坩埚炼铅技术与中国古代冶金用煤问题
#考古# 中国是世界上最早使用煤为燃料的地区之一。考古发现证明新疆尼勒克吉仁台沟口遗址在距今3500年前既已开始用煤（图5-7）；文献和考古证据均显示，早在汉代，煤就被用于取暖乃至金属生产。公元第二个千纪初期的中国北方地区发生燃料危机，木炭供应极度短缺，煤炭在这一时期的使用量大幅增加。文献记载显示金属生产业是煤炭的主要消费者之一。冶金考古研究发现宋元时期铁制品含硫量较高，碳十四测年数据非常古老，表明矿物煤可能已成为了铁冶金业的重要燃料之一。尽管已有这一普遍共识，但学界尚未就煤炭在冶金方面的确切用途与使用方式进行过详细讨论。
直至明清时期，炼焦工艺才在中国得到广泛应用，因此在公元第二千纪早期，冶炼工匠可能直接使用原煤。我国主要的煤种为烟煤和褐煤，其硫含量、焦油含量和灰分均较高，不适合直接作为冶金燃料。在高温下煤的强度相对较低，软化后阻碍炉内气流，甚至使料柱坍塌。对中国北方这一时期的20多处炼铁遗址的调查显示大部地区仍在使用木炭作为主要燃料。北京北郊的水泉沟辽代冶铁遗址（公元9-12世纪）发现四座炼铁炉以及大量炉渣堆积和木炭碎屑，但没有发现煤炭或煤灰渣；河北省遵化的明代大型铁场也未见煤炭相关遗存，应仍以木炭为主要燃料。直到最近，河北省邯郸的两处遗址才发现了包含块状焦炭的炉渣，地表采集瓷片显示这些遗址的年代应为元代。综上所述，目前尚没有明确的考古证据表明公元10世纪到13世纪的炼铁活动中曾广泛使用煤为燃料，煤炭似可能更多用于化铁、制钢与锻造等后期加工活动。
河北曲阳燕川坩埚炼铅遗址的发掘为公元第二千纪早期冶金活动中煤炭的使用策略研究提供了新的线索。2009年定窑联合考古队在对燕川村进行发掘时发现了大量充满炉渣的筒状坩埚、碗状坩埚底以及煤渣碎块（图 1）。煤渣中常包裹坩埚碎片，显示冶炼时曾以煤为燃料从外部加热坩埚。这一遗址周边并无铅矿物资源，该冶炼作坊的设置可能主要考虑了当地丰富的煤资源优势，冶炼所需矿石需要从较远的区域运输至此。
坩埚内冶金渣的显微分析显示渣基体呈玻璃态，夹杂大量金属铅颗粒和未完全反应的石英颗粒。大多数铅颗粒的银含量超过1%，说明该遗址可能通过冶炼含银方铅矿获得具有较高银含量的铅锭，后通过灰吹法提纯获得金属银。值得注意的是，坩埚装料时曾加入了金属铁屑，冶炼时利用金属铁与硫化铅的置换反应获得金属铅，整个过程不需要碳质还原剂的参与。
这一技术称为铁还原沉淀熔炼法，最早发现于唐代的竖炉炼铅遗址之中，研究显示其在宋金时期的坩埚冶炼中也得到了应用。研究者还对该遗址的坩埚冶炼技术进行了模拟实验复原（图2）。坩埚内部仅加入方铅矿、黄铁矿、石英碎屑和剪裁至0.5-1cm大小的铁屑，在马弗炉中加热2小时。结果显示这一工艺可以较为高效地还原方铅矿，炉渣层以下形成锍与金属铅两层。为取出冶炼产品需要打碎坩埚底部，因此每只坩埚只能使用一次，遗留填满炉渣的筒状坩埚和碗装坩埚底。
研究显示坩埚冶炼可能是解决早期冶金用煤技术难题的重要手段。煤炭燃料中的杂质被坩埚壁隔开，不会影响坩埚内的冶金反应。用来装载坩埚的冶炼炉高度相对较低，因此煤的负担较小，可避免料柱坍塌（图3），类似的坩埚炉已经在明清时期的炼锌遗址（http://t.cn/AX6cNbgx）中被多次发现。使用金属铁为还原剂可解决坩埚内部空间狭小，无法装填大量碳质还原剂的问题。
由于缺乏文献记载和考古发现，坩埚冶炼技术的起源和早期历史并不十分清楚。零星的证据表明，早在东汉时期可能已存在以煤为燃料的外加热筒状坩埚。但在宋金时期之前，这一生产技术的“考古能见度”较低，可能并未被广泛使用。目前发现的所有坩埚炼铅遗址均位于中国北方，同时期的竖炉炼铅遗址则位于南方（图4）。南方气候较为湿润，早期人口密度较低，这使得南方的森林资源得到了更好的保护，消耗的森林恢复速度也较快。文献记载表明，木炭在公元第二千纪一直是南方金属冶炼的主要燃料。同一时期华北地区的森林已被大量砍伐，木炭供应严重不足。公元十一世纪初，北宋都城开封由于缺少木炭而遭受了严重的燃料危机，直到煤炭广泛成为家庭日常燃料后这一情况才有所缓解。由此可见，以原煤替换木炭作为燃料可能是坩埚冶炼技术在宋金时期于中国北方快速扩散的重要动力。
虽然这项技术被铅银冶炼工匠广泛采用，但在同时期的冶铁业中却没有得到太大关注。考古证据表明，在公元第二千纪上半叶，使用木炭为燃料的竖炉冶炼法仍是冶铁业的主流技术，燃煤的坩埚炼铁技术直至清代才广泛出现。与炼铅不同，炼铁坩埚内必须填充煤作为还原剂，这部分还原剂在占据坩埚内宝贵空间的同时还会向冶炼产品中引入硫化物杂质，这可能是冶铁工匠坚持传统竖炉技术的一个原因。
该研究表明，木炭向煤炭的转换是一个复杂的过程。由于原煤不能在高炉冶炼中直接代替木炭使用，冶金工匠需要完成一些列系统性的技术创新后才能适应这一新型燃料。因此不同冶金手工业门类对待这一问题的态度可能存在显著差异。
详见：Liu et al. 2019, Coal-fuelled crucible lead-silver smelting in 12th-13th century China: A technological innovation in the age of deforestation, Journal of Archaeological Science, 104，75-84.