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古代炼锌技术研究新进展

  • 王广超
  • 创建于 2016-03-31
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关于中国古代炼锌技术及黄铜合金的研究一直是冶金考古学家及科技史研究者非常关注的内容,国内外学者基于文献及古代钱币遗物的科技分析,对我国古代黄铜合金的起源及其演化作了非常深入而细致的探讨,目前已得到较为一致的认识。然而,宥于文献的匮乏及相关遗迹遗物的缺乏,对于中国古代炼锌技术的研究一直未能取得较大进展。

近年来,随着重庆三峡地区相关考古工作的开展,大量炼锌遗址陆续映入研究者的眼帘,为深入探讨我国炼锌技术的起源及发展提供了实物资料。陈建立、周文丽等研究人员对三峡地区三个炼锌遗迹出土矿石、反应罐、炼渣及金属锌等相关遗物进行了科技分析,根据考古发掘和科技分析结果指出,其所反映的炼锌方法已经成熟,它利用一种比较容易制作的陶罐作为反应坩埚,利用反应过程中上下温度差造成的自然蒸馏效应,使锌蒸汽在上方冷凝,而获得金属锌。其使用的矿石主要是菱锌矿(ZnCO3),同时,含有异极矿(Zn4(H2O)[Si2O7](OH)2 /Zn2SiO4)、闪锌矿(ZnS)等矿石。并指出,在明代还未存在对不同种类锌矿石的分选和焙烧工艺过程,且在当时的技术条件下,只有氧化锌、碳酸锌等氧化矿,能被还原得到金属锌,而闪锌矿、异极矿等则最终排入渣中。

显然,以上研究标着中国炼锌史研究从文献调研和传统工艺调查阶段发展到田野考古调查和发掘阶段,具有重要学术意义。然而,仍有以下三个重要问题需要进一步探讨:(1)我们虽然知道古代炼锌使用的矿石原料主要为菱锌矿等氧化矿,可是,具体冶炼时反应罐中除了矿石,是否存在煤炭或木炭?矿石与还原剂的比率是多少?(2)具体的冶炼温度是多少?反应罐的烧成温度是多少?(3)作为燃料的木炭/煤炭与反应罐中作为还原剂的木炭/煤炭是否存在差异?

为此,罗武干老师与重庆市文化遗产研究院考古人员密切合作,利用各种现代科技分析方法对重庆忠县临江二队炼锌遗址出土的煤炭、矿石、矿渣等遗物进行采样分析,以探明其成分、结构、矿料比例等问题。最终对上述提到的三个重要问题进行了初步探讨。

研究指出:(1)临江二队炼锌遗址古人所用矿石来自铅锌共生矿带,主要为氧化锌(ZnO)及水锌矿(又称锌华,Zn5(CO3)2(OH)6),其最终产品中为含锌高达98.2%-98.8%的锌锭产品。(2)反应罐中的配料主要为锌矿及煤炭,初步推断临江二队炼锌遗址的矿石/还原剂≈2.7:1。反应罐的烧成温度可达1154,而其冶炼温度则可达1306。(3)临江二队作为燃料的煤,其普遍为中高硫煤及高硫煤,且均未经脱硫处理;而作为配料的煤炭,则为(特)低硫煤。古人对燃料用煤炭与配料用煤炭需要不同的性能可能有了一定认识。(4)古代炼锌过程中会产生大量的污染,如排出大量硫化物、锌蒸汽等,这给我们一个启示,那就是若能对古代遗址土壤剖面中的ZnCdPb等各种金属元素进行分析,并对其测年,也许就能明确我国古代炼锌技术的源起时间。

本研究工作得到中国国家留学基金委项目(CSC no. 201404910198)、中国科学院科学技术史青年人才特别支持项目的资助。

该研究成果于国际SCI收录期刊Microchemical Journal在线发表。

文章链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0026265X16000369

1:重庆临江二队冶炼遗址炼锌罐复原图

2:临江二队炼锌遗址配料SEM分析结果