第五节 冶金 矿冶业的发展
明前期矿冶业的生产规模和产量都有较大增长。如明初铁年冶收量达到九百多万公斤，洪武二十八年（1395）内府存铁达一千五百多万公斤，于是放宽限制，允许民营，税率降到十五取一。宣德年间（1426—1435）重申原由民营的坑冶“听民采取，不许禁约”①。明初朱元璋对那些驱使丁户从事采冶之类劳民损民的建议，还常加训斥与惩处，以缓和官府与百姓的矛盾。这些做法在一定程度上促进了明前期矿冶业的发展。当时，湖北大冶为最重要的铁产地，湖广课铁占全国的三分之一强。广东佛山在明中叶已成为重要冶铁中心。有色金属产地集中于岭南和西南地区。铜产自四川、云南、贵州。锡产自广西贺县、南丹，湖南衡阳、零陵和云南楚雄等地。汞多产自云南。云南所产白银流遍全国，如《天工开物》所说：“合八省所生，不敌云南之半。”这些也反映了矿冶业重心南移的史实。
明代中叶，官府设冶纳课，大肆搜括，引起民众强烈反抗。正统九年（1444），福建、浙江银课比洪武年间增加十倍，邓茂七、叶宗留相继起事。成化九年（1473），云南巡按御史胡经奏称，楚雄等地卫军全部充任矿夫，因“煎办不足，或典妻鬻子，赔补其数，甚至流徙逃生，啸聚为盗”。面对这种严重局面，明皇朝不但不采取改善措施，反而变本加厉地加强镇压和搜括。弘治十三年规定，“聚众至三十人以上，分矿至三十斤以上者，俱不问初犯再犯，问发边卫充军”。万历年间（1573—1620）派宦官到各地摊派勒索，十年间得银三百万两，迫使反矿税的斗争此伏彼起，遍及全国。《明史·食货志》谈及矿政积弊时说：“识者以为明亡盖兆于此”，是有一定道理的①。
钢铁冶炼技术
明代，炼铁竖炉及其熔炼技术有进一步发展。据朱国桢《涌幢小品》和孙承泽《春明梦余录》记载，遵化铁冶“铁炉深一丈二尺，广前二尺五寸，后二尺七寸，左右各一尺六寸，前辟数丈为出铁之所，俱石砌，以简千石为门，牛头石为心，黑沙为本，石子为佐，时时施下，用炭火，置二鞴扇之，得铁日可四次。妙在石子产于水门口，色间红白，略似桃花，大者如斛，小者如拳，捣而碎之，以投于炎，则化而为水。石心若燥，沙不能下，以此投之，则其沙始销成铁。”这里所说的色如桃花的石子应即莹石，用作熔剂可降低熔点，使炉况顺行，是炼铁技术的重要进展，文献记载以此为最早。炼铁所用鼓风器多为双动作的活塞式木风箱。由于箱体结构和活门的巧妙设置，使得正、逆行程都能送风，为炼炉提供连续风流。四人拉拽的大型木风箱，风压可达三百毫米汞柱，在当时世界上是一种先进的鼓风设备。有些铁场还使用了机车，如屈大均《广东新语》记载，广州铁场装填矿料“率以机车从山上飞掷以入炉”，节省了劳力，提高了工效。
焦炭至迟于明代已用于炼铁。方以智《物理小识》说：“煤则各处产之，奥者烧焙而闭之成石，再凿而入炉曰礁，可五日不绝灭，煎矿煮石，殊为省力。”李诩《戒庵老人漫笔》说北京地区“炼焦炭，备冶铸之用”。按木炭所含灰分只0.5—2.5％，磷分0.01—0.017％，硫甚少，可不计，并且气孔度大，料柱透气性好，利于熔炼操作。但由于其强度低，炉高不能超高十米，限制了高炉的发展。煤的杂质多，炼铁时须加大造渣量，兼以热稳定性差，易使炉况不顺，所得生铁含硫量高，质较次。焦炭在制备时经过蒸馏，除去大部分挥发物，强度大，发热量高，为竖炉炼铁的理想燃料。英国于公元1709年由阿拉伯罕·达比创用焦炭炼铁，其后竖炉高度迅速超过十米以上。所以，明代发明炼焦并用于炼铁生产，是有重要意义的。
隋唐以后，炒铁是从生铁制备熟铁的几乎是惟一的方法，因而在制钢术中具有极重要的地位。明代的炒铁炉有地炉、反射炉和生熟炼铁炉三种。
与简陋的地炉相比较，反射式炒铁炉较为先进。它的燃烧室与熔池分设，以减少灰分与杂质的混入，可用煤作燃料。
生熟炼铁炉见于《天工开物·五金》篇：“若造熟铁则生铁流出时，相连数尺内低下数寸，筑一方塘，短墙抵之。其铁流入塘内，数人执持柳木棍排立墙上，先以污潮泥晒干，舂筛细罗如面，一人疾手撒■，众人柳棍疾搅，即时炒成熟铁。其柳棍每炒一次，烧折二三寸，再用，则又更之。炒过稍冷之时，或有就塘内斩划成方块者，或有提出挥椎打圆后货者。”这种将炼铁炉和炒铁炉串联使用，以提高生产效率，减少能耗的做法，在工艺思想上是很先进的。方以智《物理小识》卷七于此有相似记载：“凡铁炉用盐和泥造成。出炉未炒为生铁，既炒则熟，生熟相炼则钢。尤溪毛铁，生也。豆腐铁，熟也。熔流时又作方塘留之，洒干泥灰而持柳棍疾搅，则熟矣。”这种搅炼制熟铁的工艺，于近代仍在四川、云南等地使用。
灌钢在各种传统制钢术中最为重要。唐顺之《武编》说：“熟钢无出处，以生铁合熟铁炼成，或以熟铁片夹广铁锅，涂泥入火而团之，或以生铁与熟铁并铸，待其极熟，生铁欲流，则以生铁置熟铁上，擦而入之。”这里所说的前一种方法，与宋代沈括《梦溪笔谈》所述相似，但把屈盘的熟铁改为铁片，可增加生、熟铁的接触面积，有利于造渣和碳分的扩散与匀化，此法又见于《天工开物》和《物理小识》。后一种方法亦即清代至近代仍盛行于江苏、安徽、湖北、湖南、四川、福建等地的“抹钢”和“苏钢”。有学者曾于四十年代在重庆作实地考察，认为通过生铁液滴对料铁的渗淋，有助于造渣和使铁净化，与现代白林炼钢法的原理相近①。
金属锌的冶炼和黄铜的应用
锌的古称为倭铅。它的冶炼工艺在古代文献中仅见于《天工开物·五金》篇。原文称：“凡‘倭铅’古书本无之，乃近世所立名色。其质用炉甘石（碳酸锌ZnCO3）熬炼而成，繁产山西太行山一带，而荆衡为次之。每炉甘石十斤，装载入一泥罐内，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，每十耗去其二，即倭铅也。”
按锌的沸点仅 907℃，而氧化锌的还原温度为904℃，二者非常接近，因此必须用冷凝装置予以回收，才能得到单质锌。这是炼锌的困难所在，也是《天工开物》所未详明的。根据近年一些学者的实地考察，得知贵州赫章传统炼锌工艺所用锌铅矿，其主要矿物组成为菱锌矿（ZnCO3），间有异极矿（H2ZnSiO5）和硫酸锌矿（ZnSO4）等，蒸馏罐用耐火泥加熟料制成、上部特做出回收锌蒸汽的斗壳。长方形的坩埚炉内一次可放蒸馏罐一百二十个。罐内盛以碎矿和煤。放入炉内后，点火，锌矿石在高温下被还原，凝集于斗壳底部。所得锌块纯度约为97—98.7％，生产周期约一昼夜。
印度的炼锌技术早于中国。它的蒸馏罐为倒置，罐颈细长，穿过隔板下伸而起到冷凝器的作用，使锌凝集于下方的容器中。据此可知，印度的传统炼锌术是采用下冷凝式，中国则使用上冷凝式，其技术渊源不同，属于两种工艺体系，有可能是各自独立发明的。锌在十六世纪传入欧洲。据埃契森称， 1745年有一批锌锭从广州运往瑞典，货船沉没于哥德堡港。1842年左右，部分锭材被打捞出来，证实其为纯度98.99的锌锭。英国于1738年用下冷凝式炼锌，可能是受到印度炼锌术的影响。但中国锌锭的长期出口，无疑也对欧洲炼锌业的兴起产生着推动作用。
黄铜是铜和锌的合金。明自嘉靖时开始大量铸钱，《明会典》载：“嘉靖中则例，通宝钱六百万文合用二火黄铜四万七千二百七十二斤”，“嘉靖三十二年，铸洪武至正德九号钱，每号百万锭，每锭五千文；嘉靖钱千万锭，每锭五千文”。可见黄铜用量之大。先前多用炉甘石点化红铜得到黄铜。如清初顾祖禹《读史方舆纪要》载：“宁州水角甸山，在州东百三十里，地名备录村，产芦（炉）甘石，旧封闭。嘉靖中，开局铸钱，取以入铜，自是复启。”但这种方法存在一些问题。如《天工开物·五金》载：“后人因炉甘石烟洪飞损，改用倭铅。每红铜六斤，入倭铅四斤，先后入罐熔化。冷定取出，即成黄铜，唯人打造。”又载：“凡铸器，低者红铜、倭铅均平分两，甚至铅六铜四；高者名三火黄铜、四火熟铜，则铜七而铅三也。”有学者据明嘉靖年间成书的《三元大丹秘苑真旨》所述福建出产“白气倭铅”，河南出产“青气倭铅”，山西出产“黄气倭铅”，认为《宣德鼎彝语》所载“倭源白水铅”和“倭源黑水铅”为中国自产的金属锌①。还有人对明代钱币作了测试，发现天启后的钱币含镉量有明显增大，认为系蒸馏法炼锌所致，据此可将中国以单质锌配制黄铜用以铸钱的时间定在天启元年（1621）②。当然这还需要进一步寻找证据，但由此可见，铜锌合金的配制与使用逐渐进入成熟阶段，且广泛用于钱币和各种器件的铸造与锻制。这在冶金史上是具有重要意义的。
大型金属铸件
1.兰州铁柱。明洪武五年到九年（1372—1376）造。供黄河浮桥缚系铁缆之用，南北岸各立两根。现存两根柱长6.3米，直径0.6米，重约14吨。
2.永乐大钟。铸于明永乐十八年（1420）前后，现存北京大钟寺。高近7米，口径33米，重约46吨。钟体内外铸有经文22万余字。大钟合金成份为：铜80.54％、锡16.4％、铝1.12％，钟体铸型由七段铸范和泥芯组成，蒲牢先铸，于浇铸钟体时铸接成一件，浇注用槽注法①。
3.武当山金殿。位于武当山主峰天柱峰巅，建于明永乐十四年（1416），为现存最大的铜建筑物。重檐庑，殿式仿木结构，高5.5米，宽5.8米，进深42米，全部用铜构件由榫卯装配而成。
除正面门扇外，构件表面均鎏金。类似的铜建筑物有北京万寿山铜殿、五台山铜殿、昆明铜殿等。
这些大型金属铸件，在铸造技术和生产规模方面，都可说是领先于世界的。
①《明史》卷八二《食货志》。
①参见《明史·食货志》和白寿彝：《明代矿业的发展》，《历史研究》1963年第2期。
①周志宏：《中国早期钢铁冶炼技术上创造的成就》，《科学通报》1965年第2期。
①赵匡华：《中国历代“黄铜”考释》，《自然科学史研究》1987年第4期。
②周卫荣：《中国古代使用单质锌黄铜的实验证据》，《自然科学史研究》1994年第1期。
①朱彝尊：《日下旧闻考》；吴长元：《宸垣识余》；夏明明：《明永乐大钟》，《北京考古与文物》1982年。
明前期矿冶业的生产规模和产量都有较大增长。如明初铁年冶收量达到九百多万公斤，洪武二十八年（1395）内府存铁达一千五百多万公斤，于是放宽限制，允许民营，税率降到十五取一。宣德年间（1426—1435）重申原由民营的坑冶“听民采取，不许禁约”①。明初朱元璋对那些驱使丁户从事采冶之类劳民损民的建议，还常加训斥与惩处，以缓和官府与百姓的矛盾。这些做法在一定程度上促进了明前期矿冶业的发展。当时，湖北大冶为最重要的铁产地，湖广课铁占全国的三分之一强。广东佛山在明中叶已成为重要冶铁中心。有色金属产地集中于岭南和西南地区。铜产自四川、云南、贵州。锡产自广西贺县、南丹，湖南衡阳、零陵和云南楚雄等地。汞多产自云南。云南所产白银流遍全国，如《天工开物》所说：“合八省所生，不敌云南之半。”这些也反映了矿冶业重心南移的史实。
明代中叶，官府设冶纳课，大肆搜括，引起民众强烈反抗。正统九年（1444），福建、浙江银课比洪武年间增加十倍，邓茂七、叶宗留相继起事。成化九年（1473），云南巡按御史胡经奏称，楚雄等地卫军全部充任矿夫，因“煎办不足，或典妻鬻子，赔补其数，甚至流徙逃生，啸聚为盗”。面对这种严重局面，明皇朝不但不采取改善措施，反而变本加厉地加强镇压和搜括。弘治十三年规定，“聚众至三十人以上，分矿至三十斤以上者，俱不问初犯再犯，问发边卫充军”。万历年间（1573—1620）派宦官到各地摊派勒索，十年间得银三百万两，迫使反矿税的斗争此伏彼起，遍及全国。《明史·食货志》谈及矿政积弊时说：“识者以为明亡盖兆于此”，是有一定道理的①。
钢铁冶炼技术
明代，炼铁竖炉及其熔炼技术有进一步发展。据朱国桢《涌幢小品》和孙承泽《春明梦余录》记载，遵化铁冶“铁炉深一丈二尺，广前二尺五寸，后二尺七寸，左右各一尺六寸，前辟数丈为出铁之所，俱石砌，以简千石为门，牛头石为心，黑沙为本，石子为佐，时时施下，用炭火，置二鞴扇之，得铁日可四次。妙在石子产于水门口，色间红白，略似桃花，大者如斛，小者如拳，捣而碎之，以投于炎，则化而为水。石心若燥，沙不能下，以此投之，则其沙始销成铁。”这里所说的色如桃花的石子应即莹石，用作熔剂可降低熔点，使炉况顺行，是炼铁技术的重要进展，文献记载以此为最早。炼铁所用鼓风器多为双动作的活塞式木风箱。由于箱体结构和活门的巧妙设置，使得正、逆行程都能送风，为炼炉提供连续风流。四人拉拽的大型木风箱，风压可达三百毫米汞柱，在当时世界上是一种先进的鼓风设备。有些铁场还使用了机车，如屈大均《广东新语》记载，广州铁场装填矿料“率以机车从山上飞掷以入炉”，节省了劳力，提高了工效。
焦炭至迟于明代已用于炼铁。方以智《物理小识》说：“煤则各处产之，奥者烧焙而闭之成石，再凿而入炉曰礁，可五日不绝灭，煎矿煮石，殊为省力。”李诩《戒庵老人漫笔》说北京地区“炼焦炭，备冶铸之用”。按木炭所含灰分只0.5—2.5％，磷分0.01—0.017％，硫甚少，可不计，并且气孔度大，料柱透气性好，利于熔炼操作。但由于其强度低，炉高不能超高十米，限制了高炉的发展。煤的杂质多，炼铁时须加大造渣量，兼以热稳定性差，易使炉况不顺，所得生铁含硫量高，质较次。焦炭在制备时经过蒸馏，除去大部分挥发物，强度大，发热量高，为竖炉炼铁的理想燃料。英国于公元1709年由阿拉伯罕·达比创用焦炭炼铁，其后竖炉高度迅速超过十米以上。所以，明代发明炼焦并用于炼铁生产，是有重要意义的。
隋唐以后，炒铁是从生铁制备熟铁的几乎是惟一的方法，因而在制钢术中具有极重要的地位。明代的炒铁炉有地炉、反射炉和生熟炼铁炉三种。
与简陋的地炉相比较，反射式炒铁炉较为先进。它的燃烧室与熔池分设，以减少灰分与杂质的混入，可用煤作燃料。
生熟炼铁炉见于《天工开物·五金》篇：“若造熟铁则生铁流出时，相连数尺内低下数寸，筑一方塘，短墙抵之。其铁流入塘内，数人执持柳木棍排立墙上，先以污潮泥晒干，舂筛细罗如面，一人疾手撒■，众人柳棍疾搅，即时炒成熟铁。其柳棍每炒一次，烧折二三寸，再用，则又更之。炒过稍冷之时，或有就塘内斩划成方块者，或有提出挥椎打圆后货者。”这种将炼铁炉和炒铁炉串联使用，以提高生产效率，减少能耗的做法，在工艺思想上是很先进的。方以智《物理小识》卷七于此有相似记载：“凡铁炉用盐和泥造成。出炉未炒为生铁，既炒则熟，生熟相炼则钢。尤溪毛铁，生也。豆腐铁，熟也。熔流时又作方塘留之，洒干泥灰而持柳棍疾搅，则熟矣。”这种搅炼制熟铁的工艺，于近代仍在四川、云南等地使用。
灌钢在各种传统制钢术中最为重要。唐顺之《武编》说：“熟钢无出处，以生铁合熟铁炼成，或以熟铁片夹广铁锅，涂泥入火而团之，或以生铁与熟铁并铸，待其极熟，生铁欲流，则以生铁置熟铁上，擦而入之。”这里所说的前一种方法，与宋代沈括《梦溪笔谈》所述相似，但把屈盘的熟铁改为铁片，可增加生、熟铁的接触面积，有利于造渣和碳分的扩散与匀化，此法又见于《天工开物》和《物理小识》。后一种方法亦即清代至近代仍盛行于江苏、安徽、湖北、湖南、四川、福建等地的“抹钢”和“苏钢”。有学者曾于四十年代在重庆作实地考察，认为通过生铁液滴对料铁的渗淋，有助于造渣和使铁净化，与现代白林炼钢法的原理相近①。
金属锌的冶炼和黄铜的应用
锌的古称为倭铅。它的冶炼工艺在古代文献中仅见于《天工开物·五金》篇。原文称：“凡‘倭铅’古书本无之，乃近世所立名色。其质用炉甘石（碳酸锌ZnCO3）熬炼而成，繁产山西太行山一带，而荆衡为次之。每炉甘石十斤，装载入一泥罐内，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，每十耗去其二，即倭铅也。”
按锌的沸点仅 907℃，而氧化锌的还原温度为904℃，二者非常接近，因此必须用冷凝装置予以回收，才能得到单质锌。这是炼锌的困难所在，也是《天工开物》所未详明的。根据近年一些学者的实地考察，得知贵州赫章传统炼锌工艺所用锌铅矿，其主要矿物组成为菱锌矿（ZnCO3），间有异极矿（H2ZnSiO5）和硫酸锌矿（ZnSO4）等，蒸馏罐用耐火泥加熟料制成、上部特做出回收锌蒸汽的斗壳。长方形的坩埚炉内一次可放蒸馏罐一百二十个。罐内盛以碎矿和煤。放入炉内后，点火，锌矿石在高温下被还原，凝集于斗壳底部。所得锌块纯度约为97—98.7％，生产周期约一昼夜。
印度的炼锌技术早于中国。它的蒸馏罐为倒置，罐颈细长，穿过隔板下伸而起到冷凝器的作用，使锌凝集于下方的容器中。据此可知，印度的传统炼锌术是采用下冷凝式，中国则使用上冷凝式，其技术渊源不同，属于两种工艺体系，有可能是各自独立发明的。锌在十六世纪传入欧洲。据埃契森称， 1745年有一批锌锭从广州运往瑞典，货船沉没于哥德堡港。1842年左右，部分锭材被打捞出来，证实其为纯度98.99的锌锭。英国于1738年用下冷凝式炼锌，可能是受到印度炼锌术的影响。但中国锌锭的长期出口，无疑也对欧洲炼锌业的兴起产生着推动作用。
黄铜是铜和锌的合金。明自嘉靖时开始大量铸钱，《明会典》载：“嘉靖中则例，通宝钱六百万文合用二火黄铜四万七千二百七十二斤”，“嘉靖三十二年，铸洪武至正德九号钱，每号百万锭，每锭五千文；嘉靖钱千万锭，每锭五千文”。可见黄铜用量之大。先前多用炉甘石点化红铜得到黄铜。如清初顾祖禹《读史方舆纪要》载：“宁州水角甸山，在州东百三十里，地名备录村，产芦（炉）甘石，旧封闭。嘉靖中，开局铸钱，取以入铜，自是复启。”但这种方法存在一些问题。如《天工开物·五金》载：“后人因炉甘石烟洪飞损，改用倭铅。每红铜六斤，入倭铅四斤，先后入罐熔化。冷定取出，即成黄铜，唯人打造。”又载：“凡铸器，低者红铜、倭铅均平分两，甚至铅六铜四；高者名三火黄铜、四火熟铜，则铜七而铅三也。”有学者据明嘉靖年间成书的《三元大丹秘苑真旨》所述福建出产“白气倭铅”，河南出产“青气倭铅”，山西出产“黄气倭铅”，认为《宣德鼎彝语》所载“倭源白水铅”和“倭源黑水铅”为中国自产的金属锌①。还有人对明代钱币作了测试，发现天启后的钱币含镉量有明显增大，认为系蒸馏法炼锌所致，据此可将中国以单质锌配制黄铜用以铸钱的时间定在天启元年（1621）②。当然这还需要进一步寻找证据，但由此可见，铜锌合金的配制与使用逐渐进入成熟阶段，且广泛用于钱币和各种器件的铸造与锻制。这在冶金史上是具有重要意义的。
大型金属铸件
1.兰州铁柱。明洪武五年到九年（1372—1376）造。供黄河浮桥缚系铁缆之用，南北岸各立两根。现存两根柱长6.3米，直径0.6米，重约14吨。
2.永乐大钟。铸于明永乐十八年（1420）前后，现存北京大钟寺。高近7米，口径33米，重约46吨。钟体内外铸有经文22万余字。大钟合金成份为：铜80.54％、锡16.4％、铝1.12％，钟体铸型由七段铸范和泥芯组成，蒲牢先铸，于浇铸钟体时铸接成一件，浇注用槽注法①。
3.武当山金殿。位于武当山主峰天柱峰巅，建于明永乐十四年（1416），为现存最大的铜建筑物。重檐庑，殿式仿木结构，高5.5米，宽5.8米，进深42米，全部用铜构件由榫卯装配而成。
除正面门扇外，构件表面均鎏金。类似的铜建筑物有北京万寿山铜殿、五台山铜殿、昆明铜殿等。
这些大型金属铸件，在铸造技术和生产规模方面，都可说是领先于世界的。
①《明史》卷八二《食货志》。
①参见《明史·食货志》和白寿彝：《明代矿业的发展》，《历史研究》1963年第2期。
①周志宏：《中国早期钢铁冶炼技术上创造的成就》，《科学通报》1965年第2期。
①赵匡华：《中国历代“黄铜”考释》，《自然科学史研究》1987年第4期。
②周卫荣：《中国古代使用单质锌黄铜的实验证据》，《自然科学史研究》1994年第1期。
①朱彝尊：《日下旧闻考》；吴长元：《宸垣识余》；夏明明：《明永乐大钟》，《北京考古与文物》1982年。
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