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红铜的密度(夏商周青铜器的冶炼和铸造(二) 铜锡铅的冶炼)

红铜的密度
上期说到铜的开采。可能有读者质疑当时的生产力。首先有必要说明的是,无论是开采、冶炼或是铸造,整个矿业的发展很大程度上依靠当时的奴隶社会制度。换句话说,最早的这些“矿工”或是“技师”的身份大多是奴隶,地位是很低的。虽然和原始的部族社会制度相比,奴隶制破坏了平等与公有的关系,但也吸纳了更多劳动力,扩大了生产规模和社会分工,加上相对严格的阶级制度,其生产力是现在很难想象的。如埃及金字塔这样的工程,非奴隶制不能及。
言过正传,这期继续谈一谈青铜中几种金属的冶炼。由于铜的冶炼难度较大,我们重点会在这里讨论。众所周知,古中国文明不是第一个掌握金属冶炼的文明,但却是金属冶炼技术发展最快也是成就最高的文明,对铜和铁的冶炼技术一直领先世界一千多年,一直到工业革命才被逐渐赶超。其中的原因,很有可能是由于在陶器时代积累的丰富经验,古人通过烧制陶器,逐渐掌握了高温技术、基本的陶窑结构和筑窑耐火材料,并且懂得用木炭同时充当燃料和还原剂的作用,控制窑内气氛为还原性。作为第一次对金属的尝试,在铜冶炼工艺中很多方面就源自陶器烧制,而铜冶炼的成熟也直接推动了铁冶炼的发展,这种一脉相承是很明显的。
虽然铜矿石的种类繁多,各地也不尽相同,但就冶炼来说,基本的原理无非就是高温还原成铜单质,再液化重新铸成纯铜锭,所以冶炼的重点在于还原和高温。具体地说,还原就是保持体系内木炭的量充足,高温就相对困难,要求能够使铜还原并融化,这个温度大约在1100度左右。
为了达到高温的要求,古人做了许多尝试。早期的铜冶炼中,使用坩埚炉来进行反应。在郑州二里岗文化(夏)和安阳殷墟(商)都有发现类似的坩埚,称为“大口尊”或“将军盔”,这种坩埚最初由红陶或黑陶烧制,后演变成由铜质的容器为胎,外部敷上草拌泥,将铜矿石和木炭放入其中,点燃并鼓风,就可以进行冶炼。这种坩埚或大或小,高30厘米左右,直径30厘米至80厘米不等,一次约能熔铜10公斤左右。它的出现降低了熔铜的难度,但由于不能连续操作,必须“一锅一锅“冶炼,生产效率十分有限。

直到发现湖北大冶铜绿山遗址,发掘出了冶炼区中的数座春秋炼铜竖炉残迹,以及炉壁、粗铜、矿石、炉渣、木炭、耐火材料和铜锭等,才出现了另一种不同的冶炼方式。由于遗址残缺不全,而且炉基在地表以下,这种竖炉曾一度无法复原,随着对中外文献的比读和对勘察的深入,如今有了比较准确的还原。竖炉由炉身、炉缸和炉基组成,高2米以上,外形和今天的炼铁高炉很像似,工艺也多有类似,可见其对炼铁工艺的影响深远。其中有几处设计别出匠心,非常前卫。
风沟:这一术语常见于介绍土法炼铜的著作,系来自民间工匠,有时又 称为“火沟”。它是 炉缸底下设置的通风沟道,防止炉缸因受潮冻结,常用的有一字形和十字形两种。有时在 沟中架火烘烤,以加强防潮作用,故有“火沟”之称 。同时,在风沟中烘烤也能使炉缸保持较高温度,即便在供气不足等情况下温度下降,也不会使反应停止,防止炉内铜液冻结。铜绿山发现的风沟已经发展到相当完整和趋于定型的程度,显然这不可能真的是工匠的”异想天开“,应该是有一定的实践经验为基础,并不断改进的结果,而目前没有发现更早的炼铜竖炉,可能将来会有考古发现弥补这一空白。
风口:由于温度的要求,自然通风在铜的冶炼中不复可能,需要人力鼓风。汉代有画像石描绘的炼铁工艺中,采用了类似鼓风皮囊的形象,推测铜绿山铜冶炼可能也是此制式,或许更原始一些。问题在于多数炉缸已经损坏,不可知道是一侧鼓风还是两侧鼓风。对汉代炼铁来说,那钟高炉容积很大,炉缸会在两侧开两个风口,但以铜绿山的竖炉容积看,单侧鼓风提供的风量也是足够的。不过为了使炉料均匀接触气体,并增加反应速度,双侧鼓风应当是合理的。
金门:排出铜液和铜渣的小孔,冶炼时先出铜液,后出铜渣,因为铜渣的密度比铜液小。金门的设计使得竖炉得以区分坩埚,它可以连续加料,间断出铜液和铜渣,生产效率大大提高。值得注意的是,金门比炉底要高一些,所以会有一些铜液不能从金门排出,在考古发现中,确实有炉底发现滞留的积铜。从金门排出后,铜液注入陶瓷模具,铸成形状相对统一的圆形铜锭,这样便于验收和运送。
竖炉的产生,使得大规模铸造青铜器成为可能,据估计,仅从铜绿山炼制的红铜就有四万吨左右。从更长远的意义上来说,这也促进了冶铁的发展,并对铁器时代的到来提供了基础。
至于锡和铅,由于这两种金属的熔点很低(232度和328度),所以冶炼的难度都不大,恐怕也因此和炼丹术关系颇深。在炼锡的时候,往往会加少量的铅,增加金属液的流动性,青铜中加入铅也有这种作用。要强调的是,铸造青铜所需的这几种金属,大多数情况下是分地开采,分地冶炼的,最终铸造到一起,其中所需的物资交换、交通运输等因素,无不体现原始部落亦或是奴隶制度的社会分工。得到三种金属后,如何结合则是更加现实的问题,其中的技巧和组成配比只能通过不断地尝试和摸索。下一期将带来青铜合金诞生的故事。
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