07/11/2022
องค์ความรู้ทางโบราณคดี กลุ่มโบราณคดี สำนักศิลปากรที่ 7 เชียงใหม่
*********
โบราณโลหะวิทยาเชิงทดลอง (Experimental Archaeometallurgy) :
กรณีศึกษาการทดลองถลุงเหล็กสมัยโบราณตามแบบเตาถลุงเหล็กของแหล่งโบราณคดีบ้านนาตุ้ม ตำบลบ่อเหล็กลอง อำเภอลอง จังหวัดแพร่
โดย นายพลพยุหะ ไชยรส นักโบราณคดีชำนาญการ เรียบเรียง
*********
ภายใต้การสนับสนุนงบประมาณการดำเนินงานโบราณคดีของกรมศิลปากร โครงการโบราณโลหะวิทยาในภาคเหนือตอนบนของประเทศไทย ประจำปีงบประมาณ พ.ศ.2565
*********
กิตติกรรมประกาศ (Acknowledgement) : ขอขอบพระคุณ คุณประพจน์ เรืองรัมย์และคุณเพชร เรืองรัมย์ นายช่างถลุงและตีเหล็กแบบโบราณแห่งบ้านน้ำพี้ ตำบลน้ำพี้ อำเภอทองแสนขัน จังหวัดอุตรดิตถ์ ที่ช่วยอนุเคราะห์ข้อมูลเทคโนโลยีการถลุงเหล็กแบบโบราณจากประสบการณ์การการถลุงเหล็กและตีเหล็กมาอย่างยาวนานและเป็นผู้ทดลองสาธิตการถลุงเหล็กในครั้งนี้ กลุ่มโบราณคดี สำนักศิลปากรที่ 7 เชียงใหม่ กรมศิลปากร ขอขอบพระคุณในความเอื้อเฝื้อและความเป็นพันธมิตรทางวิชาการเป็นอย่างสูง
*********
ข้อตกลงเบื้องต้น (Assumption) : บทความนี้เป็นงานโบราณคดีเชิงการทดลองทางวิทยาศาสตร์ โดยเป็นผลการทดลองนำร่องครั้งที่ 1 โดยมีการควบคุมตัวแปรควบคุมต่างๆ ให้มากที่สุดเท่าที่งบประมาณ ระยะเวลาและทักษะเชิงช่างจะเอื้ออำนวย ซึ่งโดยธรรมชาติของการทดลองทางวิทยาศาสตร์จะต้องมีการทดลองซ้ำหลายๆ ครั้ง เพื่อให้ได้ข้อสรุปที่มีความแม่นยำและชัดเจนมากที่สุด (อาจได้ผลลัพธ์ที่ต่างไปจากการทดลองครั้งนี้ได้) โดยการนำเสนอผลการทดลองนี้มีจุดมุ่งหมายหลักที่จะสะท้อนให้ผู้อ่านได้เห็นกระบวนทัศน์ทางโบราณโลหะวิทยาเชิงทดลอง (Experimental Archaeometallurgy) และการประยุกต์ใช้กับงานโบราณคดีจริงของวงการวิชาการโบราณคดีไทย อันเป็นตัวอย่างในการทำงานที่สามารถนำผลการทดลองไปทำการทดลองซ้ำหรือต่อยอดวิจัยในอนาคตต่อไปได้
********
โบราณโลหะวิทยาเชิงทดลอง (Experimental Archaeometallurgy) เริ่มมีความตื่นตัวในการศึกษาวิจัยตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1950s ภายใต้แนวคิดของนักโบราณคดีสำนักคิดโบราณคดีกระบวนการ (Processaul Archaeology) หรือโบราณคดีใหม่ (New Archaeology) ของโลกตะวันตก ที่เน้นการตรวจสอบสมมุติฐานหรือข้อสันนิษฐานทางโบราณคดีด้วยกระบวนการและเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ โดยเริ่มแรกเป็นงานทดลองถลุงโลหะประเภทต่างๆ โดยเฉพาะการถลุงทองแดงและเหล็กทั้งในสมัยก่อนประวัติศาสตร์และสมัยประวัติศาสตร์ โดยในปัจจุบันยังคงเป็นประเด็นที่ได้รับความนิยมจากนักโบราณคดีที่มีความสนใจเรื่องการถลุงโลหะจากทั่วทุกมุมโลก ทั้งนี้ ในประเทศไทยเริ่มมีการศึกษาวิจัยในประเด็นนี้โดยเฉพาะเรื่องการถลุงเหล็กจากนักโบราณคดีไทยรุ่นใหม่จำนวนหนึ่งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาถือเป็นประเด็นใหม่ที่ท้าทายการตั้งคำถามและการวิจัยต่อวงวิชาการโบราณโลหะวิทยาของประเทศไทยเป็นอย่างมาก
การทดลองถลุงโลหะดังกล่าวข้างต้นมีวัตถุประสงค์เพื่อตอบคำถามทางด้านกระบวนการถลุงโลหะสมัยโบราณ (Smelting Operation) โดยมีหลักการสำคัญคือการออกแบบงานทดลอง รื้อฟื้น (Reconstruction) และควบคุมตัวแปรต่างๆ ให้มีความสอดคล้องกับหลักฐานทางโบราณคดีที่ขุดค้นพบในแหล่งถลุงโลหะนั้นๆ ให้ได้มากที่สุด เช่น วัสดุในการสร้างเตา แร่ ระบบลม อุณหภูมิ เชื้อเพลิง หรือแม้กระทั่งพิธีกรรมที่เกี่ยวกับการถลุง เป็นต้น ยังมีการประยุกต์ใช้การเก็บข้อมูลทางโบราณคดีชาติพันธุ์ในกลุ่มคนที่ยังคงรักษาเทคโนโลยีการถลุงโลหะแบบโบราณดั้งเดิมเอาไว้ เพื่อนำข้อมูลมาเป็นส่วนหนึ่งในกระบวนงานทางโบราณโลหะวิทยา นอกจากนี้ยังมีการใช้ข้อมูลทางประวัติศาสตร์ จดหมายเหตุความทรงจำหรือแม้กระทั่งมุขปาฐะ มาประกอบกับหลักฐานทางโบราณคดีอีกด้วย โดยจุดมุ่งหมายสูงสุดคือเพื่อลำดับกระบวนการผลิตมวลโลหะ (Chaîne Opératoire of Ingot) จากก้อนแร่ (Iron Ore) สู่การเป็นมวลโลหะ (Ingot) ซึ่งจะช่วยทำให้เข้าใจถึงพฤติกรรมและอิทธิพลของมนุษย์และสิ่งแวดล้อมที่มีต่อการพัฒนาเทคโนโลยีการถลุงโลหะสมัยโบราณได้
ในบทความนี้ ผู้เขียนจะนำเสนอผลการทดลองถลุงเหล็กสมัยโบราณตามกระบวนทัศน์ดังกล่าวข้างต้น โดยเป็นการจำลองเตาถลุงเหล็กที่ขุดค้นพบในแหล่งโบราณคดีบ้านนาตุ้ม จังหวัดแพร่ ซึ่งเป็นแหล่งถลุงเหล็กสมัยโบราณแบบทางตรง (Direct Process) แห่งสุดท้ายของดินแดนล้านนา อายุราวพุทธศตวรรษที่ 23 – 25 (ประมาณ 100 – 200 ปีมาแล้ว) ซึ่งถือเป็นการทดลองถลุงเหล็กสมัยโบราณแบบทางตรงที่ใช้แร่เหล็กฮีมาไทต์ (Hematite/แร่เหล็กสีเลือดนก) ซึ่งเป็นแร่เหล็กที่ไม่เหนี่ยวนำแม่เหล็กเป็นครั้งแรกของกรมศิลปากร โดยเป็นแร่เหล็กที่ใช้ในการทดลองถลุงเป็นแร่เหล็กชนิดและเหมืองแร่เหล็กเดียวกัน (เหมืองแร่เหล็กดอยเหล็ก)กับที่ขุดค้นพบในแหล่งโบราณคดีบ้านนาตุ้มและยังกำหนดตัวแปรควบคุมต่างๆ ในการทดลองให้ใกล้เคียงกับหลักฐานทางโบราณคดีมากที่สุด เช่น เชื้อเพลิง ปริมาณแร่ วัสดุที่ก่อสร้างเตา รูปแบบโครงสร้างเตา เป็นต้น โดยการจำลองเตาจะใช้ขนาดและรูปแบบเดียวกันกับที่ขุดค้นพบในแหล่งโบราณคดีฯ จากการรวบรวมข้อมูลลักษณะทางกายภาพของโครงสร้างเตาถลุงเหล็กจากผลการดำเนินงานทางโบราณคดีของกรมศิลปากรในปี พ.ศ.2561 พ.ศ.2562 และ พ.ศ.2565 พบว่าเตาถลุงเหล็กทั้งหมดที่ขุดค้นพบก่อด้วยดินและมีขนาดเกือบจะเท่ากันทุกเตา เมื่อคำนวณค่าเฉลี่ยแล้วเตาถลุงเหล็กของแหล่งโบราณคดีบ้านนาตุ้มมีลักษณะเป็นรูปทรงวงรี มีความกว้างเฉลี่ยประมาณ 29.75 เซนติเมตร (หรือ 30 เซนติเมตร) ยาวไม่ต่ำกว่า 1 เมตร ผนังมีความหนาประมาณ 10-15 เซนติเมตร มีความสูงไม่ต่ำกว่า 70 เซนติเมตร สัณฐานของเตาถลุงเมื่อมองจากมุมบนจะมีลักษณะเป็นรูปวงรี โครงสร้างแต่ละเตาก่อด้วยดินเผาเรียงตัวในแนวเดียวกัน (ทิศเหนือ – ใต้) มีการเสริมความมั่นคงให้กับผนังเตาแต่ละเตาด้วยการเติมช่องว่างระหว่างเตาที่มีระยะห่างประมาณ 0.5 – 1 เมตร ด้วยการก่อแนวอิฐ แนวหิน หรือใช้ก้อนตะกรันผสมดินเหนียวก่อเติมเต็มช่องว่างระหว่างเตาเพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้ผนังเตาทุกเตา สันนิษฐานว่าเตามีลักษณะเป็นทรงสูง (Sharf Furnace) ที่มีส่วนยื่นยาวออกมาทางด้านหน้าเตาเป็นทางระบายตะกรัน พื้นเตามีลักษณะลาดเอียงประมาณ 25 องศา ปล่องเตามีความกว้างไม่ต่ำกว่า 30 เซนติเมตร ที่ปลายก้นเตาด้านตะวันออกของเตามีการเจาะช่องวงกลมขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 13 – 15 เซนติเมตร สำหรับเป็นที่ใส่ช่องปลายหุ้มท่อลมดินเผา ปลายปากเตาด้านหน้าเป็นช่องระบายตะกรันออกมีขนาดกว้างประมาณ 10 เซนติเมตร จากการขุดค้นทางโบราณคดีพบว่ามีการใช้ก้อนอิฐอุดปากเตาในขณะที่ทำการถลุง โดยพบก้อนอิฐบริเวณด้านหน้าเตาจำนวนหนึ่ง
ขั้นตอนการถลุงจะเริ่มจากการอุ่นเตาโดยการเติมถ่านเชื้อเพลิงอัดแน่นภายในห้องถลุงจนถึงปากปล่องเตาและปล่อยให้เชื้อเพลิงเผาไหม้เป็นเวลาประมาณ 15 นาที เมื่อมีเปลวไฟพ่นออกจากปล่องเตาแล้วจึงเริ่มเติมแร่เหล็กลงไป โดยเริ่มต้นที่ 0.5 กิโลกรัม เมื่ออุณภูมิห้องถลุงคงที่แล้ว จึงเริ่มใส่แร่เหล็กครั้งละ 1 กิโลกรัม สลับกับเติมถ่านเชื้อเพลิงครั้งละ 2 กิโลกรัม โดยเว้นระยะการเติมแร่และถ่านเชื้อเพลิงตามลักษณะการยุบตัวของถ่านเชื้อเพลิงที่บริเวณปากปล่องเตา จากการทดลองใช้ระเวลาทิ้งช่วงประมาณ 6 – 10 นาที ในการเติมแร่และถ่านเชื้อเพลิงในแต่ละครั้ง ในช่วงระหว่างการถลุงให้สังเกตสีไฟ การไหลของตะกรันเหลว และการก่อตัวของก้อนเหล็กแข็งหรือกึ่งของแข็งมีตะกรันปะปน (Bloom) ภายในเตาโดยดูได้จากช่องดูไฟที่อยู่ติดกับท่อลมโลหะ หากมีการสะสมตัวของตะกรันเหลวมากจนเกินไปให้รีบเจาะผนังเตาหรือเปิดปากเตาเพื่อระบายเอาตะกรันออกไม่ให้อุดตันช่องลมในห้องเผา เมื่อเติมแร่เหล็กจนครบปริมาณ 30 กิโลกรัมและภายในเตามีการก่อตัวของก้อนเหล็กแข็งหรือกึ่งของแข็งมีตะกรันปะปน (Bloom) (ใช้เหล็กยาวเรียวกระทุ้งเข้าไปในช่องดูไฟจะสัมผัสได้ถึงลักษณะก้อนเหล็กแข็งแน่นเหล็กเรียวยาวไม่สามารถทะลุผ่านได้เมื่อกระทุ้ง) แล้ว ให้ปล่อยให้ถ่านเชื้อเพลิงทำการเผาไหม้ต่อประมาณ 30 – 45 นาที จึงเปิดผนังเตานำเอาก้อนเหล็กแข็งหรือกึ่งของแข็งมีตะกรันปะปน (Bloom) ออกจากเตาแล้วแช่น้ำเย็น ก่อนจะทิ้งไว้ให้เย็นตัวลงแล้วนำไปตีกำจัดมลทินต่อไป
จากการทดลองเบื้องต้นพบว่าการถลุงให้ผลผลิตเป็นปริมาณมวลเหล็กเกือบบริสุทธิ์ (Iron Ingot) ในปริมาณที่น่าพอใจ โดยได้มวลเหล็กเกือบบริสุทธิ์ (Iron Ingot) น้ำหนัก 2 กิโลกรัม โดยตีกำจัดมลทินออกจากก้อนเหล็กแข็งหรือกึ่งของแข็งมีตะกรันปะปน (Bloom) น้ำหนัก 11 กิโลกรัม ในการถลุงใช้แร่เหล็กฮีมาไทต์ปริมาณ 30 กิโลกรัม ถ่านเชื้อเพลิงปริมาณ 86.1 กิโลกรัม มีอัตราส่วนแร่และถ่านอยู่ที่ 1 : 2 และอัตราส่วนมวลเหล็กเกือบบริสุทธิ์และแร่เหล็ก อยู่ที่ 15 : 1 ใช้ระยะเวลาในการถลุงประมาณ 4 ชั่วโมง จากการทดลองครั้งนี้สามารถเติมเต็มองค์ความรู้ทางด้านเทคโนโลยีการถลุงเหล็กสมัยโบราณของแห่ลงโบราณคดีบ้านนาตุ้มให้มีความชัดเจนและสมบูรณ์มากยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตามในการทดลองในอนาคตควรมีการศึกษาประเด็นเรื่องการประยุกต์ใช้ระบบสูบลมแบบโบราณที่ยังมิได้ทดลองในการดำเนินงานครั้งนี้ เนื่องด้วยปัญาด้านวิธีการสร้าง วัสดุ งบประมาณ ระยะเวลา รวมถึงทักษะในการสูบลม อย่างไรก็ตามจากเอกสารทางประวัติศาสตร์ ข้อมูลทางโบราณคดีชาติพันธุ์ของกลุ่มชาติพันธุ์ที่และงานประติมากรรมโบราณในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ปรากฏลักษณะร่วมของระบบสูบลมโบราณโดยเป็นลักษณะระบบสูบลมแบบสองสูบ (Double piston bellow) ซึ่งในประเด็นนี้ควรได้รับการจำลองและทดลองทางโบราณคดีอย่างยิ่งในอนาคต
*******
เอกสารอ้างอิง :
จตุรพร เทียมทินกฤตและพลพยุหะ ไชยรส, รายงานการขุดค้นทางโบราณคดีเบื้องต้น แหล่งโบราณคดีบ้านนาตุ้ม ตำบลบ่อเหล็กลอง อำเภอลอง จังหวัดแพร่ ปี พ.ศ.2562. กรมศิลปากร : สำนักศิลปากรที่ 7 เชียงใหม่, 2562. เอกสารอัดสำเนา.
ชิดชนก ถิ่นทิพย์, รายงานการขุดค้นทางโบราณคดีเบื้องต้น แหล่งโบราณคดีบ้านนาตุ้ม ตำบลบ่อเหล็กลอง อำเภอลอง จังหวัดแพร่ ระยะที่ 2 ภายใต้โครงการโบราณโลหะวิทยาพื้นที่ภาคเหนือตอนบนของประเทศไทย ปีงบประมาณ พ.ศ.2565. กรมศิลปากร : สำนักศิลปากรที่ 7 เชียงใหม่, 2565. เอกสารอัดสำเนา.
พลพยุหะ ไชยรส. รายงานการสำรวจทางโบราณคดีแหล่งโลหกรรมสมัยโบราณในบริเวณแอ่งที่ราบลองวังชิ้น จังหวัดแพร่ ตามหลักกระบวนงานโบราณโลหะวิทยา (Archaeometallurgy). กรมศิลปากร : สำนักศิลปากรที่ 7 เชียงใหม่, 2561. เอกสารอัดสำเนา.
สว่าง เลิศฤทธิ์, 2547. โบราณคดี : แนวคิดและทฤษฎี. กรุงเทพฯ : ศูนย์มานุษยวิทยาสิรินธร (องค์การมหาชน).
Doonan R. C. P. and Dungworth D, 2013. “Experimental archaeometallurgy in perspective”, in Accidental and Experimental Archaeometallurgy. London. 1-11.
Forrest, Carolyn, 2008. "The Nature of Scientific Experimentation in Archaeology: Experimental Archaeology from the Nineteenth to the Mid Twentieth Century" in Experiencing Archaeology by Experiment. Oxford: Oxbow Books.
Heather Margaret-Louise Miller,2009. Archaeological Approaches to Technology. California: Left Coast Press Inc.
Justine Bayley, David Crossley and Matthew Ponting, 2008. Metal and Metalworking : A research framework for Archaeometallurgy. London : English Heritage.
Michael Charlton, 2010. “Explaining the evolution of ironmaking recipes – An example from northwest Wales.”in Journal of Anthropological Archaeology. 29, 357.
Roberts, Benjamin W. and others, 2014. Archaeometallurgy in Global Perspective : Methods and Syntheses. NewYork : Springer.
Stanley J. O'Connor, 1985.. "Metallurgy and Immortality at Candi Sukuh, Central Java" in Indonesia. 39: 57.
#}