴以五牲之溺,淬以五牲之脂,斩甲过三十札。”

  这段话的意思是说:綦毋怀文制造有宿铁刀。他的方法是,选用品位比较高的铁矿石,冶炼出优质生铁,然后把液态生铁灌注到熟铁上,这样几度熔炼,就成了钢了。钢炼成之后,他便以熟铁作刀背,用钢作刀锋,并用动物的尿和油脂来淬火。用这种方法制造的宿铁刀,能一下子砍断30 多块叠放在一起的胄甲片。

  从这段记载中可以看出,綦毋怀文不仅最早实践了 “灌钢”冶炼法,还创造了畜尿和油脂两种淬火介质,这是綦毋怀文在钢的热处理技术上的一大创新。在綦毋怀文之前,人们一般都用水作为淬火的介质,而綦毋怀文用牲畜尿和动物油脂作为冷却剂,一方面扩大了淬火介质的使用范围;另一方面,也是更重要的,是可以获得不同的冷却速度,从而得到不同性能的优质钢。

  灌钢法是我国古代炼钢技术上的卓越成就。它的发明和推广,对于增加钢的产量,改善兵器、农具和手工工具的质量,都有着重大的意义。因此,隋唐时期,这种方法受到了冶炼家的垂青;而到宋朝,则流行于全国,并有所创新和完善,成为当时的主要炼钢方法。在沈括的 《梦溪笔谈》中,除了记有当时的冶炼方法外,还首次提到 “灌钢”一词。他说: “世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,封泥炼之,锻令相入,谓之团钢,亦谓之灌钢。”

  这话的意思是说:社会上所说的炼钢,就是在炼钢炉中,把熟铁屈绕成盘,并将生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间,然后用泥把炼钢炉密封起来烧炼。待炼成后取出来锻打。用这种方法炼出来的钢,就称为团钢,也叫灌钢。

  时至明代,这种灌钢的冶炼技术又有了很大程度的发展。著名科学家宋应星在他所著的 《天工开物》一书中,详细地记述了当时的灌钢工艺。他说: “凡钢铁炼法,用熟铁打成薄片如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖紧,生铁安置其上,又用破草履盖其上,泥涂其底下。洪炉鼓鞴 (bèi),火力到时,生钢先化,渗淋熟铁之中,两情投合。取出加锤,再炼再锤,不一而足。俗名团钢,亦曰灌钢者是也。”

  宋应星这段话的意思是说:炼钢的方法,是先把熟铁打成像手指头那样宽,一寸半左右长的薄片,然后用熟铁片束包扎紧,再将生铁放在扎紧的熟铁片上面。随后,盖上破草鞋 (要用沾有泥土的,这样才不致于立即被烧毁),另外,在铁片底下还要涂上泥浆。当这一切都做完之后,把它放进洪炉里,用劲鼓风,达到需要的温度时,生铁便先熔化成铁液,渗淋到下面的熟铁中,两者便互相融合了。这时,就可取出锤打。经过再炼再锤,反复多次,才行。这样锤炼出来的钢,俗称团钢,也叫灌钢。

  我们不难发现,明代灌钢的冶炼方法已跟宋代大不相同:人们不再用泥封炉,而改用涂泥的草鞋遮盖;不把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中,而把生铁片覆盖在捆紧的熟铁片上。这两种方法的改进是具有很大进步性的。正如杨宽先生在 《中国古代冶铁技术发展史》一书中所分析的那样:“他们不用泥封而用涂泥草鞋来遮盖,一方面是使炼钢炉依然能够从空气中得到氧,使生铁在还原气氛下熔化;一方面是使大部分火焰反射人炉内,以提高冶炼温度。他们把熟铁打成薄片后夹紧捆住,无非使生铁的铁液能够准到若干熟铁薄片的夹缝中,增加生铁和熟铁的接触面,使熟铁易于吸收生铁的铁液,能够使碳分均匀地渗入。”

  明代,除了宋应星所记述的这一改进的灌钢技术外,还产生了一种新型的灌钢冶炼方法,这就是 “苏钢”冶炼法。“苏钢”是灌钢发展的高级阶段,灌钢的优点在这里得到了最充分的表现。

  相传, “苏钢”是由江苏人发明的,所以称为“苏钢”。它的冶炼方法,明朝的唐顺之,在他所著的 《武编·前编·铁》中有简略的记载,他说:“以生铁与熟铁并铸,待其极熟,生铁欲流,则以生铁于熟铁上,擦而入之。”也就是说,把生铁与熟铁放在一块冶炼,等到生铁熔化,铁汁欲流时,则将生铁水擦入熟铁中,灌钢就炼成了。 “苏铁”冶炼法创造出来以后,曾在明末、清代盛行一时,直到近现代,还有冶炼家用这种方法炼钢,但方法又大大地进了一步。它的具体操作要点是:

  炼钢时,先把没有经过锻打的熟铁 (料铁)放到炉内,鼓风加热。两分钟后,用火钳钳住生铁的一端斜放在炉口内,继续鼓风,使炉内温度不断升高。当炉温升到 1300℃左右的时候,斜搁在炉口内的生铁的一端开始熔化,开始不断地滴铁水,这时,炼钢工人便用大铁钳钳住生铁在炉外的一端,左右移动,使铁水均匀地淋到熟铁上。同时,不停地翻动熟铁,使熟铁各部分都能均匀地吸收铁水。淋完两次后,便把熟铁夹到铁砧上锻打。去除杂质,就得到了需要的钢坯,俗称 “钢团”。

  以上我们介绍了 “灌钢”的不同操作工艺,这些先进的科学技术成果,都是我国古代劳动人民的智慧结晶。正是由于他们的发明创造,使我国古代的炼钢技术自立于世界之林,为我们中华民族争得了荣誉。

  世界钟王——永乐大钟

  北京海淀区魏公村东,北三环路北侧的 “大钟寺”,原本称为“觉

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