鐵與火之歌——記桑植官田遺址冶金考古模擬實驗

清同治十一年版（1872年）《桑植縣志》記載：“漢高祖五年置充縣，東漢因之。”《同治直隸澧州志》記載：“充縣在（慈利）縣西二百四十里，即今……桑植縣治。”據《中國歷史地圖集》（第二冊）考證，漢代充縣縣治即位于今桑植縣。這些記載表明了桑植縣的建制可以上溯至西漢建立伊始，距今已有兩千余年的歷史了。

2015年8月至10月，湖南省文物考古研究所聯合張家界市文物局、桑植縣文物局對桑植縣光明路至張桑高速的引橋建設區域（即官田遺址）進行了考古發掘，發現了灰溝、灰坑、房址等遺跡，以及陶瓷器、鐵器、冶煉遺物等。其中，經過科技檢測，發現大部分鐵器為鑄鐵脫碳鋼制品，1件可能與炒鋼有關。也就是說，出土遺物反映了此區域附近有生鐵熔煉和澆鑄的生產過程，該遺址可能具備了生鐵鑄鐵作坊的功能與性質。根據出土遺物判斷，官田遺址的主體年代為東漢中晚期至三國時期。

正是此次的研究又一次輕輕的掀起了桑植縣漢代鐵器生產歷史的一角。早在1995年，桑植縣朱家臺就曾發掘清理出一處漢代中晚期的鐵器作坊遺址，發現了一座較為完整的熔鐵爐臺。朱家臺遺址位于官田遺址下游約6公里處，均位于郁水西岸。這種地理上的密切和時代上的先后都顯示出，桑植縣在漢代具有相當程度的鐵器生產技術水平和規模。

2020年12月至2021年1月，為了進一步地揭示官田遺址的完整面貌，湖南省文物考古研究所再次聯合北京大學考古文博學院、桑植縣文物研究所等單位，在2015年度官田遺址發掘區域的北部勘探并發掘了約3000平方米。這一次揭露出大面積的灰溝、灰坑、爐基等遺跡，以及陶器、青瓷器、模具、鐵器、冶煉遺物等。尤其是遺址中發現了大量的紅燒土塊、木炭顆粒等高溫用火遺存，以及擺放規則的大量石塊，激起了人們對這片區域曾經模樣的好奇與想象。

這一切都需要從木炭、紅燒土和碎石說起。

在大部分人的生活經驗中，木炭是木材燃燒后的樣子。其實，木炭也是一種非常重要的燃料制品。相比于木柴，木炭有著更高的發熱量及更低的灰分。早在商周時期，青銅冶煉已經采用木炭作為燃料。紅燒土則是土壤受到高溫熱輻射后的一種形態。當木炭與紅燒土相伴，我們很容易聯想到這些一定是用火的痕跡。那么，用火的地點在哪里呢？

遺址中發現了大量的石塊。這些石塊被有意識地擺放成一堆堆的形狀，如圓形、長條狀等。更為有意思的是，這些石塊中不少是破碎的狀態。經過仔細觀察，這些石塊表面有明顯被火燒過的痕跡。而且，在破裂面并沒有觀察到打擊點等痕跡。那么，這些破碎的石塊是燃燒后的結果嗎？擺放成堆的石塊是爐子的一部分嗎？當時是如何使用這些石塊的呢？

于是，帶著這些線索和疑問，在這片數千平方米的遺址旁，我們決定進行實驗考古。通過實踐去尋找更多的線索和答案。

實驗考古是考古學研究的重要方法之一。隨著考古學研究的發展，實驗考古拓展到了更多探索人類技術與工程方面的領域中。經過長期的摸索與總結，實驗考古已經成為了一種較為成熟的研究方法，可以為考古學研究提供有價值的研究數據。

針對遺址發現的現象，我們設計了一小一大兩個實驗考古項目。郁水之濱，又見爐煙裊裊。每個人都懷著好奇，期待著實驗的結果。

“小”項目是模擬建造一個簡易火塘，目的是了解遺址發現的疑似“加工爐”遺跡以及破碎石塊的形成原因。通過對遺跡的分析，模擬實驗分步驟展開：

揀選用料。遺跡中發現的“加工爐”所出土的石塊基本為河卵石。所以，在遺址旁的郁水河邊揀選形態、大小相仿的石塊，做為壘砌爐體的用料。

爐體設計。以遺址中發現的“加工爐”遺跡為藍本，以石塊壘砌直徑約1米的簡易爐塘。以大塊扁平狀石塊壘砌在下，將較小石塊逐層壘砌。

烘燒。利用遺址附近的干樹枝作為燃料，烘燒約20小時。（圖一）

圖一  簡易火塘結構

等待實驗結束后，我們對爐塘進行了解剖分析。初步結果顯示，這次的小實驗取得了有意義的線索：

壘砌火塘時所采用的方式，即大石塊在下，小石塊在上的情形與目前發現的“加工爐”遺跡有一定的相似性。

高溫烘燒后的石塊表面均出現了熏黑等情況。同時，內部也出現了顏色變化。并且，有約1/3的石塊被燒裂。上述情形在發掘出的石塊中均被觀察到，證實了部分石塊確實經過高溫烘燒。（圖二、三）

圖二  石塊破裂狀態（實驗）

圖三  石塊破裂狀態（出土）

爐體下部的土壤受到高溫烘燒，出現板結、硬化等現象。由于爐內溫度有限，并沒有出現明顯的紅燒土。（圖四）

圖四  簡易火塘土壤硬化情況

這一次小實驗的嘗試給考古隊員提供了信心和經驗。于是，“大”的實驗項目計劃得以實施。我們計劃與冶金行業的技術人員、從事鍛打的工匠一起修筑一座熔鐵豎爐，以及一座鍛打爐。

為了保證項目的順利實施，我們通過走訪找到了桑植當地長期從事相關工作的技術人員和工匠。

需要指出的是，本次模擬實驗所聘請的工匠均是上世紀50年代出生，采用的爐體及技術均是上世紀下半葉桑植縣本地的傳統工藝。這些近現代工藝與官田遺址的年代相差甚遠。但是，通過模擬實驗，依然可以在有關工藝的核心環節中尋找熔鐵、鍛打等技術特征的關鍵信息，增進我們對有關遺跡遺物的認識與理解。

為了配合修筑，以及獲取有關研究數據，考古隊做了精心準備。（表一）

表一  原料一覽表

首先，為了建設作坊區域，本次模擬實驗專門在發掘區域北部開辟了場地，并采購了各種原料和工具。其中，在遺址中多處出土了黃色砂巖。據當地人介紹，這種石材在桑植縣境內只出產于桑植縣洪家關白族花園村營子山。因此，我們前往山中進行現場開采。（圖五）

圖五 尋找黃色砂巖石料石料后馱運下山

各種泥土和石塊在人們的手中，慢慢變成了一方展示人類智慧和經驗的舞臺。舞臺上，緊張而有序的進行著為“正式演出”而做的各項準備。

為了給修筑工作提供合適的原料堆放、制備及特定操作空間，我們在發掘區域北部開辟了面積約150平方米的工作區域，并搭建了塑鋼工棚。原料堆放區的部分地面和原料制備區用水泥和沙子進行了地面硬化。為防止雨水流入原料堆放區，在工棚周圍挖掘排水溝數條。（圖六）

圖六  工作區域

我們先以河邊卵石鋪設基座，并以水泥抹縫、加固。然后，以碎石砂鋪設在基座周圍的工作區域。基座的作用主要有兩個。一個是抬高爐體，防止雨水淋浸，影響爐體穩固。二是做為爐工的操作平臺，方便進行各項操作。鋪設碎石砂的目的主要是防止鐵水噴濺時與土壤接觸，因高溫遇冷引起炸裂等危險情況。（圖七）

圖七  修筑基座

爐體的修筑是關鍵。黃色砂巖和耐火泥沙是修筑爐體的主要材料。將修整合適的石塊鋪設于基座上，圍成爐底，并用耐火泥沙抹縫、整平。然后，在爐底圍砌爐壁，中間留出爐膛。在爐膛內敷設一層耐火泥沙。利用黃色砂巖塊圍砌出底部的爐缸，其上部做收腰結構。同時，將出鐵水口修整為一個槽狀臺座，同樣利用耐火混合料抹平。最終，一座高約1.5米的熔鐵豎爐矗立在遺址的北部。

這個過程中，為保證爐體固結，每完成約1/3高度后，利用炭火烘烤豎爐。3名工匠3天時間完成了豎爐的修筑工作。這種豎爐內部空間可以分為三個區域：上部的投料口以下約50厘米為預熱區，再以下至收腰結構處為高溫區，余下的稱為爐缸。（圖八）

圖八  修筑熔鐵豎爐（從左往右依次為鋪建爐底、制作出鐵水口、整體外貌）

相比于熔鐵豎爐，鍛打爐的結構簡單一些。先利用大型河卵石及黃色砂巖圍砌出爐體外框。一端為高溫爐，其余框內填充土塊。鼓風箱放置在一側。操作臺面在爐口的前方，略高于爐口。然后，利用石塊豎立于高溫爐爐口兩側，將土壤和鐵碎屑的混合料涂抹于爐口、鼓風管及周圍，形成一個耐高溫區域。再將鐵條均勻擺放在爐口正上方，形成畀子狀。

此外，在高溫爐的外側，設置鐵砧（當地人稱為鐵錚）和加工臺。為了防止鍛打鐵屑亂濺，在鐵砧的兩側豎立大石板各一塊。（圖九、十）

圖九  鍛打爐布局示意圖

圖十  修筑鍛打爐

本次實驗仿制發掘中出土的鐵環、權兩種人工制品。雖然這兩件遺物結構簡單，但是從制作模具的角度，也是頗費心思。

鐵環結構簡單，表面沒有花紋等裝飾，采用兩分模。即將木模上下剖為對稱的兩個圓形部分。剖面設置若干小榫頭，以固定兩個圓環。（圖十一）

圖十一  鐵環木模與出土遺物

由于權的表面有花紋，且增刻“官田”兩字。制模師傅將木模分為6塊。帶字的一側及對側為2塊，旁邊的兩側分為4塊。此外，在系孔出單獨設置一個活動模，用來放置內芯。這個一個小小的木模，制模師傅用了6天的時間反復打磨而成。（圖十二）

圖十二  權的木模與出土遺物

除了爐體，熔鐵工作還需要制作翻范箱。

翻范箱是盛放翻范材料的木框。其用法是將木模放入其中，從而制作出澆鑄所用的型腔。由于這次澆鑄的物品均以兩分范為基本方式，因此需要兩個翻范箱上下配合使用。為了配合翻范箱，還需要一塊面積稍大于箱體面積的木板，作為臨時擱置之用。這幾個物品均是制模師傅吳豐順制作的。

制作澆鑄用的外范是本次實驗的重要環節。造型準確的型腔是澆鑄成功的基礎。

制作的大致過程是：首先，將翻范材料放入箱體，再將涂抹了蠟的木模放入相應位置。隨后，將兩個箱體扣合在一起，用翻范材料填實箱體的另一半。為預留澆鑄口，將圓木棍嵌入相應位置。此后，小心移出圓木棍，制作出澆鑄口。這時，再小心將兩個箱體分開。將另一半外范上的木模小心取出。并且，利用毛筆將落入型腔的渣滓清理干凈。最后，將兩半外范重新扣合在一起，拆開木框，統一放置在型砂中，等待澆筑。（圖十三）

圖十三  制作型腔

（依次為填實型砂、制作鐵水流動通道、取出木模、一半型腔、扣合外范、等待澆筑的型腔）

當一切都準備就緒，“浴火重生”的時刻就要到來了。

對熔鐵豎爐而言，需要先進行豎爐預熱。先加入約100斤木炭，利用鼓風機從出鐵水口進行鼓風。將木炭燃燒充分。目的是讓爐體內達到熔化生鐵的狀態。

約40分鐘后，之前放入的木炭已經消耗差不多了，爐內的高溫區溫度可到1000℃以上，此時放入熔鐵原料。熔鐵原料是三種原料混合而成，由生鐵塊、木炭和石灰石組成。生鐵塊是熔鐵原料，木炭是燃料，石灰石是助溶劑。投料時，需要保證將原料加滿至投料口。一旦預熱區的原料燃燒消耗，就需要及時補充。

過程中，由于高溫區溫度超過1350℃，加入的石灰石會增強爐內物質的熔融程度。這些物質沿著爐內壁下流到鼓風口處時，由于溫度相對較低，因而冷卻時會堆積在鼓風口位置。這種現象會嚴重影響爐內的進風量。因此，需要適時清理，以免影響爐溫和鐵水融化。同樣，也需要及時清理爐缸底部的爐渣，以免影響鐵水流出，以及后續爐渣的下落。（圖十四）

圖十四  清理豎爐

伴隨著鼓風機的躁動，豎爐內的火焰噴涌而出。被命名為“官田一號”的熔鐵豎爐如同一只小怪獸，狂躁地咆哮著，鐵水從出口處緩緩流出。生鐵化了！（圖十五）

圖十五  熔化的鐵水

不能停歇。工匠繼續添加原料，清理鼓風口和爐缸，期待著熔融程度更好的鐵水。可是，此時的豎爐開始出現了問題。爐體上部經過高溫炙燒后出現了開裂狀況，用來插放檢測設備的插孔處也出現了明顯的熱量散失現象，導致高溫區的整體溫度未能達到要求。因此，鐵水熔化量不足。經過現場判斷，此次熔鐵工作只能暫時中止了。（圖十六）

圖十六  爐口燒裂的狀態

與此同時，另一側的鍛打工作也在有序進行中。

鍛打工匠張師傅和他的父親相互配合。一人拉風箱時，另一人手持待鍛打的鐵坯料進行加熱。達到溫度后，將鐵坯料放在鐵砧上開始鍛打。伴隨著清亮的鍛打聲，不時有火星閃耀。鍛打過程中，鐵器的溫度不斷降低，片狀的鐵屑漸次脫落。很快，鐵砧附近落滿了青黑色的鐵屑。（圖十七）

圖十七  鍛打鐵坯料，地面落滿鐵屑

有節奏的鍛打如同旋律，讓人不禁想起依稀聽過的民間勞動號子。鍛打過程中，還會對坯料進行塹斷、淬水、嵌鋼片等加工。看似單調的加工程序，要付出足夠的耐心，以精湛的技術才能將一件鐵坯料漸漸塑造為一柄銳利的鐵劍。

上述的兩項工作中，我們也利用檢測設備獲取了研究數據。

本次利用多種測量設備對豎爐熔鑄過程進行數據記錄，包括爐體內部分層點溫度、爐缸底部點溫度、爐缸底部面溫度、鐵水點溫度、鐵水面溫度等。其中熔鐵豎爐內的主要數據來自于熱電偶，K型熱電偶分別插入距爐體基座1.1米處的爐壁內，呈120°分布；B型熱電偶插入出鐵水口上方30厘米，距爐體基座60厘米處。從內部結構看，K型熱電偶分布在爐體內預熱區底部，B型熱電偶放置在爐體內高溫反應區底部。

通過測溫數據可以看出，預熱區溫度隨著燃料的燃燒逐漸上升。隨著生鐵熔化，爐內溫度會逐漸上升。直至完全熔化時，溫度升至最高。投放第一批料后約40分鐘，預熱區底部溫度升至1000℃以上。在達到此溫度之前，不斷有少量的鐵水流出。此時的溫度也是所測得的最高溫度。隨后，上一批原料基本消耗完成后，開始添加新的一批原料。因此，預熱區溫度開始下降。接著，爐體上部已經開裂。并且隨著時間的推移，開裂范圍與程度越來越大。這一情況也導致了熱量散失越來越嚴重。此后的溫度直到結束也無法持續升高，基本徘徊在700-800℃。

其中，2號、4號熱電偶在爐體在填料過程中多次被原料碰到，脫離了正常的測溫位置。因此，2號、4號熱電偶在測量過程中兩度測得明顯偏低的溫度數值。結合投料時間，可以發現投入新料后，預熱區底部溫度降低到600余攝氏度。

當夕陽西下，爐中的火焰也漸漸熄滅。略顯疲憊的身影卻依然忙碌。對這次的實驗進行全面的分析和總結，將是更為重要的內容。

從設計項目的角度而言，本次的實驗未能達到全部預設目的，即未能實現澆鑄成器。結合現場的各種現象，暴露出的問題是多方面的。首先，爐體上部爐壁較薄，耐火材料不足，整體強度欠佳。高溫使得爐體上部開裂。另外，測溫孔也未能完全密封。這些情況導致爐內熱量損失較大，影響了爐溫的保持和提升。其次，熔化時使用的鼓風機風量小，影響了爐溫上升。而且，期間更換鼓風機時間過長，且鼓風管長度過長，也影響了爐溫的提升。還有，用于清理爐渣的鋼釬長度不足，從出鐵水口出冒出的火焰極大影響了爐工進行清理爐渣的工作。上述原因綜合導致了本次實驗的實際效果未能達到預期。基本而言，爐體的強度、封閉與保溫性能、爐體內的廢物清理是需要重點關注的方面。另外，由于沒有經驗，B型熱電偶的位置也沒能充分考慮火焰情況，導致無法正常測溫。

不論如何，在分析成功經驗與失敗原因的過程中，也進一步增進了考古隊員對于冶鑄、鍛打等工藝的認識與理解。同時，為后續實驗的繼續開展奠定了基礎。這次的模擬實驗確實給我們提供了一些重要的參考信息。例如，遺址出土的黃色砂巖的產地，在桑植縣境內具有唯一性。那么，遺址中的砂巖用途很可能與其耐高溫、不易炸裂的特性有關。而且，該產地有可能存在著早期開采石材的遺跡。另外，豎爐的高度較高，肯定需要輔助性的梯架用以投料操作。而且，豎爐的火焰上升高度較高，很可能不需要工棚。這些對于判斷爐體旁的附屬設施的用途提供了線索。（圖十八）

圖十八  停燒后的豎爐與產物（依次為出鐵水口、自然冷凝的鐵塊、爐渣）

更為重要的是，短暫的實驗讓我們切身體會到了冶金工作的實際感受。這里不僅需要精湛的技術，還需要足夠的耐心；既要有合適的原料，更要有堅強的意志；既需要強有力的領導，更需要密切的協作。不論是遺址中出土的一瓦一罐，還是史書上記載的一言一語，都在實際的體驗中融入了工匠們的辛勤汗水與堅毅目光。這次實驗所帶給我們的，不僅是開展研究的數據，也是面對歷史時保持的一份敬畏與向往。

爐火漸漸熄滅，如同歷史畫面逐漸褪去了顏色。我們的心卻如同爐中的余燼，依然熾熱，等待著下一次的盡情釋放。（圖十九）

圖十九  參與此次模擬實驗的部分考古隊員

（從左往右依次為張釗、沈旦初、曹躍斌、王兆喜、莫林恒、朱良立、吳豐順、尚永勝）