窑炉科学简史(上)(陶瓷窑炉工作原理)陶瓷窑炉烧成技术,
▎抖音直播间里,火爆一时的窑口让景德镇瓷器价格又一次水涨船高,“名窑口”,“杯子6位数一只”…距开窑时间越来越近,大家情绪越高涨,窑炉自带的神秘色彩也越来越浓厚。
而且,作为瓷器的估价因素之一,窑的地位有时甚至超过了瓷器本身。比如柴烧名气很大,烧出来的茶器往往会比用电窑、气窑烧制出来的贵至数百上千元,一度成为争抢的对象。
“窑”究竟有哪些神秘之处?为何说中国先民早期制作陶瓷的伟大智慧,都藏在这个“窑”字里?
今天,咱们就来说说在烧造工艺中占有举足轻重地位的:窑炉。
人类的发展,离不开科学的进步。窑炉的发展史,其实也是一部对火焰的科学利用史。
火,与人类相识已经约50万年了,对火的利用是人类文明最重要的起点和标志。陶瓷是土与火的艺术,而火,就在“窑”里发生,读懂了火的利用史,也就读懂了窑炉史。
发现——火
在距今约50万年前,晚期猿人(直立人)发现火——最初的火是天火,可能是火山熔岩的火,也可能是雷击树木的火。
火的非常见以及发光发热特质给先民留下了深刻的印象,尤其是它烧树焚山的威力更让先民心有余悸。
但人类的伟大在于,劫后余生的他们通过长期的观察,逐渐发现了火从星星到燎原再到灰烬的规律,于是开始尝试着用火。
根据考古发掘,山顶洞人时代,就发现了大量的用火痕迹,而且在洞的一侧还发现了保存火种的地方。
制造——火
学会用火之后接下来的难题是制造火。
由于天然火种很难长期保存,数万年后,原始人学会了制造火——钻木取火。
中国传说中造火的人叫燧人氏。相传他是受了鸟儿的启发。东晋王嘉《拾遗记》说“申弥国去都万里,有燧明国,不识四时昼夜。其人不死,厌世则升天。国有火树,名燧木,屈盘万顷,云雾出于中间。折枝相钻,则火出矣。后世圣人变腥臊之味,游日月之外,以食救万物;乃至南垂。目此树表,有鸟若鸮,以口啄树,粲然火出。圣人感焉,因取小枝以钻火,号燧人氏。”
钻木取火使原始人走出了黑暗,用火御寒、照明、烤制熟食,告别了茹毛饮血,进入了刀耕火种时代。
人类从发现火、认识火、制造火、控制火有个过程,不过,一旦掌握了“火候”,火的威力就日益为人类所利用了。
人类也从此开启了长路漫漫的“造窑”之旅~
从无意识用火到有意识地控制火阶段
1.无意识用火
偶然发现火能把泥巴烧硬
距今12000~10000年前(新石器时代早期),人们在藤条上糊上泥巴,放在柴火中与食物一起烧制,无意中发现泥巴变得坚硬,于是有了最初的器皿。
但由于处于火焰最底层露天烧制,温度<250 ℃,器皿并没有陶化,质地十分疏松。
2.开始集中烧陶
无窑烧制——平地堆烧
距今10000~7000年前(新石器时代早期) ,人类开始单独烧制日用陶器,由于尚未掌握改造大自然的本领,也不会熟练使用复杂的生产工具,主要采用无固定窑址的平地堆烧。即直接将坯体放在地面铺好的木柴上烧制。
这种方法由于周围密封不严,火力不集中,烧成温度500-800℃左右,致使做成的陶器质量很差,胎壁很脆,容易损坏,成品率十分低。
3.开始有意识对火焰进行控制
窑的雏形:坑烧(半穴窑)
新石器时代中期前段,出现了窑的雏形——坑烧。 结束了无窑烧制的历史,烧成温度达到了700~1000℃。
坑烧比露天平地堆烧向前进了一步,增加了烧制空间——坑,反复烧制让坑变得越来越坚固,提升了保温效果。但仍然只利用了火的内焰,温度较低,制造出来的陶器仍无法长久使用。
4.对火焰的控制有了明显改进
窑的雏形:一次性薄壳窑
到新石器时代中晚期,人们发现把外围用泥巴封闭起来,形成一个薄壁,顶部留一个通风口,可以把火焰束缚在一定范围内,这极大提高了烧成温度。薄壳窑的窑顶部一般都是一次性的,所以称之为“一次性薄壳窑”。
由于薄壳窑近乎全封闭的烧成方式,在烧成过程中,氧气的供给量不足,特别是在烧成的后期,窑内的气氛以还原气氛为主。
一次性薄壳窑作为有窑烧成阶段的早期形式,已经具备了窑炉的基本特征,这是先民经过大量生产实践形成的。
开启地下的窑穴式烧制
人类开启定居下来的农业生活之后,开启固定窑址的烧制。经过反复实践后发现,窑室周围有厚厚的土墙做窑壁,可以避免热量的大量散失,于是开始进行窑穴式烧制。
根据考古资料,我国西周以前都是就地挖筑的洞穴窑,即在有断面的土崖上或者从地面下挖筑成各种形状的土穴而成窑。
窑穴烧制过程中,开始学会利用火的外焰
火的状态→升焰
利用火焰上升来加热窑内的空气和器物坯体,将之烧成陶器。窑内温度不高以及温差较大是升焰窑的主要缺点。所以升焰窑只在早期出现并且规模都比较小。
5.第一次拥有火道的同穴窑
最初的同穴窑,一般在断崖或就地挖筑建造窑炉,类似于将薄壳窑从地面移到了地下。意外中拥有了火道和炉膛。
但由于陶坯与燃料混装,装烧窑受到了明显的制约,产品烧成率不高。因此,同穴窑数量较少,使用时间较短,是一种过渡性窑炉。
6.隔绝待烧成器物和燃料的竖穴窑
新石器时代中晚期至商代时期,人类在同穴窑的基础上,用隔板将陶器架在半空中,增加其稳定性,竖穴窑应运而生,普遍用于陶器烧制中。
竖穴式升焰窑一般是依断崖或者土包而建,由于炉膛与火道之间有镂空的隔板式构造,利用了火的外焰,但承重能力受限,故一般窑体规模不大,直径在1米左右。从出土的陶片推测窑内温度<1000℃。
7.拥有了成熟窑炉形态的横穴窑
由于竖穴窑承重力较差,陶器需求量高,新石器时代晚期,开始出现横穴窑,火膛和窑室处于水平状态,可以装更多的陶坯。横穴窑升温速度和降温速度都比较快,可达1000-1100℃,利于氧化气氛的形成。
由于排烟孔在窑顶位置,火焰所产生的热量较难到达窑室的后部,导致窑内后半部产品不容易烧熟。但与之前相比,横穴窑首次有了明确的“火膛”、“燃烧室”、“投柴孔”、“烟道”的概念。
窑穴从地下搬到地面,开启真正意义上的窑炉
商代开始,穴窑逐渐由地下移建到地面上,这是中国陶瓷史上的一大转折点。形状有圆、方、椭圆形等,它同人类的房屋一样,既可扩大窑室,又可建高窑墙,以增加抽力,并且窑顶的弧度、排烟口可缩小,有效地控制进气量,使窑温达到了1200℃,促生了高温硬陶及原始瓷的出现。
高温窑炉出现
春秋时期,窑的规模逐渐大型化,再加上横穴窑搬到地面上之后,需要烟囱来增加抽力,于是就在横穴窑的基础上,出现了半倒焰窑、倒烟窑和平焰窑。
8.解决了温差问题的半倒焰窑
由于横穴窑尾部火力较弱,于是,人们在尾部加了个烟囱以增加抽力,引导火焰往后流动,火焰在窑内从下至上又折向烟囱的过程中,并没有通过窑底流遍全窑,故被称为半倒焰窑。
秦砖汉瓦的大肆修建,使得半倒焰窑以其规模上成为中国北方窑业的主角,顺带解决了窑炉内部上下温差较大的问题,窑内温度可达1100~1250℃,是陶瓷发展史上的重大突破。
9.充分利用热量的全倒焰窑
为了追求更高的温度,自战国时代起,窑工们逐渐将窑顶封闭,向全倒焰式馒头窑过渡。在烧成过程中,火焰彻底地通过窑底流遍全窑,窑内温度可达1350℃。
全倒焰窑最重要的特征在于排烟系统上进行的改变。排烟孔越过窑顶的最高点,烟囱深入窑的底部,升上去的所有热气被均匀地引向窑底部的各处,形成全面的倒焰。与半倒焰窑相比,全倒焰窑更能充分利用热量,缩小窑室内各部位尤其是前后的温差。
10.有效促进制瓷业发展的平焰窑
平焰窑即龙窑。烧窑时,火焰从火膛升起 ,与窑身平行流动 ,自下方的窑头至上方的窑尾逐渐升高 ,烟最终从窑尾的吸火孔排出窑尾。
龙窑窑身狭长,充分利用了南方多丘陵的地形特征。窑体为倾斜设置,本身就起着烟囱的作用,保证了对火焰的抽力,升、降温速度快。适宜烧成还原气氛, 有效地促进了南方青瓷的发展。
最初的龙窑一般长20m左右,到了宋代成熟的龙 窑已经可以达到五六十米,个别地区窑身甚至有七八十米之长,一次可装烧将近三万件瓷器,这对当时制瓷业的发展起到了极大的推动作用。
总结
可以说,窑炉的发展史遵循着科学的用火规律,从平地堆烧到倒焰窑、平焰窑,这其中,人工控制的痕迹愈发明显,先民控制火焰的技术也愈发的纯熟。
由此带来的是窑炉和烧成方式有了进步,陶瓷品质也随着上升。
如今,陶瓷艺术百花齐放,窑炉作为传统的手工技艺也在一直被人关注,M&E陶瓷实验中心正在举办的“张立明个展——造窑”,就是以传统窑炉为主题,吸引了诸多人来观看,大家在赏析萌趣小窑的同时,也会看到墙面的科学窑炉简史,寓学寓教,不亦乐乎~
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柴,气窑、苏打窑等最后,相信这篇窑炉科学简史,用古老的“土与火”的艺术,向热爱生活的你灌输一种自然与人最原始的依存方式的思想,也为你注入一股强心剂,即用科学的角度来思考整个进步的历程。
工业革命之后,窑炉又发生了哪些改变?下一篇我们继续来说~
参考资料:
薛冰:《中国古代陶瓷窑炉的发展与演变略考》,《佛山陶瓷》2020年第1期(第282期)
汪旻:《中国古代陶瓷窑炉结构的演变》,《文物鉴定与鉴赏》2019年第03期(上)
李清临 孙燃:《中国古代陶瓷窑炉分类浅议》,《江汉考古》2017年第06期
闫飞.中国古代陶瓷窑炉实验考古研究【J】.2012
顾幼静:《中国早期半倒焰窑的发展过程》,《东方博物》2018年第24期
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