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古人如何冶炼青铜?

发表于:2017-08-01 09:47 分享至:

试想一下。古人从无铜时代过渡到青铜时代的步骤。
前提:a.学会用火,会搭建石头和土坯火炉,学会使用木炭 b.已经使用火烧粘土制容器 c.出现了控制较大片区域和人口的政权,有一定的人力使用 d.区域内正好有天然的铜矿,为孔雀石和蓝铜矿,并伴有锡石。(这叫铜锡共生矿,经常还伴有银,天然铜。)
步骤:1.对天然铜的使用。天然铜往往出现在铜矿,数量很少。天然铜的使用早于冶炼铜,某个政权或许早已经习惯于收集天然铜,制造一些装饰物或者小容器。这个叫红铜时代或者铜石并用时代。红铜时代的人熟悉天然铜的性质,并能加工天然铜。
用陶器加热/融化天然铜,用石锤锻打是早期加工方式。因为那时候很难得到高温,要得到铜水是很难的,可以用加热后锻打的方式来加工小型容器,两块铜片烧红,并不需要完全的融化,也可以连接成一块铜。
2.孔雀石,蓝铜矿的颜色鲜艳,容易辨识。作为早期的颜料和装饰品应该早已被熟知。在偶然或有意的情况下,小块的铜矿落入火中,被还原出铜来,并被那时的人发现。偶然的情况可能是把木柴堆积在铜矿石上点火聚餐,或者用石头搭建火炉的时候正好使用了天然矿石。等到火熄之后,他们发现石头的一部分变成了天然铜。这种方法被有心人学会,逐渐发展成烧灼铜矿石来获取铜的采矿法。
带有通风口的木炭炉----其实就是一个粘土制成的圆筒,下面开一个孔。木炭可以通过烧木头得到。木炭的优点是它容易碎裂,在石器和天然铜并用的时代,将木头劈成小块来帮助燃烧是困难的。但先将其烧成木炭后,可以用石头砸碎。
将木炭填进炭炉,点火,上面放进破碎的矿石,点火燃烧,矿石被木炭还原得到铜。
这是现代人复制粘土炉和木炭炼铜。和当时的现实相比,他多了一个简陋鼓风机。古人可以使用兽皮或者大树叶扇风,或者干脆把炉子放到有自然风的山顶。

3.政权介入采铜和铜的制造,出现较大规模的炼铜地,开始使用铸造铜器。政权的介入,可以建造大型的冶铜炉,聚集众多的铜加工人员。我们现在看到的大型冶金遗址,应该都是政权介入的。
前面现代人的复制炉,高度只有半米,直径还要更小,铜水落到炉底变冷不会流出。
大型的冶炼炉内部炉温比小炉高很多,铜水温度更高,数量更多,因此铜水会流出,浇注也就会出现。
4.锡的发现和使用
虽然传世锡器的出现比青铜晚了很久,但不得不说,锡比铜更容易冶炼和加工。天然的锡石颜色灰黑,有光泽。前面所说的偶然发现天然铜,也可以同样的方式来发现锡。特别在铜锡共生矿的开采中,可能早已有人发现同样的冶铜方式能产生锡。锡软,在二百多度就能融化,在零下几十度的时候又会变成粉末。因此在实用上并不出色,不受重视。
传世锡器是铅锡合金,比青铜晚很多,但我们可以假设,锡早已经作为一种用处不大的东西被人提炼出来了。
至于如何把铜和锡放在一起变成青铜,是一个开放性的问题。
5.如何发现青铜
古人没有合金理论,最初的发现基本可以归于偶然甚至失误
有可能在冶炼铜矿石的时候错误的加入了锡矿石,然后炉内流出的就是青铜水。古人不太可能立即发现这东西熔点低,但凝结后比纯铜硬很多却是可以发现的。此后古人复制了这种冶炼方式,发现了青铜的冶炼,顺带浇注。
另一种设想是人类先独立的炼出铜和锡,在偶然的方式下发现把这两种金属混合熔化能形成更硬的金属。锡的用处不大,但容易熔化,毕竟也有一点用处。如果回炉熔铜工艺很早发明,又正好和熔锡的工场同处一处---可能因为失误而将锡水加入铜炉中,意外发现了青铜。

6.青铜的回炉
首先出现的应该是青铜器的锻打式热加工,在热加工的时候,发现青铜更容易熔化。甚至能放在陶器中被熔化成水,于是出现了回炉再炼。
青铜的熔点和纯铜相差不算多,一二百度的温度在古代可能只是换个大号炉子的难度,因此纯铜的回炉可能更早。但是,纯铜不是好的浇注材料,受热胀冷缩的影响,冷却后容易出现气孔,复杂形状甚至可能断裂。纯铜更适合锻打。而青铜是出色的浇注材料。它冷却后的体积和液态相比略有扩大,但相差很小,可以浇注出复杂的形状。
7.青铜时代铜器的发明顺序
首先是天然铜器,天然铜有延展性,适合做出较为复杂的形状,特别是长形的器物,这在一些场合会有奇效。石头和土,陶很难做成细长的形状,而树枝又不耐火。因为缺乏加工工具---早期的铜器,绝非我们现在看到堪称精美的工艺品,可能只是曲里拐弯的一根长条,遍布毛刺。但是,它比 树枝耐烧,所以它可以首先用来烧烤,并且因为延展性,可以制造成为原始的金属容器和隔离器。
刃和尖,可以通过磨制工艺来达到。铜的延展性,可以比较容易的制造出带刃和带尖的工具。这可以用来做武器,或者原始的刀,因为硬度相当差,这种原始工具可能更多用于精细场合而不是暴力场合。比如用一块铜片挑出骨头里的骨髓,或者在泥土陶坯上绘制出精细的花纹。如果用铜刀去砍树,估计效果还不如用力掰断。
就在铜矿冶炼和原始政权出现之后,出现了专门工匠,铜器的水准大大提高,这时候仍然主要使用锻打铜器。浇注只用来塑造大致形状。更精确的造型使用磨制。然而,没有青铜,这时候的铜制品仍然称不上工艺品等级。这和现代不同,现代我们可以使用冲压制造精美铜器,这依赖于硬金属加工,但在铜石并用时代,我们没有比铜更硬又能制造的很精细的工具。而铜又不是好的浇注材料。我们可以用铜水浇注出简单的铜锤,无非就是一个方形的铜块,甚至可以浇注出它的铜把手。但如果我们试图浇注成一个哑铃形状,因为铜的收缩,这个哑铃的中间连接部分有很大几率断裂开来,结果得到的不是一个哑铃,而是两把短柄锤。复杂形状的铜器无法用纯铜浇注,限制了铜器的发展。
青铜出现之后,浇注成为重要的加工方式,可以塑造成复杂的形状,铜器才成为艺术品。加上青铜的硬度高,用处多了很多。首先可以浇注成结实的锤子,刀具,锥子等。用铜浇注成的这些东西很不耐用,只能用在精细场合,而青铜工具可以用在暴力场合----用青铜刀来砍木头是可行了,用青铜剑来砍人也是有效的了。
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现在,我们假设某人穿越回新石器时代,并且忽悠了几十个上百个原始人做小弟,穿越者恰好知道青铜的全套知识,穿越地恰好有容易开采的铜锡伴生矿,如何快速进入青铜时代。
让原始人小弟去采集铜矿石和锡矿石,铜矿石是蓝色的容易分辨,锡矿石有金属光泽也不难。

蓝色是蓝铜矿,绿色是孔雀石,成分就是蓝铜矿的水合物。最下面的是锡石。
把铜矿石和锡矿石砸成碎块,用石头来砸就行。
建造粘土炉两个,一炼铜一炼锡,下面带风口的。
收集树枝,烧成木炭。烧炭也是个技术活,需要及时隔绝空气不然就成灰了。需要建特殊的炉窑,建议在一个天然台阶形状的地方建立炭窑,也就是用粘土堆一个上面有小口,下面有风口的炉窑,上面的口和天然台阶的上层接近。在上台阶上准备足量的沙土用来封口。下面的台阶也准备沙土用来封风口。在石器时代你没有铁锹可用,所以要堆好位置。
把干树枝掰断了,放进炉窑中,填个半满,从下面风口点火烧,上面口会冒白烟,是水蒸气。等不冒白烟了就用沙土封住上下口。树枝会在里面被高温加热变成木炭。过几天甚至更长,炉窑冷却后拆开---注意一点,里面有一氧化碳,所以要屏住呼吸,轮换操作防止中毒。可以用树枝给炉窑扒开口,等一段时间一氧化碳散尽,再拆开炭窑,里面的就是木炭,再用石头砸成小块即可。
将木炭放进冶炼炉,上面放矿石,点火。设法往风道里送风提高炉温。然后铜炉里会出来铜块,锡炉会出来锡块。推倒,拆掉炉子就能得到。然而,这出来的金属块是炉渣样的东西,因为和木炭,灰烬甚至泥土混合了。
锡因为熔点低,容易提纯。简单的办法,用陶罐装锡,在火炉上加热,用不了多久锡就会融化成锡液,可以浇注,模具用陶器。实际的设备当然要精巧些,因为你没有金属夹子,又不能手抓几百度的陶罐。制造一个下面带流出口,能部分晃荡的陶罐是可行的。在锡熔化后,用木棍将陶罐倾侧,锡液体便会流出。不过和纯铜一样,浇注出来的东西粗糙,而且也软(想想焊锡丝有多软),实际用处不大。
铜的熔点高,所以熔化起来就困难多了。虽然炼铜炉内部温度足以让铜化为液体,但炉口温度却远低于这个温度,甚至低于青铜的熔点。
这时候我们需要什么?大型的炉子,以便将可倾侧的陶罐放进其中灼烧。在炉口温度是不够的。为了提高炉温,还需要鼓风。如果炉子造的好,可以产生烟囱效应,甚至不用鼓风也可以产生够高的温度。把一个带粘土流出口的陶罐放进炉的中部,可以用土台保持它的高度,这个出口要够长,可以一直伸到炉外。把前面的粗糙铜块放进去,点火,铜熔化后就会流出,进入你放好的模具,和锡一样,铸造的东西也很粗糙,软。
青铜怎么做?用上面熔铜的设备把过程再做一遍,放进去的是提纯后的铜和提纯后的锡。这次流出的就是相当纯的青铜液,可以用来铸造了。在倾侧坩埚前,需要一定的时间来让锡和铜混合充分。
青铜液首先可以用来铸造长形的铜棍,铜钩。在前面的例子中,我们难以将坩埚从炉中取出而采用倾侧式,是因为我们没有工具将其拿出。我们可以给坩埚制作耳,但坩埚已经加热到和融化青铜差不多的温度,石器无法做得够长,木头会被轻易烧毁。但现在有了青铜棍,青铜勾,就可以快速的将坩埚取出。
顺便,还可以制造锤,刀,锥子等工具。锯是一种古代神器,及早铸造。至于各种精美器物,需要工匠积累经验慢慢来,就拖后了。

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