周文麗劉思然劉海峰陳建立

（1.中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，北京100190；2.英國倫敦大學(xué)學(xué)院考古研究所，倫敦WC1H 0PY；3.北京科技大學(xué)冶金與材料史研究所，北京100083；4.北京大學(xué)考古文博學(xué)院，北京100081）

中國傳統(tǒng)坩堝煉鉛技術(shù)初探

周文麗1劉思然2劉海峰3陳建立4

（1.中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，北京100190；2.英國倫敦大學(xué)學(xué)院考古研究所，倫敦WC1H 0PY；3.北京科技大學(xué)冶金與材料史研究所，北京100083；4.北京大學(xué)考古文博學(xué)院，北京100081）

坩堝煉鉛法是中國傳統(tǒng)煉鉛技術(shù)中一種特別的冶煉方法，即在坩堝中用鐵從硫化鉛中還原出鉛。本文梳理有關(guān)坩堝煉鉛的文獻(xiàn)資料，詳細(xì)介紹該技術(shù)的冶煉過程，包括爐子的建造、坩堝的制作、配料、冶煉操作和金銀的提取。另外，對(duì)近年來發(fā)現(xiàn)的兩處古代坩堝煉鉛遺址出土的坩堝和爐渣進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)，以復(fù)原當(dāng)時(shí)的技術(shù)。并與蒸餾法煉鋅、坩堝煉鐵等中國傳統(tǒng)坩堝冶煉技術(shù)作比較，闡述坩堝煉鉛的技術(shù)特征。

坩堝煉鉛 鐵還原 長方形爐

鉛是自然界中非常重要的重金屬之一，它的熔點(diǎn)很低（327℃），遠(yuǎn)低于銅鐵，較易冶煉，可能是人類最早冶煉出來的金屬。早在公元前6千紀(jì)，地中海東部和中東就已發(fā)現(xiàn)了一些鉛器［1］。中國已知最早的含鉛制品是甘肅永靖秦魏家出土的齊家文化時(shí)期的銅環(huán)［2］，含鉛量為5%，而最早的純鉛器是出土于遼西大甸子夏家店下層文化墓地的兩件鉛制品［3］。商周時(shí)期鉛是青銅器的重要合金元素之一，青銅器中鉛含量可高達(dá)30%多；鉛還用于制作純鉛器，多作為隨葬的明器［4，5］。秦漢以后，鉛被大量用于制造錢幣、鉛丹、火藥和生產(chǎn)金銀等［6］。

鉛在古代的用途如此廣泛，但是古文獻(xiàn)中有關(guān)鉛的冶煉技術(shù)的記載很少。明代宋應(yīng)星《天工開物》“五金篇”說鉛有“銀礦鉛”、“銅山鉛”、“章節(jié)鉛”三種［7］，其中“銀礦鉛”是含銀的方鉛礦（硫化鉛，PbS），“銅山鉛”是含鉛的多金屬石英脈礦，“章節(jié)鉛”是方鉛礦［8］，這些鉛礦石都是在爐子中直接冶煉。一般而言，古代煉鉛用的礦石主要為方鉛礦，可以在敞爐中較為氧化的氣氛下直接反應(yīng)，生成的氧化鉛和硫化鉛反應(yīng)直接生成金屬鉛；也可以冶煉前先將方鉛礦焙燒成氧化鉛，然后在豎爐中還原生成金屬鉛。若所得到的金屬鉛中含銀，可用灰吹法煉銀，因此煉鉛與煉銀是緊密相關(guān)的。

近年來，學(xué)界發(fā)現(xiàn)中國還有一種坩堝煉鉛的傳統(tǒng)方法，即在坩堝中用鐵從方鉛礦取代出鉛。這種坩堝煉鉛法是利用比鉛對(duì)硫有更大化學(xué)親和力的金屬鐵，從硫化鉛中把鉛取代出來，而鐵則與硫結(jié)合形成硫化物（反應(yīng)化學(xué)式為Fe+PbS=FeS+Pb）。反應(yīng)結(jié)束后，生成的鉛由于密度最大，沉在坩堝的最下面，而生成的硫化鐵在中間，爐渣在最上面。這個(gè)反應(yīng)根據(jù)密度的大小分離出鉛，所以又稱作“沉淀熔煉法”。

最早明確指出中國存在坩堝煉鉛法是《中國科學(xué)技術(shù)史·礦冶卷》，書中引用了一則清乾隆年間甘肅巡撫的奏章，并展示了一張河北平泉南鉛溝遼金元時(shí)期煉鉛坩堝殘片堆積的照片［9］?！吨袊鴤鹘y(tǒng)工藝全集·金屬工藝卷》也提到“沉淀煉鉛”法，引用的是1958年大煉鋼鐵時(shí)期的一份傳統(tǒng)煉鉛資料［10］。這些材料雖未展開充分的討論，但為中國古代存在坩堝煉鉛法提供了重要的線索。直到2009年，北京大學(xué)考古文博學(xué)院等在河北曲陽發(fā)掘定窯遺址時(shí)，在燕川村發(fā)現(xiàn)了一處坩堝冶煉遺址，經(jīng)初步研究判斷坩堝是用于煉鉛的［11］；2010年陳建立等在調(diào)查河南桐柏圍山遺址時(shí)，發(fā)現(xiàn)了與燕川遺址類似的冶煉遺物。另外，在河北唐縣［12］、山西翼城［13］、山西應(yīng)縣和遼寧遼陽①承山西省考古研究所劉巖先生惠告，在山西應(yīng)縣發(fā)現(xiàn)內(nèi)部充滿爐渣的坩堝中段殘塊，年代初定為遼金時(shí)期；承中國人民大學(xué)劉未先生惠告，在遼寧遼陽冮官屯窯也發(fā)現(xiàn)內(nèi)部充滿爐渣的坩堝中段殘塊，年代可能是遼金時(shí)期。等地也有類似遺物的發(fā)現(xiàn)。多處坩堝煉鉛遺址的發(fā)現(xiàn)為研究這種技術(shù)提供了重要的契機(jī)。

本文結(jié)合文獻(xiàn)記載與實(shí)物證據(jù)，對(duì)有關(guān)坩堝煉鉛的文獻(xiàn)記載作進(jìn)一步的梳理和分析，對(duì)曲陽燕川和桐柏圍山遺址出土坩堝和爐渣進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)，試圖復(fù)原傳統(tǒng)坩堝煉鉛技術(shù)，并與中國傳統(tǒng)蒸餾法煉鋅和坩堝煉鐵技術(shù)進(jìn)行比較，闡述坩堝煉鉛的技術(shù)特征。

1 有關(guān)坩堝煉鉛的文獻(xiàn)記載

目前發(fā)現(xiàn)中國古代與坩堝煉鉛技術(shù)有關(guān)的文獻(xiàn)記載，只見于清乾隆二十二年（1757年）甘肅巡撫吳善達(dá)的奏章中［14］：

今開采喜雀嶺鉛觔，經(jīng)靖遠(yuǎn)縣試煎一爐，裝礦砂四百五十斤，共煎獲凈鉛二百二十五斤，每采礦砂一斤給工價(jià)銀一分一厘二毫五絲，共用銀五兩六分二厘五毫。自喜雀嶺至打拉池計(jì)程一百四十里，每馱礦砂一百二十斤，給腳價(jià)銀二錢一分二厘五毫，每爐裝燒礦砂四百五十斤，共該腳價(jià)銀七錢九分六厘八毫七絲五忽。每爐用裝礦砂罐一百個(gè)，每個(gè)銀三厘七毫五絲，共用銀三錢七分五厘。每礦砂一斤加用分鉛生鐵六兩八錢五分，共用生鐵一百九十二斤十一兩五錢，每斤銀一分三厘七毫五絲，共用銀二兩六錢四分八厘六毫三絲六忽七微。每礦砂一斤加燒煉石炭一斤八兩，共用石炭六百七十五斤，每斤銀五毫五絲，共用銀三錢七分一厘二毫五絲。每爐用引火柴一捆，銀七厘五毫。每爐用墁爐麥草一束，銀六厘二毫五絲。每爐用熄火水六擔(dān)，銀七厘五毫。每爐用碾裝砂礦并拉風(fēng)箱小夫二名，每名給銀五分，共用銀一錢。每爐用分鉛匠一名，給銀六分。每爐用清鉛石炭四十斤，每斤銀五毫五絲，共用銀二分二厘。以上共用銀九兩四錢五分七厘五毫零，以每爐出凈鉛二百二十五斤攤算，每凈鉛一斤

實(shí)需商本銀四分二厘零。

該奏章為吳善達(dá)上奏乾隆皇帝，請(qǐng)求開采甘肅靈州喜鵲嶺鉛礦，并將試煎所需的原料、運(yùn)輸和勞力的費(fèi)用一一列出。奏章中記載的試煎所用的即坩堝煉鉛法：將450斤“礦砂”（鉛礦石）和190余斤“分鉛生鐵”（還原劑鐵）盛入100個(gè)“裝礦砂罐”（坩堝）中，用675斤“石炭”（即煤炭）為燃料在“爐”中加熱，得到225斤“凈鉛”（表1）。

根據(jù)1958年大煉鋼鐵期間曾出版過傳統(tǒng)煉鉛的書籍資料的線索，搜集到三本記載有坩堝煉鉛法的小冊(cè)子，包括兩本《土法煉鉛》和一本《土法自來風(fēng)爐提煉銅鉛金銀》［15—17］。另外，在20世紀(jì)六七十年代出版的鉛冶金的教材中發(fā)現(xiàn)了較為詳盡的坩堝煉鉛法的描述，不過至90年代教材中的記載已很簡(jiǎn)略，而21世紀(jì)以來出版的教材已無對(duì)該法的介紹［18—22］。1996年，李興正發(fā)表了《淺談土法（坩堝爐）煉鉛》一文，提到該法在20世紀(jì)90年代湖南省南部、廣東省北部仍廣泛被個(gè)體和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)所采用［23］。隨著近年來政府對(duì)傳統(tǒng)冶煉的取締，這種傳統(tǒng)煉鉛技術(shù)可能已不復(fù)存在。根據(jù)1958年以來的資料，可見坩堝煉鉛法是把鉛礦石、鐵等原料裝在坩堝里，將幾十個(gè)至幾百個(gè)坩堝并排置于長方形的爐子中，用煤炭或焦炭作為燃料加熱坩堝，坩堝內(nèi)部的鉛礦石被鐵還原出鉛的方法。不同地方冶煉操作有差異，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。冶煉過程包括爐子的建造、坩堝的制作、配料、冶煉操作和金銀的提取，具體步驟詳述如下。

（1）爐子的建造

坩堝煉鉛的爐子為長方形，兩長邊和一短邊砌三面爐墻，一短邊留作活墻（圖1）。爐子容積大小，視鉛的產(chǎn)量（坩堝的數(shù)量）而定，寬度以操作方便為宜，通常為1～2米，長度不一，短則1米，長可達(dá)3米，高度通常為1米左右。爐身里底部稍寬于上部，形成梯形，以保證火力集中，節(jié)省燃料。三面爐墻或由土坯、破磚或亂石建造，造價(jià)低但耐火度差，或由耐久的耐火磚砌就，內(nèi)部涂以一層煤末或摻焦炭粉的耐火泥。

這種爐子利用自然通風(fēng)，有的稱其為“自來風(fēng)爐”，其爐底部通風(fēng)道的設(shè)置對(duì)冶煉效果有很大影響。爐底部鋪一層厚5～10厘米的泥土，使?fàn)t底高于外部地面，讓空氣能自下而上送入爐中。在土層上鋪磚條，沿著爐身長度平行擺放5～10行，行間距約為10厘米；磚與磚之間留1～2厘米縫隙，以便于爐內(nèi)空氣自由穿通（圖1）。在磚條上面橫擺耐火土制爐條，也可由破舊坩堝塊作爐條，其作用是使?fàn)t底空間加高，風(fēng)力暢通，還能承托上部煤炭不致下落；爐條有兩種擺法：一種是“一字平列”，另一種是條與條“頂端交叉”?；顗υ谘b爐前才砌就，砌在磚條的上部，以擋住燃料和坩堝，出爐時(shí)推倒，便于提罐出爐和清理爐膛。

自來風(fēng)爐在建爐時(shí)一般不用考慮方向，但是活墻外要有較大空地放置冶煉完的坩堝。若在山溝建爐盡量使?fàn)t子與山溝方向垂直，這是因?yàn)樯綔弦话泔L(fēng)大，順著山溝建爐風(fēng)力從一端進(jìn)入，從另一端排出，爐中就得不到足夠的風(fēng)力。

圖1 坩堝煉鉛爐（［20］，247頁）

（2）坩堝的制作

坩堝的形狀多為管狀，高35～50厘米，直徑10～16厘米；也有直徑大到25厘米，但是高度也只有32厘米的筒狀坩堝。制作坩堝的泥料需能耐高溫，通常是用耐火土（如坩子土），摻入一定比例的熟料（如缸砂）和焦炭或煤炭粉末；和泥時(shí)均勻混合，用碾子碾熟或用腳踩、木棒或鐵棍抽打，最后用濕布或濕麻袋蓋上，陳腐幾天。坩堝多用木模翻制而成。為脫模方便，除在木模上撒放干粉或缸砂外，還用布套套上，布套上留有透氣眼，套頂部留一條細(xì)繩，以提取布套（圖2）。最后將泥坨放在木套上，用手按打，再用木板抽打一遍。制好的坩堝需自然干燥，然后放在爐子旁邊受熱干燥待用。

（3）配料

煉鉛所用的鉛礦石是方鉛礦，礦石含鉛最好達(dá)到30%以上，若品位較低可以先進(jìn)行手選和水選，并粉碎到0.5～1.5厘米大小。礦石中加入約10%～40%的廢鐵（如鐵屑、鐵末、鐵皮、鐵塊等），加鐵的多少根據(jù)礦石中硫含量的多少而定；加入的鐵不能生銹，否則會(huì)影響冶煉。鉛礦中還要加入一定量的煤末或焦炭末，有的時(shí)候還加入少量的石灰（CaCO3）或蘇打（Na2CO3），作為熔劑和脫硫劑，以提高鉛的回收率［15］。如果沒有鐵，可用鐵礦石和焦炭、木炭等還原劑加入坩堝內(nèi)，使其冶煉生成鐵后再還原硫化鉛［10，15］。

（4）冶煉操作

裝爐冶煉前，先砌好活墻，再在爐條上放一層底煤，上鋪一層容易燃燒物料（如稻草、木屑、木柴、木炭等），分層裝入大號(hào)煤、二號(hào)煤、三號(hào)煤、四號(hào)煤，煤塊大小從大到小，煤層總厚度為40～80厘米（圖3）。將坩堝排列在煤層上，裝坩堝時(shí)要托住坩堝底部，以防破裂，并保持坩堝與墻的四周留有5～10厘米的空隙，用碎煤將空隙填滿。用坩堝殘片或瓦片、缸片蓋在坩堝上，以減少熱量的損失。從下部通風(fēng)口用木柴引火，就可以讓其自行燃燒。一般冶煉3～8小時(shí)后，爐料熔化，發(fā)出“像熬粥一樣‘庫察庫察’的聲音”，坩堝口不再冒白煙，可持鐵棍或鐵釬插入坩堝里試探，看是否還有鉛混在上層的“釉子”（即爐渣）里。若爐渣里鉛顆粒較少，似玻璃，表明反應(yīng)充分，即可拆除活墻將坩堝取出；也可堵住通風(fēng)道，待爐內(nèi)冷卻后取出坩堝。最后打碎坩堝，打去上層的爐渣和中層的硫化亞鐵，得到最下層的鉛，又稱“鉛餅”或“鉛蛋”。將不帶爐渣的坩堝壁碾碎，可以代替缸砂作為制作坩堝的熟料。也有采用倒出法，在坩堝出爐后、冷卻前利用鉛重渣輕的原理進(jìn)行鉛渣分離。

圖2 制作管狀坩堝的木模、布套與制成的坩堝（［20］，246頁）

圖3 裝煤碼罐示意圖（［20］，248頁）

（5）從粗鉛中提金銀

硫化鉛礦通常含有金銀等貴金屬，可從坩堝生產(chǎn)的鉛中提煉銀和金，采用的是傳統(tǒng)的“灰吹法”，即利用鉛易于被氧化成氧化鉛、氧化鉛可被爐灰吸收的性質(zhì)而把鉛中的銀提取出來。煉銀爐為長方形，用土坯磚石等砌成，爐底用灰料抹成一個(gè)或數(shù)個(gè)橢圓形的爐池，用于放置粗鉛。灰料的配比為50%～70%灶灰或木柴灰，30%～50%石灰或洋灰。爐池上置耐火泥制成的月牙形或括形爐條，爐條上放煤炭或焦炭加熱，爐池里的粗鉛熔化后滲入爐底灰內(nèi)，留下銀。滲入鉛的爐底灰就是氧化鉛，俗稱“大底”，可以粉碎后加煤末裝罐冶煉，重新生成鉛。所得銀若含有一定量的金，可用硫酸或硝酸溶液溶解，銀生成硫酸銀或硝酸銀，而金沉淀下來。硫酸銀和硝酸銀可用銅置換得銀。

2 古代坩堝煉鉛的實(shí)物證據(jù)

前述清代奏章并非中國古代使用坩堝煉鉛法的孤證。目前在中國北方已發(fā)現(xiàn)包括河北曲陽燕川、河南桐柏圍山在內(nèi)的多處唐宋遼金元時(shí)期的坩堝冶煉遺址，這些遺址出土的坩堝為圓筒形，多為內(nèi)部充滿爐渣的坩堝中段和未附著爐渣的坩堝底部，通過對(duì)爐渣的初步分析判斷坩堝是用于煉鉛的，采用的很可能是鐵還原法。下面將以曲陽燕川和桐柏圍山遺址為例，從檢測(cè)分析角度對(duì)此技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要探討，與文獻(xiàn)研究相互佐證，為了解此技術(shù)的發(fā)展過程提供資料。

河北曲陽燕川遺址緊鄰著名的宋元時(shí)期燒造白瓷的定窯遺址。2009年9月至12月北京大學(xué)考古文博學(xué)院、河北省文物研究所和曲陽縣定窯遺址文物保管所組成聯(lián)合考古隊(duì)，對(duì)定窯遺址進(jìn)行考古發(fā)掘，在燕川村發(fā)現(xiàn)一處冶煉遺址，出土了大批坩堝、爐渣等冶煉遺物，堆積層厚達(dá)一米多，面積可達(dá)十萬平方米左右，發(fā)掘者將年代初步定為金元時(shí)期［11］。陳建立等于2009年11月赴發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)考察，并于2013年4月再次調(diào)查燕川遺址，對(duì)坩堝和爐渣進(jìn)行了取樣和初步分析。

河南桐柏圍山遺址在河南省西南部的桐柏縣圍山村，南臨破山銀礦，屬銀鉛共生礦［24］。李京華曾對(duì)該遺址做過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)圍山遺址東西長約500米，南北寬25～70米，出土大量坩堝和爐渣，遺址西北部餅式渣較多，為豎爐冶煉區(qū)，東南部多為坩堝殘塊和坩堝渣，為坩堝冶煉區(qū)［25］。李京華認(rèn)為圍山遺址是唐宋時(shí)期的煉銀遺址，但他未對(duì)兩類爐渣做過分析。2010年3月陳建立等對(duì)圍山遺址進(jìn)行了田野調(diào)查，采集到一批坩堝和爐渣樣品，并對(duì)樣品進(jìn)行了初步分析。

對(duì)兩處遺址出土的坩堝和爐渣進(jìn)行了宏觀觀察、顯微觀察和掃描電子顯微鏡及能譜分析。將坩堝和爐渣制成標(biāo)準(zhǔn)金相樣品后，先在金相顯微鏡下進(jìn)行單偏光和正交偏光顯微組織觀察，然后用掃描電子顯微鏡及能譜儀獲得樣品的平均成分和物相成分，平均成分是3～5次面掃隨機(jī)區(qū)域后平均所得，并經(jīng)配氧和歸一化處理。本次分析工作完成于北京大學(xué)考古文博學(xué)院和英國倫敦大學(xué)學(xué)院。因篇幅所限，本文只列出少量數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)要說明分析結(jié)果，更詳細(xì)、深入的研究結(jié)果將另撰文論述。

燕川出土坩堝呈黃白色，均為使用過的殘斷品，多為上下均殘缺的、內(nèi)部充滿爐渣的坩堝中段以及圜底的坩堝底部，部分坩堝表面黏附有流淌出來的爐渣（圖4a）。燕川坩堝為圓筒狀，外徑為8～9厘米；壁厚不均勻，為3～8毫米；底部為圜底，最厚處達(dá)1.5～2.2厘米；因未發(fā)現(xiàn)完整的坩堝，其總高不明，但較長的坩堝中段殘塊有約20厘米。桐柏所出坩堝與燕川坩堝類似，也為圓筒狀，上部口徑（7～10厘米）略寬于下部口徑（6～8厘米）（圖4b），壁較厚，約1～2厘米，底部最厚處可達(dá)4～5厘米，最長的坩堝中段殘塊也有近20厘米。

圖4 燕川（a）和圍山（b）出土的坩堝中段，內(nèi)部充滿爐渣（標(biāo)尺總長20厘米）

2013年4月調(diào)查燕川遺址時(shí)采集到一塊燒結(jié)的冶煉爐底，九個(gè)完整坩堝底部及大量坩堝殘片仍黏結(jié)在爐底的煤渣上（圖5）。這表明這些坩堝是并排置于爐內(nèi)，排列非常緊密，其間留有的空隙很小，說明坩堝主要由煤炭從下部加熱。從圖5可以看出，坩堝圜底與坩堝壁并不是一體的，圜底較厚，周圍有明顯的斷口，而較薄的坩堝壁包住了圜底。這說明兩者不是一次制作而成，而是在圜底上再加制坩堝壁，這一現(xiàn)象可能表明坩堝底部可被重復(fù)利用。重復(fù)利用較厚的圜底可以節(jié)約原料，而且圜底經(jīng)過煉鉛過程中的加熱會(huì)形成燒結(jié)程度更高的胎體，更為耐火，不過如果圜底和坩堝壁之間的結(jié)合不緊密，會(huì)造成冶煉失敗。

圖5 燕川遺址采集所得燒結(jié)冶煉爐底，九個(gè)完整的坩堝底部呈正方形排列于其上，圜底和坩堝壁不是一體的（標(biāo)尺總長20厘米）

使用這類圓筒形坩堝，相對(duì)于敞口的坩堝，較易保持冶煉過程中的還原氣氛。圜底坩堝比平底坩堝有更好的抗熱震性。坩堝的底部較厚，有利于維持結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，也可提高底部對(duì)爐料的侵蝕能力［26］。從坩堝基體的化學(xué)成分來看，用于制作坩堝的黏土較為耐火，含有25%左右的Al2O3，少量FeO、K2O和CaO等熔劑組分（表2）。坩堝中還含有較多夾雜物，最大的可達(dá)1～2毫米，其成分類似于基體。制作坩堝的可能是高嶺土類原料，但是含有較多雜質(zhì)。坩堝基體的燒結(jié)程度較高，在使用前可能經(jīng)過預(yù)燒。坩堝內(nèi)側(cè)幾乎未與爐渣融合，兩者界限清晰。

表2 燕川和圍山坩堝基體的平均化學(xué)成分（w t%）

燕川和圍山遺址出土坩堝內(nèi)部充滿綠色、黑色或藍(lán)色玻璃態(tài)爐渣，爐渣中多夾雜有大量的石英類夾雜物，桐柏遺址爐渣的孔隙率高于燕川遺址，爐渣的上部通常有較大的氣泡（圖4）。兩處遺址出土爐渣的玻璃態(tài)基體的初步化學(xué)分析顯示，爐渣多為CaO-FeOSiO2體系（表3），SiO2含量超過40%，F(xiàn)eO和CaO含量波動(dòng)較大，有的爐渣CaO含量可達(dá)15%，顯示可能使用了鈣質(zhì)助熔劑。其他元素中Al2O3含量亦波動(dòng)較大，還含有少量的SO3、PbO和ZnO。爐渣中的鉛含量較低，有的低于電鏡能譜的檢出限（0.1%），這說明冶煉時(shí)坩堝內(nèi)的還原氣氛很強(qiáng)，鉛無法以氧化態(tài)存在，大部分被還原為金屬鉛，而少量仍以硫化態(tài)存在。爐渣中含有金屬鉛顆粒和硫化亞鐵顆粒，燕川爐渣中還發(fā)現(xiàn)金屬鐵顆粒，尺寸較大者肉眼可見，最大的長達(dá)1厘米（圖6），圍山爐渣中還發(fā)現(xiàn)包含有金屬鉛、金屬鐵、鉛鐵硫化物等的顆粒（圖7）。普遍存在的金屬鉛可作為坩堝用于煉鉛的主要證據(jù)。另外鉛顆粒中普遍含銀，燕川爐渣中有近一半鉛顆粒含銀，有的含銀量高達(dá)13%，圍山爐渣中的鉛顆粒大多含銀，銀含量1%～3%，這表明兩處遺址所煉出的鉛可用于提銀。

圖7 圍山爐渣中發(fā)現(xiàn)的多相顆粒的掃描電鏡背散射電子照片，該顆粒由金屬鉛、金屬鐵以及硫化物（硫化鉛小顆粒分散在硫化鐵相中）組成（放大倍數(shù)800倍，左下角標(biāo)尺長70微米）

從圍山爐渣中的多相顆粒（圖7）可以看出，金屬鐵與硫化物在高溫下共熔形成液相，過剩的鐵置換硫化物中的鉛，使其還原成為金屬鉛。金屬鉛比重較大，率先沉降至坩堝底部，只有少量殘留附著于硫化物顆粒周邊。冷卻過程中未反應(yīng)的鐵從硫化物中析出，形成硫化物顆粒內(nèi)的不規(guī)則狀物相。需要說明的是，爐渣中的鐵顆粒為次生產(chǎn)物，即從硫化物液相中析出而成，尚無法準(zhǔn)確判定金屬鐵的原始形態(tài)或來源。不過燕川爐渣中還發(fā)現(xiàn)了肉眼可見的金屬鐵顆粒，表明很有可能金屬鐵以單質(zhì)形式加入坩堝。但據(jù)爐渣分析結(jié)果尚無法排除部分鐵在坩堝中由鐵氧化物還原而成的可能性。

兩處遺址坩堝內(nèi)側(cè)還發(fā)現(xiàn)了少量木炭遺痕（圖8），說明木炭亦可能作為還原劑被加入坩堝中。爐渣較高的孔隙率可能為這部分木炭氧化形成的二氧化碳?xì)怏w無法從高黏度的爐渣表面排出所致。木炭的作用主要是增強(qiáng)坩堝內(nèi)的還原氣氛，以使鐵不被氧化進(jìn)入爐渣中，提高反應(yīng)效率。不過，燕川和圍山發(fā)現(xiàn)的坩堝中段均被爐渣完全填充，最長渣塊長度超過20厘米，除了坩堝底部，未被爐渣填充的坩堝殘片較少見于遺址。這一現(xiàn)象與其他蒸餾法煉鋅、坩堝煉鐵等坩堝冶煉遺物存在較大區(qū)別，后兩者的坩堝中渣量很少，未黏爐渣的坩堝壁較多，說明坩堝內(nèi)的大量碳質(zhì)還原劑被燃燒氣化。而燕川和圍山坩堝中較長的渣塊表明碳質(zhì)還原劑的用量很小，金屬鐵可能是主要還原劑。

圖8 圍山坩堝和爐渣交界處的單偏光顯微照片，箭頭指示兩塊木炭遺痕（放大倍數(shù)200倍，右下角標(biāo)尺長100微米）

綜上所述，曲陽燕川和桐柏圍山遺址可能使用了金屬鐵與木炭的混合物作為還原劑與硫化鉛反應(yīng)，生成的金屬鉛沉降至坩堝底部。待整個(gè)體系冷卻后，打破坩堝底收集鉛金屬。由于坩堝為一次性使用，大量充滿爐渣的坩堝殘塊被遺棄在遺址上。截至目前，尚未在兩處遺址發(fā)現(xiàn)坩堝煉鉛爐的遺跡，爐型結(jié)構(gòu)無法復(fù)原。

3 討 論

燕川和桐柏遺址出土坩堝和爐渣所反映的冶煉技術(shù)在很多方面都與1958年以來文獻(xiàn)記載的傳統(tǒng)坩堝煉鉛技術(shù)類似。首先，兩處遺址的坩堝主要為圓筒形、圜底，與文獻(xiàn)中記載的坩堝形制相似，體量略??；坩堝的原料以高嶺土為主，而文獻(xiàn)中提到制作坩堝的主要原料是“耐火土”、“坩子土”等，也是高嶺土類耐火黏土。其次，兩處遺址坩堝中的爐渣中鐵含量較高，存在一些鉛顆粒、鐵顆粒、硫化亞鐵和木炭等，表明很可能使用了金屬鐵和木炭為還原劑冶煉硫化鉛的方法，而文獻(xiàn)中記載用鐵和焦炭或煤炭為還原劑。再次，從燕川遺址發(fā)現(xiàn)的燒結(jié)爐底上緊密排列的九個(gè)坩堝底部可以判斷坩堝在爐子中的排列方式，這也與文獻(xiàn)中描述的坩堝煉鉛爐中坩堝的放置方式一致。

從古代遺址的實(shí)物證據(jù)、清代奏章和1958年以來的記載的一致性，可以判定坩堝煉鉛技術(shù)是中國一種傳統(tǒng)煉鉛法。這種技術(shù)和中國傳統(tǒng)蒸餾法煉鋅、坩堝煉鐵等坩堝冶煉技術(shù)在很多方面非常相似，都是將多個(gè)坩堝放置在以煤炭為燃料的長方形煉爐中冶煉。長方形煉爐的爐壁多由磚塊砌就，爐子的寬和高在1米左右，長度不一，可以容納幾十個(gè)至幾百個(gè)坩堝；這種爐子的底部布置方式多樣，通常在爐壁下部留有多處通風(fēng)孔；爐子所用的燃料多為煤炭，一般利用自然風(fēng)力冶煉，不需要鼓風(fēng)設(shè)備。坩堝冶煉技術(shù)，相比于在爐子中直接冶煉，可將燃料的燃燒和礦石的還原分離開，這樣一方面可以確保坩堝內(nèi)部保持很強(qiáng)的還原性，另一方面可以用煤炭為燃料、利用自然風(fēng)力，與以木炭為主要燃料、需要人力鼓風(fēng)的爐子冶煉相比，大大降低了冶煉成本。

在這三種可以由坩堝冶煉的金屬中，鋅由于其揮發(fā)性，只能用坩堝來進(jìn)行蒸餾。中國古代蒸餾法煉鋅技術(shù)采用下火上凝的方式，最晚從明代后期即已使用，清代鋅在西南地區(qū)有大規(guī)模生產(chǎn)，明清時(shí)期鋅主要用于生產(chǎn)黃銅錢幣、禮器、造像和用具等［27，28］。20世紀(jì)煉鋅技術(shù)在西南偏遠(yuǎn)地區(qū)一直都在使用，1958年大煉鋼鐵期間也曾用過這種技術(shù)［29—33］。據(jù)傳統(tǒng)煉鋅技術(shù)，煉鋅所需的煤炭的重量是鋅礦石的2～3倍，因此便于獲取煤炭是煉鋅技術(shù)的關(guān)鍵，通常將鋅礦石運(yùn)到煤礦產(chǎn)地去冶煉，而且往往利用煤層附近的耐火土來制作坩堝。

不同于鋅，鐵和鉛在古代主要是由爐子冶煉的。中國古代煉鐵以豎爐冶煉為主，坩堝煉鐵技術(shù)于19世紀(jì)起流行于山西、河南、山東、遼寧等省，尤以山西太行山地區(qū)最盛，一直持續(xù)到1958年大煉鋼鐵時(shí)期，之后停止生產(chǎn)［34，35］。李約瑟（Joseph Needham）認(rèn)為山西盛行坩堝煉鐵是利用當(dāng)?shù)刎S富的鐵礦、煤炭和耐火土資源，所需成本很低。他還引用了1920年瑞典地質(zhì)學(xué)家丁格蘭記錄的山西坩堝煉鐵的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)煤炭的費(fèi)用占總成本的一半多［34］，可見煤炭之于坩堝煉鐵的重要性。

同樣，用坩堝來煉鉛可能一定程度上也是為了使用煤炭為燃料。如本文開頭所述，中國古代煉鉛多為爐子冶煉，近年來冶金考古學(xué)家對(duì)古礦冶遺址的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長江流域等南方地區(qū)唐宋以來用豎爐煉鉛［9］。而目前發(fā)現(xiàn)的坩堝煉鉛遺址多集中在北方地區(qū)，有的還處于瓷窯遺址，應(yīng)該是為了利用北方豐富的煤炭和耐火土資源。1958年以來，除了傳統(tǒng)坩堝煉鉛外，還采用傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐煉鉛，即先將鉛礦石燒結(jié)焙燒、再用鼓風(fēng)爐還原熔煉的煉鉛法。李興正對(duì)比這兩種方法，認(rèn)為坩堝法投資更少，生產(chǎn)管理較容易，不過產(chǎn)量和效益較小，適合小規(guī)模生產(chǎn)［36］。

不過，與其他坩堝冶煉技術(shù)不同，坩堝煉鉛不單用碳質(zhì)還原劑，還加入金屬鐵去還原硫化鉛。這種煉鉛法，不需要對(duì)硫化鉛礦進(jìn)行焙燒，避免了鉛在焙燒過程中的揮發(fā)，從而使得金銀等貴金屬更容易富集在鉛中。然而，坩堝煉鉛需要消耗一定量的金屬鐵，會(huì)適當(dāng)?shù)奶岣叱杀?。按吳善達(dá)的奏章，生鐵的用量為鉛礦重量的43%，占總成本的28%。不過據(jù)傳統(tǒng)坩堝煉鉛的記載，鐵的用量有大有小，高則為鉛礦重量的30%～40%，低則10%，而且多是鐵屑、鐵末、鐵皮、鐵塊等廢鐵，還有的用鐵礦石（表1），相對(duì)成本可能較低。另外，在桐柏圍山遺址，還發(fā)現(xiàn)了大量表面具有流動(dòng)痕跡的爐渣，對(duì)其中一塊爐渣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其玻璃基體中嵌有大量鐵顆粒，大部分鐵顆粒被一薄層硫化鐵包裹，內(nèi)部還有大量硫化鐵夾雜。這說明圍山遺址還存在豎爐煉鐵活動(dòng)，煉鐵所用的原料有可能是坩堝煉鉛所產(chǎn)生的硫化亞鐵，只需將其焙燒脫硫，即可作為原料加入煉鐵爐。這種方式還原所得的金屬鐵由于硫含量較高，不適于做鐵器，但作為坩堝煉鉛的還原劑卻不存在問題。使用煉鉛產(chǎn)生的硫化鐵廢料生產(chǎn)煉鉛所需的金屬鐵可以大大減少坩堝煉鉛對(duì)鐵的需求量，另外在硫化鐵中包裹的鉛、硫化鉛物相也可以重新回爐，減少損失。由此看來，桐柏圍山遺址的煉鐵活動(dòng)可能是與煉鉛活動(dòng)相互配合。但由于遺址尚未發(fā)掘，兩種冶煉活動(dòng)是否共時(shí)尚待檢驗(yàn)。值得注意的是，桐柏圍山素以采冶白銀為名，南北朝的南齊時(shí)曾設(shè)圍山縣管理銀礦，唐宋時(shí)期已具規(guī)模，明末逐漸廢棄［24］。圍山爐渣中的鉛顆粒大多含銀，因此坩堝煉鉛很可能就是為了提取鉛中的銀，故耗費(fèi)一定量的鐵也不太會(huì)影響其經(jīng)濟(jì)效益。燕川爐渣中的鉛顆粒也含有較高的銀含量，其生產(chǎn)的鉛用于煉銀的可能性也非常高。

有趣的是，世界上除了中國，印度也有坩堝煉鉛技術(shù)的記載。14世紀(jì)早期印度學(xué)者菲魯（Thakkura Pherū）編寫的一書中就記載了這種用鐵還原的坩堝煉鉛法：“從鉛礦山獲得的礦石通過破碎、研磨、水洗方式選礦。所得物質(zhì)也含有脈石部分，和六分之一的鐵混合。混合物裝入容積為100帕拉斯（palas，重量單位，約合4.7千克）的坩堝。三十個(gè)這樣的坩堝放在一個(gè)爐子里加熱。所得的鉛的質(zhì)量是初始物質(zhì)的質(zhì)量的四分之一”（［37］，19頁）。菲魯?shù)臅羞€繪有坩堝冶煉爐的截面圖（圖9），所顯示的技術(shù)與中國的坩堝煉鉛技術(shù)有一些差異：坩堝是上粗下細(xì)的筒狀坩堝，爐子的形狀不明；塊狀燃料堆放在坩堝之間及其上部，但文獻(xiàn)中未說清是什么燃料；兩個(gè)印度工匠在用楔形皮囊鼓風(fēng)器鼓風(fēng)，表明煉鉛需要人工鼓風(fēng)。不過除了這條文獻(xiàn)外，尚未發(fā)現(xiàn)與印度坩堝煉鉛技術(shù)有關(guān)的文獻(xiàn)記載和考古證據(jù)①大英博物館著名冶金考古學(xué)家克拉多克（Paul Craddock）在印度做過很多冶金考古的研究，他說從未見過印度有坩堝煉鉛技術(shù)的文獻(xiàn)記載和考古發(fā)現(xiàn)。。中國的坩堝煉鉛技術(shù)與印度有何關(guān)系，尚待將來更多的研究。

圖9 菲魯記載的印度坩堝煉鉛爐子（［37］，20頁）

用鐵還原的煉鉛法，除了用坩堝冶煉，也有用鼓風(fēng)爐冶煉。19世紀(jì)英國著名冶金學(xué)家的珀西（John Percy）在《鉛冶金》（The Metallurgy of Lead，1870）一書中記載了德國18世紀(jì)下半期的上哈茨山地區(qū)和上西里西亞地區(qū)開始采用鐵還原法鼓風(fēng)爐煉鉛［38］。19世紀(jì)，德國、法國、英國和日本等國家都在使用這種煉鉛法［37］。在歐洲，用鐵還原鉛礦石法可追溯到文藝復(fù)興時(shí)期的煉金術(shù)，德國冶金家阿格里科拉（Georg Agricola）在《論礦冶》（De Re Metallica，1556年）［39］和艾克（Lazarus Ercker）在《論礦石和試金》（Treatise on Ores and Assaying，1574年）［40］中都提到用鐵對(duì)方鉛礦試金。由此推測(cè)，古人在豎爐煉鉛、煉金術(shù)等活動(dòng)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)鐵能夠?qū)⒉惶顫姷慕饘僦脫Q出來的性能。在中國，早在兩宋時(shí)期被用于“膽銅法”大規(guī)模煉銅，即利用鐵比銅的活潑性強(qiáng)，用鐵置換膽礬（硫酸銅）溶液的銅離子為單質(zhì)銅。這種用鐵還原銅的膽銅法，早在漢唐時(shí)期已被煉丹家們所認(rèn)識(shí)［41］。雖然坩堝煉鉛不同于水法冶金的膽銅法，是火法冶金，但其技術(shù)起源也可能與煉丹有關(guān)。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)有關(guān)坩堝煉鉛文獻(xiàn)記載的梳理和對(duì)兩處遺址坩堝煉鉛技術(shù)的研究，試圖復(fù)原這種技術(shù)。坩堝煉鉛技術(shù)和中國特有的蒸餾法煉鋅和坩堝煉鐵技術(shù)十分類似，都是將多個(gè)坩堝放置在以煤炭為燃料、自然鼓風(fēng)的長方形爐子中冶煉的技術(shù)，屬于中國坩堝冶煉的技術(shù)傳統(tǒng)。中國傳統(tǒng)坩堝煉鉛技術(shù)在坩堝中用金屬鐵為主要還原劑還原硫化鉛，是一種獨(dú)特的冶金方法，在世界冶金史上有著重要地位。由于目前掌握文獻(xiàn)和實(shí)物證據(jù)的局限性，尚無法厘清這種技術(shù)的起源與發(fā)展過程，這有待將來更多的研究。

致 謝 感謝北京大學(xué)考古文博學(xué)院秦大樹教授、河北省曲陽縣定窯遺址文物保管所楊敬好所長、河南省桐柏縣文物管理所、北京科技大學(xué)冶金與材料史研究所李延祥教授和兩位審稿專家對(duì)本文寫作提供的幫助。

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A Prelim inary Study of Traditional Chinese Crucible Lead Smelting Technology

ZHOUWenli1，LIU Siran2，LIU Haifeng3，CHEN Jianli4
（1.Institute for the History of Natural Sciences，CAS，Beijing 100190，China；2.UCL Institute of Archaeology，London WC1H 0PY；3.Institute of History ofMetallurgy and Materials，USTB，Beijing 100083；4.School of Archaeology and Museology，PKU，Beijing 100081）

Crucible lead smelting，a unique traditional Chinese lead smelting technology，is a method using metallic iron to reduce lead from lead sulphide in crucibles.This paper summarises the documents on crucible lead smelting technology，and presents a detailed description of the whole smelting process including furnace construction，cruciblemaking，charge preparation，smelting operation，and silver and gold extraction.In addition，crucibles and slag from two crucible lead smelting sites found in recent years are analysed to reconstruct the technology employed.This technology is then compared with other traditional crucible smelting technologies：zinc distillation and crucible iron smelting，and its technological characteristics are elaborated.

crucible lead smelting，iron reduction，rectangular furnace

N092：TF-092

A

1000-0224（2014）02-0201-15

2013-08-20；

2014-04-11

周文麗，1982年生，浙江嵊州人，博士，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所副研究員，研究方向?yàn)橐苯鹂脊?；劉思然?987年生，北京人，英國倫敦大學(xué)考古研究所博士生，研究方向?yàn)橐苯鹂脊?；陳建立?973年生，河南虞城人，博士，北京大學(xué)考古文博學(xué)院教授，研究方向?yàn)橐苯鹂脊牛粍⒑７澹?987年生，安徽黃山人，北京科技大學(xué)冶金與材料史研究所博士生，研究方向?yàn)橐苯鹂脊拧?/p>

中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所重點(diǎn)培育方向“傳統(tǒng)工藝與文物科技的認(rèn)知研究”項(xiàng)目課題“中國古代冶金用坩堝的生產(chǎn)和使用”