绚丽多彩的有色金属融盐冶铸工艺

发布者: [发表时间]:2022-06-13 [来源]: [浏览次数]:

概述

中国古代文明史通常划分为四个时代:旧石器时代,新石器时代,青铜时代和铁器时代。此种划分是按照古代使用的生产工具或表征文化水平的制品而定。

虽然古代劳动者自己写的著作甚少,但是有几位杰出的史学家、药物学家和科学家,例如,汉代的司马迁,宋代的沈括,明代的李时珍和宋应星,还有许多佚名的作家,对于中国古代有色金属冶铸中融盐的应用作了记载、而现代的考古学家在发掘古代冶铸遗址、遗物和出土文物方面,做了很大贡献,写出许多专著和文章。阅读和整理这些资料,有助于了解中国古代融盐的起源。

古史以黄帝为冶铜的创始者。以冶铜著称者还有祝融、古代又以祝融为火神,位居南岳。中文“融盐”一词即取名于此,“融”字包含熔化和融合两层意义,日文则取名为“融溶盐”,英文名为“moltensalt”或“fusedsalt”。

按照现代的概念,融盐包括各种由阳离子和阴离子组成的熔融状态化合物,构成炉渣、熔锍、熔剂、釉料,电解质、热处理介质、载热体、反应堆等。其应用场合包括金属冶炼和热处理,陶瓷制品生产,以及核燃料反应堆运转等。

中国古代铜及青铜冶铸中融盐的应用

自从1972年以来,发掘了我国古代的一个重要冶铜遗址。它位于湖北省大冶市的铜绿山。此遗址起源于春秋时期,经C-14同位素测定,其年代为公元前770—475年。占地面积2km2。在古矿井附近发现了残存的冶铜竖炉以及铜矿石、铁矿石和木炭。铜矿石含有孔雀石20%—50%,是冶铜的原料。铁矿石是用来配制炉渣的,木炭则是冶炼过程中所需的还原剂和燃料。在冶铜遗址中有大量的铜渣,约四十万吨。铜渣呈黑色,薄片状,表面光滑或者有波纹,其断口呈致密的玻璃状。我国考古工作者所做的100多个化学分析结果表明:铜渣中CaO/(SiO2+FeO)的摩尔比为1.0~1.3,渣中Cu含量为0.4~1.3%(平均为0.7%)。经测定,此种铜渣的熔点为1100—1200℃,密度为3.5~4.0g/cm3。在1200°C下粘度为0.2p.s。此种冶铜炉采用人力鼓风,能够达到高温,因而铜渣具有良好的流动性,采掘到的铜饼中含Cu约94%,Fe<5.4%。

当时冶炼出的铜用于配制青铜合金铸件。《吕氏春秋·别类篇》记载,“金柔锡柔,合二柔以为刚。”《荀子·疆国篇》提出,“刑范正,金锡美,工冶巧,火齐得”为获得优质铸件的四大工艺要素。这些精辟的论述,无疑是通过长期的生产实践而取得的规律性认识。

根据残存的冶炉渣和铸造渣的分析测定,在殷商朝代的青铜冶铸技术中,已经用铁矿石作为炼铜的熔剂以造渣,用硝石(KNO3)和草木灰(含有碱金属氧化物)作为青铜熔铸时的覆盖熔剂。

河南安阳殷墟出土的铸造作坊遗址约一万m2,发掘了铜渣和坩埚残体。铜渣呈绿色,它是在熔化青铜时加入木炭和硝石而形成的。木炭在青铜液面上氧化时产生一种保护性气氛,而硝石在高温下熔化时形成一层融盐,覆盖在合金液表面上,二者均可减少合金的氧化损失。硝石又能与木炭燃烧后的灰份以及金属氧化物构成渣,飘浮在合金表面上,易于扒掉,使合金得到精炼。木炭燃烧时产生的热量,可以提高合金的温度和流动性。硝石的应用、可从坩埚内壁上受到侵蚀的痕迹以及粘附的炉渣得到证明。

中国古代以钟和鼎作为王侯爵位尊严的象征,钟鸣鼎食显示王侯之家的豪华和富有。1939年在河南安阳的殷墟西北岗武宫村出土了举世闻名的司母戊鼎。它通高133cm,长116cm,宽79cm,重875kg。它的合金成分为Cu84.77%,Sn11.84%,Pb2.76%。它是由若干铸件拼接而成,采取铸接法。外表面有精美的花纹和雕镂,内壁上有铸铭,文日司母戊。

湖北随县出土的隋代曾侯乙墓中的青铜编钟系列,共有65只钟,分三行排列,总重量达2500kg,制造于战国初期。它的合金组成是Cu81-86%,Sn13-16%,Pb1-3%。在全国出土的数十组青铜编钟中,该系列的数量最多,重量最大,音律最完备,音调最和谐动听,被称誉为中华民族古文化的象征。

中国古代砷及其合金冶炼中融盐的应用

晋朝葛洪(约公元前281—361年)在所著《抱朴子·仙药》一书中记载了用硝石制造单质砷的方法:

“雄黄先以硝石(熔)化为水,或以玄胴肠裹蒸之于赤土下,或以松脂和之,或以三物炼之,引之如布如白冰。”硝石是一种氧化剂,它熔化后与雄黄(硫化砷)起反应,生成氧化砷;松脂为高碳化合物,在高温下还原氧化砷为砷。

南北朝(公元420年至580年)陶弘景记载了硝石在加热时熔化,以及在火上发出特有的焰色。

隋末唐初孙思邈在所著《太清丹经要谈》中记载了制炼砷锡合金的方法。用十两雄黄,研细。加锡三两,在炉上熔合。捣碎后在坩埚中加热,放入氧化剂硝石和还原剂木炭或松香,得砷锡合金、其作用原理同制造单质砷。

北宋何远在所著《春渚纪闻》中记载了制造砷铜合金的方法。用砷白(As2O3)同枣肉混合,制成球团。当铜熔化后,投入此球团,并加入硝石以造渣。枣肉在高温下焦化,所成的炭就把As2O3还原成砷,砷与铜构成合金砷青铜,硝石在高温下熔化,形成一层融盐覆盖在合金表面上作保护层,并捕集渣滓。

我国单质砷的制造要比西方文献所载德国人马格纳斯在公元1250年发明一事至少早900年,而且还制造了砷锡和砷铜合金。

李时珍的《本草纲目》

明朝李时珍在所著的《本草纲目》一书中描述了硝石的来源、性质和用途。当时硝石又名消石、朴消。他写道:

“硝石,味苦寒,无毒。主治五脏积热,胃胀闭,除去蓄结饮食,推陈致新,除邪气,治赤眼,头痛,牙痛。”

“消石,丹炉家用制五金八石,银工家用化金银,兵家用作烽燧火药,得火即焰起,故有诸名”。

“朴硝味苦而微咸,出蜀郡者莹白如冰雪,内地者小黑,皆苏脆易碎,风吹之者结霜,泯之如粉,熬之烊沸,亦可熔铸。…”

李时珍的《本草纲目》不仅记载硝石用作药物,又记载了硝石在高温下熔化成融盐,可用来炼制金属和合金,又可作金银熔化时的熔剂。

硼砂的应用

中国古代大约在2000年前,发现并应用了硼砂,称之为西月石。外科医生用它作为防腐剂,而金匠用它作熔剂,而铁矿石用作炼铜炉的制渣剂。