《人类科学技术史-223》中国明朝时期的矿冶技术

中国明朝时期的矿冶技术

明代洪武末年，政府取消了限制民间开采铁矿的禁令，调动了民间开矿的积极性，促进了矿冶技术的发展。从开矿、选矿、冶炼都有科学的安排，矿冶的规模与设施在世界上属于比较先进的行列，黑色金属与有色金属产量有很大提高，其生产规模也是前所未有的。明中叶以后，较大的铁场至少有六七个高1丈的炼铁炉，较小的铁场也有高炉三四个。河北省武安县发掘的明代炼铁炉高达1丈9尺，内径7尺，外径10尺。

1.采矿

明代的采矿技术，继承和发展了传统的锥凿、鎚击、斧劈等法，还发明了"烧爆"与"火爆"二法。"烧爆"，据一些专家的研究，是用火烧矿床以后，再用水淋，利用热胀冷缩的规律，使矿爆裂、分解，而进行开采。至于"火爆"采矿法，可能是利用火药爆矿技术，炸开矿床，击碎矿石，而进行开采。据说用火爆法采矿时，"山陵震裂"、"鸟惊兽骇，若蹈汤火"，因而人们估计只有用火药爆炸时才能产生如此巨大的爆破力与冲击力。

特别要指出的是，明朝采矿中的采煤技术有很大提高，它不仅继承了宋代找煤、选择井位，布置井巷，支护、通风、排水等经验，而且掌握了排除瓦斯(毒气）的技术。《天工开物》上说，当时有经验的人从地表情况测知煤在何处，经挖井开掘至煤端时，就采取措施，防止毒气薰人。他们的办法是"将巨竹凿去中节，尖锐其末插入炭中，其毒烟从竹中透上，人从其下施钁拾取"。他们已经懂得了瓦斯的比重轻于空气，集中于煤层上部的规律，利用"筒引法"，把瓦斯导出矿外。同时，明人还掌握了防止塌陷的技术。因在一座井下，煤的分布纵横交错，采煤工随着煤的分布而斫取，会形成坑道。为了防止这些坑道坍塌，当时工人根据力学原理在基部打上木桩，上面支上木板，以保证安全。

2.选矿

明代选矿技术也有所发展，很多地方利用了盘选、磨矿、磁选等技术。

盘选法是利用水的力量，淘汰杂质，选出精矿石。把现形的铁矿石取来，放在木盘中进行淘洗。这种淘砂的木盘是以两块梯形木板为底，两块钝角等腰三角形木板为边组成，略似于今天的淘金斗。一些锡矿石也是用这种方法选取。《天工开物》讲，湖南衡阳、零陵的山溪中和广西南丹州的河流中产一种呈黑色的水锡，把它粉碎后用篾箩在河中淘洗，即可得到矿砂。

磨矿技术是：先将矿石打碎，再用臼舂成细末，然后用大桶盛水，把矿末投入水中搅拌，搅到一定程度，一些"细粘"就浮在水面上，一些梅砂悬浮在水中。再把细粘和梅砂用尖底淘盆进行淘洗，然后取得精矿。而沉在水底的粗矿肉，也要用船形木盘进行选取。

磁选是用磁石的引力进行选取。明代青花料的选取就是用这一种办法。明代王宗沐记载这种选法说："首用锤碎，……敲青后，取其奇零琐碎碾碎，入注水中，用磁石引杂后，真青澄定，每斤可得五、六钱。"

3.冶炼

在冶炼技术方面，在明代已懂得用炼焦法冶炼金属，也就是将煤炼成焦炭，用来"煎矿煮石"。这种经过高温干馏所得到的固体产物，所含硫分、灰分等挥发物少、热值大，用来冶炼矿石，"殊为省力"，效果特好。

在冶炼中，为了使燃料充分氧化，提高温度，一定要进行鼓风。明朝发明了活塞式木风箱，对木扇作了重大改进。它利用活塞进行推动，使空气加大压力，自动开闭活门，可连续供应较大的风压和风量。这不仅增加了炉内温度，而且也使熔炉容量的扩大成为可能，使冶金的产量与质量都有很大提高。这种活塞式木风箱的发明，也比欧洲早得多。

明朝冶炼技术的另一个成就是炒钢法的形成。这是一项生熟铁冶炼连续生产的工艺，其过程是在离生铁流出的地点数尺以内，挖一个比铁水出口低的方塘，周围筑上短墙。铁水流入塘内，几个人执持柳木棍排立在墙上。炼铁时，一人用力快速地撒上晒干的污潮泥，众人拿起柳棍迅速搅动，即时炒成熟铁。柳棍每炒一次，烧折二、三寸，再用，要及时更换。这一工艺，促使生铁中的碳氧化成二氧化碳，使碳的含量减少，又因污潮泥中含有硅酸铁，硅能与氧化铁化合成一种渣，使熟炼凝成块状。这种使熟铁连续生产的工艺可免去生铁再溶化的过程，节省了时间与开支，提高了生产效率。

明代冶炼的再一成就，是"灌钢法"的进一步发展。所谓"灌钢法"，即熟钢的制法。明代的灌钢法有两种。一种是团钢法。宋代灌钢法是把生铁块嵌在盘绕的熟铁条中，用泥封起来进行加热。明代的团钢法则把生铁放在捆紧的若干熟铁片上，用涂泥的草鞋覆盖在上，然后加热。这正如《天工开物》所说，"凡钢铁炼法，用熟铁打成薄片如指头阔，长寸半许，以铁片包夹紧，生铁安置其上，泥涂其底下，洪炉鼓鞲，火力到时，生钢(即生铁--作者注）先化，渗淋熟铁之中，两情投合，取出加锤，再炼再锤；不一而足，俗名团钢，亦曰灌钢者是也。"这一工艺增加了生熟铁之间的接触面，使生铁中的碳能迅速均匀地渗透到熟铁之中，草鞋的覆盖可使生铁在还原状况下逐渐得以熔化。另一种是唐顺之在《武编》中所记载的，"以生铁与熟铁并铸，待其极熟，生铁欲流，则以生铁于熟铁上，擦而入之。"其具体过程已不很清楚，有人认为这种工艺和盛行于苏州、芜湖的制钢法相近。灌钢法的日趋完善，表明以生铁为基础的钢铁技术体系已经逐步形成，具备了向现代炼钢技术转化的条件。

在有色金属的冶炼中，中国明代的炼锌技术在当时世界上处于领先地位。锌，在明代称为"倭铅"。明代运用从炉甘石中炼锌的方法，已能获得含锌99％的锌锭。其方法是把10斤为单位的炉甘石(碳酸锌）装入泥罐内，用泥封裹，并把表面磨光，慢慢风干，再把炉甘石泥罐放在层层堆成的煤饼之上，再在下面把煤饼点燃烧旺，罐里的炉甘石熔化成团待冷却后把熔化物取出，这就得到锌。炼锌的难度是很大的，要使氧化锌还原为锌，所需温度比锌的沸点还高，而气化的锌与空气接触会重新变成氧化锌。因此，炼锌极其困难。欧洲直到18世纪前半世纪，由于中国炼锌技术的传入，才开始有炼锌的历史。