古荥汉代冶铁遗址积铁块保护研究初探

□阎书广

古荥汉代冶铁遗址积铁块保护研究初探

□阎书广

一、研究背景和意义

古荥汉代冶铁遗址位于郑州市惠济区古荥镇，是汉代国家冶铁专营时期河南郡第一冶铁工场。出土铁器有灰口铁、白口铁、麻口铁、铸铁脱碳钢、古代球墨铸铁等，是目前世界上发现的时间最早、规模最大、保存最完整的冶铁遗址。客观反映了我国汉代黑金属冶铸技术水平，在我国和世界冶铁史上都占有重要位置。

积铁块本身体现了当时的科学技术发展水平，也从某个侧面反映了当时社会的政治、经济、军事、文化状况。从整体来看，积铁块是极具历史、艺术和科学价值的历史遗存。由于古荥冶铁遗址是全国目前已发现的少有的保存较完整的汉代冶铁遗址，但有关积铁块的保护研究尚属空白，因此很有必要予以研究，以填补此项空白。

二、积铁块的成因及保存现状

积铁块是在冶铁过程中产生的残次品或副产物。按形成原因，可分为停炉后炉底积铁、炉内结瘤、未全熔的块料、炉温过冷产生的结块和停炉后炉内结块等，按积铁块主要成分可分为铁渣、未全熔的块料等。因此，积铁块的性状特征及成分取决于当时的冶铁生产工艺及生产规模，是能够客观反映当时冶铁技术发展水平的重要实物凭证之一。

1975年，郑州市博物馆对郑州市古荥汉代冶铁遗迹进行了发掘。当时，在发掘区发现有大型铁块，在一号炼炉东、西、南三面发掘清理出积铁块9块，并对出土积铁块进行了初步保护。1976年，首都钢铁公司中心实验室对一、五号积铁块进行了金相化验（化验结果见表一）。之后，随着周围基本建设的进行，又陆续在遗址范围内发现积铁块6块。目前，古荥汉代冶铁遗址发现的积铁块共有15块。

表一 一号、五号积铁块化验结果

1986年，在省、市有关部门的资助下，在遗址中心区炼铁炉及其他重要遗迹处修建了遗址保护陈列室，并在保护陈列室举办了汉代冶铁专题展览，10月正式对外开放。为配合基础建设及陈列、展览，当时对部分积铁块存放位置做了适当的移动。目前，除8号积铁块位于陈列室内二号炼铁复原炉内，其余14块积铁块均位于室外简易棚中（图一）。

图一 积铁块集中陈列区域

三、积铁块锈蚀主要因素分析

（一）积铁块表面附着物及硫酸根离子

在空气流通的情况下，氯离子、硫酸根离子浓度的增大能加速铁的腐蚀，而在密闭情况下就没有这种影响，这说明铁器在地下不通空气的环境中相对较稳定。出土铁器在大气环境中，会受到氯离子、硫酸根离子的加速腐蚀，只有及时地排除这些有害物质，才有可能减缓铁器在大气环境中的腐蚀。

古荥汉代冶铁遗址积铁块发掘清理出来后，囿于当时的保护技术水平和资金短缺，未做专门的脱盐处理。因此，积铁块表面附着物及硫酸根离子是部分积铁块出现锈蚀的一个主要因素。

（二）湿度对积铁块的影响

湿度对铁器腐蚀速度的影响是，在没有氯化物等其他电解质的情况下，氧与水可使铁器发生电化学腐蚀。其腐蚀过程，不仅与氧有直接的关系，而且在一定温度下，铁器的腐蚀与大气的相对湿度也有十分密切的关系。如果大气的相对湿度保持在60%以下，铁的大气腐蚀是很轻微的，当湿度增大到铁的临界湿度以上，铁的腐蚀速度会突然提高。因此，控制湿度，使器物不直接与空气接触，可以控制铁器的腐蚀。

郑州地区属大陆性季风气候，干燥度指数小于1.5，属湿润区，年平均降水量为629.7毫米。古荥汉代冶铁遗址积铁块保存环境为近开放状态，保存环境的湿度很难控制（图二）。因此，湿度过高也是部分积铁块出现锈蚀一个主要因素。

（三）温度对积铁块保护的影响

温度高，会加速文物的老化，降低它的强度。温度忽高忽低、剧烈变化，会引起不同材质的文物热胀冷缩，从而导致文物衰变。温度致害文物，主要是通过文物分子之间相互转变和化学反应活化能改变，致使文物的状态改变，发生无法预知的损伤，缩短文物寿命。

郑州市地处北温带，四季分明，年平均气温14.4摄氏度，春秋季节昼夜温差较大。这是造成部分积铁块锈蚀的主要因素之一。

图二 积铁块保存环境

（四）腐殖酸及根际微生物对积铁块保护的影响

植物腐败及鸟类粪便中含有大量腐殖酸，腐殖酸对铁质物品和针铁矿、白榴石、纤铁矿、方解石等具有较强的腐蚀性；植物根际微生物生长繁殖过程中能够释放出代谢物、次生代谢物及胞外酶等，这些物质均会造成积铁块腐蚀、剥落等损毁情况。

郑州市汉代冶铁博物馆位于郑州黄河湿地自然保护区，保护区内有维管束植物80科284属598种。在598种植物中，木本植物有38种，草本植物560种。区域内动植物资源丰富，现场调研发现，部分积铁块存放区域有植物生长繁殖，个别积铁块表面有鸟类粪便附着。因此，腐殖酸及根际微生物也是造成积铁块锈蚀的主要因素之一。（图三）

四、积铁块保护的技术方案

（一）表面清理与脱盐处理

表面清理：目前所发掘的15块积铁块，除8号积铁块位于陈列室内2号炼铁复原炉内之外，其余14块积铁块均位于室外半敞开的简易陈列棚中。经多年放置，积铁块表面灰尘和鸟粪等表层附着物较多。因此，首先应利用物理吹脱法对积铁块表面进行初步清理。对于鸟类粪污等黏附性较强的表层附着物，应采用人工擦拭的方法去除。

脱盐处理：化验分析结果表明，积铁块中含有水合铁矾2Fe(OH)SO4/Fe2O3·2SO3H2O、水铁矾FeSO4H2O、 硅酸钾 K4Si8O18、方解石 CaCO3、版铁矾 FeH(SO4)2H2O等多种带有硫酸根、亚硫酸根、硅酸根、碳酸根等的化合物，同时也含有石英α-SiO2等碱溶性化合物。基于上述结果及原因，本次积铁块脱盐处理采用弱碱性物质碳酸氢钠NaHCO3对积铁块表面进行深度脱盐处理，采用硼酸和蒸馏水对积铁块表面进行中和处理。具体方案如下：

首先，在常温下配制碳酸氢钠NaHCO3饱和溶液，人工将碳酸氢钠饱和溶液均匀涂抹在积铁块表面并喷入积铁块开裂缝隙中，积铁块表面出现碳酸氢钠晶体析出即可停止涂抹。然后，配制4%浓度的硼酸溶液，在碳酸氢钠溶液涂抹24小时后，用喷雾装置向积铁块表面喷洒4%浓度的硼酸溶液进行中和处理，积铁块表面没有碳酸氢钠晶体存在时，即可停止硼酸溶液喷洒。最后，用喷雾装置向积铁块表面喷洒蒸馏水，对积铁块表面及开裂缝隙进行清洗。积铁块经蒸馏水清洗后，应采用辅助加温的方法使其快速脱水干燥。

（二）裂缝填补及表面钝化处理

古荥镇汉代冶铁遗址的 2号、3号、4号、9号、10号、12号等6块积铁块，目前均出现不同程度的锈蚀、疏松、开裂，因此需对这6块积铁块进行相应的裂缝填补和表面钝化处理。

裂缝填补：对积铁块的裂缝，应根据其腐蚀脆弱程度， 把原积铁块的无害锈粉末填入裂缝，粉末装填应尽量密实，然后选用聚丙烯酸酯进行滴渗修补加固。对积铁块的残缺部位，把聚丙烯酸酯和该积铁块的无害锈粉末调成糊状，按积铁块原形修补。修补完成后，应在60～80摄氏度条件下使修补积铁块“低温干燥”、完全干燥，以使聚丙烯酸酯达到最佳效果，提高积铁块的耐腐蚀性能，减弱其在温变时因结构不均而产生的应力效应影响。

图三 积铁块保存环境

表面钝化处理：对经过裂缝填补的6块积铁块和其他9块积铁块，采用甲基丙烯酸十三氟辛酯进行表面钝化处理。表面钝化处理时，应选用柔韧性较好的毛刷蘸取甲基丙烯酸十三氟辛酯，将积铁块外露部分通体涂刷，常温条件下使其固化，待其完全固化后进行二次涂刷，二次涂刷完全固化后再进行第三次涂刷。积铁块外露部分通体采用甲基丙烯酸十三氟辛酯钝化处理后，再用氯仿溶液以同样方法涂刷一次，以消除甲基丙烯酸十三氟辛酯固化后所产生的炫光，降低积铁块因钝化处理所造成的视觉差异，达到保存积铁块美学观赏价值的要求。

（三）环境封存

古荥镇汉代冶铁遗址的4号积铁块，目前出现了较为严重的锈蚀、疏松、开裂、剥落等现象。X射线衍射分析表明，4号积铁块组分复杂，由多种化学性质不稳定、敞开保存易风化的物质组成。

因此，除采取上述措施进行保护外，还应采取环境封存保护措施。对4号积铁块整体发掘，经表面清理与脱盐处理、裂缝填补及表面钝化处理等保护后，将其放置在制作的密闭玻璃空间内，使用氮气或氩气等惰性气体填充密闭空间，以隔绝空气，减缓积铁块的锈蚀速度。同时，对密闭空间进行人工温度调控，避免积铁块因温度剧变而造成的应力开裂。

五、小结

积铁块的保护是一项新的研究，也是一项任重道远的长期工程。希望通过这个研究，为积铁块的保护提供一些思路和方法，以期能更好地保护这些优秀的历史文化遗产。

[1]王惠贞、朱虹、宋迪生等：《秦汉铁器锈蚀机理探讨及保护方法研究》，《文物保护与考古科学》2003年第1期。

[2]PH.DILLMANN,F.MAZAUDIER,S.HCERIER,S.HCEREL:Advancesin understandingatmospheric corrosion ofiron.[J].Corrosion Science,2004,46:1401～1429.

[3]D.NEFF,P.DILLMANN,M.DESCOSTES,etal:Corrosion of iron—arch aeological artefacts in soil.Estimation of the average corrosion rates in volving analytical techniques and thermodynamic calc ulations[J].CorrosionScience,2006,48:2947～2970.

（作者单位 郑州市古荥汉代冶铁遗址博物馆）

[责任编辑 孟昭勇]