第8章 青铜时代——中国古代科技之青铜冶炼篇
中国从距今三千多前的殷商时期开始进入了一个光辉灿烂的的青铜时代。气势雄伟的司母戊鼎、精美绝伦的四羊方尊、大气磅礴的战国编钟、设计巧妙的长信宫灯……这些荟萃了工艺技巧与文化艺术的杰作，使得出现并不算最早的中国青铜文明后来居上，站在了世界的先进行列，并将青铜冶铸的技术推向了一个新的高峰。中国的青铜业之所以能取得卓越的成就，要得力于中国古代先进的采矿、冶炼技术和高超的铸造工艺。
中国古代的采矿技术
我国古代劳动人民在从事农业、畜牧业、手工业生产中，陆续发现和使用了石、陶、木、骨器。在长期生产实践中，又逐渐认识到自然界中存在金属铜块，于是开始采集和使用它。
早在新石器时代，中国人就已经会使用“火攻法”采集矿石。位于广州市郊区西南樵山的新石器时代制石工场遗址是我国目前发现的最早的古代采矿遗址。在遗址的矿坑内壁上有火烧痕迹，巷道地面堆积了很厚一层经过火烧的磷石块和碳屑，说明早在5000多年前，我国的劳动人民就已经懂得利用热胀冷缩的原理来开采矿石，这是世界采矿史上的一个奇迹。
中国古代的采矿技术在商周时期已经达到很高的水平。 1988年，在江西瑞昌夏畈镇的幕阜山东北角，发现了一处商周时期的铜矿采矿遗址。铜矿遗址的开采方法既有露天开采，又有地下开采，以地下开采为主。当时矿工能将开拓系统延伸到数十米深的富矿带，利用木立框支撑在地层深部构筑了庞大的地下采场。地下开采时利用井口高低不同所产生的气压差形成自然风流解决了通风问题。遗址出土的开采工具青铜斧、钺、凿，翻土工具木锨、木铲，装载工具竹筐、竹畚箕，提升工具木辘轳，木钩等说明古铜矿井有效解决了安全、通风、排水、提升等一系列技术问题，展示了中国早期辉煌的采矿技术的成就。采矿区还发现了大型选矿场，出土了选矿器具木溜槽，它可以利用矿粒在斜向水流中运动状态的差异进行物料选别。矿粒在重力、磨擦力、水流的压力、剪切力及档条阻力等联合作用下，松散、分层，这是达到按比重分离的重力选矿法之一。铜岭选矿槽的出土是世界选矿史上的重要发现。
[扩展阅读] 铜绿山古矿井遗址
现存湖北大冶的铜绿山古矿井遗址是我国春秋战国时期的古矿井遗址。该遗址采矿技术最显著的特点是采用竖井、斜井、盲井、平巷联合开拓法进行深井开采。最大井深达六十余米，低于地下水位二十余米。瑞昌铜岭采矿遗址和大冶铜绿山古矿井遗址证明，我国早在商、周时期不仅能找到富矿、大矿，而且已能开掘深矿井，这在当时世界上是极为先进的。
铜石并用
我国在新石器晚期，就进入了铜石并用时代。古人最初采集铜矿石，是用于提炼纯铜。纯铜因为是红色的，所以叫红铜。红铜虽然可锻并能熔铸工具，但质地不如石器坚硬和锋利，制作出来的工具刀口容易钝。同时，由于红铜溶液粘稠，流动性差，所以难以浇铸出造型复杂的大件容器。古人在提炼及使用红铜工具过程中，发现将红铜与锡、铅等金属熔融在一起，就能克服以上这些弱点，于是开始在红铜中掺进定量的锡、铅，炼制出一种青灰色的合金，这就是青铜。与红铜相比，青铜有熔点低，易于铸造；硬度大；融化后流动性好，少气泡等优点，适于铸造锋利的刀刃和细密的纹饰。
青铜文化的出现和发展是建立在冶金设备的发展和完善基础上的。先进的炼铜竖炉是青铜冶铸业兴起的基础之一。从湖北大冶铜绿山发现的春秋时期的炼铜竖炉看，当时的竖炉由炉基、炉缸和炉身组成，在炉的前壁下部设有金门和出渣、出铜的孔洞，炉侧还设有鼓风口，整体结构已相当先进。
在冶炼青铜的过程中，我国古代劳动人民还逐步发现了铜与锡、铜与铅的配比的改变，能够使炼制出来的青铜的属性发生变化。青铜熔点低，加进的锡越多，熔点越低。同时随着加锡量的增多，硬度也随之增高，远远超过了红铜的硬度。但是当加锡过多时，青铜反而变脆，容易断裂。后来，人们又发现在青铜中加入定量的铅，就能克服青铜较脆的弱点。通过反复的实践，到春秋战国时期，古人已经总结出配制青铜的合金规律。
[知识链接]泥范铸造
铸造业在我国古代的金属加工工艺中占有突出的地位，并产生过巨大的社会影响。今天我们在生活中还经常使用的“模范”、“熔铸”、“就范”等词汇，均来源于古代铸造业的术语。我国古代劳动人民在长期的生产实践中，创造了陶范法、失腊法两大传统铸造工艺。
最初的铸造技术是使用石范。由于石料不容易加工，又不耐高温，随着制陶业的发展，很块就改用泥范。在近代砂型铸造之前的三千多年时间里，泥范铸造一直是最主要的铸造方法之一。
泥范铸造的工艺如下：
1．制模。用泥土按照器物原型雕刻成泥模；
２．翻外范。将调合均匀的泥土拍打成平泥片，按在泥模的外面，用力拍压，使泥模上的纹饰反印在泥片上。等泥片半干后，按照器物的耳、足、鋬、底、边、角或器物的对称点，用刀划成若干块范，然后将相邻的两泥范做好相拼接的三角形榫卯，而后晾干，或用微火烘烤，修整剔补范内面的花纹，这就成了铸造所用的外范；
３．制内范。将制外范使用过的泥模，趁湿刮去一薄层，再用火烤干，制成内范。刮去的厚度就是所铸铜器的厚度；
４．合范。将内范倒置于底座上，再将外范块置于内范周围。外范合拢后，上面有封闭的范盖，范盖上至少留下一个浇注孔；
５．浇铸。将融化的青铜溶液沿浇注孔注入，等铜液冷却后，打碎外范，掏出内范，将所铸的铜器取出，经过打磨修整，一件精美的青铜器就制作完成了。
怪博士出题
青铜器的装饰纹样主要分为三大类：动物纹、植物纹、几何纹。其中动物纹，又可以分为怪兽纹和一般自然界的动物纹两类。想一想，有哪些动物经常被用于青铜器的装饰纹样？