第二章 中國古代冶金中的化學成就 第三節 黃銅與金屬鋅的冶煉

黃銅是銅鋅合金。在中國古代是重要性僅次於青銅的另一種銅合金。初時,人們是把紅銅與含鋅的菱鋅礦石〔中國古代稱為「爐甘石」,化學成分為Zn(OH)〕加炭一起合煉而得到黃銅的。很久以後才摸索出煉取金屬鋅的方法。在我國,以金屬鋅和金屬銅來熔煉黃銅大約已經是明代後期了。

我國早先把鋅黃銅稱為「鍮〔tou偷〕石」或「鍮銅」,直到明代才以「黃銅」專指銅鋅合金(以前「黃銅」另有其他含義)。根據現存的古籍文獻,有關鋅黃銅的可靠記載最早者應算梁代人宗懍所撰寫的《荊楚歲時記》,其中說到每年七月七日晚夕,當地(指湖南、湖北)各戶人家的婦女以彩色絲線扎結,用金、銀、鍮石制的針做穿針的遊戲,向織女「乞巧」。隋代方士蘇元明所撰《寶藏論》中曾列舉人工以藥劑所制的「黃金」,其中就有鍮石金,也當為鋅黃銅。所以在隋代以前我國已有了這種合金。及至唐代,規定以鍮銅製作八、九品官的飾帶。其價格介於銅銀之間,民間應用還很不普遍。到了宋代,民間就有較多的鍮銅器了,據說那時許多人違法銷毀錢幣,以「葯」(大概即爐甘石)點化鍮銅。到明代時這種合金生產量猛增,到嘉靖年間(公元1522—1566年)鑄幣就改用黃銅了,這是金屬鑄幣史上的一個重要轉折。直到清末宣統年(公元1909—1911年),都沿用黃銅鑄造方孔錢。

但關於冶煉鍮銅方法的文字記載,出現則相當晚。最早的可能是五代末宋代初的方士大明(道號日華子)所撰的一本鍊金術著作《日華子點庚法》。他說:用百鍊精銅一斤,太原產爐甘石一斤,研細混勻,再摻入木炭,放在鐵罐中,密封后,放在風爐中加熱,焙燒兩日夜,再以猛火煅燒三個時辰(六小時)。冷卻後,啟封打開,把罐內物料用水洗凈,便得到金黃色的鍮銅。這便是「點銅成金」了。宋代以後有關煉製鍮銅的記載就很多了,北宋方士崔昉所撰的《大丹藥訣本草》、元人託名蘇軾所撰的《格物粗談》、明代的《本草綱目》、《天工開物》以及清初方以智的《物理小識》中都有。工藝過程基本上也沒有多大變化。可以肯定,在我國,這項技藝最先是方士們掌握到的。

中國早期的鍮銅及其煉製工藝,最初時是我國先民發明的,還是由外域傳入的,現在還難以作結論。實事求是地說,從全世界範圍內看,鋅黃銅很早就出現在古羅馬。公元45年和公元79年時,那裡就發行過黃銅幣(含鋅分別為27.6%和15.9%);我國唐代高僧玄奘赴印度求經歸來後曾寫了一部書,叫《大唐西域記》,書中提到他在西域和印度很多邦國的廟宇中都看到有幾尺甚至百尺高的鍮石佛像,例如梵衍那國「有鍮石釋迦佛立像,高百餘尺,分身別鑄,總合成立」;中國唐代的煉丹術著作中也很推崇波斯鍮銅。可見在唐代以前,古羅馬、印度、波斯諸國的黃銅工藝水平已經很高,生產規模想必也很可觀。所以應該估計到我國煉製鍮銅的技藝最初是得自外國的經驗。

雖然世界上很多地區很早就掌握了以鋅礦石點化紅銅為黃銅的技藝,但煉取到金屬鋅則相當晚,因為鋅是最難冶煉的金屬之一。有這樣幾方面的原因:以炭還原氧化鋅的還原溫度為904℃,但鋅的沸點僅907℃,所以還原出的金屬鋅會立即揮發跑掉,很難捕集到;金屬鋅的蒸氣一遇熱空氣或二氧化碳又會被再度氧化,又恢複成氧化鋅;如果把鋅蒸氣快速冷卻,若溫度過低,又會凝結成鋅粉,而不成鋅錠。所以煉鋅必須在密閉的反應罐中進行,在罐的上部要創造條件使鋅蒸氣在大約500℃左右的溫度下冷凝下來(鋅的熔點是419℃),但又不流回罐的下部加熱區。古人哪裡懂得這些道理,所以只能是在很長期的摸索後才能逐步取得成功。正因為這樣,在古代,煉鋅術的發明是一項冶金學和化學上的輝煌成就。

我國至遲在明代中葉已掌握了這項高難度的冶金工藝。當時人把這種金屬稱為「倭鉛」,可能是因為當時中國東南沿海一帶倭寇猖獗,品性兇殘,而金屬鋅「似鉛而性猛」,「此物無銅收伏,入火即成煙飛去」(宋應星語),所以就給它取了這個怪名。此外,還有些地方稱它為「白鉛」,因它性質似鉛但色白。據呂震所編《宣德鼎彝譜》記載:宣德三年(公元1428年)工部曾奉勅大量鑄造鼎彝器,供郊壇,宗廟,內廷陳設。用料中有「倭源白水鉛」17000斤。按「倭源」與「倭鉛」〔「鉛」古字為「鈆」,讀yan〕,讀音極近,所以它大約就是金屬鋅。1917年別發洋行出版的《中國百科全書》記載:在廣東曾發現一些鋅錠,上面註明是萬曆十三年(公元1585年)製造的,經分析含鋅98%。到了清代初年,黔西、滇東北成為我國煉鋅業的中心地區,雍正年間(公元1723—1735年)雲貴總督、貴州巡撫的奏摺中已大量提到兩省生產倭鉛的情況,例如雍正二年時雲南省運往貴州供鑄幣使用的倭鉛就達50萬斤。

關於煉鋅工藝的現存文字記載,中外學者都承認最早的見於明末宋應星於崇禎十年(公元1637年)所著《天工開物》,那段文字是這樣的:

「每爐甘石十斤,裝載入一泥罐中,封裹泥固,以漸砑干,勿使見火拆裂。然後逐層用煤炭餅墊盛。其底鋪薪,發火煅紅,罐中爐甘石熔化成團。冷定毀罐取出。每十耗其二,即倭鉛也。」

書中還附有插圖(圖2-2)。在封閉的泥罐中發生了如下反應:

但是鋅蒸氣在罐頂冷凝後是如何被收集起來的,文中和附圖都未做說明。幸而至今黔滇山區仍然保存著明代以來的傳統煉鋅工藝,近年曾有科學史家赴貴州章赫縣媽姑地區做了實地考察,探明原來在煉鋅泥罐的上部有一個罐兜,鋅蒸氣通過「兜鼻子」在蓋上冷凝後,便墜流到罐兜中(圖2—3),十分簡便、巧妙,冷凝溫度大約在500℃。

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