第八次课-冶金考古

第八次课冶金考古吉林大学边疆考古中心蔡大伟主要内容一、什么是冶金技术二、冶金考古研究内容三、古代采矿遗址和冶铸遗址研究四、铜和青铜的物理性质五、中国青铜冶炼技术的起源与发展六、青铜器制作工艺——范铸法和失蜡法七、青铜制品科学分析八、中国钢铁技术一、什么是冶金技术冶金技术就是从矿石中提取金属和金属化合物，然后用各种方法制成具有一定性能的金属材料的技术。冶金是从新石器时代晚期的采石和烧陶技术发展起来的。由于人们已经能利用近千度高温的陶窑烧制陶器，同时也对木炭的性能逐渐熟悉，因此具备了熔铸、锻打和冶金的基本条件。采石时不断发现各种金属矿石﹐烧陶窑为金属的冶铸准备了高温炉和在炉内还原条件下冶炼矿石的技术。英国考古学家戈登·柴尔德（Childe,VereGordon，1892～1957）1932年在他的著作《ManMakeshimself》一书中指出“青铜冶炼技术是早期文明起源的主要因素之一”先后提出“新石器革命”（食物生产的革命）和“城市革命”概念，为日后农耕、家畜饲养和文明起源问题的研究奠定理论基础。被公认为20世纪前期最有成就的史前考古学家。中科院资深院士、中国金属物理奠基人柯俊认为“始于春秋早、中期的铸铁和随后出现于春秋战国之交的铸铁脱碳技术应该是中国的第五大发明，铁质农具、兵器和车马器造就了中国在汉代时成为东亚的超级经济和军事强国，而且这种强国地位延续了1000多年”。二、冶金考古研究内容冶金技术包括找矿、开采、选矿、冶炼、铸造、锻造、热处理、焊、铆到表面处理等一系列的过程。古人使用的金属主要是铜、锡、铅、铁、金、银和汞，稍晚还冶炼锌。在长期的生产实践中，我国古代劳动人民总结出了一套完整的采矿、冶炼、制范、铸造技术；认识了青铜合金的性能；能根据不同的需要，采用不同的原料配比制成各类青铜器，包括礼器、兵器、乐器、生产工具和生活用品，创造了光辉灿烂的青铜文化，为古代生产力的发展、文化艺术的提高和进入铁器时代铺平了道路。冶金考古的内容一、古代采矿遗址和冶炼铸造遗址考察发掘。二、出土金属器物的分析和研究—科技研究制作工艺——范铸、失蜡法化学组成——铅锌锡铜比例金相分析——铸造、锻造、退火、淬火形成显微结构—加工方式物相（矿项）分析——锈蚀机理同位素分析——铜、铅矿料来源—产地溯源14C测年——青铜器、铁器中的含碳物质三、古代采矿遗址和冶铸遗址研究中国的铜矿资源丰富，是世界上铜矿较多的国家之一。已探明矿区910处，总保有储量铜6243万吨，居世界第7位。除天津、香港外，全国各省(市、区)皆有产出。主要分布在长江中下游有关省区（安徽、湖北、江西）以及四川、云南、山西、甘肃等地。以浅层矿和露层矿为主，且在地面又有极少量的自然铜，所以比较容易被冶炼和应用。鞍山本溪辽宁迁安武安河北马鞍山安微大冶湖北白云鄂博内蒙古镜铁山甘肃攀枝花四川石碌海南我国铁矿资源的分布全国已探明的铁矿区有1834处。铁的储量比铜矿丰富，但地面没有自然纯铁，且铁的熔点比铜高，人类冶炼铁器的时代较晚。青铜器时代主要采冶区1滇东北一滇中采冶区——滇东北永善金沙厂和牛栏江边(千余个古采矿洞)。滇中抚仙湖地区2西域采冶区——甘肃黑河流域己发现了许多新石器至商早期青铜器的采冶遗址。3长江中下游采冶区——以铜陵、铜录山为中心的长江中下游青铜制作采冶区开始于晚商至春秋。4内蒙大井采冶区1.采矿遗址江西瑞昌铜矿遗址商代竖井支护复原示意图江西瑞昌铜矿遗址出土木滑车复原与使用示意图2.冶炼遗址距今约3600年的河南偃师二里头早商遗址，出土有陶范、化铜炉残壁和铜渣。安阳殷墟在今苗圃北地和孝民屯都发现有较大规模的铸铜作坊遗址,面积在1万平方米以上，残留有1.2米长的大陶范。湖北盘龙城商代遗址出土各种熔炉多座，江西清江吴城商代遗址出土石范,说明在商代，不仅黄河两岸而且长江两岸青铜冶铸业也有较大发展。湖北铜绿山古铜矿遗址位于湖北大冶西北，面积2平方千米。铜绿山古矿冶遗址是中国商朝早期至汉朝的采铜和冶铜遗址，最新考古发现铜绿山的开采时间可追溯到夏朝早期。在湖北铜绿山发现的春秋战国时期的古矿遗址，至今仍堆积着40多万吨古代青铜炼渣，地面下古矿井分布密集。湖北黄石铜绿山春秋冶铜遗址6号炼炉复原示意图郑州古荥镇1965年、1975年两次发掘，发现两座大型炼铁高炉遗址，大积铁多块，其中最重者达二十多吨，烘窑十余座和大量泥范、铁器、铁渣、鼓风管、矿石等。C+O2=（点燃）=CO2CO2+C=(高温)=2CO3CO+Fe2O3=(高温)=2Fe+3CO2竖式炼铁炉古荥冶铁遗址反映了我国汉代冶金技术已达到最高的黑金属冶铸技术水平。现代高炉炼铁技术钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖炉炼铁发展、改进而成的。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出（液态冶炼）。铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。这种方法生产的铁仍占世界铁总产量的95%以上3.铸造遗址郑州商代前期都城周围的作坊遗址，南关外铸铜遗址面积就有1000平方米以上，出土大量陶范、大块炼渣、熔铜炉壁。中国冶炼技术的特点在早期的文明国度和地区中，中国使用铜、铁等金属的年代相对说来是较晚的。但是，由于中国在冶铸技术方面的发明和创新，使中国的冶金业很快就后来居上，跃升于世界的前列，并为中国古代文明的高度发达奠定了坚实的物质基础。中国冶铜技术特点中国多为单生矿和多品位铜矿，即锌铜的黄铜、铅铜与锡铜的青铜、单生矿的红铜共同起源。掌握了先进的古代铸造技术“液态冶炼、液态铸造成型”。铸造工艺有范铸法、分铸法、镶铸法、失蜡法等；制范材料有石范、泥范、陶范、铁范；铸造型范结构有单面范、双面范、复合范、叠铸范等。总结了最早的青铜合金配比和性能、用途关系的规律。中国冶铁技术特点能够制造1200度以上的高温炉，从而可以进行高温下的精练。发明了向炼炉输送连续充足空气的装置――风箱，从而实现了高温下的冶炼。不使用木炭，而是把煤作为炼铁的燃料，这样能很容易的得到高温冶炼的效果。西汉时期钢铁技术最重大的成就是“炒钢”的发明。晋朝又发明了“灌钢法”，这是中国古代炼钢技术的又一重大成就。四、铜和青铜的物理性质铜在自然界可以纯铜（又称自然铜和红铜、紫铜、赤铜）的形式存在。早期，古人主要使用的自然铜，并且多数是小的纯铜件。纯铜硬度低，机械性能不佳。黄铜黄铜是由铜和锌所组成的合金。黄铜常被用于制造阀门、水管、空调内外机连接管和散热器等。距今5000年前的山东城子崖遗址开始冶炼黄铜，到明代开始大规模冶炼。白铜白铜是由铜和镍所组成的合金。东晋时期我国云南就生产白铜，色泽如银。唐宋时期开始出口西亚，17世纪出口欧洲，称为“中国银”。18世纪德国海宁格尔兄弟使用现代科技仿制，生产大量餐具和饰品，命名“德银”。南宋青铜铜的熔点高达1084℃，不易冶炼。加入锡后熔点低，硬度高、抗拉强度高，因此，在各古代文明发源地，红铜技术迅速被青铜技术所替代。含18%锡的青铜熔点为900℃，机械性能明显改善。青铜分类锡青铜（铜锡合金，铅2%）——Cu-Sn铅青铜（铜铅为主，锡2%）——Cu-Pb锡铅三元青铜（锡铅2%，而且锡含量高于铅含量）——Cu-Sn-Pb青铜器与铅中毒用青铜器贮藏酒类，会生成醋酸铅，而醋酸铅有甜酸味道，可以增加酒类的风味，人越是贪图这种美味，中毒越深。在世界冶金史上关于铜的冶炼一般都经过了从红铜——砷铜——青铜三个阶段。从世界范围内来说，人类最早使用的铜是自然铜，在伊拉克的柞威-彻米发发现了公元前一万至公元前九千年的自然铜做的装饰品。在公元前第五“千纪”（BC5000年），首先在西亚地区—安纳托利亚出现了铸铜技术。在BC4000年前后，在近东和巴尔干地区形成两个金属冶炼中心。五、中国青铜冶炼技术的起源与发展李水城先生详细的总结了中国早期铜器冶金的材料，并做了大量的研究，最后他把中国分为三大冶金区。一是新疆地区，以哈密天山北路墓地为代表。二是甘青地区，以齐家文化和四坝文化为代表。三是中原地区，以龙山—二里头文化为代表。李水城.西北与中原早期冶铜业的区域特征及交互作用.《考古学报》2005年03期。新疆地区新疆地区以东疆哈密地区的天山北路墓地为最早的青铜文化，年代上限为公元前2000年。铜器以锡青铜为主，占总量的69%，砷铜普遍存在含砷量在2%--6%，与欧亚草原地区的铜器的含砷量有很大一致性。天山北路墓地的金属冶炼已进入比较成熟的加工阶段，与新疆西北部所见安德罗诺沃类型铜器的制作工艺水平颇为相近。对这一地区的金属冶炼起源研究有待于更早考古发掘材料。甘青地区其地理范围主要包括甘肃省兰州附近及其以西地区、河西走廊、青海省东部地区，都发现有早期铜器。在甘肃属马家窑文化的东林乡遗址（BC2900-2740年）出土了锡青铜刀（含锡6-10%）是目前我国发现的最早的青铜制品，金相分析为铸造制品，刃部有冷锻的痕迹。同时还出土了一小块“碎铜渣”。甘肃永登蒋家坪马厂文化遗址（BC2300-2000年的发现两件红铜器和一件锡青铜刀。在齐家文化的六个遗址发现45件铜制品。分析了其中的24件，20红铜、4件青铜（锡青铜、铅青铜、锡铅青铜），而这4件青铜器是齐家文化晚期的皇娘娘台遗址。大概经历了从红铜到青铜的冶炼阶段。。齐家文化及出土器物四坝文化及出土器物在偏晚的四坝文化，出土几百件铜器，红铜制品数量很少，主要是砷青铜和锡青铜。而且早期以砷青铜为主，晚期以锡青铜为主。中原地区——中国冶金之源？我国中原地区迄今发现的最早的铜制品是陕西临潼姜寨（4700-4000BC）和渭南半坡遗址仰韶文化晚期地层（4700-3600BC）中出土的铜片和铜——黄铜（与西亚冶炼金属的年代相近——红铜和砷铜），稍晚一些的遗址还有：陕西渭南北刘遗址出土的黄铜笄（3900-3000BC）。随后在龙山文化（BC3000-BC1900年）的多个遗址，有零星的小件铜器出土，其材质有红铜、砷铜和黄铜（山东东阿县三里河遗址黄铜锥（2300-1800BC）。梅建军（2007）口头报道，在陕西西北的龙山文化地层中出土一件北方式的青铜刀（Sn=9.9%，Pb=1.3%）。——青铜从出土地点上看，早期黄铜器要集中在黄河流域，从传播过程看这些黄铜器似乎是从黄河中游地区逐渐到黄河下游地区。——推测为热锻法或固体还原法（与西亚相同，但是冶炼金属不同——红铜和砷铜。早期黄铜冶炼工艺推断模拟实验1）渗合工艺——将锌矿、木炭与自然铜（或人工冶炼铜）混合，与较低温度下（800度左右）加热，是游离出来的锌缓慢扩散至铜中，形成低锌黄铜。——800-900度无法获得均匀黄铜，950以上熔融黄铜。2）将铜锌共生矿或孔雀石（铜矿Cu2CO3(OH)2）与炉甘石（锌矿Zn5(CO3)2(OH)6）混合后，于铜的熔点（950-1000）炼得，在经过重熔，在单面范中浇筑。3）将铜锌共生矿（或孔雀石与炉甘石的混合矿）经热锻或固体还原工艺获得。——800-900经固体还原工艺（加木炭）可获得块状黄铜。，950以上熔融黄铜。结论——中国冶金技术独立起源选择同步辐射微束X射线荧光技术，对对模拟试验获得的熔融黄铜、块状黄铜和姜寨黄铜片进行无损分析对比，推断——姜寨黄铜片的冶炼工艺。——非熔融黄铜，而是固体还原工艺炼得——块状黄铜（铜锌元素分布规律与姜寨相似，冶炼温度900度。冶金技术从使用天然金属——利用固体还原技术，获得最早的人工冶炼金属。中原地区——陶寺陶寺遗址（BC2500-1900年）位于襄汾县陶寺镇，面积300余万平方米，是我国一处重要的龙山时代晚期遗址，出土了一个铜铃。最古老的文字天文台遗址二里头—中原青铜文化的初始期河南省偃师市二里头村位于伊、