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【内容提要】新疆若羌瓦石峡古城位于塔里木盆地南缘，是丝绸之路上的一处重要遗址。本文从遗址出土冶金遗物的检验分析入手，结合古代矿冶遗址的调查与研究，探讨了瓦石峡遗址的古代冶金技术。文章报告了遗址出土的炉渣、坩埚等冶金遗物的科学分析结果，并讨论了其冶炼工艺，认为此处采用过木炭进行生铁冶炼与炒铁联用的冶炼工艺。对瓦石峡遗址出土的冶金遗物进行科学研究，对于认识其冶金技术水平和中西技术交流有着重要意义。 【关键词】冶金考古 炉渣 瓦石峡遗址 冶炼工艺 瓦石峡古城遗址位于新疆若羌县县城西部80余公里外的瓦石峡乡博孜也尔村西南附近的沙丘中，是新疆重要的手工作坊遗址。20世纪80年代，新疆文物工作者对瓦石峡遗址进行过初步调查，发现有冶金、玻璃制作的遗存。2006年11月，北京科技大学冶金与材料史研究所在新疆巴州发展和改革委员会与若羌县文体局的协助下，对瓦石峡遗址进行了调查，采集了一批铜器、铁器和冶金遗物，为进一步揭示瓦石峡遗址的冶金技术提供了丰富的实物资料。本文拟从瓦石峡遗址出土冶金遗物的检验分析入手，结合古代矿冶遗址的调查与研究及其相关考古资料，对该遗址反映出的技术文化交流情况做初步探讨，为进一步认识瓦石峡古城遗址提供了新的资料。 一 瓦石峡遗址的文化背景及年代 新疆瓦石峡古城，《侍行记》中称为弩支城，是古楼兰国的经济重镇。瓦石峡遗址位于若羌县县城西部80余公里外的瓦石峡乡博孜也尔村西南附近的沙丘中。古遗址东西宽约1公里，南北长2公里左右。大部分遗址已残，但仍可辨出居住区、冶炼和烧窑的作坊区、农田以及墓葬区等，约有30处较集中的房址、3处窑址、2处集中的墓葬区、1处冶铁遗址。调查出土遗物较多，古城内尚存数十间前后相连的手工作坊及冶炼金属和烧制器皿的土窑遗址，并残留有石磨、石碾、炉渣、陶片、砖块、玻璃渣等物品。考古工作者发掘过的土窑，出土了小口细颈凹底玻璃罐，具有宋元特征。从玻璃器造型看，与同时期的阿拉伯、波斯属玻璃器有相近的特点，表明当年新疆瓦石峡的文化曾受阿拉伯、波斯的影响。考古工作者曾先后在此采集了汉、唐、宋各朝代的钱币与丝织品，以及元代的汉文文书和陶瓷器皿、玻璃器皿、木器等，发掘者认为遗址时代的上限约在鄯善国后期（公元4－5世纪），下限在宋元时期，出土的遗物以宋元时期为主。从地表采集的器物来看，瓦石峡遗址规模宏大，主要为宋元时期丝绸之路上的一个重要手工业生产基地。根据遗址采集的木炭标本进行碳14测年，分析所得数据可知，瓦石峡遗址年代初步定为宋元时期。 二 样品来源及简况 从东北向西南方向，我们依次选取了瓦石峡遗址中6个堆积较丰富的采集点，进行地表采集，共收集冶金遗物炉渣、矿石、残铁块、残铜器、铜铁复合器物、坩埚残片、铜饰件及玻璃残片、木炭等样品。我们选取了其中13件样品进行了取样其中包括2件坩埚残片和11件炼渣。 三 分析仪器与分析条件 本研究分析采用光学显微镜和SEM-EDS等方法，对采自瓦石峡遗址的炼渣、坩埚残片进行了显微组织观察和化学成分分析。通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察样品的显微组织，用能谱分析仪确定基体及其夹杂物的成分。对炉渣渣相中可能的矿物组成进行了检测和初步研究。 1. 金相观察 金相样品制备方法如下：首先对样品截面进行镶样、磨光、抛光。未浸蚀样品需先观察夹杂物和锈蚀，然后再用化学试剂浸蚀处理，以观察其组织。 本实验金相观察所用仪器为江苏南京江南光学仪器厂生产的XJP-100金相显微镜，拍摄金相照片使用的是莱卡（Leica）DM4000M型金相显微镜。选取炉渣样品用酚醛树脂加热（155-1600℃），固化镶嵌，经打磨、抛光，制成金相—电镜样品，样品在抛光之后都要经过光学金相显微镜观察，主要观测样品形貌、制作技术及夹杂物情况。通过金相观察可以了解样品的组织结构、成分对组织的影响、组织的均匀程度，并判断其制作技术。 2. 成分分析 平均成分分析采用面扫描方法进行，为了尽可能准确反映金属样品成分、减少铸造组织偏析带来的影响，根据需要，在样品的不同部位，分别进行2-3次面扫描。平均成分测定的某元素含量小于测量误差精度2σ时，说明此元素含量甚少，已超出仪器所能精确分析的下限，在此忽略不计，并在结果列表中此栏为空白；当某元素的含量大于2σ而又低于2％时，考虑到其有意进行合金化的可能性较小，对性能影响一般也不大，可不将其作为合金成分。 成分分析采用扫描电子显微镜（SEM）配合X射线能谱分析仪（EDS）进行，并采用无标样定量分析法（ZAF），即在X射线能谱曲线上，扣除本底，将某元素的特征X射线峰值面积与显示的所有元素特征X射线峰值面积和之比，经归一化处理后，定为该元素的百分含量。采用扫描电镜能谱无标样成分方法，测定每个样品的基本成分。对于冶炼遗物，取每个样品1至3个不同部位进行检测，每个部位的分析面积约10-20毫米，并取其平均值作为最后检测结果。 本研究成分分析所用的实验设备为剑桥S-360扫描电镜及NORTERN440能谱仪，激发电压为20kV，扫描时间＞60s。 四 瓦石峡遗址遗物的冶金学分析 该遗址样品共计13个，其中炼渣11个、坩埚残片2个，均为调查期间在遗址所采集的样品。由表三、表四的检测分析结果可知，经对11个炉渣样品基体基本成分的面扫后，未发现Cu、Pb、Zn、Ag元素及其金属颗粒的存在，因而，可排除炼铜渣、炼铅（锌）渣和炼银渣的存在。经检测确认，渣体为铁硅系，并多以铁橄榄石为主，间有浮氏体和少量玻璃相，偶见金属铁颗粒的存在。对炉渣样品基本成分SEM-EDS分析和对每个样品各个不同的相所做的点扫分析。 通过在光学和扫描电子显微镜观察炉渣样品及坩埚残片样品的显微组织，可发现炉渣基体多数为玻璃相。其中炉渣L22、L25、L32、L33、L38、L39炉渣基体均有浮氏体存在，浮氏体为灰白相。L38炼渣为渣铁混合物的相互渗透，而渣相晶界面则不同，出现树枝状枝晶偏析和金属颗粒。L38枝晶明显分界，如图七所示。枝晶粗大的为先析出的相，枝晶细小部分为后析出的相。枝晶细小部位为共析部位，有浮士体和玻璃相存在。L22样品成分SEM-EDS分析结果显示，炉渣基体主要有浮氏体和少量Fe+Si+Al+Ca+K玻璃相，也有明显的晶界粗大的树枝状晶偏析和细的树枝状晶偏析。L33炉渣总体上属于钙镁橄榄石一类，结构致密，应该是炼铁炉渣，从局部放大情况来看，炉渣内有结瘤现象，还含有少量富钒钛铁矿颗粒，主要富集于结瘤部位，结瘤部分还有少量硫的存在。从形态上看，这是炼渣冷却后形成气泡承载着二次融化的炉渣而形成的。钒钛磁铁矿可能与使用的矿石有关系。硅酸盐共晶产物中含有少量磷的出现，这也许是因为铸铁中含磷较高而混入炉渣中所形成的。用扫描电子显微镜（SEM）配合X射线能谱分析仪（EDS），对13件样品基体进行了成分分析，并对样品的各个结晶析出相以及夹杂物做了微区成分分析，L23、L24、L26、L27、L34、L35面扫平均成分为高钙低铁。其中坩埚残片L35面扫平均成分为高钙低铁。坩埚残片L40的分析部位为绿锈，可知其中有锰颗粒，疑为氧化锰原料的生产。 五 分析结果的讨论 本文所报告的有关瓦石峡遗址样品的检测分析结果，主要是通过对炉渣的形貌、成分、性质、显微结构和残存铁颗粒赋存状态及其显微组织等的分析而形成的，目的在于探索瓦石峡遗址古铁矿冶遗址的冶炼工艺及技术特征。通过对表三和表四SEM-EDS 检验和金相观测的分析，可以确定：瓦石峡遗址的炉渣可排除炼铜渣、炼铅（锌）渣和炼银渣的存在。炉渣成分均为铁硅系，基体以铁橄榄石为主，炉渣残留铁颗粒仅为偶见。 1. 冶炼技术的判定 由上述炉渣特征分析，可对瓦石峡遗址的冶炼技术进行探讨。 在瓦石峡遗址的冶炼过程中，以矿石或精矿为原料，木炭、煤、焦炭等为燃料和还原剂，有时配加助溶剂（如CaO）进行还原，得到粗金属的同时，形成的渣叫还原渣，在这里为炼铁渣。通过表三、四炉渣样品SEM-EDS成分分析，结果表明：炉渣样品成分为高钙低铁，可确定为生铁渣。这是由于在还原过程中，铁的氧化物被还原为粗金属铁时，铁进入渣中就少，而由于造渣剂的作用，渣中钙的含量就会增加，此时形成生铁渣。 炒铁技术是古代中国生铁炼钢法的一项创造。炒铁是在半熔融状态下将生铁炒炼脱碳成钢的工艺。炒铁时，首先将生铁在空气中加热，升温至半熔融状。通过搅拌增加铁和氧气的接触表面积，使液体中的碳氧化，温度升高，奥氏体含碳量逐渐下降，铁中硅、锰等杂质氧化后，与氧化亚铁生成硅酸盐夹杂。由于含碳量减少，炉料呈半熔融状态，取出团块锻打，挤出夹杂，制成胚料或直接锻成器物[6]。古代炼钢一般不会考虑去除S、P等有害元素，更不会考虑脱氧，因此，很少在炼钢的时候，将CaO等助溶剂放入渣中。另外，铁液中脉石已基本去除，也没有必要添加CaO等做助溶剂。FeO与生铁中的硅、锰等氧化物杂质生成低熔点夹杂进入渣中，另一部分的氧化物杂质（如钙、铝、镁等）与FeO生成玻璃态渣相，也进入渣中。由于脉石大部分已不存在，于是，在形成渣的过程中，渣中的Si含量不会很突出，由于没有助溶剂，那么Ca、Mn的含量也不会很突出。由于在氧化过程中，生铁处于半熔融状态，于是炉渣中残留金属颗粒的赋存状态，应以不规则状为主。炉渣中残留金属颗粒视脱碳以及脱碳后渗碳的程度，可形成低碳钢、中碳钢、高碳钢等组织。由于炒铁是个不断的搅拌过程，动力学条件较好，因此，会生成较为均匀的组织。 另外，炉渣的特征对于判断冶炼方法，也有一定的帮助。竖炉生铁冶炼中铁硅系渣基体的主要特征多为铁橄榄石和少量玻璃态硅酸盐，在硅锰系中多呈玻璃态硅酸盐，并有少量铁、锰橄榄石，这些铁颗粒夹杂主要特征为，常有滴状铁颗粒出现，并以生铁组织为主。在炒铁冶炼时，铁硅系渣基体主要特征为浮氏体、少量铁橄榄石和玻璃态硅酸盐的存在。 根据以上分析讨论和SEM-EDS 检验分析和金相观测综合分析，可以确定瓦石峡遗址炉渣多以浮氏体为主，间有少量铁橄榄石和玻璃态硅酸盐，是炒铁渣，其组织均匀。其余的成分则为高钙低铁，为生铁渣。 根据对1号炉址炉渣样品基本成分SEM-EDS 和每个样品各个不同的相进行微区成分分析，结果可知：L22以浮氏体为主，间有少量铁橄榄石和玻璃态硅酸盐，是炒铁渣。L23、L24平均成分为高钙低铁，为生铁渣。瓦石峡遗址1号炉址为既炼生铁又炒铁的炉址。 2号炉址由其炉渣样品基本成分SEM-EDS分析结果可知：L25成分以浮氏体为主，间有少量铁橄榄石和玻璃态硅酸盐，是炒铁渣。L26、L27成分分析为高钙低铁，为生铁渣。瓦石峡遗址2号炉址为既炼生铁又炒铁的炉址。 由瓦石峡遗址4号炉址炉渣样品基本成分SEM-EDS分析结果可知：L32、 L33成分以浮氏体为主，间有少量铁橄榄石和玻璃态硅酸盐，是炒铁渣。坩埚残片L35成分分析为高钙低铁，为生铁渣。瓦石峡遗址4号炉址为既炼生铁又炒铁的炉址。 根据瓦石峡遗址6号炉址的炉渣样品SEM-EDS基本成分分析和对每个样品各个不同的相做点扫分析，结果可知：L38、L39成分以铁橄榄石为主，间有浮氏体和少量玻璃相。瓦石峡遗址6号炉址为炒铁的炉址。 瓦石峡遗址1、2、4号炉址均为炼生铁与炒铁联用的炉址，6号炉址为炒铁的炉址。 经过初步考察和研究，瓦石峡遗址发现有大量不同种类的冶炼炉渣和各种金属和非金属材料制成的实物。从炼铁渣的分析情况来看，炉渣中还有少量钒钛磁铁矿物质，这也许与邻近地区的矿产资源的存在有关。对瓦石峡遗址炼渣、炉壁、矿石、岩石、坩埚等相关冶炼遗物的SEM-EDS检验分析和金相观测分析，可以得出的结论为：瓦石峡遗址炉址为炼铁炉和炒铁炉联用的炉址，其冶炼工艺为生铁与炒铁联用。 明宋应星《天工开物》卷十四描述了炼铁炉和炒铁炉串联使用的方法：“若造熟铁，则生铁流出时，相连数尺内低下数寸，筑一方塘，短墙抵之，其铁流入塘内，数人执持柳木棍排立墙上，先以污潮泥晒干，舂筛细罗如面，一人疾手撒滟，众人柳棍疾搅，即时炒成熟铁”。在冶铁炉旁设置方塘来炒铁，减少了炒炼熟铁再熔化的过程。这不但缩短了炒炼熟铁的时间，还减低了炒炼熟铁的成本。文献记载生铁和炒铁的联用出现在明代，但从技术上看，宋元时期已经有了生铁与炒铁的联用技术。通过对瓦石峡遗址炉址冶炼遗物进行检验分析，证明了其冶炼技术为炼铁炉和炒铁炉串联的炉址。 由于炼铁炉和炒铁炉联用，可以更合理地解释该遗址个别炒铁炉渣Ca含量偏高，可达10%以上的成因。这可能是由于炼铁炉和炒铁炉联用，流出的生铁进入炒铁炉，致使Ca含量偏高的缘故。 2. 木炭炼铁 从现场采集来看，瓦石峡遗址使用木炭炼铁。遗址周围散落大量的木炭，通过表三和表四铁器样品和炉渣样品的检测分析, 结果显示样品含硫量很低，可以确定为木炭炼铁。王可在检测了宋元时期90件铁器后，认为我国自宋代开始普遍用煤作燃料炼铁。黄维通过对铁钱的研究认为，我国至迟在北宋元年间开始使用煤炼铁。虽然中原地区已经大规模地用煤作燃料炼铁，但瓦石峡遗址为木炭炼铁，这有可能与当时西域的冶金技术水平、当时的地理环境与技术交流有关。 六 结 论 新疆若羌瓦石峡遗址是丝绸之路南线上的一处重要遗址，对研究新疆宋元时期的冶金技术及其同时期文化发展和中西技术交流有着重要意义。本文通过对炼渣、坩埚等冶炼遗物的科学分析，可以得出以下结论：瓦石峡冶炼遗址是炼铁炉和炒铁炉联用的炉址，年代为宋元时期，考古调查采集品的检测数据与文献基本吻合；瓦石峡遗址在宋元时期冶金技术已经相当发达，已经有了生铁炉与炒铁的联用技术，并成为一个重要的手工业生产基地。瓦石峡遗址使用木炭炼铁，这有可能与当时西域的冶金技术水平、地理环境与技术交流有关。 附记：本文研究取样得到新疆文物考古研究所、巴州文物管理所、巴州发改委、若羌县文体局等单位的大力支持，北京科技大学李士琦教授和李延祥教授给予了无私帮助。在此一并表示衷心的感谢！ (责任编辑：admin) |