中國古代冶金用坩堝的發(fā)現(xiàn)和研究

周文麗 劉思然 陳建立

(1. 中國科學院自然科學史研究所,北京 100190；2. 北京科技大學冶金與材料史研究所,北京 100083；3. 北京大學考古文博學院,北京 100081)

?

中國古代冶金用坩堝的發(fā)現(xiàn)和研究

周文麗1劉思然2陳建立3

(1. 中國科學院自然科學史研究所,北京 100190；2. 北京科技大學冶金與材料史研究所,北京 100083；3. 北京大學考古文博學院,北京 100081)

坩堝是古代冶金活動中的重要工具,國內(nèi)對坩堝的研究處于起步階段。文章梳理了與坩堝有關的文獻史料,發(fā)現(xiàn)東漢煉丹家最早使用坩堝,宋以后多用于金銀冶煉,也有稱為“罐”和“筒”的坩堝用于熔銅、煉鋅、煉鉛、煉鐵等。另外,通過對考古資料的總結,發(fā)現(xiàn)坩堝可以分為兩大類：鑄造用坩堝用于熔銅、化鐵,可分為三小類；冶煉用坩堝用于煉鐵、煉鋅和煉鉛。最后介紹坩堝研究的常用方法,闡述通過分析坩堝和坩堝渣所能解決的冶金技術、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)組織方式等方面的問題。

坩堝 鑄造 冶煉

坩堝(crucible)是一種可移動的耐高溫的容器,用于金屬、玻璃、顏料的生產(chǎn)。坩堝是古代冶金活動中的重要工具,多為陶質,可以進行多種金屬的物理和化學反應,不僅用于熔煉、澆注金屬,還用于蒸餾法煉鋅、礦煉黃銅、煉鐵(鋼)、煉金術等[1,2]。

西方學者對坩堝的認識和研究較早。1976年泰利柯特(R. F. Tylecote)就討論過坩堝的類型學及坩堝渣(坩堝內(nèi)冶金殘留物)的特征([3], 19頁),之后又總結了其形制和材質的發(fā)展情況[4]。20世紀80年代,弗里斯通(I. C. Freestone)和泰特(M. S. Tite)等采用偏光顯微鏡、掃描電鏡、X射線熒光和復燒實驗等科技手段研究坩堝的原料選擇、生產(chǎn)方式和使用性能[5- 7],奠定了坩堝研究的基礎。隨后涌現(xiàn)了一批研究案例,最重要的是任天洛(Th. Rehren)和馬科斯(M. Martinón-Torres)等對中亞和印度的煉鋼坩堝、歐洲礦煉黃銅坩堝和煉金銀坩堝的研究。他們還總結了坩堝在不同金屬生產(chǎn)中的應用[1],坩堝的技術特征與功能的關系[2],以及坩堝的科技分析方法[8]。這表明西方坩堝研究的理論和方法已趨于成熟。

國內(nèi)對坩堝的認識和研究還處于起步階段。最早在殷墟、鄭州二里崗等先秦鑄銅遺址發(fā)現(xiàn)了少量坩堝,其他冶金遺址也常有發(fā)現(xiàn),但是數(shù)量較少,多為殘片。近年來考古發(fā)現(xiàn)了一批坩堝冶煉遺址,出土了大量冶煉金屬鐵、鋅和鉛的坩堝。然而,國內(nèi)學者對坩堝的科技分析工作開展較少, 如何堂坤等對河南洛陽吉利西漢坩堝[9]、北京鋼鐵學院對河南滎陽楚村元代坩堝[10]及楊小剛等對重慶彭水徐家壩商周坩堝[11]的分析。近年來,陳建立、劉思然、周文麗等借鑒西方坩堝研究的思路對重慶明清煉鋅蒸餾罐[12,13]、河南殷墟孝民屯熔銅坩堝[14]、河北曲陽燕川和河南桐柏圍山煉鉛坩堝[15,16]做了系統(tǒng)的科技分析,為國內(nèi)的坩堝研究開創(chuàng)了新局面。

本文將梳理中國古代冶金用坩堝的文獻記載和考古發(fā)現(xiàn),探討坩堝的概念、用途和種類等問題,并總結坩堝研究的常用方法,通過列舉個案研究說明對坩堝和坩堝渣的分析能解決冶金技術、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)組織方式等方面的問題,闡釋坩堝的研究在冶金考古和冶金史中發(fā)揮的重要作用。

1 與坩堝有關的文獻史料

與坩堝有關的記載,最早見于煉丹術的文獻。陳國符在《中國外丹黃白法考》中將道教外丹詞語“甘鍋”、“甘鍋子”、“甘堝子”、“甘窩”、“窩子”、“鍋子”、“鍋”、“瓜鍋”并列,認為“鍋堝同音假借,鍋當作堝。堝窩應同韻,窩堝疊韻假借,窩應作堝?！细孰p聲,瓜雙聲假借,瓜鍋即甘鍋”,即這些詞均指坩堝,主要用于將丹藥高溫煆成汁或灰[17]。明正統(tǒng)《道藏》中最大的丹經(jīng)《皇帝九鼎神丹經(jīng)訣》卷9收錄東漢末年著名煉丹家狐剛子所撰《山金礦圖錄》,專述金銀礦的冶煉,其中《出水金礦法》記載了將淘金所得的沙金中的金粒與砂石分離,并進一步使金與銀分離：“用甘土作鍋,火熏使干。用松木炭置鍋爐中。即下金礦鍋中。即排囊火炊之?！边@句話表明煉金所用的“鍋”由“甘土”制成。“甘土”又叫“坩土”、“甘子土”、“坩子土”等,是一種以高嶺土為主的高鋁質耐火粘土,為北方地區(qū)常用的制瓷原料,使用這種粘土制成的坩堝有較好的耐火性能?？梢姟案?坩)鍋(堝)”之名即由此而來。

后世的文獻中的坩堝多用于煉金銀。宋代官修韻書與字書《集韻》和《類篇》：“甘堝,液金器?！彼巍吨匦抻衿芳扒濉犊滴踝值洹罚骸案蕡?所以烹煉金銀?！蹦纤侮愒n《事林廣記·鍛煉奇術》、元末或明初《墨娥小錄》卷6、明宋應星《天工開物·五金·黃金》分別記載了在坩堝里用礬硝鹽、硫和硼砂分離金銀的方法。明李時珍《本草綱目·土部》也認為“甘鍋,銷金銀鍋”,還提及其制作方法：“吳人收瓷器屑,碓舂為末,篩澄取粉,呼為滓粉,用膠水和劑作鍋,以銷金銀者?！贝善餍家矊儆诟咪X質耐火材料。

至明清時期,坩堝還被稱為“罐”或“泥(瓦)罐”、“砂/沙罐”、“土罐”等,用于熔銅、煉鋅、煉鉛等?！短旃ら_物·冶鑄·錢》描述了鑄錢熔銅坩堝的原料和尺寸：“凡鑄錢熔銅之罐,以絕細土末和炭末為之。罐料十兩,土居七而炭居三,以炭灰性暖,佐土易化物也。罐長八寸,口徑二寸五分。一罐約載銅、鉛十斤,銅先入化,然后投鉛,洪爐扇合,傾入模內(nèi)(圖1)。”《天工開物·五金·銅》記載了用坩堝生產(chǎn)黃銅的兩種方法,即金屬銅和爐甘石(ZnCO3)反應的礦煉黃銅法,及金屬銅和鋅直接合金化的方法：“凡紅銅升黃色為錘鍛用者,用自風煤炭百斤,灼于爐內(nèi)。以泥瓦罐載銅十斤,繼入爐甘石六斤,坐于爐內(nèi),自然熔化。后人因爐甘石煙洪飛損,改用倭鉛。每紅銅六斤,入倭鉛四斤,先后入罐熔化。冷定取出,即成黃銅,唯人打造。”“銅”條后附“倭鉛”條記載了坩堝煉鋅法：“每爐甘石十斤裝載入一泥罐內(nèi),封裹泥固,以漸砑干,勿使見火拆裂。然后逐層用煤炭餅墊盛,其底鋪薪,發(fā)火煅紅。罐內(nèi)爐甘石熔化成團,冷定毀罐取出,每十耗去其二,即倭鉛也。”清吳其濬《滇南礦廠圖略·下卷·金錫鉛鐵廠第三》也描述了坩堝煉鋅法：“有白鉛,俗稱倭鉛,煉鉛以瓦罐,爐為四墻,礦煤相和,入于罐,洼其中,排爐內(nèi),仍用煤圍之,以鞴鼓風,每二罐,或四罐,稱為一喬。為爐大小,視喬多寡?！鼻迩∧觊g甘肅巡撫吳善達的奏章中提到坩堝煉鉛法：“今開采喜雀嶺鉛觔,經(jīng)靖遠縣試煎一爐,裝礦砂四百五十斤,共煎獲凈鉛二百二十五斤……每爐用裝礦砂罐一百個……每礦砂一斤加用分鉛生鐵六兩八錢五分……每礦砂一斤加燒煉石炭一斤八兩……”[18]

圖1 《天工開物》鑄錢圖：坩堝為筒形,用于熔銅和澆注

有的坩堝被稱為“筒”,因為其為筒形,如清乾隆《博山縣志》記載坩堝煉鐵法：“康熙二年,孫文定公召山右人至此,乃得熔鑄之法。鑿山取石,其精良者為驩石,次為硬石。擊而碎之,和以煤,盛以筒,置方罏中,周以礁火。初猶未為鐵也。復擊之碎之,易其筒與罏,加大火。每石一石得鐵二斗,為生鐵。”

從上述文獻史料來看,中國古代冶金用坩堝的稱謂多樣,坩和堝可分別稱作“甘”和“鍋/窩”。東漢煉丹家最早使用坩堝,宋以后坩堝多用于金銀冶煉,明清時期又被稱為“罐”,用于熔銅、煉鋅、煉鉛等,也有煉鐵坩堝稱為“筒”。文獻史料中的坩堝都是外加熱的,即坩堝置于爐子中,以木炭或煤炭為燃料；這些外加熱的坩堝可能用高鋁質耐火粘土制作。

2 中國古代冶金用坩堝的考古發(fā)現(xiàn)

文獻史料中涉及坩堝的形制、材質、制作方法及使用性能等方面的記載較少,因此考古發(fā)現(xiàn)的坩堝對研究古代冶金用坩堝提供了重要的實物證據(jù)。從目前收集的資料看,坩堝多出土于冶鑄遺址,出土地有河南、陜西、山西、山東、江蘇、重慶、黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆等,時代從商周、漢莽時期,到唐、宋、遼、金、元,直到明清時期。它們主要有兩種用途,一種是在鑄銅、鑄鐵遺址作為熔銅化鐵的器具,或澆注用的澆包,另一種在冶煉遺址作為煉鐵、煉鋅或煉鉛的坩堝。

2.1 鑄造用坩堝

從坩堝的形制來看,鑄造遺址中出土的坩堝主要有三類。

第一類鑄造用坩堝敞口、較淺、厚壁、帶流口,如河南偃師二里頭“瓢形器”、重慶彭水徐家壩商周“船形杯”等(圖2)。二里頭瓢形器長約25厘米,背部糊草拌泥,內(nèi)表面均為灰色燒結層覆蓋并粘滿銅渣。李京華和梁宏剛認為它是小型熔爐,既可熔銅,又可作為澆包[19,20],廉海萍等則認為是澆勺[21]。徐家壩船形杯殘長7.5厘米,內(nèi)部有青灰色殘留物,還附有銅塊,楊小剛等分析判斷它是用于熔銅的[11]。這類敞口、帶流口的熔銅器具在西方青銅時代也常有發(fā)現(xiàn),泰利柯特總結的西方坩堝分類中的J型即為船形坩堝,如土耳其特洛伊四期遺址(約前2000)([3],24頁)和英國Breiddin遺址(前1005～前110)[22]的坩堝(圖2)就與二里頭瓢形器、徐家壩船形杯十分相似。另外,埃及底比斯新王朝時期(約前1500)的Rekhmirē墓的壁畫上,有古埃及人用帶流口的敞口坩堝熔銅和澆注的畫面(圖3)([3]，19頁)。由此可見,這類坩堝應該既可作為內(nèi)加熱的熔銅坩堝,又可作澆包,設置流口便于澆注。殷墟也出土了一些熔銅坩堝殘片,從其弧度推測其敞口、較淺,很有可能是這類坩堝[14]。

圖2 第一類鑄造用坩堝：1.二里頭瓢形器([21],圖版1),2.徐家壩船形杯([11],26頁)；3.土耳其特洛伊坩堝([3],24頁),4.英國Breiddin坩堝([22],96頁)

圖3 埃及底比斯Rekhmirē墓的壁畫([3],19頁)

第二類鑄造用坩堝通常利用日用陶器來制作的,多在內(nèi)外表面涂泥,比第一類坩堝略深,出土于河南鄭州二里崗、洛陽北窯等遺址(圖4)。鄭州二里崗商代陶大口尊坩堝是將灰色泥質陶大口尊的口部打掉,在腹部與底部外面涂上草拌泥,內(nèi)壁多粘附銅渣和木炭；而陶缸坩堝是利用厚胎粗砂質陶缸制作的,有的在外壁涂抹草拌泥,內(nèi)壁多粘結銅渣[23]。洛陽北窯的坩堝是將圜底陶甕的口部打掉,內(nèi)外壁涂上一層細泥,用草拌泥做成外侈的粗厚的唇緣[24]。李京華認為上述陶大口尊、陶缸、陶甕及二里頭瓢形器等都為熔爐,因為它們是內(nèi)加熱的,而外加熱的才叫坩堝[25],中國古代文獻中也確實只記載了外加熱的坩堝。不過,西方學者定義坩堝為可移動、較小的冶金用具,既有外加熱的,也有內(nèi)加熱的,而不可移動的、較大的冶金用具則叫爐子,都為內(nèi)加熱的[1]。國內(nèi)的考古學家們一般把附有冶金殘留物的陶質殘片稱為坩堝,并不考慮加熱方式,故本文把內(nèi)加熱的、可移動的冶金用具也稱為坩堝。

此外,湖北盤龍城也出土了較多大口陶缸,徐勁松等通過模擬實驗判斷部分陶缸可用于熔銅、澆注[26],但是陶缸上未發(fā)現(xiàn)燒煉痕跡,且形體較大,無法確定是否用于熔銅。河南新鄭監(jiān)獄春秋鑄錢遺址出土較多陶罐和陶甕殘片,罐內(nèi)外粘有紅燒土,有的還有銅汁燒烤的痕跡,發(fā)掘者命名為澆包[27]。河南南陽瓦房莊漢代鑄鐵遺址出土3個圓底陶罐,罐外敷3～4厘米厚的草拌泥,其中1個陶罐內(nèi)還有鐵渣[28]。陜西戶縣兆倫漢代鑄錢遺址的坩堝多為夾砂紅陶,少量為灰陶,平底或圓底,表面未涂泥[29]。這類坩堝是內(nèi)加熱、還是外加熱,是用于熔銅化鐵、還是用作澆包,有待對坩堝作細致的觀察和科技分析后再作判定。

圖4 第二類鑄造用坩堝：1. 鄭州商城陶大口尊([23], 339頁),2. 鄭州商城陶缸([23], 350頁), 3. 洛陽北窯陶甕([24], 61頁),4. 南陽陶罐([28], 59頁),5. 戶縣兆倫坩堝([29], 25頁)

第三類鑄造用坩堝不是日用陶器,多為筒形,平底或圓底,壁較薄,出土于江蘇揚州唐城、山西長治、河南滎陽楚村、內(nèi)蒙古集寧路等遺址(圖5)。揚州唐城熔鑄坩堝,較完整的5件,多為夾砂粗陶和泥質陶,同出的有銅礦石、煤渣、銅銹等,較小的為杯狀,類似戶縣兆倫坩堝,較大為圓筒形[30]。長治爐坊巷遺址出土了上千個坩堝,多為筒形,大小不一,有的坩堝內(nèi)部還有銅液殘留[31]。滎陽楚村元代鑄造遺址出土22個直筒形坩堝,內(nèi)外壁都有熔融痕跡,并粘有煤塊、鐵渣或銅渣[10]。集寧路元代遺址的坩堝為圓筒形,內(nèi)壁殘留有銅渣[32]。這類筒形坩堝像《天工開物》中鑄錢用的熔銅坩堝(圖1),應該是外加熱的,可置于熔爐內(nèi)熔銅化鐵,并用于澆注。2011年山西云岡石窟窟頂遼金鑄鐵遺址發(fā)現(xiàn)了大量坩堝殘片,劉培峰推測為置于化鐵爐里化鐵的坩堝([33], 101頁)。

圖5 第三類鑄造用坩堝：1. 揚州唐城坩堝(左為圓筒形,右為杯形)([30], 24頁),2. 長治坩堝([31], 34頁),3. 滎陽楚村坩堝([10], 圖版4),4. 集寧路坩堝([32], 55頁)

2.2 冶煉用坩堝

河南臨汝煤山[34]、山西榆次源渦[35]和曲沃東白冢[36]等龍山文化遺址曾發(fā)現(xiàn)坩堝殘片,發(fā)掘者判斷是煉銅的,有待驗證。

圖6 洛陽吉利坩堝([38], 23頁)

漢代及漢以前,中國有可能掌握了坩堝煉鐵(鋼)技術,但是證據(jù)不是很充分。在洛陽東周王城一座東周晚期的陶窯內(nèi)出土未使用過的筒狀坩堝,在陶窯操作坑和附近灰坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)使用過的坩堝殘片及鼓風口、爐壁、鐵渣,發(fā)掘者推測該陶窯燒造的是煉鐵用的坩堝[37],但這只是猜測,也不排除用于化鐵的可能性。河南洛陽吉利東漢墓出土11個直筒形坩堝[38](圖6),內(nèi)外壁均燒流,外表面粘有煤塊、熔渣等,內(nèi)表面粘有鐵渣,其中一個坩堝內(nèi)壁附著一塊金屬,何堂坤等鑒定為鑄態(tài)過共析鋼,懷疑是坩堝煉鋼技術的產(chǎn)物[9]。潛偉在《鑌鐵新考》中提到北京清河、內(nèi)蒙古呼和浩特、新疆庫車和民豐等多處漢代遺址出土有煉鐵坩堝,但沒有經(jīng)過嚴格的考古發(fā)掘和科學分析[39]。

目前已明確的坩堝冶煉技術時代較晚,主要用于煉鐵、煉鋅和煉鉛,其技術一直留存到20世紀。這三種技術是中國傳統(tǒng)的坩堝冶煉技術,都是將多個坩堝置于煤炭為主要燃料的長方形煉爐中進行冶煉。爐壁多由磚塊砌就,爐寬和高在1米左右、長度不一,可容納幾十個至上百個坩堝；爐底布置方式多樣,通常在爐壁下部留有多處通風孔；煉爐所用的燃料多為煤炭,也有用焦炭的,可利用自然風力冶煉,也有人工鼓風。

坩堝煉鐵技術在近代流行于山西、河南、山東、遼寧等省,尤以山西省太行山地區(qū)最盛。清康熙《顏山雜記》是最早記載坩堝煉鐵的文獻[40]。西方地質學家和礦冶學家很早就關注這種技術,1882年李希霍芬(F. von Richthofen)所著《中國》(China)介紹了山西晉城坩堝冶煉的情況,之后宿克萊(W. H. Shockley)、丁格蘭(F. R. Tegengren)、李約瑟(J. Needham)等都有報道[41- 43]。20世紀50年代以來,國內(nèi)學者范百勝[44]、韓汝玢和柯俊[42]等對山西晉城和陽城的傳統(tǒng)坩堝煉鐵做過詳細調查。近年來,劉培峰對山西傳統(tǒng)坩堝煉鐵做了綜合性研究,通過田野調查、文獻總結、訪談、實驗分析等研究方法,將太行山地區(qū)坩堝煉鐵的技術類型分為“一步法”和“兩步法”,確定兩種類型的分布特征及探討成因,并梳理坩堝煉鐵的歷史和源流[33]。遺憾的是,他未對考察的遺址進行斷代,也未分析古代的煉鐵坩堝和爐渣,因此復原古代坩堝煉鐵技術還需進一步的工作。

金屬鋅由于其揮發(fā)性,需要用坩堝進行蒸餾才能冶煉出來,煉鋅用的坩堝又叫“蒸餾罐”。最早有關煉鋅的記載見于《天工開物》。由于缺乏實物及考古資料,科技史界從20世紀20年代起依據(jù)古代歷史文獻、黃銅文物的檢測分析和傳統(tǒng)工藝調查來認識中國古代煉鋅技術[45]。20世紀八九十年代胡文龍、韓汝玢[46]、許笠[47]、梅建軍[48]、周衛(wèi)榮和克拉多克(P. T. Craddock)[49]等對云貴地區(qū)傳統(tǒng)煉鋅技術作過調查。至2002年起,重慶豐都、石柱、忠縣、酉陽等地發(fā)現(xiàn)了多處明清煉鋅遺址,出土了大量煉鋅蒸餾罐[50- 52]。作者首次通過冶煉遺物的分析,詳細復原了豐都和石柱明清煉鋅技術,發(fā)現(xiàn)蒸餾罐由罐、冷凝器、兜和蓋組成,氧化鋅礦石和木炭、煤炭等還原劑高溫下在罐中反應,產(chǎn)生的鋅蒸氣通過兜的一側氣道上升至低溫冷凝區(qū)冷凝,收集在兜內(nèi)；明代蒸餾罐為鼓腹平底罐,而清代蒸餾罐為細長圓錐狀(圖7)[53,12,13]。近年來,在廣西羅城和環(huán)江[54- 56]、云南巧家[57]、湖南桂陽[58]等多地發(fā)現(xiàn)了明清煉鋅蒸餾罐,有待更多的研究。

圖7 煉鋅蒸餾罐：1. 豐都明代蒸餾罐及內(nèi)部反應示意圖,2. 石柱清代蒸餾罐

坩堝煉鉛技術是利用金屬鐵從硫化鉛礦將鉛還原出來,最早的記載見于乾隆年間甘肅巡撫吳善達的奏章。1958年大煉鋼鐵期間各地的冶金資料及20世紀六七十年代的冶金學教材中,有對傳統(tǒng)坩堝煉鉛的詳細記載[15]。近些年來,北方地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一批多為遼金元時期的坩堝煉鉛遺址,如河北平泉南鉛溝[59]、唐縣[60]、曲陽燕川[61]、河南桐柏圍山[62]等,出土了大量內(nèi)部充滿爐渣的管狀坩堝殘段(圖8)和坩堝殘底,與傳統(tǒng)坩堝煉鉛的記載相符。陳建立、劉思然、周文麗調查了曲陽燕川和桐柏圍山遺址并分析了冶煉遺物,復原了古代坩堝煉鉛技術[15],下一步將對更多遺址進行調查和研究。

圖8 煉鉛坩堝：1. 曲陽燕川坩堝；2. 桐柏圍山坩堝

3 坩堝的研究

研究坩堝的第一步是對坩堝進行詳細的宏觀觀察,如坩堝的形制、大小、壁厚、材質、受熱情況、冶金殘留物等,來初步判斷坩堝的用途和使用方法。從上文可知,考古發(fā)現(xiàn)的中國古代冶金用坩堝主要分鑄造用和冶煉用坩堝,從早期到晚期有一定的變化規(guī)律。早期的坩堝(如第一類鑄造用坩堝)較淺、敞口,內(nèi)側燒結嚴重并有爐渣,而外側受熱程度較低,可見是內(nèi)加熱的,坩堝的材質看上去不是很致密耐火,壁較厚,有的摻入植物纖維,有較好的隔熱性能,即坩堝內(nèi)側受熱燒結時,外側還能保持較低的溫度。而晚期的坩堝(如第三類鑄造用坩堝和大部分冶煉用坩堝)通常為較深、開口較小的容器,內(nèi)外燒結程度一致,表明是外加熱的,坩堝的材質較為致密、耐火,壁較薄,有較好的導熱性能,以便于熱量從外面?zhèn)鞯嚼锩?。中國古代冶金用坩堝隨著時間變化的情況與西方坩堝的變化一致([2],53頁)。

除了宏觀觀察,采用科技手段對坩堝作進一步的研究也是非常必要的,以充分發(fā)掘肉眼所觀察不到的信息。首先,通過對坩堝渣的分析,可以判斷坩堝里處理的是哪種金屬或合金,以及具體的冶金反應過程。最常用的方法是切取坩堝橫截面,采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡及能譜儀對附著渣作顯微觀察和化學成分分析,通過鑒定渣中各種殘留物相或新生晶體,獲取有關礦石種類及品位、合金原料、還原劑和燃料、反應溫度、氧化還原氣氛等信息。

首先需要鑒別坩堝渣是熔煉渣還是冶煉渣。早在20世紀六七十年代泰利柯特就總結出熔銅渣中非鐵金屬元素和燃料灰的含量較高,含鐵量較低；而煉銅渣量大,以鐵硅酸鹽為主,含鐵量高,非鐵金屬元素含量低([3],19頁)。先秦鑄銅遺址出土了一些典型的熔銅渣,根據(jù)渣中是否含錫、鉛和砷等合金元素可以大致推斷所熔化的合金種類,如二里頭熔煉的合金較為多樣,有純銅、砷銅、砷錫銅、砷錫鉛銅、錫銅、鉛銅、鉛錫銅等[63],而殷墟孝民屯主要熔煉鉛銅和鉛錫銅合金[14],這與各自遺址出土青銅器的合金種類是基本符合的。另外,青銅生產(chǎn)并非只是簡單的將銅、錫和鉛等金屬合金化,也可能采用共同冶煉法(銅礦與其他金屬礦直接冶煉)、礦煉法(金屬銅和其他金屬礦冶煉)和重熔法(青銅廢料重熔),有的還會對粗銅進行精煉,這些不同的冶金反應都會在爐渣中留下線索[64]。

作者對重慶豐都和石柱明清煉鋅渣的分析,發(fā)現(xiàn)豐都明代煉鋅遺址所用的礦石是含鐵氧化物的菱鋅礦(Zn2CO3),這種氧化礦可以不經(jīng)過焙燒,直接進行冶煉,有較高的反應效率；石柱清代煉鋅遺址所用的礦石品位較差、含有較多雜質,如閃鋅礦(ZnS)和重晶石(BaSO4)中的硫會與鋅生成硫化鋅,殘留在爐渣中,而所含鉛和銅的氧化礦、鐵氧化物雜質消耗更多還原劑,從而降低生產(chǎn)效率。而且,石柱煉鋅渣中殘留木炭或煤炭的比例較豐都小,說明石柱煉鋅所用的還原劑相對較少,冶煉溫度可能較低,導致其反應效率較低[12,13]。爐渣的分析有時還需結合實驗室模擬,才能更好的判斷所用的冶金方法。例如,劉思然通過爐渣分析判斷曲陽燕川坩堝煉鉛采用的是鐵還原法,并通過電爐模擬實驗復原了這一過程,證明該法即使在爐渣未完全熔融的情況下也可將金屬鉛很好地還原并分離出來[16]。

此外,坩堝的設計影響了冶金活動的生產(chǎn)效率甚至成敗,研究坩堝的材質、原料、工藝、性能等可以在一定程度上考察古人對冶金技術的掌握程度,探討冶金活動的生產(chǎn)組織方式。作者對殷墟孝民屯坩堝的分析發(fā)現(xiàn),它們有較高的SiO2、較低的Al2O3含量(表1),存在較多粉砂和孔隙,偶見植物纖維,因此比較耐高溫、有較好的隔熱性和抗熱震性[14]。孝民屯坩堝的材質與同出陶器的高粘土含量不同,而與爐壁和陶范的材質相似,應該是以黃土為原料、對其進行“洗土去泥”以提高粉砂含量制作而成[65]。這一現(xiàn)象表明坩堝、爐壁、陶范等很可能不是一般陶工生產(chǎn)的,而是根據(jù)熔銅和鑄造過程的特殊要求,對制陶粘土進行“改性”后制作而成的,體現(xiàn)了坩堝、爐壁和陶范的生產(chǎn)在殷墟可能是一項專業(yè)化的手工業(yè)。

表1 中國古代坩堝的化學成分(wt%)

晚期外加熱坩堝通常有較高的Al2O3、較低的SiO2含量(表1),Al2O3含量在25%以上的坩堝的原料可能是高嶺土類耐火粘土,即“甘土”,有很高的耐火度。洛陽吉利煉鋼坩堝、滎陽楚村熔銅化鐵坩堝、部分曲陽燕川和桐柏圍山煉鉛坩堝還摻有煤炭或木炭,這與《天工開物》中鑄錢熔銅坩堝中加入炭灰的記載是符合的。煤炭或木炭的加入應該與加入石墨類似,可以提高其耐火度、化學穩(wěn)定性、強度、韌性、抗熱震性和導熱性[66]。摻有煤炭的高鋁質坩堝是中國乃至世界陶瓷史上罕見的一種陶瓷材料,有待對其原料、性能和發(fā)展情況作深入研究。這類坩堝的制作要求較高,除了原料特殊外,在使用前可能還要進行預燒,尤其是煉鋅和煉鉛會消耗大量坩堝,需要專業(yè)工匠和窯爐進行專業(yè)化生產(chǎn),可能不是在冶煉遺址中制作的；而煉鋅蒸餾罐上部的冷凝器和兜是在普通的粘土中加入煤炭灰,使用前未經(jīng)過焙燒,只需耐受幾百攝氏度的溫度,應該是在煉鋅作坊里直接加在蒸餾罐上的[12]。

4 結 語

本文通過梳理中國古代冶金用坩堝的歷史記載和考古發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)文獻史料中的坩堝最早用于煉丹,其后用于金銀分離、熔銅、礦煉黃銅、煉鋅、煉鉛、煉鐵等,但是考古出土的坩堝主要有熔銅化鐵和煉鐵、煉鋅、煉鉛坩堝,尚未發(fā)現(xiàn)煉丹、煉金銀、礦煉黃銅等的坩堝。西方發(fā)現(xiàn)大量分離金銀、灰吹法煉銀、礦煉黃銅、坩堝煉鋼的坩堝,并已有較多研究案例[1,2],對西方坩堝的了解將有助于更好地促進國內(nèi)坩堝的發(fā)現(xiàn)和研究。

本文還總結了坩堝科技分析的方法和意義,并列舉了近年來國內(nèi)的案例研究。建議在做有損分析前,在考古現(xiàn)場或庫房用便攜式X射線熒光光譜儀直接對坩堝渣進行定性分析,快速檢測出主要金屬元素,初步判斷坩堝的用途。掃描電鏡是研究坩堝和坩堝渣的最好方法,還可以結合模擬實驗,更好地復原具體的冶金反應過程。另外,建議對坩堝開展系統(tǒng)研究,可以借鑒陶瓷科技分析方法研究坩堝的材質和性能,以期厘清中國古代冶金用坩堝的生產(chǎn)和使用的發(fā)展情況。

希望本文能拋磚引玉,引起考古學家和冶金考古學家對坩堝的重視,促進對坩堝的認識和研究。

1 Rehren Th.Crucibles as reaction vessels in ancient metallurgy [C]// Craddock P T,Lang J.MiningandMetalProductionThroughtheAges.London：British Museum Press,2003.207～215.

2 Rehren Th,Bayley J.Towards a functional and typological classification of crucibles [C]// La Niece S,Hook D,Craddock P T.MetalsandMines:StudiesinArchaeometallurgy.London： Archetype,2007.46～55.

3 Tylecote R F.AHistoryofMetallurgy[M].London：The Metals Society,1976.

4 Tylecote R F.Metallurgical crucibles and crucible slags [C]// Olin J S,Franklin A D.ArchaeologicalCeramics.Washington D C： Smithsonian Institution Press,1982.231～243.

5 Freestone I C,Tite M S.Refractories from the ancient and preindustrial world [C]// Kingery W D.High-technologyCeramics:Past,PresentandFuture.TheNatureofInnovationandChangeinCeramicTechnology.Westerville (OH)： The American Ceramic Society,1986.35～63.

6 Tite M S,Freestone I C,Meeks N D,etc.Examination of refractory ceramics from metal production and metalworking sites [C]// Phillips P.TheArchaeologistandtheLaboratory.London： Council for British Archaeology,1985.50～55.

7 Freestone I C.Refractory materials and their procurement [C]// Hauptmann A.ProceedingsoftheInternationalSymposiumOldWorldArchaeometallurgy.Bochum：Selbstverlag des Deutschen Bergbau-Museums,1987.155～162.

8 Martinón-Torres M,Rehren Th.Technical ceramics [C]// Roberts B W,Thornton C P.ArchaeometallurgyinGlobalPerspective:MethodsandSyntheses.New York：Springer,2014.107～131.

9 何堂坤,林育煉,葉萬松,等.洛陽坩堝附著鋼的初步研究[J].自然科學史研究,1985,(1)：59～63．

10 《中國冶金史》編寫組,鄭州市博物館.滎陽楚村元代鑄造遺址的試掘與研究[J].中原文物,1984,(11)：60～69.

11 楊小剛,鄒后曦,趙叢蒼,等.重慶彭水徐家壩遺址出土商周時期的船形杯功能研究[J].文物保護與考古科學,2012,(1)：26～31.

12 Zhou W,Martinón-Torres M,Chen J,etc.Distilling zinc for the Ming Dynasty: the technology of large scale zinc production in Fengdu, southwest China [J].JournalofArchaeologicalScience.2012,39(4)：908～921.

13 Zhou W,Martinón-Torres M,Chen J,etc.Not so efficient, but still distilled: the technology of Qing Dynasty zinc production at Dafengmen, Chongqing, southwest China [J].JournalofArchaeologicalScience.2014,43(3)：278～288.

14 周文麗,劉煜,岳占偉.安陽殷墟孝民屯出土兩類熔銅器具的科學研究[J].南方文物,2015,(1)：48～57.

15 周文麗,劉思然,劉海峰,等.中國傳統(tǒng)坩堝煉鉛技術初探[J].自然科學史研究,2014,(2)：201～215.

16 Liu S.GoldandSilverProductioninImperialChina:TechnologicalChoicesinTheirSocial-economicandEnvironmentalSettings[D].London：University College London,2015.

17 陳國符.中國外丹黃白法考[M].上海：上海古籍出版社,1997.186.

18 中國人民大學清史研究所檔案系中國政治制度史教研室.清代的礦業(yè) [M].下冊.北京：中華書局,1983.382～383.

19 李京華.《偃師二里頭》有關夏代鑄銅遺物與鑄銅技術的探討——兼談報告存在的幾點問題[J].中原文物,2004,(3)：29～36.

20 梁宏剛.二里頭遺址出土銅器的制作技術研究[D].北京：北京科技大學,2004.

21 廉海萍,譚德睿,鄭光.二里頭遺址鑄銅技術研究[J].考古學報,2011,(4)：561～575.

22 Tylecote R F.ThePrehistoryofMetallurgyintheBritishIsles[M].London：The Institute of Metals,1986.96.

23 河南省文物考古研究所.鄭州商城1953～1985年考古發(fā)掘報告[M].北京：文物出版社,2001.

24 洛陽博物館.洛陽北窯西周遺址1974年發(fā)掘簡報[J].文物,1981,(7)：60.

25 李京華.古代熔爐起源和演變[C]//李京華.中原古代冶金技術研究.鄭州：中州古籍出版社,1994.144～152.

26 徐勁松,董亞巍,李桃元.盤龍城出土大口陶缸的性質及用途[C]//湖北省文物考古研究所.盤龍城1963～1994年考古發(fā)掘報告.北京：文物出版社,2001.599～607.

27 河南省文物考古研究所.新鄭監(jiān)獄春秋鑄錢遺址發(fā)掘簡報[J].中國錢幣,2012,(4)：46～56.

28 河南省文化局文物工作隊.南陽漢代鐵工廠發(fā)掘簡報[J].文物,1960,(1)：58～60.

29 陜西省文保中心兆倫鑄錢遺址調查組.陜西戶縣兆倫漢代鑄錢遺址調查報告[J].文博,1998,(3)：12～31.

30 南京博物院,揚州博物館,揚州師范學院發(fā)掘工作組.揚州唐城遺址1975年考古工作簡報[J].文物,1977,(9)：16～30.

31 史耀清.魅力長治文化叢書——物產(chǎn)尋寶[M].北京：燕山出版社,2005.28～39.

32 內(nèi)蒙古自治區(qū)文物工作隊.元代集寧路遺址清理記[J].文物,1961,(9)：52～57.

33 劉培峰.山西傳統(tǒng)坩堝煉鐵技術研究[D].北京：北京科技大學,2014.

34 中國社會科學院考古研究所河南二隊.河南臨汝煤山遺址發(fā)掘報告[J].考古學報,1982,(4)：427～476.

35 安志敏.中國早期銅器的幾個問題[J].考古學報,1981,(3)：269～285.

36 山西省考古研究所.塔兒山南麓古遺址調查簡報[J].文物季刊,1992,(3)：17～22.

37 洛陽市文物工作隊.洛陽東周王城遺址發(fā)現(xiàn)燒造坩堝古窯址[J].文物,1995,(8)：19～25.

38 洛陽市文物工作隊. 洛陽吉利發(fā)現(xiàn)西漢冶鐵工匠墓葬[J].考古與文物,1982,(3)：23～24.

39 潛偉.鑌鐵新考[J].自然科學史研究,2007,(2)：165～191.

40 劉培峰,李延祥,潛偉.從文獻記載追溯坩堝煉鐵的源流[J].自然科學史研究,2014,(2)：216～222.

41 楊寬.中國古代冶鐵技術發(fā)展史[M].上海：上海人民出版社,2004.80～84.

42 譚德睿,孫淑云.中國傳統(tǒng)工藝全集·金屬工藝卷[M].鄭州：大象出版社,2007.57～62.

43 Wagner D.B.ScienceandCivilisationinChina.Volume 5：ChemistryandChemicalTechnology.Part 11：FerrousMetallurgy[M].Cambridge：Cambridge University Press,2008.38～46.

44 范百勝.山西晉城坩堝煉鐵調查報告[C]//中國科學院自然科學史研究所技術史研究室.科技史文集.第13輯.上海：上?？茖W技術出版社,1985.143～149.

45 Zhou W.The origin and invention of zinc-smelting technology in China [C]// La Niece S,Hook D,Craddock P T.MetalsandMines:StudiesinArchaeometallurgy.London：Archetype,2007,179～186.

46 胡文龍,韓汝玢.從傳統(tǒng)法煉鋅看我國古代煉鋅技術[J].化學,1984,(7)：59～61.

47 許笠.貴州省赫章縣媽姑地區(qū)傳統(tǒng)煉鋅工藝考察[J].自然科學史研究,1986,(4)：361～369.

48 梅建軍.近代中國傳統(tǒng)煉鋅術[J].中國科技史料,1990,(2)：33～37.

49 Craddock P T,Zhou W.Traditional zinc production in modern China: survival and evolution [C]// Craddock P T,Lang J.MiningandMetalProductionThroughouttheAges.London：British Museum Press,2003.267～292.

50 重慶市文化遺產(chǎn)研究院,豐都縣文物管理所.重慶豐都煉鋅遺址群2004～2005年發(fā)掘報告[J].江漢考古,2013,(3)：70～86.

51 李大地,白九江,袁東山.煉鋅考古探析[J].江漢考古,2013,(3)：113～122.

52 李大地,肖碧瑞,楊愛民.忠縣臨江二隊煉鋅遺址發(fā)掘簡報[C]//四川大學博物館,四川大學考古學系,成都文物考古研究所.南方民族考古.第10輯.北京：科學出版社,2014.345～368.

53 Liu H,Chen J,Li Y,etc. Preliminary multidisciplinary study of the Miaobeihou zinc-smelting ruins at Yangliusi village, Fengdu county, Chongqing[C]// La Niece S,Hook D,Craddock P T.MetalsandMines:StudiesinArchaeometallurgy.London：Archetype,2007.170～178.

54 黃全勝,梁興權.廣西羅城古代煉鋅遺址群初步考察[J].廣西民族大學學報(哲學社會科學版),2012,(5)：140～245.

55 黃全勝,李延祥,梁福林,等.廣西環(huán)江紅山古代冶煉遺址初步考察[J].中國礦業(yè),2012,(6)：120～124.

56 Huang Q.Recent investigation on zinc production in Southern China: large-scale distilling zinc at Huangjinzhen site during the 18thcentury[C].Nara: Proceeedings of BUMA VIII,2013.179～183.

57 Fan A,Jin Z,Liu Y,etc.OSL chronology of traditional zinc smelting activity in Yunnan province, southwest China [J].QuaternaryGeochronology,2015,(30)：369～373.

58 莫林恒.湖南省桂陽縣礦冶遺址調查簡介[DB/OL](2015- 10- 14)[2015- 5- 28].http://www.hnkgs.com/show_news.aspx？id=1086.

59 韓汝玢,柯俊.中國科學技術史·礦冶卷[M].北京：科學出版社,2007.316～317.

60 Xie P,Rehren Th.Scientific analysis of lead-silver smelting slag from two sites in China [C]// Mei J,Rehren Th.MetallurgyandCivilisation:Eurasiaandbeyond.London：Archetype,2009.177～183.

61 定窯考古隊.河北曲陽澗磁村定窯遺址[DB/OL](2010- 06- 12)[2015- 5- 28].http://www.china.com.cn/culture/2010- 06/12/content_20250706.htm.

62 李京華.冶金考古[M].北京：文物出版社,2007.71～72.

63 李延祥,許宏.二里頭遺址出土冶鑄遺物初步研究[C]//中國社會科學院考古研究所考古科技中心.科技考古.第2輯.北京：科學出版社,2007.59～82.

64 周文麗,劉煜,岳占偉.先秦鑄銅遺址出土熔銅與鼓風器具的發(fā)現(xiàn)和認識[C]//中國社會科學院考古研究所.夏商都邑與文化(一)：“夏商都邑考古暨紀念偃師商城發(fā)現(xiàn)30周年國際學術研討會”論文集.北京：中國社會科學出版社,2014.394～417.

65 岳占偉,荊志淳,劉煜,等.殷墟陶范、陶模、泥芯的材料來源與處理[J].南方文物,2015,(4)：152～159.

66 Martinón-Torres M,Rehren Th.Post-medieval crucible production and distribution: a study of materials and materialities [J].Archaeometry,2009,51(1)： 49～74．

Discovery and Study of Metallurgical Crucibles in Ancient China

ZHOU Wenli1, LIU Siran2, CHEN Jianli3

(1.InstitutefortheHistoryofNaturalSciences,CAS,Beijing100190,China; 2.InstituteofHistoryofMetallurgyandMaterials,USTB,Beijing100083,China; 3.SchoolofArchaeologyandMuseology,PKU,Beijing100081,China)

Crucibles were important tools in ancient metallurgical activities, but the study of crucibles in China is still in its infancy. By summarising historical documents on crucibles, this paper found that it was the alchemists of the Eastern Han Dynasty who first used crucibles; from the Song Dynasty, crucibles were mostly used for gold and silver smelting; and some crucibles calledguanandtongwere also used for copper melting, as well as zinc, lead and iron smelting. In addition, according to archaeological evidence, there were two types of crucibles: casting crucibles for melting copper and iron, which could be further divided into three subtypes; and smelting crucibles for smelting iron, zinc and lead. This paper then introduces common methods to study crucibles, and elaborates how the analysis of crucibles and crucible slag could solve issues surrounding metallurgical techniques, and the efficiency and organization of production．

crucible, casting, smelting

2015- 10- 05；

2016- 06- 20

周文麗,1982年生,浙江嵊州人,博士,副研究員,研究方向為冶金考古；劉思然,1987年生,北京人,博士,講師,研究方向為冶金考古；陳建立,1973年生,河南虞城人,博士,教授,研究方向為冶金考古。

國家自然科學基金青年科學基金項目《中國古代坩堝煉鉛技術初步研究》(項目編號：514004214)；中國科學院自然科學史研究所重大突破項目《中國古代坩堝冶煉技術研究》(項目編號：Y621011003)

N092∶TF-092

A

1000- 0224(2016)03- 0358- 13