黄铜与金属锌的冶炼

弹鼔论金

　　黄铜是铜锌合金。在中国古代是重要性仅次于青铜的另一种铜合金。初时，人们是把红铜与含锌的菱锌矿石〔中国古代称为“炉甘石”，化学成分为ZnCO3或ZnCO3·Zn(OH)2〕加炭一起合炼而得到黄铜的。很久以后才摸索出炼取金属锌的方法。在我国，以金属锌和金属铜来熔炼黄铜大约已经是明代后期了。

　　我国早先把锌黄铜称为“鍮〔tou偷〕石”或“鍮铜”，直到明代才以“黄铜”专指铜锌合金(以前“黄铜”另有其他含义)。根据现存的古籍文献，有关锌黄铜的可靠记载最早者应算梁代人宗懔所撰写的《荆楚岁时记》，其中说到每年七月七日晚夕，当地(指湖南、湖北)各户人家的妇女以彩色丝线扎结，用金、银、鍮石制的针做穿针的游戏，向织女“乞巧”。隋代方士苏元明所撰《宝藏论》中曾列举人工以药剂所制的“黄金”，其中就有鍮石金，也当为锌黄铜。所以在隋代以前我国已有了这种合金。及至唐代，规定以鍮铜制作八、九品官的饰带。其价格介于铜银之间，民间应用还很不普遍。到了宋代，民间就有较多的鍮铜器了，据说那时许多人违法销毁钱币，以“药”(大概即炉甘石)点化鍮铜。到明代时这种合金生产量猛增，到嘉靖年间(公元1522—1566年)铸币就改用黄铜了，这是金属铸币史上的一个重要转折。直到清末宣统年(公元1909—1911年)，都沿用黄铜铸造方孔钱。

　　但关于冶炼鍮铜方法的文字记载，出现则相当晚。最早的可能是五代末宋代初的方士大明(道号日华子)所撰的一本炼金术著作《日华子点庚法》。他说：用百炼精铜一斤，太原产炉甘石一斤，研细混匀，再掺入木炭，放在铁罐中，密封后，放在风炉中加热，焙烧两日夜，再以猛火煅烧三个时辰(六小时)。冷却后，启封打开，把罐内物料用水洗净，便得到金黄色的鍮铜。这便是“点铜成金”了。宋代以后有关炼制鍮铜的记载就很多了，北宋方士崔昉所撰的《大丹药诀本草》、元人托名苏轼所撰的《格物粗谈》、明代的《本草纲目》、《天工开物》以及清初方以智的《物理小识》中都有。工艺过程基本上也没有多大变化。可以肯定，在我国，这项技艺最先是方士们掌握到的。

　　中国早期的鍮铜及其炼制工艺，最初时是我国先民发明的，还是由外域传入的，现在还难以作结论。实事求是地说，从全世界范围内看，锌黄铜很早就出现在古罗马。公元45年和公元79年时，那里就发行过黄铜币(含锌分别为27.6%和15.9%)；我国唐代高僧玄奘赴印度求经归来后曾写了一部书，叫《大唐西域记》，书中提到他在西域和印度很多邦国的庙宇中都看到有几尺甚至百尺高的鍮石佛像，例如梵衍那国“有鍮石释迦佛立像，高百余尺，分身别铸，总合成立”；中国唐代的炼丹术著作中也很推崇波斯鍮铜。可见在唐代以前，古罗马、印度、波斯诸国的黄铜工艺水平已经很高，生产规模想必也很可观。所以应该估计到我国炼制鍮铜的技艺最初是得自外国的经验。

　　虽然世界上很多地区很早就掌握了以锌矿石点化红铜为黄铜的技艺，但炼取到金属锌则相当晚，因为锌是最难冶炼的金属之一。有这样几方面的原因：以炭还原氧化锌的还原温度为904℃，但锌的沸点仅907℃，所以还原出的金属锌会立即挥发跑掉，很难捕集到；金属锌的蒸气一遇热空气或二氧化碳又会被再度氧化，又恢复成氧化锌；如果把锌蒸气快速冷却，若温度过低，又会凝结成锌粉，而不成锌锭。所以炼锌必须在密闭的反应罐中进行，在罐的上部要创造条件使锌蒸气在大约500℃左右的温度下冷凝下来(锌的熔点是419℃)，但又不流回罐的下部加热区。古人哪里懂得这些道理，所以只能是在很长期的摸索后才能逐步取得成功。正因为这样，在古代，炼锌术的发明是一项冶金学和化学上的辉煌成就。

　　我国至迟在明代中叶已掌握了这项高难度的冶金工艺。当时人把这种金属称为“倭铅”，可能是因为当时中国东南沿海一带倭寇猖獗，品性凶残，而金属锌“似铅而性猛”，“此物无铜收伏，入火即成烟飞去”(宋应星语)，所以就给它取了这个怪名。此外，还有些地方称它为“白铅”，因它性质似铅但色白。据吕震所编《宣德鼎彝谱》记载：宣德三年(公元1428年)工部曾奉勅大量铸造鼎彝器，供郊坛，宗庙，内廷陈设。用料中有“倭源白水铅”17000斤。按“倭源”与“倭铅”〔“铅”古字为“鈆”，读yan〕，读音极近，所以它大约就是金属锌。1917年别发洋行出版的《中国百科全书》记载：在广东曾发现一些锌锭，上面注明是万历十三年(公元1585年)制造的，经分析含锌98%。到了清代初年，黔西、滇东北成为我国炼锌业的中心地区，雍正年间(公元1723—1735年)云贵总督、贵州巡抚的奏折中已大量提到两省生产倭铅的情况，例如雍正二年时云南省运往贵州供铸币使用的倭铅就达50万斤。

　　关于炼锌工艺的现存文字记载，中外学者都承认最早的见于明末宋应星于崇祯十年(公元1637年)所著《天工开物》，那段文字是这样的：

　　“每炉甘石十斤，装载入一泥罐中，封裹泥固，以渐砑干，勿使见火拆裂。然后逐层用煤炭饼垫盛。其底铺薪，发火煅红，罐中炉甘石熔化成团。冷定毁罐取出。每十耗其二，即倭铅也。”

　　书中还附有插图(图2-2)。在封闭的泥罐中发生了如下反应：

　　但是锌蒸气在罐顶冷凝后是如何被收集起来的，文中和附图都未做说明。幸而至今黔滇山区仍然保存着明代以来的传统炼锌工艺，近年曾有科学史家赴贵州章赫县妈姑地区做了实地考察，探明原来在炼锌泥罐的上部有一个罐兜，锌蒸气通过“兜鼻子”在盖上冷凝后，便坠流到罐兜中(图2—3)，十分简便、巧妙，冷凝温度大约在500℃。