湖南桂阳古代硫化锌矿冶炼技术复原研究
火法炼锌所用锌矿石主要分为两大类，一类为氧化型矿，包括菱锌矿（炉甘石）和异极矿，另一类为硫化型矿，主要为闪锌矿。氧化型矿可直接与还原剂混合置于冶炼罐中进行还原蒸馏冶炼。相比较而言，硫化型矿的冶炼则更为复杂，冶炼前需进行焙烧。需要强调的是，在中国，乃至世界范围内，硫化锌矿的储量都要远远高于氧化锌矿。因此，对于硫化锌矿冶炼技术的掌握无疑是意义重大的。
从相关文献记载和目前考古发掘资料整理研究结果来看，中国古代火法炼锌技术主要以氧化锌矿的冶炼为主。中国最早记载单质锌冶炼的文献《天工开物》中描述的就是用炉甘石来还原蒸馏锌。直到二十世纪后期，中国中西部地区的云南、贵州、四川等地，火法炼锌所用矿石都是以菱锌矿和异极矿为主的氧化锌矿。近年来，在中国西南地区的重庆发现了大型明清时期炼锌遗址群。考古调查发掘与相关的实验室研究表明，这些遗址中所用矿石均为氧化锌矿。目前，对于氧化锌矿的还原蒸馏技术已有了详细的重建，对其冶炼原理也有了较为系统的阐述。但是，对于中国古代硫化锌矿的火法冶炼技术的研究，则明显存在欠缺。
桂阳桐木岭遗址（图一）作为目前中国考古发现的保存状况最好、遗迹结构功能最清楚、出土冶炼遗物最丰富的一处古代蒸馏法冶炼硫化锌矿的遗址，其考古发掘出土的重要遗迹与遗物的科学分析，对于揭示中国古代硫化锌矿的火法冶炼技术而言具有十分重要的意义。综合运用X射线荧光仪、扫描电镜能谱仪、偏光显微镜、X射线衍射仪、综合热分析仪等多种分析方法和手段，对桐木岭遗址出土重要冶炼遗迹遗物进行系统的分析。基于分析结果，结合考古发现的实物资料、土法炼锌工艺的文献记载以及锌冶金物理化学知识，科学的阐述了硫化锌矿的冶炼原理与冶炼过程，并复原了中国清代硫化锌矿冶炼技术。
图一 桐木岭遗址航拍图
通过分析桐木岭遗址出土的矿石（图二）、煤块、冶炼罐内壁附着渣和遗址上采集的颗粒状散渣（图三），以及桐木岭遗址发现的焙烧炉（图四）遗迹，并结合陡岭下遗址出土的锌焙砂，可知桐木岭遗址炼锌所用的原料以焙烧后的硫化锌矿为主，并添加有煤粉作为还原剂，以及冶炼过程中的冷凝器、冷凝兜碎块和冶炼失败的粗锌块作为返料。桐木岭遗址炼锌用矿石主要为硫化矿，主要金属矿物为闪锌矿，并伴生有大量的黄铁矿和方铅矿。在桐木岭遗址上发现有焙烧区域，分布有大量的圆形焙烧炉。结合炼渣的分析结果，这些硫化矿在加入冶炼罐前经过了非常充分的氧化焙烧。经过焙烧后，矿石中的硫化物金属就会被氧化成相应的氧化物，原本无法被直接还原的闪锌矿、黄铁矿、方铅矿等硫化物则转化为可以被直接还原的氧化物。
图二 桐木岭遗址出土部分较完整矿石
图三 两种锌炼渣：左为颗粒状散渣，右为冶炼罐TP4内附着渣
图四 桐木岭遗址焙烧台1 （BT1）（左） 及其测试点标示图（右）
桂阳桐木岭遗址蒸馏炼锌装置主要由冶炼罐、冷凝器、冷凝兜和冷凝盖四个部分组成（图五）。结合考古出土情况和相关文献资料，以及科学分析结果，对桐木岭遗址蒸馏罐的结构复原如下图六所示。桐木岭遗址锌冶炼技术与中国传统锌冶炼技术相一致，采用的都是“下火上凝”的原理。冶炼过程中所使用的蒸馏罐的每个部分根据在蒸馏过程中的作用都显示出适合其特定使用特征的结构和材料性能。冶炼罐由高铝耐火材料高温烧结而成，冶炼罐的口部用过筛后的炼渣与少量泥浆制作一冷凝兜，冷凝兜一侧留有气道，锌蒸气从气道中上升到冷凝器中。冷凝器为耐火黏土接在冶炼罐口部的喇叭形器，顶部盖有铁质冷凝盖。反应物料在冶炼罐中加热还原后，高温下形成锌蒸汽。锌蒸汽通过气道进入温度相对较低的冷凝器中，冷凝成液态锌，并滴落储存在冷凝兜中。中国传统炼锌术自宋应星时代以来，最重要的发展是冷凝装置的采用及其改进。桐木岭遗址锌冶炼装置中，使用专门的喇叭形收集装置作为冷凝器，其较高的尺寸使得低温冷凝区更远离高温还原区，从而获得更高的冷凝效率。
图五 蒸馏罐相关遗物
图六 蒸馏罐结构复原示意图
桐木岭炼锌遗址硫化锌矿冶炼工艺基本流程复原如图七所示。整个冶炼工艺主要分为硫化锌矿的氧化焙烧、氧化锌矿的还原蒸馏与冷凝、粗锌的精炼三个过程。首先是硫化锌矿的焙烧。该过程主要目的是为了将硫化锌矿转化为能够被直接还原蒸馏的氧化锌矿。然后是锌焙砂的还原蒸馏与冷凝。该过程在长条形炼锌炉中进行，其主要方法和土法炼锌记载中氧化锌矿的蒸馏方法基本相同。冶炼罐中被还原的锌在高温下变成锌蒸气，通过气道进入冷凝器中，并在冷凝器中较低的温度下冷凝成液态金属锌，储存在冷凝兜中。最后将冷凝兜中所得的液态锌进行精炼提纯，并铸成锌锭。
图七 桐木岭硫化锌矿冶炼工艺流程复原图
根据田野调查结果，桂阳除桐木岭遗址外，还有二十余处大型的炼锌遗址。桂阳大规模锌的冶炼活动应该是为了满足当时政府铸造黄铜钱币的需求。桂阳冶炼出来的锌产品主要由官方收购，并运往长沙宝南局供铸币。据文献记载，清代湖南鼓铸最兴盛时期为乾隆二十一年（1756）至乾隆四十三年（1778），宝南局设置铸炉20座，每年铸币消耗锌约65万余斤。铸币所需的大量锌，除了不足部分是从广西、贵州等地采买外，其它都由郴桂二州提供，并主要由桂阳州提供。
