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坩埚究竟是啥?几千度的钢水都无法将它熔化,我国3000年前就有了

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文|老达子

本文共2578字,阅读时长大约6分钟
前言

“凡铸钱熔铜之罐,以绝细土末和炭末为之。罐料十两,土居七而炭居三,以炭灰性暖,佐土易化物也。”

这是《天工开物》里写熔铜罐的一段。罐,就是坩埚。



最近有个说法:坩埚能熔化几千度的钢水,中国三千年前就有了。

听上去很厉害。可是我把专门研究中国古代坩埚的一篇论文读了一遍,这两个说法,一个对了一半,一个我没有找到依据。

今天老达子就来跟大家聊聊,坩埚到底是什么,中国古代的坩埚,到底熔过什么~

坩埚到底是什么

这篇论文的题目是《中国古代冶金用坩埚的发现和研究》,作者是周文丽、刘思然、陈建立,发表在《自然科学史研究》2016年第3期。

论文开头给坩埚下了个定义:坩埚是一种可移动的耐高温的容器,用于金属、玻璃、颜料的生产。

它是古代冶金活动中的重要工具,多为陶质,可以进行多种金属的物理和化学反应,不仅用来熔炼、浇注金属,还用来蒸馏法炼锌,矿炼黄铜,炼铁、钢,炼金术等等。

这里有个绕不开的争议:哪些东西算坩埚?

考古学家李京华认为,外加热的才叫坩埚,内加热的是熔炉。中国古代文献,也确实只记载了外加热的坩埚。可是西方学者定义坩埚,是可移动的、较小的冶金用具,既有外加热的,也有内加热的。

国内的考古学家,一般把附着冶金残留物的陶质残片,称为坩埚,并不考虑加热方式。论文自己也采用了这个宽的叫法。

二里头的瓢形器

论文说,在国内,最早在殷墟、郑州二里岗等先秦铸铜遗址,发现了少量坩埚。其他冶金遗址也常有发现,但是数量较少,多为残片。

河南偃师二里头出土过一种器物,叫瓢形器,长约25厘米,背面糊着草拌泥,内表面是灰色烧结层,粘满了铜渣。

它是什么?李京华和梁宏刚认为,它是小型熔炉,既能熔铜,又能当浇包。廉海萍等人认为,它是浇勺。

重庆彭水徐家坝出土过商周时期的船形杯,残长7.5厘米,里面有青灰色残留物,还附着铜块。杨小刚等人判断,它是熔铜用的。

论文还说,这类敞口、带流口的熔铜器具,在西方青铜时代也常有发现,比如土耳其特洛伊四期遗址,约公元前2000年。

洗土去泥

殷墟孝民屯出土过一批熔铜坩埚,论文的作者做过分析。

他们发现,这些坩埚二氧化硅的含量较高,氧化铝的含量较低。论文表格里,五件样品的数据是:二氧化硅72.8%,氧化铝11.6%。材质里有较多粉砂和孔隙,偶尔能见到植物纤维。

这样的材质,比较耐高温,有较好的隔热性和抗热震性。

有意思的是,孝民屯坩埚的材质,和同遗址出土的陶器不一样。陶器的黏土含量高,坩埚却和炉壁、陶范相似。

论文推测,它们是以黄土为原料,对其进行洗土去泥,提高粉砂含量,做成的。意思是,把土里的泥洗掉一部分,留下更多的粉砂。

作者的结论是:坩埚、炉壁、陶范很可能不是一般陶工生产的,而是根据熔铜和铸造过程的特殊要求,对制陶黏土进行改性后做成的。这说明,坩埚、炉壁和陶范的生产,在殷墟可能是一项专业化的手工业。



《天工开物》里的熔铜罐

到了后来,坩埚的做法又变了。

论文把早期的坩埚和晚期的坩埚做了对比。早期的,敞口较浅,壁较厚,有的掺了植物纤维,内侧烧结严重,外侧受热较少,是内加热的。晚期的,口小,较深,壁较薄,内外烧结程度一致,是外加热的,材质更致密,耐火。

晚期外加热坩埚,氧化铝含量往往在25%以上。论文推测,这类坩埚的原料,可能是高岭土类耐火黏土,也就是文献里说的甘土。

有的坩埚,还掺了煤炭或木炭。论文说,这和《天工开物》里铸钱熔铜罐加入炭灰的记载是符合的。掺煤炭或木炭,作用类似加入石墨,可以提高耐火度、化学稳定性、强度、韧性、抗热震性和导热性。

《天工开物》写那种熔铜罐:罐长八寸,口径二寸五分,一罐约载铜、铅十斤。先把铜放进去化了,再投铅,用鼓风的大炉烧,倾入模子里。

开头那句,土居七而炭居三,就是它的配方。



中国有没有坩埚炼钢

再说标题里的钢水。

论文里,专门有一段,写汉代的坩埚炼铁、炼钢:汉代及汉以前,中国有可能掌握了坩埚炼铁(钢)技术,但是证据不是很充分。

线索有两条。

一条,洛阳东周王城的一座东周晚期陶窑里,出土了没用过的筒状坩埚,旁边灰坑里有用过的坩埚残片和鼓风口、炉壁、铁渣。发掘者推测,这座窑烧的是炼铁用的坩埚。论文说,这只是猜测,也不排除用于化铁。

另一条,洛阳吉利出土了11个直筒形坩埚,内外壁都烧流了,外表粘着煤块、熔渣,内表面粘着铁渣。其中一个的内壁,附着一块金属,何堂坤等人鉴定是铸态过共析钢,怀疑是坩埚炼钢技术的产物。

论文还提到,北京清河、内蒙古呼和浩特、新疆库车、民丰等多处汉代遗址,出土过炼铁坩埚,但是没有经过严格的考古发掘和科学分析。

论文的结论是:目前已经明确的坩埚冶炼技术,时代较晚,主要用来炼铁、炼锌和炼铅,技术一直留存到20世纪。最早记载坩埚炼铁的文献,是清康熙年间的《颜山杂记》。

论文结语里还写道:西方发现了大量分离金银、灰吹法炼银、矿炼黄铜、坩埚炼钢的坩埚。国内出土的坩埚,主要是熔铜化铁和炼铁、炼锌、炼铅的。

几千度:熔点是个什么数

再看数字。

教科书上的数字:铜的熔点约1083摄氏度,纯铁约1538摄氏度。钢的熔点,随含碳量不同,大致在这一带。

坩埚要耐的,是这个量级的温度。

论文里没有出现过几千度这三个字。论文里写到的另一个数字,反倒小得多:炼锌蒸馏罐上部的冷凝器和兜,用的是在普通黏土里加了煤炭灰的材料,使用前没有焙烧,只需耐受几百摄氏度的温度。

坩埚不是什么熔不化的神器。它是一类按用途调整原料的容器:熔铜的有熔铜的配方,炼锌的有炼锌的做法。

老达子说

我读这篇论文,最留意的是论文的作者自己说的话:希望本文能抛砖引玉,引起考古学家和冶金考古学家对坩埚的重视。

中国古代的坩埚,研究还处于起步阶段。最早的实物,有的算不算坩埚,学界还在争。炼钢的证据,只有洛阳吉利那块附着的金属。

《天工开物》里那一条,倒是写得清楚:罐料十两,土居七而炭居三。

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