《人類科學技術史-223》中國明朝時期的礦冶技術

中國明朝時期的礦冶技術

明代洪武末年，政府取消了限制民間開采鐵礦的禁令，調動了民間開礦的積極性，促進了礦冶技術的發展。從開礦、選礦、冶煉都有科學的安排，礦冶的規模與設施在世界上屬于比較先進的行列，黑色金屬與有色金屬產量有很大提高，其生產規模也是前所未有的。明中葉以后，較大的鐵場至少有六七個高1丈的煉鐵爐，較小的鐵場也有高爐三四個。河北省武安縣發掘的明代煉鐵爐高達1丈9尺，內徑7尺，外徑10尺。

1.采礦

明代的采礦技術，繼承和發展了傳統的錐鑿、鎚擊、斧劈等法，還發明了"燒爆"與"火爆"二法。"燒爆"，據一些專家的研究，是用火燒礦床以后，再用水淋，利用熱脹冷縮的規律，使礦爆裂、分解，而進行開采。至于"火爆"采礦法，可能是利用火藥爆礦技術，炸開礦床，擊碎礦石，而進行開采。據說用火爆法采礦時，"山陵震裂"、"鳥驚獸駭，若蹈湯火"，因而人們估計只有用火藥爆炸時才能產生如此巨大的爆破力與沖擊力。

特別要指出的是，明朝采礦中的采煤技術有很大提高，它不僅繼承了宋代找煤、選擇井位，布置井巷，支護、通風、排水等經驗，而且掌握了排除瓦斯(毒氣）的技術。《天工開物》上說，當時有經驗的人從地表情況測知煤在何處，經挖井開掘至煤端時，就采取措施，防止毒氣薰人。他們的辦法是"將巨竹鑿去中節，尖銳其末插入炭中，其毒煙從竹中透上，人從其下施钁拾取"。他們已經懂得了瓦斯的比重輕于空氣，集中于煤層上部的規律，利用"筒引法"，把瓦斯導出礦外。同時，明人還掌握了防止塌陷的技術。因在一座井下，煤的分布縱橫交錯，采煤工隨著煤的分布而斫取，會形成坑道。為了防止這些坑道坍塌，當時工人根據力學原理在基部打上木樁，上面支上木板，以保證安全。

2.選礦

明代選礦技術也有所發展，很多地方利用了盤選、磨礦、磁選等技術。

盤選法是利用水的力量，淘汰雜質，選出精礦石。把現形的鐵礦石取來，放在木盤中進行淘洗。這種淘砂的木盤是以兩塊梯形木板為底，兩塊鈍角等腰三角形木板為邊組成，略似于今天的淘金斗。一些錫礦石也是用這種方法選取。《天工開物》講，湖南衡陽、零陵的山溪中和廣西南丹州的河流中產一種呈黑色的水錫，把它粉碎后用篾籮在河中淘洗，即可得到礦砂。

磨礦技術是：先將礦石打碎，再用臼舂成細末，然后用大桶盛水，把礦末投入水中攪拌，攪到一定程度，一些"細粘"就浮在水面上，一些梅砂懸浮在水中。再把細粘和梅砂用尖底淘盆進行淘洗，然后取得精礦。而沉在水底的粗礦肉，也要用船形木盤進行選取。

磁選是用磁石的引力進行選取。明代青花料的選取就是用這一種辦法。明代王宗沐記載這種選法說："首用錘碎，……敲青后，取其奇零瑣碎碾碎，入注水中，用磁石引雜后，真青澄定，每斤可得五、六錢。"

3.冶煉

在冶煉技術方面，在明代已懂得用煉焦法冶煉金屬，也就是將煤煉成焦炭，用來"煎礦煮石"。這種經過高溫干餾所得到的固體產物，所含硫分、灰分等揮發物少、熱值大，用來冶煉礦石，"殊為省力"，效果特好。

在冶煉中，為了使燃料充分氧化，提高溫度，一定要進行鼓風。明朝發明了活塞式木風箱，對木扇作了重大改進。它利用活塞進行推動，使空氣加大壓力，自動開閉活門，可連續供應較大的風壓和風量。這不僅增加了爐內溫度，而且也使熔爐容量的擴大成為可能，使冶金的產量與質量都有很大提高。這種活塞式木風箱的發明，也比歐洲早得多。

明朝冶煉技術的另一個成就是炒鋼法的形成。這是一項生熟鐵冶煉連續生產的工藝，其過程是在離生鐵流出的地點數尺以內，挖一個比鐵水出口低的方塘，周圍筑上短墻。鐵水流入塘內，幾個人執持柳木棍排立在墻上。煉鐵時，一人用力快速地撒上曬干的污潮泥，眾人拿起柳棍迅速攪動，即時炒成熟鐵。柳棍每炒一次，燒折二、三寸，再用，要及時更換。這一工藝，促使生鐵中的碳氧化成二氧化碳，使碳的含量減少，又因污潮泥中含有硅酸鐵，硅能與氧化鐵化合成一種渣，使熟煉凝成塊狀。這種使熟鐵連續生產的工藝可免去生鐵再溶化的過程，節省了時間與開支，提高了生產效率。

明代冶煉的再一成就，是"灌鋼法"的進一步發展。所謂"灌鋼法"，即熟鋼的制法。明代的灌鋼法有兩種。一種是團鋼法。宋代灌鋼法是把生鐵塊嵌在盤繞的熟鐵條中，用泥封起來進行加熱。明代的團鋼法則把生鐵放在捆緊的若干熟鐵片上，用涂泥的草鞋覆蓋在上，然后加熱。這正如《天工開物》所說，"凡鋼鐵煉法，用熟鐵打成薄片如指頭闊，長寸半許，以鐵片包夾緊，生鐵安置其上，泥涂其底下，洪爐鼓鞲，火力到時，生鋼(即生鐵--作者注）先化，滲淋熟鐵之中，兩情投合，取出加錘，再煉再錘；不一而足，俗名團鋼，亦曰灌鋼者是也。"這一工藝增加了生熟鐵之間的接觸面，使生鐵中的碳能迅速均勻地滲透到熟鐵之中，草鞋的覆蓋可使生鐵在還原狀況下逐漸得以熔化。另一種是唐順之在《武編》中所記載的，"以生鐵與熟鐵并鑄，待其極熟，生鐵欲流，則以生鐵于熟鐵上，擦而入之。"其具體過程已不很清楚，有人認為這種工藝和盛行于蘇州、蕪湖的制鋼法相近。灌鋼法的日趨完善，表明以生鐵為基礎的鋼鐵技術體系已經逐步形成，具備了向現代煉鋼技術轉化的條件。

在有色金屬的冶煉中，中國明代的煉鋅技術在當時世界上處于領先地位。鋅，在明代稱為"倭鉛"。明代運用從爐甘石中煉鋅的方法，已能獲得含鋅99％的鋅錠。其方法是把10斤為單位的爐甘石(碳酸鋅）裝入泥罐內，用泥封裹，并把表面磨光，慢慢風干，再把爐甘石泥罐放在層層堆成的煤餅之上，再在下面把煤餅點燃燒旺，罐里的爐甘石熔化成團待冷卻后把熔化物取出，這就得到鋅。煉鋅的難度是很大的，要使氧化鋅還原為鋅，所需溫度比鋅的沸點還高，而氣化的鋅與空氣接觸會重新變成氧化鋅。因此，煉鋅極其困難。歐洲直到18世紀前半世紀，由于中國煉鋅技術的傳入，才開始有煉鋅的歷史。