第3章 早期的铜矿冶炼技术
在自然界中铜主要以硫化铜存在，主要是辉铜矿、黄铜矿和斑铜矿，此外还有孔雀石。
对于这些铜矿的冶炼，我国先民摸索出了一套技术。我国早期的铜矿冶炼技术，从单一的硫化铜冶炼逐渐向加锡、铅、砷等的共生硫化矿冶炼过渡，期间在炼炉设计、原矿氧化规律的认识等方面有许多创建。
我国是世界上发现和利用铜矿最早的国家之一，早在奴隶社会，湖北铜绿山就能炼铜并大量开采。
相传自从女娲创造了人类，她就一心为人类着想。
一天，天空突然塌下了一大块，露出一个黑黑的大窟窿在喷火。人们都身处危机，救命要紧！
女娲连忙将人们从火海里拖出来，从洪水中拉出来。
人们得救了，可天上的大窟窿还在喷火，女娲决定冒险补天。她拎着一个布袋，来到中凰山上寻找五彩石。历尽千辛万苦，终于将五彩石找到了。
五彩石找齐了，女娲拿着大铲子，在地上挖了一个大大的圆坑，将布袋里的五彩石倒进圆坑里，用神火进行冶炼。
当时已是午夜，女娲的上下眼皮都打架了，她也不肯睡觉，她只想着尽早补好天空，于是，就守着大圆坑，原地打了一个盹儿，又继续冶炼了。
就这样，女娲在中凰山里经过七七四十九天，五彩石终于化成了稠稠的液体，最后变成了一块五彩斑斓的石头。
女娲把五彩石带到天边，对准那个大黑窟窿，奋力填补进去。只见金光四射，天空中马上出现了星星、月亮和彩虹。
塌下的天空补好了，从此，大地上到处欢歌笑语，人们过上了快乐幸福的生活。
女娲补天虽是神话，但它和金属冶炼确实能产生共鸣。在这里把女娲誉为冶金女神也不为过，因为我国古代冶金技术就是从冶炼石头开始的。
古代冶金技术始于炼铜。铜矿冶炼工艺一般至少要分两步走，首先得通过氧化焙烧，除去其中的一部分硫和铁，在此过程中会生成冰铜；第二步则是冰铜冶炼，在竖炉中以木炭焙烧，而得到金属粗铜。
在古代的技术条件下，用硫化铜所冶炼出的金属铜中，往往会含有明显量的铁和硫，还有由共生矿物引入的砷、铅、锡、锌、银、锑，以及残余的冰铜和氧化焙烧的中间产物等元素。
冶炼硫化矿大约在春秋时期，当时个别地区的冶炼技术已经进步到这个阶段。如对内蒙古自治区昭乌达盟赤峰市林西县大井古矿冶遗址的发掘和研究表明，它属于夏家店上层文化，相当于春秋早期。
在该遗址，当年的工匠曾用石质工具较大规模地开采了铜、锡、砷共生硫化矿石，矿石经焙烧后直接还原熔炼出了含锡、砷的金属铜合金。
该遗址在赤峰市林西县官地乡，铜矿区的矿石主要类型为含锡石、毒砂的黄铁矿黄铜矿，少量为黄锡矿。遗址发掘中出土了多座炼炉以及炉渣、炉壁、矿石，对当时的冶炼技术提供了相当丰富的实物资料。
在炼区发现有4座多孔窑式炼炉和8座椭圆形炼炉。多孔窑式炼炉是焙烧炉，距采矿坑很近。采集到的炉渣中发现有白冰铜的颗粒，由此可以推测焙烧过程。
首先在山坡较平坦处挖一个直径约为2米的炉坑，坑内先铺一层木炭，其上堆放矿石，再以草拌泥将矿石堆封起来，目的是减少热量损失。在封泥上留有若干圆形排烟孔和鼓风口。
点燃木炭并鼓风入内后，焙烧反应即开始进行。由于焙烧反应是放热反应，因此当矿石热到起火温度后就无需再补充燃料，焙烧反应便可持续下去。
椭圆形炼炉是还原熔炼炉，有拱形炉门，以排放铜液和炼渣。炼炉周围发现有炼渣、木炭，表明木炭是作为燃料和还原剂的。这是我国迄今发现的最早的开采、冶炼硫铜矿的遗址。
在所有的硫化铜矿藏中，孔雀石由于颜色醒目，容易识别，又属于氧化型矿，冶炼简便，它被碳还原只需800度左右，所以很早就被利用。
但孔雀石这种矿物在地壳中储量较少，因为它是易溶硫酸铜与碳酸盐矿物相互作用的产物，所以一般只存在于含铜硫化物矿床的氧化带中，虽处于地表，容易采掘，但矿层一般较浅，采集难以持久。
随着人们对锡石或铅矿石的识别，冶炼铜的技术逐渐向加锡石或方铅矿的方向演进。
在夏代、商代早期及中期，青铜器的化学组成是杂乱无章的，铅、锡的含量也较低，这表明当时很可能是以红铜或孔雀石与锡矿砂或方铅矿合炼青铜。
虽然在新石器时期晚期和夏代，黄河流域的许多地区开始推广冶铜工艺，但是那时只能生产锥、环、管、镞等小件铜器，它们显然不能对生产有多大的促进作用。
至商代，青铜冶铸技术有长足的进步，并开始铸造较大型的青铜器件，首先是铸造代表权力象征的礼器。
在对已出土的青铜文化鼎盛时期的商代青铜器进行化学分析，将它们分为两类。一类是铜锡二元合金，其中含铅小于2%；另一类是铜锡铅三元合金，即含铅大于2%。
在铜锡二元合金中，铜和锡的比例大都接近4比1。而在铜锡铅三元合金中，铜与锡铅含量和之比也维系在4比1。锡与铅之间似乎没有明显的比例关系。
由此可以推测，当时的青铜冶炼已有一定的配方，但是工匠们对铜锡或铜锡铅之比与青铜性能的关系仅有肤浅的经验认识，即认识到青铜比红铜实用，因而自觉地冶炼青铜。
同时，铜锡之比与铜锡铅之比基本相同，表明当时的人们尚不能区分锡与铅，它们都是银白色的金属。至战国末年，人们已经能够清楚地认识到铜和锡的性质在冶炼前后所发生的变化。
最能反映战国末年人们对青铜之中铜与锡铅之间合理配比的认识的文献，当数《周礼·考工记》的“六齐”规律。所谓“六齐”即配制青铜的6种方剂。
“六齐”规律是位于黄河下游的齐国的冶金工匠们关于冶铸青铜合金时铜锡配比的经验总结。比如在冶炼熔铸过程中，对不同火候的辨认与掌握，《考工记》有详细记载：
凡铸金之状，金与锡黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之，然后可铸也。
这段记录是说在铜和锡熔化过程中，先产生黑浊的气体，随着温度升高，先后产生黄白、青白和青色气体，到此即可浇铸了。
这一记录是符合科学的，因为在物质加热时，由于蒸发、分解、化合等作用而生成不同颜色的气体。开始加热时，铜料附着的碳氢化合物燃烧而产生黑浊之气。
《考工记》中的“六齐”规律，记录了当时青铜冶铸的实践经验，这是我国也是世界上最早、最有历史价值的关于合金配比的科学文献。
拓展阅读
春秋战国时期齐国冶金业发达。《国语·齐语》记载着管仲向齐桓公提出的以甲兵赎罪的建议：“美金以铸剑戟，试诸狗马；恶金以铸鉏、夷、斤，试诸壤土。”
意思是说，用青铜铸造兵器，试在狗马身上；用铁铸造生产工具，用来耕种土地。
“美金”是指青铜，“恶金”是指铁。管仲认为，铁在未能锻成钢之前，品质赶不上青铜，故有美恶之分。他的这个建议施行后，齐国生产了大批铜和铁，国力日盛，为最终位列春秋霸主和战国七雄奠定了基础。