中国古代冶金技术起源与发展

中国古代冶金技术起源与发展梁宏刚(中国文化遗产研究院)目录一、冶金术是人类文明的三大要素之一1.铜和原始铜合金是人类最早冶炼的产物2.青铜是人类古代文明进步的又一重要标志二、中国古代生铁的发明与农业革命（一）陨铁的利用（二）人工冶铁（三）生铁技术（四）生铁炼钢技术（五）中国古代生铁的发明与农业革命三、有关冶金起源研究的思考（一）已有的研究基础（二）研究要解决的迫切问题一、冶金术是人类文明的三大要素之一（文字、城市、冶金术被认为是人类文明的三大要素）（一）铜和原始铜合金是人类最早冶炼的产物1.两河流域文明公元前第4千纪，奴隶制城邦形成，楔形文字、冶金术出现；伊朗Susa遗址早期（4100-3900B.C）出土铜器(含As等多种杂质)Susa遗址晚期（3900-3500B.C）出土砷铜器（含As平均5%以上）TepeYahya发现3800B.C的铜刮铲、凿、锥（含少量As）；叙利亚Amuq发现3500B.C铜工具(含少量As、Ni)以色列西奈半岛Timna发现4000-3000B.C冶铜遗址，铜渣中的铜颗粒含As，NahalMishmar窖藏发现砷铜器21件，含As平均5.6%。2.尼罗河流域文明公元前第4千纪后期出现阶级、文字、冶金术，但无通常所说的城市。古埃及发现约3500B.C铜斧(含少量As、Ni、Co)3.印度河流域文明公元前第3千纪出现阶级、城市国家、冶金术。印度Ganges山谷的彩陶文化（3000-2000B.C）出土大量铜器（含少量As、Ni）；Harappa文化遗址（起始于2300B.C）出土铜、砷铜、青铜器。黄河流域文明公元前第3千纪早期出现阶级、城、冶金术、陶文西安半坡仰韶文化晚期遗址（3500-3000B.C）出土铜片（Cu-Sn-Zn合金）陕西渭南仰韶文化晚期遗址（3000B.C）出土铜锥（Cu-Zn合金）山东胶县三里河龙山文化遗址（2500-2000B.C）出土铜锥（Cu-Zn合金）5.总结铜和原始铜合金的出现充分表明了人类进入有意识的利用矿物，进行金属冶炼的阶段。人类已经跨进了文明的时代。人类在利用和改造自然的能力上向前迈了一大步。（二）青铜是人类文明进步的又一重要标志目前已知世界最早的铜锡合金－锡青铜：美索不达米亚乌尔（Ur）的罗亚尔墓葬（～2800B.C），青铜斧含锡8%～10%。中国甘肃东乡县林家马家窑文化遗址（2780B.C）铜刀含锡8%－10%，还出土有铜渣1.青铜时代前期（3000B.C-1500B.C）(和砷铜共同使用，小件工具、装饰品为主)近东地区2000件铜器，青铜与砷铜比例为1:2(3000-2200B.C)，1:1-3:1（2200-1600B.C）；印度旁遮普和信德发现的Harappa文化遗址（2300-1700B.C），青铜与砷铜同出；中国山西陶寺龙山文化遗址（2500-2000B.C），铜铃和齿轮形器（铜和含砷的铜）；河南偃师二里头夏文化遗址（1900-1500B.C），青铜器为主，也存在少量砷铜、红铜。河南偃师二里头夏文化遗址（1900B.C-1500B.C）青铜器为主，也存在少量砷铜、红铜甘肃、辽宁、河北、内蒙、山东等各文化遗址（2000B.C-1600B.C）铜、青铜为主也有少量砷铜新疆东部史前文化遗址（2000B.C-1500B.C），青铜、砷铜、铜锡砷等多元合金，砷铜占10%甘肃四坝文化遗址（1900B.C-1600B.C），青铜、砷铜、铜锡砷等多元合金共存，砷铜占43%（二）青铜时代后期（1500B.C-500B.C）（铜冶炼技术，合金的配制，大件器物的铸造）炼铜工艺技术：氧化矿→铜，硫化矿→死焙烧成氧化矿→铜，硫化矿→铜。矿冶遗物：东地中海地区米诺斯文化生产的牛皮状铜锭(1500B.C-1200B.C)以色列提姆那发掘的炼炉，内格夫发现的平凸锭(14c.-12c.B.C)古埃及墓壁画所绘炼炉(约1450B.C)中国辽西地区牛河梁发掘的炼炉，铜渣(1500B.C-1000B.C)中国内蒙赤峰森西大井发掘的椭圆形炉湖北大冶铜绿山矿冶遗址(西周-春秋战国-西汉，11c.B.C-1c.B.C)锡青铜合金的配制：早期铜熔化加锡石(SnO2)晚期铜熔化加金属锡，例如“六齐规律”“金有六齐，六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；二分其金而锡居一，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐”。此“六齐”配方，记于齐国的官书《周礼·考工记》，是工匠们自夏、商、周以来长期配制青铜合金的经验总结。铅的加入是中国青铜技术的特点之一铸范：西方流行石范、青铜范，以工具范为主中国陶范技术高超包括礼器、酒器、兵器、工具、车马器等各种范陶泥中加入草木灰制范具有重要意义青铜器：神权的象征，王权的体现；立鼎、迁鼎、问鼎、列鼎而食。技术与艺术的完美结合：“型范正、金锡美、工冶巧、火齐得，剖型而莫邪耶”浑铸法：器物一次浇铸成形的铸造方式，商以前的铸造工艺都是此法；分铸法：先铸主体，其他部位显分别铸成后再连为一体；铜簋耳、身铸接痕迹芯撑的使用：铜芯撑圈足器浇铸及芯撑示意图纹饰和铭文的制作：在范上直接雕刻花纹用花纹模直接印在范上3.总结青铜器是人类青铜时代文明的集中体现，是人类改造自然的又一创举，青铜冶炼技术为铁的冶炼提供了技术基础和规模化生产的组织管理经验。二、中国古代生铁的发明与农业革命（一）陨铁的利用陨铁的特征：特殊的魏氏组织，其中镍钴在1-10℃/百万年的冷却速度下呈层状分布。最早的陨铁器：尼罗河流域Gerzeh发现的匕首，Ni7.5%(40c.B.C-30c.B.C)两河流域Ur发现的匕首，含Ni10.9％(40c.B.C-30c.B.C)。中国陨铁目前共发现七件（至14c.B.C）中国出土陨铁制品－览表器物名称出土地点年代镍含量1铁刃铜钺河北藁城商中期，公元前14世纪锈层0.8～2.8%2铁刃铜钺北京平谷商中期，公元前14世纪1.9～18.4％3铁刃铜钺河南浚县商末周初，公元前11世纪6.7～6.8％22.6～29.3％4铁援铜戈河南浚县商末周初,公元前11世纪5.2％5铜内铁援戈(M2009:703)河南三门峡虢国墓地西周末，公元前9世纪6.0％2.68～27.4％6铜銎铁锛(M2009:720)河南三门峡虢国墓地西周末，公元前9世纪5.8～9.1％12.5～14.8％36.9～47.7％7铜柄铁削(M2009、732)河南三门峡虢国墓地西周末，公元前9世纪5.8～13.4％31.4～35.6％河北藁城发现铁刃铜钺(14c.B.C)含Ni6%，组织分层河南三门峡出土铁援铜戈（11c.B.C），含Ni6%（二）人工冶铁1.早期铁的出现两河流域苏美尔语最早出现铁字“AN.BAR”（20c.-19c.B.C）；有关于小件铁制匕首、项链等贵族用物品的记录（18c.B.C）。小亚细亚赫悌人最早明确记载冶铁(约1250B.C)；赫悌国王HattusilisIII给亚述王ShalmaneserI的信：“由于气候不佳，生产欠顺，又无储备无法满足提供铁料的要求”。以色列Timna炼铜遗址发现铁制品(14c.-12c.B.C)；地中海东岸地区铁制剑柄等器物增加（12c.B.C）；中国最早的铁兵器，以金、玉、青铜为柄（9c.-8c.B.C）。河南三门峡虢国墓出土三件经人工冶炼制作的铁兵器陕西宝鸡益门出土珍贵的金柄铁剑2.块炼铁技术低温固体还原法或块炼法原料为富铁矿石和木炭，冶炼温度1000℃或高些，产品为海绵状铁与渣混合的团快，含碳很低，氧化物夹杂多，通过趁热锻打，挤出大部分夹杂物，成形。古希腊时期（500B.C）的花瓶上有生产块炼铁的场面块炼渗碳钢技术：块炼铁在反复加热锻打成形过程中，炭火中的碳渗入而成钢块炼铁和块炼渗碳钢的金相组织：氧化亚铁和含铁较多的硅酸盐共晶夹杂为主中国山西天马－曲村晋侯墓出土铁条（8c.B.C）湖南长沙杨家山春秋中期墓出土的钢剑(8c.B.C)湖南长沙杨家山春秋中期墓出土的钢剑(8c.B.C)河北易县燕下都战国士兵丛葬坑出土钢剑（4C.B.C）河北满城汉墓刘胜剑（1C.B.C）3.块炼铁和块炼渗碳钢的广泛使用西亚亚述军队装备铁制兵器，并有铁工具、农具（8c.B.C）；北非、欧洲进入铁器时代（8c.B.C-7c.B.C）；印度德里铁柱，高7.2米，重6吨（300B.C）；中国甘肃、宁夏发现39件铜柄铁剑（8c.B.C-5c.B.C）；中国在春秋战国之交进入铁器时代（～5c.B.C），出土铁制品130余件经检测的28件中，12件为块炼法制作。块炼法在未受中国文化影响的地区一直到14世纪都是主要的炼铁法。（三）生铁技术(中国古代技术的一大发明，对人类文明作出重大贡献)1.出土的生铁制品最早是山西天马－曲村发现的2件铸铁器残片（8c.B.C）春秋末战国初中国生铁使用增多（6c.B.C-5c.B.C）江苏六合程桥出土铁丸的金相组织经金相鉴定的属于公元前5世纪铸铁器16件列表出土地点名称材质湖南长沙杨家山M65鼎形器1白口铁湖北江陵斧1白口铁江苏六合铁丸1白口铁山西长治镢1脱碳铸铁湖北大冶斧1脱碳铸铁河南洛阳水泥厂锛1脱碳铸铁河南洛阳水泥厂铲1韧性铸铁山西天马曲村残铁器2白口铁河南登封阳城镢5，锄1脱碳铸铁河南新郑铁片1白口铁生铁在西方直到14世纪还没有被有意生产和利用；德国特姆泊尔村发现1345-1364年间的生铁棒，因无法利用而废弃；2.脱碳铸铁技术：白口铁铸件在900℃短时间退火处理，表面层脱碳成钢的组织（5c.B.C）。脱碳铸铁组织脱碳铸铁金相组织河南洛阳水泥厂出土的铁錛，心部莱氏体，表层珠光体3.韧性铸铁技术白口铁铸件在900℃或稍高温度下较长时间退火处理，渗碳体分解成的石墨聚集成团絮状，得到韧性铸铁（5c.B.C）。黑心展性铸铁组织白心展性铸铁组织河南洛阳水泥厂出土的战国铁铲，铁素体基体，团絮状石墨韧性铸铁在中国从5c.B.C-9c.A.D使用1300多年，而在英国发明于1671年，法国发明于1722年，晚于中国2000余年河南登封阳城出土战国晚期铁锄，石墨呈球状.4.冶铁遗址与竖炉战国时期冶铁遗址在河北、河南、山东发现11处；汉代设铁官49处，发现冶铁遗址36处，分布广，远至新疆、内蒙汉代铁官及冶铁作坊对照表郡国名铁官所在地和产铁地已发现的汉代冶铁遗址铁官作坊京兆尹郑（陕西渭南县东北）兰田县田左冯尹夏阳（陕西韩城县南）夏阳右扶风雍（陕西凤翔县南）漆（陕西邠县）陕西凤翔南古城遗址弘农郡宜阳（河南宜阳县）宜阳故城冶铁遗址宜灵宝函谷关冶铁遗址弘一新安孤灯冶铁遗址弘二渑池火车站冶铁遗址河东郡安邑（山西运城东北）皮氏（山西河津县）平阳（山西临汾西南）绛（山西侯马市西南）山西夏县禹王城冶铁遗址东三东二东二绛太原郡大陵（山西汾县东北）陵河内郡隆虑（河南林县）林县正阳地冶铁遗址鹤壁市故县冶铁遗址内一淇县付庄冶铁遗址温县西招贤冶铁遗址河南郡郑州古荥镇冶铁遗址河一洛阳（河南洛阳市）河二汝州市夏店冶铁遗址密（河南密县）汝州市范故城冶铁遗址巩义市铁生沟冶铁遗址河三颖川郡阳城（河南登封县告成乡）登封告城冶铁遗址川颖川郡阳城（河南登封县告成乡）登封告城冶铁遗址川登封铁炉沟冶铁遗址禹州市营里冶铁遗址汝南郡古西平东部(今西平县)西平县杨庄冶铁遗址西平县赵庄冶铁遗址西平县付庄冶铁遗址古西平西部(今舞钢市)舞钢市许沟冶铁遗址舞钢市沟头赵冶铁遗址舞钢市翟庄冶铁遗址舞钢市圪垱赵冶铁遗址舞钢市铁山庙铁矿址舞钢市尖山铁矿址确山县郎陵城冶铁遗址南阳郡宛（河南南阳市）南阳市北关瓦房庄冶铁遗址鲁山县北关望城岗冶铁遗址鲁山县马楼冶铁遗址南召县东南冶铁遗址阳一阳二方城县赵河冶铁遗址镇平县安国城冶铁遗址泌阳沁阳县冶铁遗址桐柏张畈冶铁遗址桐柏县王湾冶铁遗址桐柏县铁炉村冶铁遗址桐柏县毛集铁山庙冶铁遗址庐江郡皖（安徽安庆市）江山阳郡山阳二巨野二沛郡沛（江苏沛县东）魏郡武安（河北武安县西南）常山郡蒲吾（河北平山县东南）都乡（河北井陉县西）涿郡涿县（河北涿县）千乘郡千乘（山东博兴西）济南郡东平陵（山东济南市东）历城（山东济南市）山东东平陵故城遗址