漢代磚瓦窯的建造使用及數(shù)值模擬

溫 睿,張宜雯,付小龍

[1. 中國(guó)-中亞人類與環(huán)境“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(西北大學(xué)),陜西西安 710127;2. 文化遺產(chǎn)研究與保護(hù)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西北大學(xué)),陜西西安 710127;3. 西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院,陜西西安 710127; 4. 西安近代化學(xué)研究所,陜西西安 710065)]

0 引 言

新石器時(shí)代陶器的出現(xiàn)是中國(guó)陶瓷史的重要里程碑之一,從早期無(wú)窯燒制到裴李崗文化時(shí)期出現(xiàn)最早的橫穴窯,陶器的質(zhì)地得到了一定的提升;隨著先民在生產(chǎn)生活上的需要,對(duì)于陶器的器型和使用范圍需求不斷增加,促使人們對(duì)陶窯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新和改造。由于南北方的地理位置特征和原料選擇的差異,南方自商代出現(xiàn)了依坡而建的小型龍窯,北方則以發(fā)展饅頭窯為主。窯爐的改進(jìn)促進(jìn)了燒成溫度的提高,為我國(guó)陶瓷發(fā)展提供了重要條件。漢代是制陶業(yè)發(fā)展的繁榮時(shí)期,磚瓦作為陶質(zhì)建筑材料在漢代表現(xiàn)出卓越的工藝質(zhì)量,這與漢代磚瓦窯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)密切相關(guān)。半倒焰窯為漢代燒造陶器的主流窯爐,目前最早發(fā)現(xiàn)于商代[1],相較于升焰窯具有升溫快、保溫時(shí)間長(zhǎng)、溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)升焰窯的結(jié)構(gòu)變化和燒制技術(shù)改進(jìn),半倒焰窯在漢代發(fā)展趨于成熟并被廣泛使用。半倒焰窯一般由前操作區(qū)、火膛、窯室、煙道等主要組成部分構(gòu)成。根據(jù)漢代后北方黃河流域的窯址發(fā)掘顯示,半倒焰窯的改進(jìn)僅在規(guī)模和結(jié)構(gòu)比例上得到體現(xiàn),主要結(jié)構(gòu)變化不大比較穩(wěn)定。

目前已有學(xué)者對(duì)漢代陶窯的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理研究[2-3],包括對(duì)漢代陶窯的建造形式、窯形結(jié)構(gòu)、功能性質(zhì)進(jìn)行分類和總結(jié)概括,揭示了漢代陶窯結(jié)構(gòu)的發(fā)展脈絡(luò),展現(xiàn)了漢代的窯業(yè)發(fā)展水平,但是未能深入探討漢代陶窯性質(zhì)與結(jié)構(gòu)變化的科學(xué)邏輯。近年來(lái),有學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬的方法復(fù)原陶窯內(nèi)燒制過(guò)程中溫度場(chǎng)變化的情況,建立了通過(guò)流體力學(xué)來(lái)研究窯爐結(jié)構(gòu)科學(xué)性的方法,并對(duì)景德鎮(zhèn)窯開(kāi)展了研究。顏新華[4]通過(guò)對(duì)景德鎮(zhèn)三種窯形變化分別進(jìn)行模擬,結(jié)果表明從葫蘆窯發(fā)展到蛋形窯溫度分布更為均勻合理,并結(jié)合復(fù)原的葫蘆窯測(cè)溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)FLUENT軟件模擬實(shí)驗(yàn)的可行性。本研究是在前人的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)漢代數(shù)量最多的磚瓦窯燒成過(guò)程的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬,進(jìn)而討論漢代磚瓦窯結(jié)構(gòu)變化背后的科學(xué)道理,為從熱能利用的角度研究中國(guó)陶窯的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 漢代磚瓦窯發(fā)現(xiàn)概況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡(jiǎn)述

目前為止見(jiàn)于公開(kāi)發(fā)表資料的漢代陶窯主要發(fā)現(xiàn)集中于河南陜西省一帶,黃河中下游地區(qū)漢代磚瓦窯目前已發(fā)現(xiàn)440余座,其中已發(fā)掘的窯為230座。陜西省最多為107座,河南省其次為85座,河北省發(fā)現(xiàn)22座,山西省6座,山東省10座。陶窯按照功能分類可分為日用陶器窯、磚瓦窯、烘范窯、陶俑窯、多功能窯等。其中,漢代磚瓦窯的基本結(jié)構(gòu)包括窯門(mén)、火膛、窯室、煙道(圖1),其他部分如操作間、擋火墻、排煙口存在差別。

圖1 河南省焦作市蘇藺村漢代窯址Y6平、剖面圖Fig.1 Plan and section of Kiln site Y6 of the Han Dynasties at Sulin Village, Jiaozuo, Henan Province

操作間因窯而異,根據(jù)發(fā)掘情況分為單窯操作間、雙窯共用操作間和無(wú)操作間三種。單窯操作間是指各窯前的工作平臺(tái)獨(dú)立,各窯之間沒(méi)有空間的聯(lián)系,大部分磚瓦窯屬于單窯操作間類型;雙窯操作間是指相鄰相對(duì)兩座窯共用一個(gè)操作坑,雙窯共用可見(jiàn)于陜西西安曲江春臨村窯址Y2與Y6、Y4與Y5[5]、洛陽(yáng)市東郊東漢磚瓦窯[6]等(圖2),多窯共用操作間提高了工作效率。

漢代磚瓦窯大部分為單火膛結(jié)構(gòu),目前僅發(fā)現(xiàn)一座陶窯存在雙火膛結(jié)構(gòu)。河南省新鄉(xiāng)市東干道發(fā)掘的一座雙火膛對(duì)稱的西漢陶窯[7],為半地穴式,窯床平面呈長(zhǎng)方形,火膛位于窯室的東西兩側(cè),排煙口和煙道在窯床南北方向各3個(gè),中間的排煙口尺寸較大且煙道豎直向上,兩側(cè)的排煙口較小且煙道向中間靠攏(圖3)。較單火膛而言,雙火膛陶窯具有窯室溫度高、分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。比較特殊的是在西安市未央?yún)^(qū)六村堡窯址發(fā)現(xiàn)的兩座小規(guī)模窯址沒(méi)有獨(dú)立的火膛(圖4),火門(mén)與窯室相接,窯室底部存在較多白色灰燼的扇形區(qū)域[8]。

圖4 陜西西安漢長(zhǎng)安城Y47Fig.4 Y47 at Han Chang’an City in Xi’an, Shaanxi Province

春秋早期的窯還存有升焰窯的結(jié)構(gòu),如洛陽(yáng)東周王城內(nèi)的古窯址Y5,窯床和火膛之間架設(shè)有窯箅[9]。戰(zhàn)國(guó)中晚期至秦漢早期的磚瓦窯形制表現(xiàn)出逐漸統(tǒng)一的趨勢(shì),窯室的平面形狀以圓形、梨形、卵圓形為主,還存有少量三角形、漏斗形的窯形,煙道則以單煙道為主,三個(gè)煙道數(shù)量的窯較少[2]。漢代磚瓦窯的火膛包括梯形、半圓形兩種,窯床平面形狀包括方形、長(zhǎng)方形、橢圓形、梨形四種,火膛窯床面積比較秦漢早期大。根據(jù)漢代各窯址發(fā)掘報(bào)告和相關(guān)總結(jié)性研究來(lái)看漢代陶窯各結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)律如下,漢代磚瓦窯火膛以半圓形、梯形為主;西漢早期的窯室形狀以圓形、橢圓形、梨形為主,西漢中晚期至東漢時(shí)期以近方形為主,表明燒造規(guī)模的擴(kuò)大導(dǎo)致窯址結(jié)構(gòu)的調(diào)整;西漢晚期陶窯的排煙系統(tǒng)則有匯合煙道和多煙道兩種形式,其中砌筑方式由磚砌筑隔開(kāi)形成煙道,早期則以生土掏挖夯實(shí)壁面作為煙道。同時(shí)煙道數(shù)量呈增多的趨勢(shì),除去單煙道的窯各個(gè)時(shí)期都有出現(xiàn),大部分磚瓦窯煙道數(shù)量為3～5個(gè)。此外,根據(jù)李清臨[10]的統(tǒng)計(jì)分析,漢代單煙道窯火膛、窯室、煙道的面積呈現(xiàn)正相關(guān)性,大部分多煙道和匯合煙道也呈正相關(guān)性。

為進(jìn)一步研究漢代磚瓦窯結(jié)構(gòu)變化的影響,針對(duì)單煙道窯和多煙道窯開(kāi)展模擬研究,以期得到煙道數(shù)量對(duì)磚瓦窯的影響變化程度。由于大部分窯址在發(fā)掘或者使用時(shí)窯頂坍塌不存,甚至火膛、窯頂上部均不存,因此選擇保存較好具有代表性的兩個(gè)漢代陶窯進(jìn)行建模模擬。單煙道以西漢前期的洛陽(yáng)東周王城十一號(hào)窯(圖5)為代表[9],多煙道以東漢時(shí)期的河南省焦作市蘇藺村漢代窯址Y6為代表[11],其中前者由于窯頂部分殘存按照后者窯室高度比進(jìn)行復(fù)原(表1)。根據(jù)窯內(nèi)出土遺物多為建筑材料設(shè)定兩窯均燒制尺寸為320 mm×140 mm×50 mm的漢磚,進(jìn)口煙氣物理性質(zhì)、溫度等設(shè)為定量參數(shù),不同尺寸結(jié)構(gòu)作為變量進(jìn)行數(shù)值模擬。

表1 Y6和十一號(hào)窯的尺寸數(shù)據(jù)Table 1 Dimensional data of Kiln site Y6 and Kiln No.11

圖5 多煙道、單煙道陶窯Fig.5 Multi-flue, single-flue pottery kilns

2 物理模型的建立及簡(jiǎn)化

為對(duì)漢代磚瓦窯進(jìn)行復(fù)原模擬,首先需要對(duì)窯的建造方式、碼窯方式、燒成方式進(jìn)行總結(jié)研究,然后在此基礎(chǔ)上得到初步的模型。

2.1 建造方式

多個(gè)窯址的簡(jiǎn)報(bào)提到了磚瓦窯的建筑方法[11-12],基本大致相同,為平地或斜坡上建造半地穴式窯,具體方法是先在生土中掏挖出窯室的平面形狀如方形、橢圓形、梯形等,并在坑壁外留出一磚大小的邊沿預(yù)留砌筑窯頂。然后在窯室前壁沿火膛平面形狀如梯形、半圓弧形掏挖出一定深度的火膛,并在火膛前壁掏挖出窯門(mén)與操作坑相通。最后修整窯的基本形狀夯實(shí)內(nèi)壁,并涂抹草拌泥使其表面光滑,多次烘烤后內(nèi)壁堅(jiān)硬耐用。據(jù)已有的窯址顯示窯門(mén)的砌筑方式主要是由土坯或磚券頂砌筑,如圖6所示,先在生土中掏挖出拱形,再以雙層土坯砌成土坯券頂橫向平券,窯門(mén)下部一般有封火墻與火膛底齊平。根據(jù)已發(fā)掘的窯如河南省焦作武陟苗莊漢代陶窯等可判斷,火膛一般是底部平整直壁掏挖而成,由火門(mén)向頂部緩慢延伸成穹窿頂形狀至窯室上方地面,東西兩壁為直壁。窯室后壁一般掏挖1～3個(gè)方形的排煙口,再由地面向下垂直掏挖煙道至與排煙口相通,此外還有多個(gè)煙道匯合中煙道的實(shí)例,掏挖此類煙道需要從中煙道對(duì)應(yīng)地面的位置按照一定弧度向下掏挖,此類的煙道是由夯實(shí)的土壁隔開(kāi);西漢中晚期的漢墓陶窯中有以青磚隔開(kāi)煙道的,此類排煙系統(tǒng)需要把煙道部分全部掏挖再以磚隔開(kāi)砌成三條煙道。

圖6 河南鄭州馬良寨遺址漢代陶窯Y3、Y4Fig.6 Han Dynasty Pottery kilns Y3 and Y4 at Malianzhai Ruins in Zhengzhou, Henan Province

窯室頂部保存下來(lái)的窯數(shù)量很少,河南省焦作市蘇藺村漢代窯址中發(fā)現(xiàn)一座保存較完整(圖1),為四隅券進(jìn)式穹窿頂結(jié)構(gòu)(圖7);從漢魏洛陽(yáng)城東漢燒煤瓦窯Y1殘存的窯壁頂砌磚來(lái)看,窯頂同樣是四隅券進(jìn)式結(jié)構(gòu)[13],因此此種窯頂結(jié)構(gòu)的窯址年代較晚均為東漢時(shí)期,而且目前的考古資料也能證明最早出現(xiàn)此種漢墓封頂方法在東漢時(shí)期[14]。此外西漢時(shí)期的窯也可據(jù)漢墓封頂方式推測(cè)封頂方式,推斷為四面結(jié)頂式穹窿頂或者券頂結(jié)構(gòu)。

圖7 四隅券進(jìn)式穹窿砌法示意圖[15]Fig.7 Schematic diagram of quaripartite arched domes

2.2 碼窯方式

漢代磚瓦窯窯床的平面較為規(guī)整,目前發(fā)掘的存有磚坯的窯址如新鄉(xiāng)北站區(qū)前郭柳村漢代窯址Y3,窯床上撒有一層薄的草木灰,未經(jīng)燒過(guò)的磚坯在窯內(nèi)橫立放壘起,窄面上皆沾有草木灰,推測(cè)是防止磚坯之間粘連所用,行與行之間擺放距離較密不足2 cm,磚坯與窯壁之間距離稍大約為5 cm[16]。漢魏洛陽(yáng)城東漢燒煤瓦窯窯床上有一層排列整齊的東西向側(cè)立磚坯(圖8),文中指出這層磚坯是作為窯箅使用,行間距為5～10 cm,說(shuō)明窯床底部鋪設(shè)磚可能作為隔火道使用,為其他器物架設(shè)所用,河南鄭州馬良寨遺址Y1(圖9)出土的窯床磚坯也出現(xiàn)了類似排列方式[17]。

圖8 漢魏洛陽(yáng)城東漢燒煤瓦窯Y1Fig.8 Coal-fired Tile kiln Y1 of the Eastern Han Dynasty at Han-Wei Luoyang City

圖9 河南鄭州馬良寨遺址Y1Fig.9 Maliangzhai site Y1, Zhengzhou, Henan Province

以上結(jié)合歷史文獻(xiàn)記載、考古發(fā)掘資料及現(xiàn)代工業(yè)磚窯的多種碼坯方式(圖10)參考復(fù)原,即可對(duì)兩窯模型進(jìn)行建立,據(jù)東漢時(shí)期的河南省焦作市蘇藺村漢代窯址Y6考古報(bào)告顯示,該窯窯頂為四隅券進(jìn)式穹窿頂結(jié)構(gòu),而洛陽(yáng)東周王城十一號(hào)窯為西漢早期的窯,因此窯頂可假設(shè)為四面結(jié)頂式穹窿頂,據(jù)此兩窯建模完成后如圖11所示。

圖10 現(xiàn)代磚窯的部分碼窯方式[18]Fig.10 Typical setting ways for modern brick kilns

圖11 窯的物理模型Fig.11 Physical models of the kilns

2.3 燒成方式

明末宋應(yīng)星的《天工開(kāi)物》[19]中第十一章陶埏記載了磚瓦的制作過(guò)程和燒造過(guò)程,與漢代磚瓦窯最大的區(qū)別在于窯身均位于地表,而非漢代窯身大部分位于地下的結(jié)構(gòu);西漢中后期后磚窯形狀結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定,至今我國(guó)部分地區(qū)還保存有類似的土窯結(jié)構(gòu),可見(jiàn)陶窯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后變化不大。《天工開(kāi)物》中記載柴窯的燒造方法:“凡窯成坯之后,裝入窯中。所裝百鈞則火力一晝夜,二百鈞則倍時(shí)而足”“凡柴薪窯巔上側(cè)鑿三孔以出煙?；鹱阒剐街?泥固塞其孔,然后使水轉(zhuǎn)釉?！标P(guān)于澆水轉(zhuǎn)釉過(guò)程的解釋“凡轉(zhuǎn)釉之法,窯巔作一平田樣,四圍稍弦起,灌水其上。磚瓦百鈞用水四十石。水神透入土膜之下,與火意相感而成。水火既濟(jì),其質(zhì)千秋矣。”即柴窯燒造后期,用泥封閉添柴入口,在窯頂開(kāi)平面不斷澆水冷卻保持還原氣氛,通過(guò)這種方法燒出來(lái)的磚更耐用,同時(shí)在窯頂采用澆水轉(zhuǎn)釉的方法也證明了磚瓦窯從半地穴式轉(zhuǎn)向地表式的這一過(guò)程。目前考古資料中最早出現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)的窯可追溯至戰(zhàn)國(guó)[20],沿用至明清并在現(xiàn)代青磚生產(chǎn)中仍被使用。

2.4 模型的簡(jiǎn)化

本研究中數(shù)值模擬方法主要是通過(guò)使用ANSYS軟件中FLUENT模擬窯室煙氣的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和瞬態(tài)速度場(chǎng),即燒窯后期封閉窯門(mén)窯內(nèi)發(fā)生還原反應(yīng)的階段。由于僅對(duì)窯室進(jìn)行研究,因此對(duì)操作間、窯門(mén)未進(jìn)行建模,將燃料和火膛簡(jiǎn)化為帶有一定進(jìn)口速度和溫度的煙氣進(jìn)入窯室加熱器物制品,并忽略墻體壁厚,將窯壁、窯頂、窯底簡(jiǎn)化為具有一定熱流密度的墻體,查取夯土的物性參數(shù)應(yīng)用模擬;磚尺寸為320 mm×140 mm×50 mm,將其簡(jiǎn)化為具有一定吸熱能力的墻體,查取青磚的物性參數(shù)應(yīng)用模擬。根據(jù)火膛內(nèi)殘留的草木灰和時(shí)代背景判斷燃料化學(xué)成分為木柴或秸稈,均屬于傳統(tǒng)生物質(zhì)燃料,依據(jù)常見(jiàn)生物質(zhì)燃料的主要元素組成[21],取木柴的主要化學(xué)成分均值作為此次模擬的燃料基本成分(表2)。本次使用ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件對(duì)窯進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型為四面體結(jié)構(gòu),數(shù)量為五百萬(wàn)左右。將生成后的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)地?zé)G的資料,邊界條件選擇如下:煙氣速度設(shè)為2 m/s,入口溫度設(shè)為1 200 ℃(1 473 K),煙氣的物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表3[22];通過(guò)化學(xué)成分和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得入口煙氣密度為1.56 kg/m3,出口邊界壓力出口,環(huán)境溫度為300 K。由于煙氣Re>105為湍流,湍流模擬方法設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,算法設(shè)置為二階迎風(fēng)格式的SIMPLE算法。

表2 木柴的主要化學(xué)元素組成Table 2 Composition of the main chemical elements of firewood (%)

表3 大氣壓力下煙氣熱物理性質(zhì)Table 3 Thermophysical properties of flue gas at the atmospheric pressure

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

FLUENT仿真模擬完成后,通過(guò)后處理得到以下結(jié)果。

t=T-273.15 K

(1)

式中,t為攝氏溫度,單位符號(hào)為℃;T為熱力學(xué)溫度,單位符號(hào)為K。

3.1 洛陽(yáng)東周王城十一號(hào)窯模擬結(jié)果與分析

從圖12中可以看出,洛陽(yáng)東周王城十一號(hào)窯溫度分布不均勻但差別不大,燒制磚的溫度大致在1 000 K至1 400 K之間,出口煙氣溫度為1 250 K。從縱剖面的流線圖來(lái)看,高溫?zé)煔庥苫鹛派敫G室并穿過(guò)磚之間的空隙,最后匯聚于吸火孔通過(guò)煙道排出,符合半倒焰窯的特點(diǎn);結(jié)合溫度分布云圖來(lái)看,高溫?zé)煔饪v向傳播范圍由下至上(窯床至窯頂)依次減弱,橫向傳播范圍由左至右(窯室前部至窯室后部)依次減弱,窯室前端受熱溫度最高熱輻射最強(qiáng),中端次之,后端最弱,但窯室前端煙氣擾動(dòng)最大,中端次之,后端最穩(wěn)定;其中一部分高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)窯頂沒(méi)有為燒成磚提供熱量直接倒向吸火孔排出窯外,在單吸火孔部位產(chǎn)生局部高溫區(qū),總的來(lái)說(shuō),半倒焰窯的結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮很好的保溫作用。

圖12 洛陽(yáng)東周王城十一號(hào)窯模擬結(jié)果Fig.12 Simulation results of Kiln No.11 at the Capital City site of the Eastern Zhou Dynasty in Luoyang

3.2 河南省焦作市蘇藺村漢代窯址Y6模擬結(jié)果與分析

從圖13中看,河南省焦作市蘇藺村漢代窯址Y6的溫度分布場(chǎng)特點(diǎn)與同樣作為半倒焰窯的結(jié)構(gòu)的洛陽(yáng)東周王城十一號(hào)窯大體上差別不大,但是對(duì)比窯的縱向溫度分布和同位置的平剖面溫度云圖,前者的高溫?zé)煔鈧鞑シ秶鼜V,窯室內(nèi)的溫度整體更高更均勻,在1 200 K至1 400 K之間,出口溫度為1 250 K;由于Y6的吸火孔和煙道為三個(gè),高溫?zé)煔庠诙鄠€(gè)吸火孔的作用下可以更均勻地將高溫?zé)煔馀懦龈G外,并在磚坯和窯頂之間反方向流動(dòng)形成旋流,其中旋流能夠增加煙氣流動(dòng)阻力、增強(qiáng)煙氣擾流程度,從而達(dá)到增強(qiáng)煙氣與磚坯之間對(duì)流換熱能力的效果;同時(shí)旋流中心能形成低壓區(qū),有增加煙氣流速的作用,因此Y6煙氣流動(dòng)速度比前者快,出口速度比前者慢,保證了磚坯能夠充分地與高溫?zé)煔獍l(fā)生對(duì)流換熱,使窯內(nèi)溫度分布更為均勻。

結(jié)合洛陽(yáng)東周王城十一號(hào)窯和河南省焦作市蘇藺村漢代窯址Y6的模擬結(jié)果來(lái)看,漢代磚瓦窯的結(jié)構(gòu)變化具有一定的合理性,特別是煙道由一個(gè)發(fā)展為多個(gè)的結(jié)構(gòu)變化,改善了窯室內(nèi)溫度分布不均勻分布情況和保溫效果,提高了磚坯的燒成溫度范圍和燒成質(zhì)量,符合西漢中后期磚室墓和大型建筑興起的需求,并為后續(xù)大規(guī)模燒制更高燒成溫度條件的陶瓷器奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

4 相關(guān)問(wèn)題探討

4.1 漢代磚瓦燒成溫度的探究

磚瓦的生產(chǎn)技術(shù)源自陶器,它的坯體制作和燒成技術(shù)較陶器更為粗放。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于磚瓦窯的窯室空間較陶窯更大,人們往往選擇陶器和磚瓦建筑材料共燒的方式以提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率,因此從制作技術(shù)和燒成技術(shù)層面看,磚瓦和陶器是密不可分的。我國(guó)古代陶器的燒成溫度一般在800～1 000 ℃之間,據(jù)我國(guó)各時(shí)期部分磚瓦樣品的燒成溫度(表4)統(tǒng)計(jì)顯示,磚瓦的燒成溫度范圍也在此之內(nèi)。從各時(shí)期縱向?qū)Ρ葋?lái)看,磚瓦的燒成溫度在商周至東漢時(shí)期逐漸升高,在秦漢時(shí)期達(dá)到較高值,而后穩(wěn)定在1 000 ℃左右。

磚瓦窯的窯形變化規(guī)律與其溫度變化規(guī)律存在一定的相關(guān)性。單煙道窯作為商周至西漢早期的主要窯形代表,燒成溫度較低,在850～1 000 ℃之間。西漢中晚期后,煙道數(shù)量增至三個(gè)及以上,溫度也隨之穩(wěn)定在1 000 ℃左右,與模擬實(shí)驗(yàn)得到的多煙道窯內(nèi)溫度分布更均勻更穩(wěn)定的結(jié)論相吻合。

4.2 擋火墻的初步研究

關(guān)于擋火墻的定義,南方窯址較多且與北方饅頭窯有較大的區(qū)別,龍窯、階級(jí)窯中的擋火墻設(shè)在窯室和煙道中間,墻上還開(kāi)有排煙口,可以防止火焰流速過(guò)快使產(chǎn)品受熱均勻,階級(jí)窯中擋火墻還可用于分室,而半倒焰窯的擋火墻則設(shè)在火膛和窯室中間(圖14)。早在秦陵周圍發(fā)現(xiàn)的陶窯有此類似擋火墻的結(jié)構(gòu),包括下和村82下Y1的火膛有一道從底部筑起瓦砌的高出窯床約40 cm高的擋火墻,80西Y2的火膛后有細(xì)繩紋瓦片筑成的工字分火道,主要出土陶器以制陶工具、磚瓦、生活用具為主[25]。漢長(zhǎng)安城西北部窯址中多個(gè)陶窯的火膛和窯室之間均有擋火墻,窯室中間縱向分布有分火道隔墻,其中Y22裝滿裸體陶俑坯體,隔火墻現(xiàn)存5層磚,寬0.2 m,殘高0.46 m,通火孔約0.02～0.08 m,分火道將窯室南北隔開(kāi)現(xiàn)存4層,殘高0.38 m,通火孔約0.02～0.10 m,南北分別填滿倒置的陶俑坯,文中據(jù)規(guī)模推測(cè)該窯群作為燒制西漢時(shí)期大型墓地的隨葬陶俑所用,單窯內(nèi)一次可裝燒近四百個(gè)陶俑[26]。

圖14 漢長(zhǎng)安城西北部窯址Y22Fig.14 Kiln site Y22 in the northwest of Han Chang’an City

結(jié)合前文模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析可知,這類結(jié)構(gòu)的半倒焰窯在沒(méi)有擋火墻的情況下,窯室前部最下端流經(jīng)煙氣溫度最高,流速最快,對(duì)于燒制大批量的質(zhì)量要求較高的器物較難滿足要求,因此在下部設(shè)立一定高度具有通火孔的隔火墻一方面可以使窯室前部的制品不至于過(guò)熱燒壞,一方面可以減緩底部煙氣的流速不至于過(guò)快流出煙道,使更多的煙氣往上流動(dòng),達(dá)到窯內(nèi)溫度更為均勻的效果。關(guān)于擋火墻對(duì)窯內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的具體影響需要更進(jìn)一步的模擬研究。

5 結(jié) 論

綜上所述,根據(jù)前人研究及模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到以下結(jié)論:

1) 漢代磚瓦窯的建造方式為半地穴式,掏挖出平面形狀后夯實(shí)壁面并涂抹草拌泥,西漢時(shí)期窯頂?shù)姆忭敺绞綖樗拿娼Y(jié)頂式穹窿頂或者券頂,東漢時(shí)期窯頂?shù)姆忭敺绞綖樗挠缛M(jìn)式穹窿頂或者券頂,碼窯方式為生坯側(cè)立排列擺放,磚窯的燒成溫度在1 000 ℃左右。

2) 漢代磚瓦窯的結(jié)構(gòu)變化適應(yīng)了當(dāng)時(shí)社會(huì)對(duì)陶質(zhì)材料和用具的擴(kuò)大化需求,具有科學(xué)的合理性。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了半倒焰窯的煙氣流動(dòng)特點(diǎn),特別是煙道由一個(gè)變?yōu)槎鄠€(gè)的結(jié)構(gòu)變化使窯內(nèi)溫度分布更為均勻,提高了磚瓦的燒成溫度和燒成質(zhì)量。

3) 經(jīng)過(guò)初步研究,漢代磚瓦窯在火膛和窯室之間設(shè)置擋火墻,起到了隔熱和減緩高溫?zé)煔饬魉俚淖饔?該結(jié)構(gòu)對(duì)于燒制數(shù)量多質(zhì)量較高的器物如陶俑具有較大的意義。