PDF《山西传统坩埚炼铁技术类型 、分布及其形成原因》

第34 卷, 第2期科学技术哲学研究Vol.

34 No.

2 2017 年4月Studies in Philosophy of Science and Technology Apr. ,

2017 【收稿日期】

2016 -

10 -

09 【作者简介】 刘培峰(

1978 - ) , 男, 山西代县人, 博士, 南京信息工程大学科学技术史研究院讲师, 研究方向为传统工艺;

李延祥(

1962 - ) , 男, 辽宁铁岭人, 北京科技大学科技史与文化遗产研究院教授, 研究方向为科技考古;

潜伟(

1972 - ) , 男, 江西赣州人, 北京科技大学科技史与文化遗产研究院教授, 研究方向为科学技术史. 山西传统坩埚炼铁技术类型、 分布及其形成原因 刘培峰 1,

2 , 李延祥

2 , 潜伟2(1. 南京信息工程大学 科学技术史研究院, 南京 210044;

2. 北京科技大学 科技史与文化遗产研究院, 北京 100083) 摘要: 山西传统坩埚炼铁技术可分为两种类型: 一步法和两步法, 每种类型又包含多种不同的方法.一步法主 要集中在太行山南段, 两步法主要分布于太行山中段.形成两种类型的主要原因是各地不同的资源特征, 矿石品位 低且还原性好、 还原剂含硫量低的地区采用一步法;

矿石品位高且还原性差, 还原剂硫含量高的地方采用两步法. 关键词: 坩埚炼铁;

一步法;

两步法 中图分类号: N031 文献标识码: A 文章编号:

1674 - 7062( 2017)

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0086 -

07 一 研究背景 坩埚炼铁是我国传统冶炼工艺中一项独特的技 术.学术界对坩埚炼铁技术的科学考察是从李希霍 芬开始的,

1870 年他对晋城坩埚炼铁技术进行调 查, 较为细致地记录了这种工艺的相关技术 [1 ]30 -

31 .

1924 年丁格兰著作《中国铁矿志》 中汇总了清末民 国时期众多国内外学者对坩埚炼铁的调查结果 [2 ] .

20 世纪

50 年代, 范百胜实地考察了当时还在生产 中的晋城坩埚炼铁法, 介绍了炼铁原料、 工艺设备和 操作步骤, 并对其物理化学特点做了分析 [3 ] .1983 年韩汝玢、 柯俊和张长生通过考察整理了方炉的结 构和坩埚炼铁过程的资料, 并首次对坩埚炼铁渣进 行了科学分析 [4 ] . 田野调查之外, 部分学者还做了综合研究.乔 志强著 《山西制铁史》 参考太岳根据地档案对当时 晋城地区的冶铁技术、 生产组织和规模做了概括和 总结 [5 ] .吴斗庆在《泽潞地区传统冶铁技术初探》 中对晋城地区的坩埚炼铁法所用原料进行调查和分 析, 并细致梳理、 总结了坩埚炼铁法的工艺流程 [6 ] . 前人的调查主要集中在晋城市, 以至于后来出 版的各种冶金(铁) 史著作基本上都是引用国内外 学者(主要是李希霍芬)对晋城坩埚炼铁法的描述. 实际上, 坩埚炼铁一直是山西传统炼铁的主体技术, 其中以晋城为代表的炼铁法只是坩埚炼铁技术的一 个具体类型.为了更加全面地认识坩埚炼铁技术, 本文拟在田野调查的基础上, 发掘新史料, 总结前人 研究成果, 整理与该技术相关的文献, 进行综合分 析, 归纳出坩埚炼铁技术的主要类型及其在山西的 分布情况, 并分析其形成原因. 二 技术类型及分布特征 不同地区的坩埚炼铁法在炉型结构、 坩埚形状 及鼓风、 燃料等方面都有一定的差异, 区分起来比较 复杂.以工艺过程为标准, 以生铁冶炼为基础, 可以 分为一步法和两步法两种类型.一步法是经一次性 冶炼把坩埚内的矿石还原为铁, 而且渣铁分离较好;

两步法是经两次在不同的坩埚内完成矿石的还原, 实现渣铁基本分离.尽管这两种类型可以涵盖山西 大部分地区的坩埚炼铁法, 然而实际上每种具体方 法中又有炉型、 坩埚、 鼓风、 产品等方面的不同. ( 一) 一步法及其分支方法 一步法是用坩埚一次性炼出生铁的工艺概括, 在这种方法之中, 由于炉型和鼓风的不同又可分为 两种分支方法. 最具代表性的一步法是在方炉中冶炼, 以风箱

6 8 鼓风.方炉建在平地之上, 炉子的大小因技术传统 和冶炼规模而不同, 左右两边是用砖或粘土砌成的 墙, 前面和顶上敞开着.后墙连着一个矮小的茅屋, 里边放着用两个人拉的风箱 [1 ]30 -

31 , 炉后底部有鼓 风口与小屋里的风箱相通.炉底用碎坩埚片铺成风 道, 其上再铺一些较大的坩埚片以便透气, 上面放一 层大块的无烟煤, 之上再加一层小块的无烟煤.煤 块层上均匀放置

6 -

12 堆点着的引火柴.坩埚一般 呈圆筒状, 大小不一, 其中装入按一定比例混合均匀 的矿石、 黑土.装好的坩埚摆放在煤块层之上, 数量 因炉的大小而定, 从几十到上百个不等.坩埚之间 要留有一定的空隙, 放入无烟煤块.顶上还要放一 层煤块(有些地方还要加一层炉渣).在装炉的同 时把炉前用废坩埚或炉渣堵上.这样装炉就完成了 (如图 1). 图1(晋城) 大阳方炉冶炼情形 [7 ]854 冶炼过程中最重要的操作技术就是鼓风, 其次是 看火色和听声音, 这三者相结合形成的操作制度构成 了整个冶炼工艺的主要内容.鼓风因地域和时代不 同而有所差别, 具有代表性的有两种, 一种是先鼓风 后自燃, 另一种正好相反.炼出的铁大多呈饼状沉在 坩埚底部, 将底部打碎后就可以取出(如图 2).也有 部分坩埚因温度和时间不够, 渣铁还没有完全分离, 需要把坩埚完全打碎, 捡拾炉渣中的铁粒. 这种炼铁法在晋东南地区(山西省晋城市和长 治市)有着悠久的历史, 而且分布范围非常广泛. 安泽县、 交城县也采用一步法, 炉型结构、 坩埚形状, 鼓风器具等基本相同, 较为明显的区别在于炉料, 坩 埚中只加入矿石和煤末, 不加黑土, 冶炼方法和晋城 一样 [8 ]450 -

462 . 此外, 还有一种一步法是在地下槽炉中冶炼, 以 木扇鼓风.建槽炉先在地下挖坑, 中间安防炉条, 这 样就把炉分为上下两部分.炉前端安两个烟囱, 上 部高出地面, 下部通于炉条之上.炉后有孔洞斜向 图2坩埚铁( 本样品由阳城许国龙提供) 通于地面, 与安置好的木扇相连接.装炉时先在炉 条上铺一层引火柴, 柴上再放一层煤块, 然后将装入 矿石和煤末的坩埚放在煤块上.装好后点火冶炼, 一昼夜即可炼成 [8 ]470 .这种方法流传于以保德为代 表的晋北地区. ( 二) 两步法及其分支方法 两步法是将矿石还原过程分两次在不同的坩埚 和炼炉中完成, 两次所用的坩埚、 炉子、 鼓风方法及 冶炼工艺均有一定差别, 按照主要的工艺过程可以 把两步法再分为 焖铁法 和 焖矿法 两种类型. 焖铁法的第一步是在方炉中进行冶炼.方炉结 构非常简单, 三面围以砖石砌成的墙, 后墙留两孔以 便通风, 炉前留空, 方便装炉时进出.炉底先铺坩埚 片做风道, 其上依次放置大块炭、 小块炭和一层炭 末.炭层之上分埋六把火, 点燃后开始装坩埚.坩 埚较高, 其中装矿石与煤末.装坩埚时相互之间留 有一定空隙, 以小炭块填满.炉内所装坩埚的数量 视炉之大小而定, 一般装

250 -

300 个.坩埚顶部盖 坩埚片.炉前下部用坩埚片砌成, 与炉内风道, 炉后 孔洞相连以便通风, 炉前上部用废坩埚(或炉渣)堵塞, 抹泥封闭 [9 ] .装好炉之后, 炉内燃料自行燃烧 一到三天后等炉凉出炉(如图 3). 坩埚取出后, 打破其下半部即可得黑色圆柱形 海绵铁(阳泉地区称之为 焖铁 , 如图 4). 焖铁可以熔炼为生铁直接用于铸造, 还可以作 为炒炼熟铁的原料.熔炼焖铁的炉与第一步所用的 炉大致相同, 只是尺寸略小, 炉后装有鼓风器.与第 一步相比, 所用坩埚较小(如图 5).坩埚中放入打 碎的焖铁, 与第一步一样装入炉中, 在坩埚之上覆盖 煤末或炭块.炉装好后熔炼约

24 小时即可.用长 铁钳取出坩埚就可以直接铸造各种铁货 [8 ]86 .这种 两步法主要分布于今阳泉地区.用焖铁炒熟铁则在

7 8 阳泉、 隰县、 宁武县都有. 图3焖铁炉冶炼中 [10 ]23 图4焖铁 [7 ]868 图5熔炼焖铁炉 [10 ]24 以上的两步法中, 主要的还原过程是在第一步 中进行的, 但是由于温度低, 还原不完全, 渣铁不分. 第二步主要是一个熔化的过程, 同时也有部分渣中 的铁被还原. 焖矿法的不同之处是主要还原过程在第二步完 成, 第一步冶炼与 焖铁法 中的第一步类似, 焖四 五天之后把坩埚从炉中取出, 倒出其中的 焖矿 和 煤灰, 这种焖矿还原程度较低, 仍保持着矿石的外 形, 还需要再次在坩埚中冶炼来得到生铁.这一步 所用的坩埚可以多次使用. 冶炼生铁时将焖矿打碎和煤粉装入坩埚内, 这 种坩埚比第一步的要小.所用的方炉与焖铁炉不 同, 建在地上或半地上, 尺寸比焖炉要小, 炉后墙与 风箱通过孔洞相连.装炉方法与焖铁炉大体相同, 装好之后即开始鼓风, 冶炼

10 个小时左右停风.待 炉凉之后用长铁叉夹出坩埚, 从下部........