第2章 材料类发明(2)

中国进入青铜时代相对西亚、南亚及北非而言到来较晚，但很快发展到相当高的水平。在距今4500－4000年前的龙山时代为形成期（龙山文化处于中国新石器时代晚期，是铜石并用的时代）。鼎盛期即中国青铜器时代，包括夏、商、西周、春秋及战国早期，形成了一套高水平的采铜、冶铸技术体系。

3.生铁冶炼

奇迹概览

在人类历史上有很多原材料发挥过重要的决定性作用，而在这其中，铁应该居首位。无论在世界哪个地区，冶铁技术的发明都是划时代的重大事件。最早的生铁冶炼技术出现在我国的春秋中期（约公元前6世纪），比欧洲掌握这项技术早了2000多年的时间。中国冶铁技术的发达程度在世界冶炼史上处于绝对领先的地位。生铁冶炼技术的出现，对封建社会的作用可以与蒸汽机对资本主义社会的作用相媲美。铁的发现和大规模使用，是人类发展史上一个光辉的里程碑，它把人类从石器时代、铜器时代带到了铁器时代，推动了人类文明的发展。

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1.世界上最早的铁器是在哪里出现的？

1973年，在我国河北省藁城台西村商代中期（公元前13世纪中期）遗址出土了一件商代铁刃铜钺，表明中国的劳动人民早在3300多年前就认识了铁，熟悉了铁的锻造性能，识别出铁与青铜在性质上的差别。通过把铁铸在铜兵器的刃部，以加强铜的坚韧程度。而经科学鉴定，证明铁刃是用陨铁锻成的。

世界上最早的铁器属于我国春秋时代，江苏六合县春秋墓出土的铁条、铁丸，以及河南洛阳战国早期灰坑出土的铁锛，都是迄今为止我国最早的生铁工具。战国中期以后，出土的铁器遍及当时的七国（秦、楚、燕、韩、赵、魏、齐），被广泛应用到社会生产和生活的各个方面，在农业、手工业部门中已占居主要地位。楚、燕等地区的军队，装备基本上也以铁制武器为主。战国时期的铁器还经由朝鲜传入日本。西汉时期，应用铁器的地域更为辽阔，器类、数量显著增加，质量又有提高。东汉时期铁器最终取代了青铜器。

我国古代劳动人民制造出来的铁器也是世界闻名。河北沧州的铁狮，建于五代时期，距今已有1000多年的历史。而位于河南开封的北宋开封铁塔，更是有“天下第一塔”的美称。

走近奇迹

中国是最早发现和掌握炼铁技术的国家。在我国，最早的人工冶炼的铁是在春秋战国之交时期出现的。可见，从很早的时候开始，制铁技术就已经在我国流行开来。遗憾的是，中国最早开始使用铁器的年代目前还没有确定。

生铁冶炼采用的是“高温固态还原法”，是使它的炉温达到1150℃-1300℃，在这种炉温下，通过被还原生成的固态铁吸收碳，降低其熔点，从而得到液态的生铁，液态生铁可以直接浇铸成器。

在古代，世界上冶炼生铁的技术由于炼铁炉容积的限制，鼓风力弱而只能炼出海绵状的块状铁。而从春秋晚期开始，中国在炼铁技术上开始有了自己的发展，并迅速走在了世界的前列。当时，竖式炼炉开始成为生铁冶炼的主要设备。为了改善生铁的性能，中国在战国早期还发明了生铁柔化技术，从而得到高强度可锻铸的铁。特别是到了汉代，由国家专门设立的冶铁作坊，其冶铁的技艺一天比一天精进，使生铁得到了大量的生产。冶铁技术在我国秦汉时期得到了进一步的发展。高炉炼铁已成为一种经济而有效的炼铁方法。而且在汉代还出现了球墨铸铁。待到了宋代，人们更是发明出了水力鼓风机，使得冶铁高炉的鼓风设备达到世界先进，为生铁的大规模生产提供了强有力的动力。

到了13世纪，铸铁术开始传入西欧。但直到17世纪欧洲才开始大规模地制造和使用铸铁。最初，欧洲的铸铁被用于制造大炮的炮弹，后来才开始被用来制作墓板和炉壁。到了1709年，英国人亚伯拉罕·达比通过将焦炭引入炼铁技术，冶炼出了硬度较高的“达比铁”，使铁的硬度比早期更为坚韧。后来，法国人又冶炼出了一种延展性很强的铸铁，因其耐热的性能而被用于固定砖石墙和支撑烟囱，再后来，铁也被广泛应用于铁轨的铺设和摩天大楼的构建。

在古代世界各项技术尚不发达的时代，冶铁业的发展无疑是生产力进步的明显标志，它有力地推动着社会的变革和进步，为社会的发展和人类生活的改善做出了巨大的贡献。

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2.我国古代的炼铁方法都有哪些？

我国古代，生铁的出现是因为中国烧陶窑和冶铜炉炉温较高，具备了高温冶铁的条件。铁矿石在温度较高的炼铁炉中高温还原并渗碳，得到含碳达到3%-4%的液态生铁。而我国古代的炼铁方法是块炼铁，冶炼块炼铁一般采用地炉、平地筑炉和竖炉3种。在掌握块炼铁技术后不久，我国劳动人民就炼出了含碳2%以上的液态生铁，并用以铸成工具。战国初期，我国已掌握了脱碳、热处理技术方法，发明了韧性铸铁。战国后期，又发明了可重复使用的“铁范”（用铁制成的铸造金属器物的空腹器）。战国时已用叠铸方法（古代一种金属铸造技术，是将许多范片层层叠合起来进行浇铸，可以一次铸出多个铸件）生产铜钱，汉代以后，叠铸方法进一步发展，并大量生产车马器件等。西汉时期，出现坩埚炼铁法和炒铁法。同时，炼铁竖炉规模进一步扩大。

3.目前世界上发现的规模最大、时间最早的冶铁遗址是哪里？

1975年，在我国河南省郑州市西北27千米的汉代荥阳城（今郑州惠济区古荥镇）西墙外，发现了河南郡铁官（我国秦汉时期管理铁的冶铸事业的机构）的一号作坊遗址。这座遗址南北长400米，东西宽300米，总面积为12万平方米，是目前世界上发现的规模最大、时间最早的冶铁遗址。

在此遗址中有两座规模较大的炼铁高炉残迹东西并列，相隔14.5米，炉基深3米，炉缸为椭圆形，面积为8.5平方米，炉壁厚1米。其中一号椭圆形竖炉容积可达50立方米。这是目前我国发现的古代容积最大的炼铁炉，日产量估计为0.5-1吨，也是当时世界上最大的高炉。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。

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【高炉炼铁的过程】

高炉炼铁的任务是把铁矿石炼成生铁。铁矿石在高炉中经过还原作用（排除氧化铁中的氧）、造渣作用（将铁与杂石分开）、渗碳作用（铁吸收碳素）等一系列复杂的变化，最终形成铁水和炉渣。铁水可以直接用来炼钢或铸成铁锭（或铸件）；炉渣可以作为水泥、渣砖等的原料。从高炉炉顶放出的高炉煤气（主要含一氧化碳、二氧化碳和氮气、灰尘和某些有害气体）经过净化处理，可作为气体燃料。

知识百科

【铁器时代】

铁器时代，是继青铜时代后的又一个时代，它以能够冶铁和制造铁器为主要标志。位于小亚细亚（今土耳其境内）的赫梯人是世界上最早锻造出铁器的人，在公元前1400年左右，他们最早进入了铁器时代。而实际上所说的铁器时代是指的早期阶段，在晚期各国都已经进入了有文字记载的文明时代，也就多以各国的朝代来称呼其时代。不同地区进入铁器时代的时间有所不同，即使同在一个地区，比如欧洲，其中的日尔曼和罗马进入铁器时代的时间也各不相同。

虽然各地区进入铁器时代的时间不尽相同，也很难以准确的年份标示，但铁器时代与之前时代的区别仍是十分明显的。其主要区别在于农业发展、宗教信仰与文化模式。铁器时代是指已经能运用很复杂的金属加工来生产铁器。铁的高硬度，高熔点与铁矿的高蕴含量，使得铁相对青铜来说价钱更便宜，并且可在各方面运用，所以人们对铁的需求很快就超过了对青铜的需求。

4.火药

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火药，是中国的四大发明之一，从发明至今，已经有1000多年的历史了。火药的发明为兵器由冷兵器到热兵器的发展奠定了基础。最初，火药由中国传到阿拉伯国家，又经阿拉伯传到希腊及欧洲。火药的传播与使用，不仅对作战方法本身，而且对欧洲统治和奴役的政治关系起了变革的作用，并对欧洲文艺复兴、宗教改革起到了促进作用。可以说，火药的发明大大推进了世界历史的进程。

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1.冷兵器是指什么？热兵器又指什么？难道它们与温度有关系吗？

冷兵器与热兵器与温度并没有什么关系。冷兵器指的是不带有炸药、火药或其他燃烧物，而可以在战斗中直接杀伤敌人，并保护自己的近战武器装备。广义的冷兵器指的是冷兵器时代的所有作战装备，如矛、弓、标枪等。冷兵器经历了石器时代 < < <

热兵器与冷兵器相对，又名火器，古时也称为神机。它是一种射击武器，原理是利用推进燃料快速燃烧而产生的高压气体来推进发射物。传统的推进燃料为黑火药或无烟炸药。所有依靠火药或类似的化学反应来提供能量，从而起到伤害作用的（如火药推动子弹）或者直接利用火、激光、化学等携带的能量伤人的（如火焰喷射器）武器，都是热兵器，如半自动步枪、突击步枪等。

走近奇迹

从战国至汉初，有的帝王贵族沉醉于成为神仙长生不老的梦想，他们命令一些人为他们炼制“仙丹”，这些炼丹家多是精通医术者或是修道之人，被称为方士或术士。火药的配方，就是在炼丹家炼丹的过程中逐渐发明的。

炼丹时，炼丹家对于硫磺、砒霜等具有毒性的药物，在使用之前常用烧灼的方法“伏”一下，“伏”就是降伏，这样能够使此类药物的毒性失去或减低，这种工序被称为“伏火”。

伏火的方子中都含有碳素，而且伏硝石要加硫磺，伏硫磺要加硝石。这说明炼丹家有意要使药物引起燃烧，以减低它们的毒性。唐代初期的名医兼炼丹家孙思邈就曾在“丹经内伏硫磺法”中，提到了用硝石、硫磺，再加碳来伏火的方法。这说明唐代的炼丹者已经掌握了一个很重要的经验，就是硫磺、硝石、碳三种物质可以构成一种极易燃烧的药。这对火药的发明起了决定性的作用。由于火药的发明来自炼丹家配药的过程中，在火药发明之后，又曾被当做药类（《本草纲目》中就曾提到火药能治疮癣、杀虫，辟湿气、瘟疫），这种药被称为“着火的药”，即火药。

炼丹家虽然掌握了一定的化学知识，但他们的方向是求长生不老之术，所以火药的发明具有一定的偶然性。

在宋朝人编的小说总集《太平广记》里就记载了这样一个故事。隋朝初年，有一个名叫杜春子的人去拜访一位炼丹人，当晚他就住在炼丹人家中。半夜，当杜春子在梦中惊醒时，看到炼丹炉内有“紫烟穿屋上”，而且屋子很快就燃烧起来。这大概是因炼丹人配置易燃药物时疏忽而引起的火灾。虽然炼丹家知道硝、硫、碳混合点火会发生激烈的反应，并采取措施对反应速度加以控制，但是因药物伏火而引起丹房失火的事故还是时有发生。

火药不能解决长生不老的问题，又容易着火，所以炼丹家对它并不感兴趣。火药的配方由炼丹家转到军事家手里时，才发挥出了它的重要作用。

火药最初的运用，也不是运用于军事，而是运用于马戏、杂技的演出，以及烟火杂技节目。当时，人们用火药来表演幻术，如喷出烟雾以遁人、变物等，用来制造魔幻神奇的效果。中国发明的火药首先运用于制造烟火，但不久之后就将其运用于军事了。