审核专家：甘强

北京理工大学讲师，应用化学博士

闲暇时光，当你想要和小伙伴们相约打一场游戏放松一下的时候，是不是经常因为自己的青铜段位而惨遭嫌弃？

有意思的是，除了游戏等级，在几千年前，人类还有一件事也与青铜有着密切关系，那就是金属冶炼。

金属冶炼，指的是把金属从化合态变为游离态的过程。大约在距今年前，我们的祖先就已经掌握了青铜的冶炼技术，开启了金属冶炼的“段位进化史”。为什么铜会成为人类最早“驯服”的几种金属之一呢？人类的金属冶炼技术是如何进步发展的？下面我们就一起来一探究竟吧。

铜的冶炼

铜，可以说是人类第一种有较多文献记载，并得到广泛应用的金属。相信大家都听过“青铜时代”这个词，能用金属命名一个时代，可见青铜器具在当时确实对人类生活影响广泛。

人类最早认识和利用的铜矿石应该是一种颜色碧绿的孔雀石。早在商代，当时的人们已经将这种矿石当做陪葬品放入了墓穴。孔雀石的主要成分为碱式碳酸铜，这种矿石含铜量高达10%-20%，只要将木炭和孔雀石一同放在炼炉中冶炼，加热到℃左右，一定时间后就能得到铜单质，这就是最早的火法炼铜。

人们先将矿石放在炼炉中，燃烧木炭，直至得到炼铜液，除去炼渣后得到初铜，再经过提炼，添加锡、铅后熔成合金，就得到了青铜。整个过程看似简单，实则需要耗费很大的人力物力，成语“炉火纯青”就出于此。

天然孔雀石来源丨百姓网

铜的另一个常见合金是黄铜（铜锌合金），但因为氧化锌在℃左右才能被还原金属锌，而锌的沸点却只有℃，炼制后得到的锌已经是蒸汽状态，难以收集和利用。

因此，相对方便制造的青铜就先于黄铜被加以运用，做成青铜鼎、酒杯和各种兵器。

后来随着技术的发展，人们才终于掌握了黄铜的冶炼技术。冶炼工人把粉碎的锌矿和木炭跟铜块混合起来加热，使锌和铜结合在一起，再加热使合金熔融，然后将铜液灌入铸模，最终得到固态黄铜。黄铜的柔韧和塑形性很好，在西汉时期被用来制作乐器，在现代则被用作阀门水管的密封件等。

青铜鼎来源丨维基百科

到了唐宋时期，湿法炼铜技术得到了比较广泛的应用。在文献中有关于“胆水浸铜法”的记载。这种方法的原理是把铁放在胆矾（硫酸铜）中浸泡，胆矾水和铁发生化学反应，前者的铜离子被铁置换成单质铜，得到沉积的铜单质。铜的这种冶炼方式成本相对较低，但需要有一定量的胆水，因此受季节、气候影响较大，在工业上大量应用的条件不够成熟。

“胆水浸铜法”来源丨百度百科

在现代社会，火法炼铜和湿法炼铜仍是铜最常见的两大冶炼方式，且火法冶炼的产量占比高达80%。

现代火法冶炼通常选出铜含量20%以上的精矿，先在炼炉中熔炼，后送入转炉中得到含铜量98%～99%的粗铜，再在反射炉内氧化精炼或利用电解法得到精铜。现代湿法炼铜的成本相对较低，但目前的技术无法满足工业的产量需求，因此使用范围受到限制，但湿法冶炼技术也正在逐步推广。

铅，汞和银的冶炼

除了有大量文献记载的铜的冶炼史以外，对铅、汞和银等金属的冶炼在历史上也占有一席之地。当时的人们并不清楚背后的原理，对冶炼所得金属的化学性质也缺乏较为深入的了解，这些金属的冶炼往往被归于“炼金术”、“炼丹术”的范畴。

据史书记载，汉代的人在烧制陶器时偶然将含铅的矿物质加入陶器中，发现加热后陶土表面竟有金属铅滴渗出。这是因为铅的氧化物和硫化物在高温加热条件下较容易分解，得到金属单质，汞和银也是类似的道理。因此，铅成为了人类采用湿法冶金法最先冶炼得到的金属之一。

但是由于这几种金属的耐高温性较差，度左右的高温就会使其融化，再加上其硬度不够，还有一定的毒性，因此除了在一些容器中少量使用外，并没有在古代工业上得到广泛应用。

方铅矿石主要成分为硫化铅来源丨网络

钢铁的冶炼

铁的出现虽然晚于铜，但不论在古代还是现代，它对人类社会的发展都十分重要。铁器时代出现在青铜时代之后，其在现代工业社会中的地位甚至超过了铜。

钢是铁与其他元素结合而成的合金，其性质主要受碳以及其他元素含量的影响。钢制品因其高强度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗冲击等优良性能而被广泛利用。

虽然铁元素在自然界分布广泛、含量丰富，但天然的纯铁在地球上却很难找到，再加上铁的还原性较差，熔点较高，更难冶炼，被人类利用的时间自然晚于铜。

人类最早发现的铁矿石来自陨石（又被称作陨铁），在我国河北省曾出土了一把商代铁刃青铜钺，其上嵌有的铁刃就是将陨铁经加热锻打后和青铜钺体嵌锻在一起的。

商代铁刃青铜钺来源丨前沿投讯

春秋战国时期，铁器在农业和工业生产中就已经有了广泛应用，当时使用的冶炼方法主要是块炼法。

这种方法利用木炭作燃料，在炉体中冶炼，因为鼓风设备差，炉温较低，炼出的铁多是海绵状的固体块，称为“块炼铁”。这种冶炼方式既费时，得到的铁质地又比较软，含氧化亚铁等杂质较多，必须再经过成千上万次的反复加热锻打，才能让铁吸收木炭中的碳，得到质地更均匀细密的“渗碳钢”，用于制作刀剑。

直到西汉中后期，炒钢技术才慢慢发展，人们将生铁加热成半液体和液体状，加入铁矿粉的同时不断搅拌，利用铁矿粉和空气中的氧去掉生铁中的一部分碳，使生铁中的碳含量降低，再经过去渣就能直接获得钢。炒钢法是炼钢技术上的重大突破，其工艺简单，能在较短时间内生产出大量的优质钢铁，供军事、工业和农业等方面使用。

联合炒钢图来源丨天工开物

东汉末年，灌钢法开始形成发展，先把生铁和熟铁按一定比例混合，共同加热至生铁熔化，将其灌入熟铁中，由于生铁的浸入使熟铁碳含量增加，再经过反复锻打，就可以得到质地均匀的钢。通过调整生铁和熟铁的混合比例，就能根据需要得到含碳量不同的钢，这种方法操作也较为简单，金属在液态下反应，提升了纯度；熟铁因为碳的渗入变成钢，生铁因为脱碳变成钢，大大提升了钢铁的产量。

到了现代社会，大部分钢铁由高炉炼铁法得到，但其基本原理与灌钢法类似，只是随着技术的发展，在冶炼温度、炼钢炉和其他设备、原材料的配比等方面都能够更精确地掌控。

南北朝的灌钢法来源丨搜狐网

几千的历史长河中，人类对于金属冶炼的探索从未停止，冶炼技术不断进步，冶炼范围逐步丰富。到今天，我们基本可以算得上达到了金属冶炼的“王者段位”，这不仅得益于科学技术的发展，更源自于劳动人民伟大的智慧！

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