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重庆古代炼锌业工艺探析
发布人:重庆考古  2014-07-16

丰都县铺子河冶炼遗址2号冶炼炉(明)

锌反应罐流程示意

丰都县秦家院子冶锌遗址出土的反应罐和冷凝盖(明)

    近年来,陆续在重庆市的丰都县、石柱县、忠县和酉阳县等地区发现了古代炼锌遗址几十处。同时,围绕炼锌遗址开展了一系列考古调查发掘,发现了一批炼锌炉、炼锌配套设施、炼锌工具等,初步了解了古代炼锌的工艺流程及相关技术,对炼锌的起源时间也有了一定的认识。

  重庆的古代炼锌业遗存主要是在明清时期形成的。目前对这一时期的炼锌工艺流程已经有了相当的了解。自然界的锌一般为氧化锌,它的还原温度为904摄氏度,而单质锌的沸点为906摄氏度,由于还原温度与沸点非常接近,所以通常还原后获得的是气态锌,如果没有快速冷凝的回收装置,气态锌会逃逸或迅速氧化为氧化锌,所以气态锌的捕获是炼锌工艺的难点所在,故炼锌技术是古代各类冶金技术出现和成熟最晚的也就不难理解了。

  明代宋应星《天工开物·五金》记载了用炉甘石(菱锌矿)炼锌的过程:“每炉甘石十斤,装载入一泥罐内,封裹泥固,以渐砑乾,勿使见火拆裂。然后逐层用煤炭饼垫盛,其底铺薪,发火煅红,罐中炉甘石熔化成团。冷定毁罐取出,每十耗去其二,即倭铅也。”这就为我们复原古代炼锌遗址的炼锌工艺提供了重要的文献参考。

  众多炼锌遗址目前出土的与炼锌工艺流程有关的遗物有:反应罐、煤渣、煤饼、锌矿、锌锭、冷凝盖等,其中,反应罐内一般尚存炼渣,罐口外侧多敷泥,口部封口仅留小孔等。而炼锌的核心遗址——炼炉,平面均呈长条形,由炉床、窑室两部分组成,炉床多建于生土上,床面上用条形砖砌置墩砖,个别可见墩砖上横向的过桥砖。墩砖与过桥砖共同构成炉栅;窑室呈马槽形,两端墙体用土坯或砖直接在炉床上垒砌,两侧墙体建在炉栅上,用条形砖错缝平砌,上部构成一个“马槽”形的窑室。

  根据上述遗存情况,结合《天工开物》的记载和一些现代传统炼锌工艺,对明代炼锌工艺流程可作如下复原推测:

  首先是配料装料。将锌矿石和煤敲碎、过筛、再混合、拌匀,将其填装于反应罐内,并盛入适量的水,以使装料保持疏松,水蒸发后形成的孔洞便于锌蒸汽通行。

  接下来是封口。先在罐口一侧预置小圆棍,再将罐口用黄泥封闭压紧,然后用力下压形成凹陷的冷凝窝,最后抽出小圆棍,使冷凝窝一侧形成圆形通气孔。

  第三步是制作冷凝区。从反应罐的肩部用泥条往上盘筑,形成10厘米左右高的空腔,然后加冷凝盖形成冷凝区。冷凝盖有铁质和石质两种,一侧留缺口,在加盖时,小缺口处与冷凝窝通气孔位置相反的一侧,用于冶炼过程中调节气压,避免反应罐爆裂。

  第四步是制作包裹体。反应罐入炉前,将反应罐器身外壁包裹一层黄泥或泥浆,防止高温冶炼过程中罐体发生爆裂。

  第五步是装炉。将装好料的反应罐成排置于炼炉的炉栅之间,罐周堆放煤饼、炉渣,炉栅下投放柴薪、木炭等燃料。同时,可能还要在煤饼、炉渣上覆盖一层稀泥,高度大约是反应区与冷凝区分界处,以便控制反应罐上下端的温度。

  第六步是蒸馏。用火点燃柴薪,然后引燃煤饼,当反应罐内温度达到还原程度的时候,锌矿与煤(炭)发生化学反应(ZnO+CO→Zn+CO2),还原出气态锌,锌蒸汽通过冷凝窝的通气孔上升,至冷凝区冷却,便可制得纯净的金属锌结晶。

  最后是取锌。锌炼好后,打破反应罐,取出锌块。

  通过上述方式得到的锌是粗锌。现代传统炼锌工艺田野调查表明,一般还要通过炒锌进行精炼,才能得到比较纯净的锌。在考古发现中,在九道拐遗址发现有明代的圆形窑炉,庙背后遗址1号炉也是圆炉,广西罗城县发现有碗型炉,而丰都石地坝遗址发现有圆形敛口圜底深腹大坩埚,这些可能是当时精炼用的炒锌炉及锅。

  清代炼锌工艺的流程与明代大体一致,但在部分环节上有重大改进:一是冷凝区利用的是反应罐自身的空间,不需在上部单独再塑空间,即将罐身加长,用细炉灰、耐火泥将反应罐上下隔开,上部空间自动形成冷凝区,下部为反应区。二是反应罐变为斜直腹敞口形状,冶炼完成后提取锌块时无需毁罐取锌,从而提高了反应罐的使用率。三是减少了环节,去掉了冷凝区的塑形工作,只需制作冷凝窝。四是从民族调查材料看,流程的顺序上可能出现了一些变化,装炉的过程提前到配料前,装料、制作冷凝窝、封口都在炉上进行,大大提高了效率。

  (作者单位:重庆市文化遗产研究院)

     来源:中国文物报(2014年7月4日6版)


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