㈠ 现代冶炼技术的发展过程是怎样的
人类进入钢的时代
——现代冶炼技术的发明与发展19世纪中叶以后，欧洲钢的生产开始了大发展，1856年是大发展的起点，这一年贝塞麦发明了转炉吹炼法，大大缩短了炼钢时间，不久西门子又发明了平炉炼法(1867年)，不仅能生产优质钢，而且可大利用大量废钢。这两种方法为现代化炼钢打下了基础，使人类进入钢的时代。
磷的问题是20多年后才由英国人托马斯解决。他从化学反应的角度来研究磷的行为，认为生铁中的磷被空气氧化后生成五氧化二磷，又被吹炼炉的硅质炉衬还原成磷，重新进入钢中，因此他认为，如果采用另一种炉，使它能够和五氧化二磷结合，就能解决这一问题。他和P·吉尔克里斯特合作，于1877年在一座小炉上进行了一系列试验，证明用碱性衬炉可以脱磷，以后又在1.5吨的炉子里进行扩大试验，采用白云石作为炉衬，并以焦油作粘结剂，于1879年获得成功，创造丁碱性转炉炼钢法，又称贝塞麦—托马斯法，从此该法在欧洲推广应用，取得显著成效。
平炉炼钢的发明者是德国人西门子，他和其弟一起研究蓄热式热交换器以及用煤气作燃料，成功地用于玻璃熔化炉，可节省燃料50％，以后应用于熔化坩埚钢，接着研究成功了用生铁和铁矿石一起炼钢的方法，即平炉炼钢法，于1867年取得专利。平炉炼钢的冶炼系在中间的反射炉内进行，炉子的下面有两个蓄热式热交换器，分列左右，轮换使用，用以预热空气。这种炉子的特点是热效率较高，并可达到很高的炉温。同一时候，法国马丁取得西门子关于蓄热室炉子的专利后，试验成功了用生铁和熟铁一起熔炼成钢的方法，接着又用废钢代替熟铁和生铁一起炼钢，这就是现在通用的平炉炼钢法，又称西门子—马丁法。斗早平炉的炉衬也有酸性和碱性两种。
平炉的冶炼时间比转炉长得多，对于100吨的炉子，原料如为生铁：废钢＝50：50，则冶炼周期约为8～12小时。
和塌岩转炉炼钢比较，平炉具有以下优点：
平炉去除钢中杂质是个缓慢过程，因此钢的成分空衫雀容易控制。
可以加入任何比例的废钢(当时转炉限于5％)。
碱性平炉可以不受生铁中含磷量的限制(碱性转炉要求生铁中含有足够高的磷，一般须为1．7～2％，否则氧化发热量不够，难以维持炉温；而酸性转炉则要求生铁中含量足够低，才能保证钢的良好性能)。
钢中含氮量少(转炉系空气直接吹入熔体，钢中吸收了一部分氮，易使钢变脆)。
由于具有上述优点，因此平炉发展很快，到1894年时产量已超过了转炉，达到157．5万吨，转炉钢则为153．53万吨。
电炉炼钢系用电作为热源进行炼钢，有两种形式，一是电弧炉，一是感应炉。
电弧炉——西门子于1878年首先应用电弧炉熔化废钢，但由于当时电费太贵，且电力供应不足，限制了该法的发展。1900年法国埃洛特建立了第一座工业用的电弧炼钢炉，先将生铁在碱性转炉内吹炼，去掉硅、锰及大部分碳，然后将熔体装入碱性电弧炉内进一步除磷及碳，直到达到要求的含量，这样可使每炉钢的成分基本一样。
感应炉——意大利费兰蒂于1877年最先采用高频炉熔化金属，但工业应用则始于1899年客林在瑞典建立的炉子。英国的炼钢中心设菲尔德于1907年建立了一座实验炉，可生产2吨重的钢铸件，由于1925年发明了电动发电机组，能获得比较合适的频率(500～3000周／秒)，从而加速了感应炉的发展，使它逐渐取代了坩埚炉，用来生产高质量的工具钢。感应炉仅系熔化而不发生冶炼作用，因此可按照需要成分预先配好炉原料。感应加热时产生涡流，对熔体有搅动作用，使钢的成分均匀一致。
用电炉可以冶炼各种性能的合金钢。
合金钢的创始人当推法拉第，他为了寻找适合于电磁方面用的材料，从1819年开始曾将各种不同的元素加入铁中，包括铬。可惜他的工作没有进一步做下去，不然“合金钢时代”将会提前50年到来。
1871年英国试制了铬钢，1877年法国制成含铬生铁及铬钢，并用于工业，高炉炼铁铬合金也随即开始。
R·马希特在1871年发现锰钨钢在空气中冷却后有很大的硬度，于是用作工具钢。这一合金的出现使机械工业发生了革命，使用寿命为以前高碳钢的5—6倍，并使机床的速度提高了1倍。
接着R·哈德菲尔德在合金钢领域里又迈出了重要的一步，他于1883年发明了锰钢。以前曾有人研究过锰的作用，发现加入锰后虽然能使钢变硬，但却变脆。而R·哈德菲尔德进一步发现：如果加入大量的锰(10％或更多)，钢不仅具有足够的硬度，而且具有很好的抗拉强度和延展性。将锰钢加热至1050℃并在水中淬火，还可以提高它的韧性(而碳钢经过这样的处理却变脆)。锰钢还有另一个优良性能：当撞击时，表面层变硬而内部仍保持韧性，因此十分适用于制造铁路叉道、掘土机、挖泥船等。锰钢的发现又使机械工业增加了一种宝贵的材料。
哈德菲尔德还发明了硅钢，开始时用作工具钢，后来发现当含硅至5％时具有高导磁率、高电阻、低磁滞的特性，特别适用于制造电动机和发电机的转子、变压器芯及其它电器用具。从1907年以来硅钢已成了电力工业中不可缺少的一种基本材料。
1889年英国J·赖利发明的镍钢在工程界起了极为重要的作用。他发现当加镍至4.7％时，可使钢的强度增加2倍。这一优良性能很快确立了镍钢的地位。
本世纪初由美国F·W·泰勒和M·怀特发明了高速钢很快被欧洲所采用，典型成分是：钨18％，铬4％，钒1％，碳0.5％，有时还含钴。这种钢在高温时不软化。采用这种钢做刀具，切削速度可自高碳钢的30英尺／分提高至500英尺／分。
1913年英国H·布里尔利发明了不锈钢，成分是铬13％，碳0．3％。后来德国B·施特劳斯和E·毛雷尔加入镍进一步改善了抗腐蚀性能和机械性能，这就是今天广泛使用的含铬18％、含镍8％的18～8不锈钢。钢中加入铬不仅抗蚀，而且防止高温时氧化掉皮，因此是用于原子能工业、火箭、汽轮机等的理想材料。
自从工业革命以来，金属材料在工业化大生产中长期处于重要位置。在金属材料中，铁和钢又占居首位。19世纪中叶以前，铁是主要的金属材料，从”世纪下半叶起，钢迅速取代铁成为工业发展的重要支柱，开创了材料工业的钢铁时代。进入20世纪，由于工业、交通、建筑、军事等部门的大量需要，钢在产量、质量、品种、冶炼技术上都有新发展。
20世纪上半叶，炼铁技术虽仍以19世纪发明的高炉冶炼为主，炼钢技术也仍以19世纪发明的平炉冶炼为主，转炉炼钢和电炉炼特种钢为铺，但在炼炉技术、原料处理和轧制技术上都不断有改进。
1930年前后，冶金学家开始研究直接使用氧气的炼钢法，论证了用高浓度的氧代替空气助燃，可以提高炼钢效率。
本世纪40年代，氧气斜吹转炉炼钢法、卧式转炉双管吹氧法、纯氧顶吹转炉炼钢法等相继出现，其中以纯氧顶吹转炉炼钢法的优点最为明显，它与当时通用的平炉相比，投资减少约一半，效率提高达数倍，成本低、质量高，因而迅速得到了推广。电弧炉炼钢法和感应炉炼钢法在电力比较充足的国家，如美、意等国陆续被用于炼制特种钢的生产中。40年代出现的连续铸钢法是炼钢技术的一个重大进步，它可以省掉钢锭模和初轧机，使生产率成倍提高，投资和成本明显下降。
炼钢技术的发展还表明在各种特种钢和合金钢的不断问世上。不同的特种钢和合金钢可以适应不同的特殊需要。20世纪初发明了渗碳法，不久又发展了利用渗碳技术渗氮。20年代末至30年代又把镍、铬等加到普通的碳钢中，制成了一系列坚韧的镍钢和铬钢。一种重要的合金钢——锰钢的炼制技术也有了新的进步。1882年，英国人S·R·哈德菲尔德第一个研制出的锰钢，含锰约为12～13％。20世纪初则研制成含锰达80％的高锰钢，坚韧性极高，可用于舰艇和武器的装甲。哈德菲尔德于1900年又研制出有很高磁导率的硅钢，是制造电机电器的好材料。1912年，英国人H·布里尔利制出了含一定比例的镍、铬，有良好抗腐蚀性能的不锈钢。1912年，美国生产了含镍达71～80％的透磁钢。1923年，德国研制成功高硬度的氮化钢。第二次世界大战中，把镍铬合金经氮化处理和热处理后得到了质硬、耐磨的新合金。40年代出现了能耐800℃高温的镍铬合金。此外，加入不同比例的硅、钼、铌、铝、钛等元素，各有特种性能的多种合金钢在这一时期也相继诞生。这些合金材料的出现，促进了机器、电气、化工、交通运输、军事工业的发展。
后来出现的金属材料如钛等虽然在强度上超过了钢，但由于其数量极为有限，故还远远达不到取代钢的地位。钢以其庞大的数量，品种的繁多一直称雄金属材料世界。据专家预测，至少在今后50年内还没有任何金属材料取代其霸主地位。
㈡ 我国古代的铁器冶炼技术发展史
关于铁器：
中国开始和使用铁器的年代，目前尚无定论。考古发现的人工冶炼的最早铁器属于春秋时期，目前已知有大约二十件左右，有凹形锄（臿）刃，梯形锛刃、削、刮刀、剑、鼎等，经金相核验，多数属固态还原的块炼铁（指不含炭的铁）。战国时期，掌握了块炼渗碳钢及其淬火工艺，大大提高了铁器的实用的性能，为战国中期以后的铁器大量应用于军事和农业生产创造了技术条件。
关于我国何时出现铁器的问题，主要有以下三种不同意见：
第一种意见，1972年底，河北藳城台西遗址发现了一件商代中期的铁刃铜钺，而且，这件器物的铁刃经鉴定是经过锻打的。1977年8月北京平谷县南独乐河公社刘家河大队商代墓葬中又出土了一件铁刃铜钺；此外，解放前还发现有一件西周初年的铁刃铜钺和铁援铜戈，传说是1931年在河南浚县出土的。上述几件器物经分析，均含有较高成分的镍，这正是陨铁的特征。所以，一般认为这几件器物由陨铁制成，而不是由人工锻冶的铁制成的。另外，在商代藳城台西遗址中还出土了两块赤铁矿石和十几块铁渣，所以有的研究者认为这是商代中期已开始冶铁的反映。但人们在冶铜时，矿石中的氧化铁同样会留在矿渣之中，而且矿渣中的含铁量可达到36%以上，甚至达50%。所以，有的研究者又认为：“台西遗址出土的所谓铁渣，应是炼铜的矿渣，而不是人工冶铁的遗物”，等等。总之，学术界占统治地位的意见认为，中国在商代还没有出现人工制铁。
第二种意见，西周初期有无人工冶铁？有的学者认为西周初期可能出现人工冶铁。《逸周书·克殷》载：“……乃石击之以轻吕，斩之以玄钺”。有的学者认为，这里的“玄钺”并非铁器，而指陨铁制的铁刃铜钺，不能证明商末周初已能冶铁。《诗经·大雅·公刘》：“取厉取锻。”《尚书·费誓》：“锻乃戈矛，砺乃锋刃。”对这两处中的“锻”，过去一些学者认为制锻铁，现在一些学者则认为“锻”指对青铜的捶锻。而且至今考古发现西周戈、矛等兵器均为青铜制品，青铜兵器、工具也可以通过锻打而变得锋利。因此，西周初期出现人工冶铁的意见也因缺乏实证而被否定。
第三种意见，西周中晚期出现人工冶铁。《礼记·月令》载：“天子……乘玄路，驾铁骊，载玄旗……”这一记载系指西周而言。《诗经·秦风·驷铁》： “驷铁孔阜”，是西周末秦襄公时的诗，意为四匹马的颜色如铁。只有铁成为习见事物之后，才会以其颜色称呼别的器物。考古已发现了西周末的人工冶铁制品，即河南三门峡虢国大墓中出土的铜柄铁剑。这件器物属西周晚期人工冶铁的块炼铁制品已为学术界公认。此外，陕西凤翔秦公一号墓出土了西周、东周之际的铁铲，甘肃灵台发现春秋早期的铜柄铁剑，甘肃永昌则发现春秋早期的铁锸等。据上述事实，学术界认为中国中原地区人工冶铁最早发生于西周中晚期。
从现在接触到的文献资料和考古发现的实物证据来看，把中国最早出现的人工冶铁定在西周中晚期是比较合理的。
湿法炼铜：Fe+CuSO4=FeSO4+Cu
不一定用铁，金属活动性比铜强就行．
也不一定用硫酸铜，可溶性的铜盐就可以．
关于冶铁：
冶铁技术是古代化学工艺的应用实例，也是应用化学知识的集中表现。人类最早炼得的铁，是铁矿石在800℃～1000℃条件下，由木炭还原直接得到的。江苏省六合县程桥出土的公元前6世纪前后东周墓内的铁凡、铁条，在湖南省长沙市洞坡等地的遗址中，发现经过人工冶炼的铁块，这是世界上最早的生铁实物。
商周时代，我国的青铜铸造业非常发达，这意味着采矿、鼓风、冶炼等技术都很先进。在这个基础上，冶铁业也迅速发展起来。由于早期的冶炼技术底下，炼炉很小，鼓风能力也不强，无法使矿石充分熔化，因此只能炼成海绵状的熟铁块。在海绵铁中还含有很多杂质，需要经过反复煅打才能得到较纯的铁块，这种技术叫做块铁法。欧洲曾经长期使用这种方法炼铁，一直要到14世纪发明了水力鼓风炉以后才能冶炼铸铁，比我国晚了1900多年。
文献上关于冶炼生铁的记载最早见于《左传》。公元前513年，晋国曾在国都征收“一鼓铁”的军赋，并把成文的刑法铸在铁鼎上，即所谓的 “铸刑鼎”。这说明春秋晚期民间已经出现了炼铁作坊，并且已经能够铸造鼎这样复杂的铁容器了。目前发现的最早的铁器都是春秋时代的，这些铁器经金相分析，有的是块铁法制造的，有的是铸铁铸造的，有的是把铸铁加热退火柔化处理为展性铸铁制成的，显示出技术已经非常熟练了。
早期的铸铁是白口铁，质地脆而硬，容易折断，不耐用。战国时期人们已经掌握了铸铁柔化技术。他们把铸铁加热锻打脱碳，得到白心可锻铸铁，或经过长时间加热退火，得到韧性更好的黑心可锻铸铁。如果脱碳不完全，仅使铸件外层成为钢而内层还是铸铁，就可以得到一种钢和铁的复合品，使铸件的质量更加优良，欧洲要到18世纪才有白心可锻铸铁，美国要到19世纪才有黑心可锻铸铁，我国的铸铁柔化技术比他们早发明了两千多年。
生铁、熟铁和钢的区别在于含碳量的不同，生铁的含碳量大于2%，熟铁的含碳量小于0.04%，钢的含碳量界于二者之间。钢可以通过生铁脱碳得到，也可以通过熟铁渗碳制得。燕下都出土的一部分兵器就是把块炼铁放在炽热的木炭中长期加热使其表面渗碳，在经过锻打成为渗碳钢片，又把渗碳钢片对折锻打多次制成的，这种炼钢法也叫 “百炼成钢”，汉代有些用这种方法制成的钢刀上常常刻有“卅炼钢”、“百炼钢”等字样。
汉代冶铁的一项突出成就，就是出现了球墨铸铁，而现代的球墨铸铁要到1947年才研制成功。百炼钢工艺的日益成熟和炒钢技术的发明，也是汉代钢铁冶炼技术进步的标志。西汉中晚期出现了利用生铁炒成熟铁或钢的新技术，即将生铁加热到半液体、半固体状态再进行搅拌，利用空气或铁矿粉中的氧进行脱碳以获得熟铁或钢。运用这种技术可以有控制的把生铁炒到所需要的含碳量，然后再加热锻打成质量较好的钢件，从而大大的促进了百炼钢的发展。
㈢ 中国钢铁冶炼业及世界钢铁冶炼业发展历史
一、 生产工具的铁器化与冶铁业的发展
战国以后，由于冶铁技术的进步，社会经济制度的变革，社会上对于铁器需要量的增加，铁矿的开采，铁的冶炼和铸造成为关系国计民生的重要手工业，因此，冶铁业开始发展起来。在战国时代开发的铁矿已经不少，战国时代的著作《山海经·五藏山经》所载产铁之山就有37处，记录属南阳的就有“帝X之山‘其阴多铁’”，约在今河南省泌阳县和南阳县之间；另一处即“兔床之山，‘其阳多铁’”，约在今嵩县和南阳县之间。战国时代各国都有冶铁手工业，其中韩、楚两国的冶铁手工业最为发达，著名的冶铁手工业地点也最多，当时的南阳已经成为战国时代闻名的冶铁中心。《荀子·议兵篇》记载：“宛钜铁（钅也），惨如蜂虿。”至秦汉时期，铁器和冶铁技术在广大地区已经得到了广泛的传播和使用。从考古中发现，西汉初年铁制农具和工具已取代了铜、骨、石、木器，到西汉中期，随着冶铁技术的发展，锻铁工具增多，铁兵器也逐步占据了主要地位，直至东汉，主要的兵器全部为钢铁所制，从而完成了兵器和生产工具的铁器化进程。
西汉初年，冶铁业可听任商人经营。魏国的孔氏原经营冶铁业，秦灭魏后，被强行迁到南阳，靠冶铁成为巨富。西汉武帝时，武帝任用南阳的大冶铁商孔仅为“大农丞，领盐、铁事”，管理全国的盐铁业，南阳成为全国设立铁官的手工业基地之一。在南阳瓦房庄发掘的汉代冶铁遗址中，就曾发现西汉时期的冶铁遗物(熔炉基、耐火砖、鼓风管、铸造用的模具及铁器，包括铁犁铧、铁耧铧、铁锸、锛、斧等)。至东汉，南阳的冶铁业在西汉基础上，冶铁作坊数量增多，规模空前扩大，技术显著提高。建国后在南阳附近发现的冶铁遗址就有：南阳市北关瓦房庄铸铁作坊遗址，桐柏张陂村的大张陂冶铁遗址，桐柏县铁炉村遗址，南召县太山庙、草店冶铁遗址，方城县赵河村冶铁遗址，镇平县安国城铁范、铁铸件遗址，西峡县白石尖冶铁石等。1959～1960年南阳市北关瓦房庄发掘的汉代冶铁遗址，主要遗址面积达2800平米，发现了大量的冶铁遗迹和遗物，其中熔炉9座，炒钢炉8座，锻炉1座。发现在当时的生产条件下冶铁过程中使用了热鼓风炉，这是我国早期使用的节约热能的熔炉。铸造使用的模和范近40种。由文物考古发掘的遗物可见，在当时南阳已经成为全国的冶铸中心。
二、 冶铁技术、工艺的发展
冶铁技术在秦汉时期得到进一步的发展。高炉炼铁已成为一种经济而有效的炼铁方法。高炉炼铁从上边装料，下部鼓风，形成炉料下降和煤气上升的相对运动。燃料产生的高温煤气穿过料层上升，把热量传给炉料，其中所含一氧化碳同时对氧化铁起还原作用。这样燃料的热能和化学能同时得到比较充分的利用，下层的炉料被逐渐还原以至熔化，上层的炉料便从炉顶徐徐下降，燃料被预热而能达到更高的燃烧温度。这确是一种比较合理的冶炼方法，因而具有强大的生命力而长期流传。其冶炼水平的发展表现在以下几个方面：
第一，高炉炼铁中的筑炉技术达到了较高的水平。有的用含三氧化硅较高的黄色或红色耐火粘土烧成的长方形或弧形的耐火砖砌筑。南阳瓦房庄遗址出土的耐火砖，在不同部位耐火砖所用的材料、厚度、形状均不相同。有的用直径0.3～0.5cm的白色石英砂粒并掺有少量的细砂。有的用草拌泥、黄粘土及大量的石英砂混合而成，所用石英砂不仅有天然的，而且还有经过加工破碎的。这些耐火砖耐火强度达到1463℃～1469℃之间，这显然是耐火土中掺入了含有二氧化硅相当高的砂石的结果。这种含二氧化硅相当高的酸性耐火材料，从我国古代高炉所出大都是酸性炉渣来看，是合适的。
第二，高炉炼铁所用原料大部分已进行了加工。冶炼工人从长期的实践经验中发现，炉料的粒度整齐可以减少对煤气的阻力。因此，在冶炼之前，就要对原料进行加工，在桐柏县张畈村遗址中，曾挖出数以千吨计的矿石粉末，说明当时已十分注意对矿石的加工。
除了高炉炼铁外，在西汉时期还发现有坩埚炼铁技术。南阳市北关瓦房庄遗址中，就发现坩埚炼炉17座，其中3座较完整，都近似长方形。其中一座长3.6米，宽1.82米，深度残存0.82米。炉的建筑方法是，就地面挖出长方坑，留下炉门，周壁经过夯打后再涂薄泥一层。炉顶用弧形的耐火砖砌成，砖的大小不同，砖的内面敷有一层厚约1厘米的耐火泥，泥的表面还留有很薄的灰白色岩浆，砖的背面涂有较厚(约5厘米)的草拌泥。有一部分是用土坯和草拌泥券成。炉由门、池、窑膛、烟囱四部分组成。门在炉的最前端，当是用来装炉和通风的，左右两壁都经火烧，已成砖灰色。池在门内，周壁也烧成砖灰色，池底留有厚约1厘米的细砂，当是用作燃烧时的“风窝”的。炉膛为长方形，周壁糊有草拌泥，火烧较轻，当是盛放成行排列的坩埚和木柴、木炭等燃料的，炉的后部设有3个烟囱，当是排出炉烟用的。有的炉内填满木柴灰，有的炉底堆有很多烧土块和砖瓦碎片。发现坩埚3件，都是椭圆形的圜底陶罐，罐外敷有草拌泥厚约3～4厘米，泥的内部烧成红砖色，表面则成光亮的深黑色，并存有一层灰白色光亮岩浆。另在一坩埚的内壁还粘有铁渣的碎块。从炼炉的结构以及流传到后世的坩埚炼铁法，可以推知当时的炼铁方法是：先用碎块矿石和木炭以及助溶剂混合配好，装入坩埚，装炉前，先在炉底铺上一层适当数量的砖瓦碎片，使炉底通风；并留出许多“火口”放进易燃物，以便点火，接着就铺上一层木炭，在木炭上安装成行坩埚；然后在这层坩埚之上再铺上一层木炭，在木炭上再安装成行坩埚，待炉装满，便可以从“火口”点火，并加以鼓风，使坩埚中矿石还原溶化成生铁。
第三，鼓风技术的发展。高炉炼铁和冶铁技术的发展，与鼓风技术的改进是分不开的。我国古代炼铁高炉是用皮制的“橐”作为鼓风器的。随着时间的推移以及经验的积累，人们逐步改变了鼓风的方法。在大型的冶炼炉中不止有一个鼓风器，而是增加鼓风器和鼓风管，使得炉中燃料充分燃烧，提高炉子的温度，加速冶炼的进程。在瓦房庄的冶铁遗址中，有大量的鼓风管出土，其中有一部分带有弯头的陶制鼓风管，粗端内径约100mm，细端内径为50mm，长约400mm。由于陶胎鼓风管下测泥层被烧琉，经测定，其烧琉温度当为1250℃～1280℃之间。从此温度及挖掘出的实物可判断，汉代南阳冶铁炉装有热鼓风装置(《南阳汉代冶铁》，中州古籍出版社，1995年12月，第23页。）。这种装置利用炉口余热把风管内冷风变成热风鼓进熔炉，既提高了熔炉温度，又缩短了冶炼时间，提高了铁水质量。就鼓风动力而言，出现了“人排”鼓风动力，畜力鼓风，如“马排”、“牛排”等。东汉建武七年(31)，杜诗任南阳太守，创造了用水力鼓风的“水排”，并进行了推广。利用水排鼓风，铸造农具，比用人力鼓风要“用力少，见功多”，并取得良好的效果。现今发掘的桐柏县张畈村的冶铁遗址距矿山较远，而是建在河流旁，很可能就是利用“水排”来鼓风的缘故。水排的发明和应用，不仅提高了鼓风能力，而且大大降低了成本，因而长期被冶铁工业所沿用。像这样以水为动力的鼓风机械，欧州在1100多年后才出现。
鼓风技术的改进，促进了冶铁技术的发展。除了冶铸生铁技术的快速发展之外，还创造了铸铁柔化工艺，出现了灰口铸铁及球墨铸铁。在南阳市北关瓦房庄汉代冶铁遗址出土的铁器中，经分析检验，可以看到汉代的农具主要采用可锻铸铁。在其中检验的12件农具中，有9件是可锻铸铁，2件是铸铁脱碳钢，1件是白口铁。这表明在铸铁中已经采用了柔化技术。从质量上看，当时的铸铁柔化技术已相当稳定。在瓦房庄冶铁遗址的东汉地层中出土的135号铁钁，它的石墨组织虽不是出自铸态，而是在高温退火时形成的，但形状规则接近球状，边缘也很光滑，从而提高了工件的机械性能。
三、 炒钢、铸铁脱碳钢及铸造技术
为了适应社会对钢铁制品的需要，到西汉后期已创造了“炒钢”技术。这种技术把生铁加热到熔化或基本熔化的状态下加以炒炼，使铁脱碳成钢或熟铁。
在南阳市方城县赵河村汉代冶铁遗址中也曾发现与巩县铁生沟汉代冶铁遗址中相同的炉型6座。这种炒铁炉容积小，呈缶形，温度可以集中；挖入地下成为地炉，散热少，有利于温度升高；炉下部作“缶底”状，是为了便于装料搅拌。此外，在南阳市北关瓦房庄冶铁遗址中也发现几座炒钢炉，形制和构筑方法大同小异，炉底还有铁块。从这个遗址发掘内容看，南阳瓦房庄的冶铁作坊中，不仅铸造铁器，而且还用生铁炒钢或熟铁，以此锻制工具和其他构件。在此遗址中还出土有凿、钁等，当是该作坊自制的凿、钁等。通过考古资料证明，到东汉时期，炒钢技术已很普及。南阳东郊曾出土一件东汉铁刀，形制较特殊，类似炊事用刀，刀身有一道平行于刃部的锻接痕迹，刀宽112厘米，长约17厘米，刀背厚约05厘米，保存较完好，是用炒钢锻制而成(河南省博物馆等：《河南汉代冶铁技术初探》，《考古学报》1978年第1期。)。
西汉后期已经创造了简便的炒钢炉，将生铁炒炼成熟铁或钢的技术发展，标志着炼钢技术发展到了一个新的阶段，使得钢材的产量大大提高，这对于当时生产工具的改进，钢制品的推广均具有重要的意义。
古代炼钢以含碳量低的块炼铁或熟铁为原料，采用渗碳的方法炼制成钢(现在仍然使用此法)，一种即以含碳量高的生铁为原料，在固体状态下脱碳制钢。战国时代已经采用了柔化处理工艺，将生铁进行脱碳退火，得到了脱碳不完全的铸铁脱碳钢件(李众：《中国封建社会前期钢铁冶炼技术发展的探讨》，《考古学报》，1975年第2期。)，至汉代仍然使用这一工艺。如，南阳瓦房庄冶铁遗址所出土的铁斧，中心是白口组织，表层是钢的成份。类似这样的铁器在其他遗址里也有发现。它们都是用白口铁坯件，在氧化气氛下退火，使外层脱碳，由表及里依次成为纯铁素体、亚共析、共析组织，由于脱碳不完全，内部仍然是铁，实际上是一种由钢和铁组成的复合材料。另一种情况是脱碳比较完全，已全部清除白口组织，但内层析出部分石墨。如南阳瓦房庄出土的一件铁凿，从外形看是铸件，表面金相分析是钢的组织，很容易误认为是钢铸件。在汉代当时的技术条件下，没有高于1500℃的高温和相应的耐火材料，是不可能出现液态铸钢的。南阳瓦房庄出土的另一件铁凿，经检验，基体为过共析钢，内层残留石墨，证明它是经脱碳而成的钢质工具。另外，在南阳瓦房庄冶铁遗址中还有成形的薄铁板出土，这些铁板实际是经过脱碳热处理的已成为含碳较低的钢板，可以锻打成器，实际上是创造了一种新的制钢工艺。这样就扩大了生铁的使用范围，增加了优质钢材的来源，对于钢铁生产有重大的作用。
铸铁的热处理技术在汉代有很大的发展，并臻于成熟。在南阳瓦房庄冶铁遗址中所发掘的9件农具，经检验8件为黑心韧性铸铁，质量良好，有一些与现代黑心韧性铸铁已无大的差别。还有一部分白心韧性铸铁，白心韧性铸铁可制作耐冲击、性能良好的手工工具，黑心韧性铸铁可制作耐磨的农具。在铸制的铁器中有一部分铁锸、铁耧铧、铁钁即为白心韧性铸铁。
从发现的汉代冶铁遗址来看，当时的作坊有以炼铁为主而兼铸铁器的，也有专门铸造铁器的。而最初的铁铸件，是由炼铁炉的铁水直接浇铸。在汉代，出现了专门的化铁炉，这对于提高熔铁的质量，获得优质铸件，有很大的好处。从南阳瓦房庄遗址看，化铁炉的结构和筑炉材料与炼铁炉有明显的区别，说明当时的炼铁与化铁的分工已很明确。
南阳瓦房庄冶铁遗址出土化铁炉7座，它的构筑方法是：在平整的地面上，铺筑直径约2.6m、厚50mm的草拌泥，烧成橙黄色，作为炉基。炉底是空心的，由整体基底、束腰式支柱、周壁与炉缸底部组成。基底约厚45mm，用羼有大量大颗粒砂的耐火粘土铺成，砂的粒度在10mm左右。周壁和支柱的筑炉材料与基底稍有不同。羼有大量小颗粒砂。周壁厚40～50mm，支柱直径70～120mm，高70cm，根据遗址所出土的长方形耐火砖的尺寸来估算，支柱可能有15个左右，基上砌筑炉缸底部。
炉体全用弧形耐火砖建造，从砖的内表面不同的熔融程度看，炉体可分为3个区域：炉口及其下三、四层砖(砖长36cm，宽17cm，厚6～9cm不等)，炉衬略现熔融，有许多龟裂纹道，温度最低，为预热区。炉体中部的三、四层砖，炉衬均有烧琉，说明温度较高，应是还原区。再往下三、四层砖，炉衬普遍烧琉，甚至全部流下，露出砖体，这里温度最高，当是靠近风口的氧化区。依照耐火砖的高度及上述炉壁烧琉情况来推算，化铁炉的炉体高度约为3～4m。
化铁炉的炉壁分3层，弧形耐火砖是特制的成形砖块，外敷草拌泥，厚约15～50mm，内搪炉衬，厚约40mm。根据出土时较完整的14块耐火砖的弧度来看，化铁炉最小外径为1.16m，内径为0.92m，最大外径为2.3m，内径为2.14m，其平均内径有1.5m左右。经鉴定，耐火砖均有砂粒和粘土配制，从石英砂的颗粒组成看，有浑圆状的和棱角状的白石英和少量长石，说明除天然砂外，已使用了人工破碎的砂粒。石英颗粒有裂纹出现，玻璃相中析出针状莫来石晶体，有流动结构，均说明当时化铁炉能够达到相当高的温度。
从遗址中出土的大量鼓风管的情况推测，化铁时有可能已试用换热式热风装置，有一种陶质鼓风管，外敷厚约45mm的草拌泥，下层泥料表层烧熔下滴，靠近拐角处的泥料熔融顺角流下，据测定温度，烧琉温度当在1250℃～1280℃之间。风管的这种烧琉状态，有一种解释认为，它可能是架设在炉顶上，作为预热管道使用的。
此外，在出土的大量碎铁块和熔渣中，有不少梯形铁板和铧、锸、锛、钁、锄、斧等铁器残片(厚度约40～70mm)。这些遗物可能是化铁炉所用原料，方形的铁砧和铁锤，既是锻造工具，又是用来破碎原料的工具。大量的木炭渣表明所用燃料为木炭，炉中残留木炭凝块，有的与表面微熔的铁块凝结在一起，某些器形尚能辨认。由这种现象推测可能是分层装料的结果。从出土的炉衬看，断面明显分成三层，至少已经过两次停炉和补炉，补炉的材料与耐火砖所用材料相同。根据出土的遗物推测，对于这样大的熔炉，当是半连续操作的，每过一定时间，出一次铁水，浇注一批铸范。当熔炼过久或铸范已毕需适时停炉。这说明汉代工匠已很好地掌握了熔炉的操作程序。汉代铸造技术，在战国时代铸造铁器和铜器的技术上又有所发展。这时铸造所用的范有泥范、陶范和铁范，特别是铁范的使用，使铸造铁器的质量及效率均有不同程度的提高。从南阳瓦房庄发掘出的各种模及范来看，其工艺过程大致如下：制模工人就地选取黄粘土，羼入35%左右的细砂，加水调泥，制成模版，然后精工细雕地挖模面，按照严格的尺寸要求，塑制不同模面上的各个部位的形体。模面制妥后，涂上涂料凉干，这是首先的必要的制模工序。在浇铸之前，先合模，糊加固泥，再将铸模送入窑中烘烤，到一定温度之后停烘出窑，乘热浇铸铁汁，在浇注时将浇口、冒口注满铁汁，以适应模腔收缩的需要。待铁汁在模腔中凝固到一定程度之后，打开加固泥，脱去泥模，再打掉浇口铁，即可获得铁质的铸范。然后把铸出的铁上范、铁下范进行合范，再将铁范芯插入范腔中，并用某种铁工具将铁范捆扎夹固，以免浇注时铁汁的热涨作用而开裂。合范后，也可能入窑烘烤，乘热浇注铁汁，待铁汁凝固到一定程度之后，打开铁范，并打掉浇口、冒口铁，便获得产品。
铸造技术方法的发展还表现在叠铸技术方面。叠铸技术就是把许多范片或范块层层叠合起来，用统一的直浇道，一次浇铸出多个铸件。这种方法在战国时已经发明（梓 溪：《谈几种古器物的范》，《文物参考资料》1957年8期。)，它主要适用于小型铸件的大量生产。到汉代叠铸技术又有了进一步发展，如河南温县发掘的一处汉代烘范窑，出土有500多套叠铸范，有16种铸件，36种规格，一套范有4～14层不等，每层有1～6个铸件，最多的一次可铸84件，这样就大大提高了生产效率。南阳瓦房庄冶铁遗址出土有几件叠堆微熔遗物和三至五个“V”字形铁犁铧套叠遗物等，充分证明南阳是最早采用双堆叠铸技术的冶铁大郡。
铸范的设计也相当科学，范腔之间的泥层很薄，为使范面紧凑尽可能减少吃泥量，有些范的直浇口制成扁圆形，合范用的榫卯定位结构也按此原则予以布置。范的外形与范腔相吻合，不少铸范削去角部，使边厚尽可能一致，不但可以减少范的体积和用泥量，而且使散热更加均匀，提高铸件质量。
范芯的制造，除自带泥芯外，形状简单的用泥条捺入芯座内。复杂的，如车（车口）泥芯，用泥质对开式芯盒制成。南阳瓦房庄发现的东汉时期多堆式叠铸（车口）范，范块采用对开式垂直分型面，两堆铸范共用一个直浇道，使金属实收率更高，浇注时间更少，说明叠铸技术有了进一步的发展。
㈣ 中国的钢铁是如何冶炼的
铁矿石是地壳的主要组成成分之一，铁在自然界中的分布很广，但是人类发现铁和利用铁却比黄金和铜晚。首先，这是由于天然的单质状态的铁在地球上是找不到的，而且它容易氧化生锈；其次是它的熔点（1 539℃）比铜高得多，使它比铜难于熔炼。
人类最早发现的铁是从天空落下的陨石。陨石中含铁的质量分数很高，它是铁和镍、钴等金属的混合物。考古学家曾经在今天伊拉克境内美索不达米亚（Mesopotamia）乌尔（Ur）城的古代苏美尔人（Sumerians）的坟墓中，发现一把陨铁制成的小斧。在埃及第五至第六王朝（公元前2400年前）的金字塔所藏的宗教经文中，记述着太阳神等当时重要神像的宝座是用铁制成的。这显然也是从陨石得来的，因为铁在当时被认为是带有神秘性的最珍贵的金属。埃及人干脆把铁叫做“天石”。阿拉伯人传说，天上的金雨落进沙漠里变成了黑色的铁。在古希腊文里，“星”和“铁”是同一个词。
1972年，在我国河北省藁城县台西村的商代（约公元前16世纪～约公元前1066）遗址曾出土一件铜钺，上面镶铸有铁刃。钺（yuè）是我国古代一种像斧子的兵器。铁刃铜钺的发现表明我国劳动人民早在三千多年前已经认识了铁，掌握铁的锻造性能，识别铁与青铜在性质上的差别，能够把铁进行锻打加工并和青铜铸接成器，增强铜的坚韧性。铁刃虽已全部锈蚀，但经过科学鉴定，证明铁刃是用陨铁锻成的，因为铁中不含有人工冶炼过程夹带的硅酸盐等杂质，同时铁锈中含有镍和钴。
我国出土的用陨铁锻成的铜器还有：1931年，在我国河南浚县出土的商末周初的铁刃铜钺和铁援铜戈各一件，于解放前流入美国，现存华盛顿弗里尔艺术馆。还有，1978年在北京市平谷县南独乐河出土的商代铁刃铜钺。
由于陨石来源极稀少，从陨石中得来的铁对生产起不了什么作用。只是随着青铜熔炼技术的成熟，才逐渐为铁的冶炼技术的发展创造了条件。虽然最初提炼出来的铁在硬度和防腐蚀性能等方面都不如青铜，但是由于铁矿在自然界中的分布比铜广泛，而且铁器的好些性能比铜器好，遂使铁器能够迅速取代青铜器和石器。
我国古代人民什么时候开始使用铁，虽然说法不一，但多数历史学者和科技史研究者断定是在公元前1 000年的前后。
从目前考古发掘的结果来看，我国最早人工冶炼的铁是在春秋（公元前722～公元前481）战国（公元前403～公元前221）之交的时期出现的。江苏六合县程桥镇春秋墓出土的铁条、铁丸和河南洛阳市水泥制品厂战国早期灰坑中出土的铁锛（音bēn，削平木料的平头斧）、铁（音bó，古代锄田除草的农具）是迄今为止能确定的我国最早的生铁工具。经过冶金学家们检验，铁条属于早期的块状炼铁锻成的；铁丸和铁锛、铁是生铁铸件。这些铁器证明我国在春秋晚期出现块状炼铁的同时或稍后就出现了生铁冶铸技术。人类在冶炼铁的过程中，最初因鼓风设备的限制，炼出的铁不能熔化，只是块状的海绵体熟铁，性质柔软，可锻而不可铸，不宜制作硬度较大的工具，只是在提高炼铁炉的温度后，才能得到熔融的生铁，用于铸造。
欧洲一些国家在公元前1 000年前后也生产块状炼铁，但多废弃不用，直到公元14世纪才使用铸铁，其间经历了十分漫长的发展道路。而我国古代只用较短的时间就实现了这一技术的突破，出现了铸铁。
我国生铁的发明是人类用铁的重大发展，也是我国劳动人民对人类作出的一项重大贡献。英国科学史学家贝尔纳（J.D.Bernal）在他编著的《历史上的科学》（伍况甫等译.北京：科学出版社，1959年，82页）一书中写到：“在欧洲，实在直到14世纪，古代所用的铁，总是在手力鼓风的小型泥炉内，用木炭经低温还原法而制成的。把所得的海绵状的未经熔过的纯铁锭，打成比较软的熟铁条，再经锻工和熔接，就成一些更复杂的铁制品。”又写到：“在古时候，作为金属的铁却有一个很严重的缺点，就是炉中鼓风不够，就熔不了它，所以浇铸就留给青铜独用了，例外的是中国，早在公元前二世纪，中国已能铸铁。”这说明我国生铁的出现比欧洲早1 000多年。
我国的生铁铸造技术，在很长的一段时期内一直处于世界领先地位。随着产量的增加和技术的提高，除铁制的生产工具、生活用具以及兵器外，又出现大型铸造的宗教艺术品。如现存的西安雁塔里的大铁钟，是唐代（618～907）的作品；世界上著名的河北省沧州大铁狮是五代后周广顺三年（公元953年）的作品；山西太原晋祠铁人是北宋年代（960～1127）的作品。
我国炼钢技术的发展也很早。汉朝赵晔所著的《吴越春秋·阖闾内传》中记载着：“阖闾请干将铸作名剑二枚。干将者，吴人也，与欧冶子同师，俱能为剑……干将作剑，采五山之铁精……使童女童男三百人鼓橐装炭，金铁乃濡，遂以成剑。”阖闾是春秋末年今江苏一带的吴国君（公元前514～公元前496在位）。可见，距今2000多年前，我国劳动人民已能炼钢，而且规模还不小。文中的“橐”（tuó）按今天的字意解释是“一种口袋”，在古代是指鼓风用的皮囊；“濡”（rú）按今天的字意解释是“沾”、“渍”，在古代又作“柔韧”讲。
1978年8月5日的《人民日报》第二版刊出一则消息：“湖南省博物馆长沙铁路车站建设工程文物发掘队，从一座古墓出土一口钢剑，从古墓随葬陶器的器形、纹饰以及墓葬的形制来看，可以断定它是春秋晚期的墓葬。从而说明我国炼钢技术的出现，至少应推前200年左右，即春秋战国之交，而不是过去认为的战国中、晚期。经取样分析，这口剑所用的钢是含碳量0.5%（质量分数）左右的中碳钢，金相组织比较均匀，说明可能还进行过热处理。”
我国到西汉（公元前206～公元23）中、晚期出现了利用生铁“炒”成熟铁或制成不同含碳量的钢的炒钢技术。这是将生铁加热成半液体、半固体的状态，再进行搅拌，利用空气或铁矿粉中的氧，进行脱碳，以获得熟铁或钢。1974年在山东苍山县出土的汉安帝永初六年（112）的钢刀和1978年在徐州汉代砖室墓中发掘出的汉章帝建初二年（77）的钢剑经鉴定都是以炒钢为原料，经多次反复加热折叠锻打而成的。
欧洲用炒钢法冶炼熟铁的技术在18世纪中叶才开始出现，比我国要晚1 900余年。
在汉代炒钢技术的基础上，到南北朝（420～581）时期，我国又出现了灌钢技术。这是先将含碳量高的生铁熔化，浇灌到熟铁上，使碳渗入熟铁，增加熟铁的含碳量，然后分别用牲畜尿或油脂淬火而成钢。淬火是钢铁的一种热处理工艺，是将工件加热到适宜温度，随即在水、油或空气中冷却，以提高钢铁的硬度和强度。
在欧洲的坩埚炼钢技术发明之前，灌钢法是一种先进的炼钢技术，对后世有重大影响。
㈤ 中国的冶炼技术的发展史有哪些
中国古文明象征的商周到战国的青铜器，可以说是铸造技术所造就的。从重875公斤的司母戊方鼎、精美的曾侯乙尊盘和大型的随县编钟群，以至大量的礼器、日用器、车马器、兵器、生产工具等，可以看到当时中国已经非常熟练地掌握了综合利用浑铸、分铸、失蜡法、锡焊、铜焊的铸造技术，在冶铸工艺技术上已处于世界领先的地位。而《考工记》中所记载的：“金有六齐。六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐。五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐。四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐。三分其金而锡居一，谓之大刃之齐。五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐。金、锡半，谓之鉴燧之齐”，是世界上最早的合金配比的经验性科学总结，表明当时中国已认识到合金成分与青铜的性能和用途之间的关系，并已定量地控制铜锡的配比，以得到性能各异，适于不同用途的青铜合金。
2.铸铁冶炼
在很长的一段时间里我们的钢铁冶炼技术是一度领先于世界的，中国冶炼块铁的起始年代在公元前6世纪，古代冶炼技术的演进春秋以前,中国的冶炼技术处于比较原始的阶段,当时使用的冶炼方法称为“块炼法”。当时炼铁使用木炭作燃料,热量少,加上炉体小,鼓风设备差,因此炉温比较低,不能达到铁的熔炼温度,所以炼出的铁是海绵状的固体块,称为“块炼铁”。块炼铁冶炼比较费时,质地比较软,含杂质多,经过锻打成为可以使用的熟铁。钢铁冶炼技术的进一步发展到“块炼渗碳钢”。出土文物表明,中国最迟在战国晚期已经掌握这种最初期的炼钢技术。人们在锻打块炼铁和熟铁的过程中,需要不断地反复加热,铁吸收木炭中的碳份,提高了含碳量,减少夹杂物后成为钢。这种钢组织紧密、碳分均匀,适用于制作兵器和刀具。进一步发展到“百炼钢”技术。人们在打制器物的时候,有意识地增加折叠、锻打次数,一块钢往往需要烧烧打打、打打烧烧,重复很多次,甚至上百次,所以称之为百炼钢。百炼钢碳分比较多,组织更加细密,成份更加均匀,所以钢的品质提高,主要用于制作宝刀、宝剑。
冶炼铸铁的技术比欧洲早。中国铸铁的发明出现在公元前5世纪，而欧洲则迟至公元后的15世纪。由于铸铁的性能远高于块铁，所以真正的铁器时代是从铸铁诞生后开始的。社会发展的历史表明，铸铁的出现是社会生产力提高和社会进步的主要标志。中国从块铁到铸铁发明的过渡只用了约一个世纪的时间，而西方则花费了近三千年的漫长路程。中国古代炼铁技术发展得如此迅速是世界上绝无仅有的。英国著名科学史家贝尔纳说，这是世界炼铁史上的一个唯一的例外。
另一杰出的生铁加工技术是炒钢，它是中国古代由生铁变成钢或熟铁的主要方法，大约发明于西汉后期。其法是把生铁加热成液态或半液态，并不断搅拌，使生铁中的碳份和杂质不断氧化，从而得到钢或熟铁。河南巩县铁生沟和南阳瓦房庄汉代冶铁遗址，都提供了汉代应用炒钢工艺的实物证据。东汉时成书的《太平经》中也说：“有急乃后使工师击治石，求其中铁，烧冶之使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫耶。”“莫耶”乃古代宝剑之称。这段文字虽失之疏简，但不难看出，它叙述的是由矿石冶炼得到生铁，再由生铁水经过炒炼，锻打成器的工艺过程。炒钢工艺操作简便，原料易得，可以连续大规模生产，效率高，所得钢材或熟铁的质量高，对中国古代钢铁生产和社会发展都有重要的意义。类似的技术，在欧洲直至十八世纪中叶方由英国人发明。
中国古代的炼钢技术主要是百炼钢。自从西晋刘琨写下“何意百炼钢，化为绕指柔”这一脍炙人口的诗句后，“千锤百炼”、“百炼成钢”便成为人们常用的成语。百炼钢肇始于西汉早期的块炼渗碳钢，其后不断增加锻打次数而成定型的加工工艺。到东汉、三国时，百炼钢工艺已相当成熟。上引《太平经》中的“万锻之，乃成莫邪”，即是其生动的写照。曹操曾令工师制作“百辟利器”，曹丕的《典论·剑铭》中说：“选兹良金（指铁），命彼国工，精而炼之，至于百辟”。刘备曾令“蒲元造刀五千口，皆连环，及刃口刻七十二湅”。《古今注·舆服》亦说：“吴大帝有宝剑三，……一曰百炼，二曰青犊，三曰漏景”。后世这一工艺一直被继承，并不断得到发展。 但是炒钢和百炼钢技术还存在一定缺陷,如炒钢工艺复杂,不容易掌握;百炼钢费工费时。
此外，在1981年经中国学者关洪野等人对513件出土的汉魏时期铁器研究后表明，中国早在两千多年前的汉代就已经发明了球墨铸铁，远远早于发达的欧洲国家。目前，中国学者所做的结论已经得到了国际学术界的承认。
创始于魏晋南北朝时期的灌钢技术，是中国冶金史上的一项独创性发明。陶弘景说：“钢铁是杂炼生柔作刀镰者”，北齐的綦母怀文“造宿铁刀，其法烧生铁精以重柔铤，数宿则成刚”，说的就是灌钢技术。灌钢的工艺过程大致为，将熔化的生铁与熟铁合炼，生铁中的碳份会向熟铁中扩散，并趋于均匀分布，且可去除部分杂质，而成优质钢材。
綦毋怀文发展灌钢法大约在东汉末,可能出现炼钢新工艺“灌钢”法的初始形式。南北朝时,綦毋怀文对这一炼钢工艺进行了重大改进和完善。南朝齐、梁时的陶弘景首先记载了灌钢法,北朝魏、齐间的綦毋怀文曾用这种方法制成十分锋利的“宿铁刀”。綦毋怀文,姓綦毋,名怀文,是中国南北朝时期著名冶金家。他生活在公元6世纪北朝的东魏、北齐间,具体生卒年代历史上缺乏记载,只知道他好“道术”,曾经作过北齐的信州(今四川省奉节县一带)刺史。据史书记载,綦毋怀文的炼钢方法是:“烧生铁精,以重柔铤,数宿则成钢”,就是说,选用品位比较高的铁矿石,冶炼出优质生铁,然后,把液态生铁浇注在熟铁上,经过几度熔炼,使铁渗碳成为钢。由于是让生铁和熟铁“宿”在一起,所以炼出的钢被成为“宿铁”。灌钢法是中国古代炼钢技术上一个了不起的成就。同百炼法或炒炼法比较,其优点1)生铁作为1种渗碳剂,因熔化后温度高,加速向熟铁中渗碳的速度,缩短冶炼时间,提高生产率。(2)熟铁因为碳的渗入而成为钢,生铁由于脱碳也可以变成钢,增加了钢的产量。(3)在高温下,液态生铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物夹杂发生反应,去除杂质,纯化金属组织,提高金属品质。(4)灌钢法操作简便,容易掌握。要想得到不同含碳量的钢,只要把生铁和熟铁按一定比例配合好,加以熔炼,就可获得。3推动中国古代刀剑技术的发展綦毋怀文是一位出色的制刀专家,对前人造刀经验进行研究、比较,经过不断实践,创造一套新的制刀工艺和热处理技术。
綦毋怀文造刀的方法是:先把生铁和熟铁以灌钢法烧炼成钢,做成刃口,然后“以柔铁为刀脊,浴以5牲之溺,淬以5牲之脂”这样做出来的刀称为“宿铁刀”,极其锋利,能够一下子斩断铁甲30札。对于含碳量比较高的钢,理想的淬火介质应该是:当工件在比较高的温度650～400℃,具有较大的冷却速度,在低温300～200℃,具有较慢的冷却速度。这就需要采用双液淬火法。綦毋怀文先用动物尿、后用动物油进行双液淬火,能够造出品质很高的“宿铁刀”。中国早在战国时代就使用了淬火技术,但是长期以来,人们一般都是用水作为淬火的冷却介质。虽然三国时的制刀能手蒲元等人已经认识到:用不同的水作淬火的冷却介质,可以得到不同性能的刀,但仍没有突破水的范围。而綦毋怀文则实现了这一突破,他在制作“宿铁刀”时使用了双液淬火法,即先在冷却速度大的动物尿中淬火,然后再在冷却速度小的动物油脂中淬火,这样可以得到性能比较好的钢,避免单纯使用1种淬火(即单液淬火)的局限。双液淬火法,即在工件的温度比较高的时候,选用冷却速度比较快的淬火介质,以保证工件的硬度;而在温度比较低的时候,则选用冷却速度比较小的淬火介质,以防止工件开裂和变形,使其有一定的韧性。双液淬火法是1种比较复杂的淬火工艺,这在当时没有测温、控温设备的条件下,完全依赖操作及经验,是一个了不起的成就。在綦毋怀文之前,中国古代的钢刀大都用百炼钢制成,这样制作的刀剑虽然性能优异锋利,但也存在不少缺陷,整把刀全部用百炼钢制成,价格昂贵;如一把东汉时期的名钢剑的价钱可以购买当时供7个人吃2年9个月的粮食。
而且百炼钢制作刀剑费时费力。三国时,曹操命有司制作宝刀5把,用了3年时间。为此,綦毋怀文对制刀工艺进行了重大更新。这表明綦毋怀文对钢铁的性能有比较深刻的认识,而且能根据不同的用途合理选择材质,发挥各种材质的优点,节省某些贵重材料,降低成本和费用。1把刀的背部、刃口实际起着不同的作用,因而要求具有不同的性能。
一般来说,刃口主要起刺杀作用,因而要求有比较高的硬度,这样才能保证刀的锋利,所以应该选择含碳量较高、硬度较大的钢来制造。而刀背主要起1种支撑作用,要求有比较好的韧性,使刀在受到比较大的冲击时不致折断,这样就要选择含碳量较低、韧性较大的熟铁。綦毋怀文正是有了上述类似的认识,在制作刀具时才能够将熟铁和钢巧妙的结合起来,将2者恰到好处地用在合适的地方,既满足了钢刀的不同部分的不同要求,又节省大量昂贵钢材,利于钢刀的推广和普及。这种制刀工艺,今天还在沿用。
灌钢技术在宋以后不断被改进，减少了灌炼次数，以至一次炼成。沈括在《梦溪笔谈》卷三说：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之‘团钢’，亦谓之‘灌钢’”，并说“二三炼则生铁自熟，仍是柔铁”，正反映了灌炼次数的减少。其中把柔铁屈盘起来是为了增加生熟铁的接触面，提高灌钢的效率，并促使碳份分布更均匀；封泥则可以促进造渣，去除杂质，并起保护作用。明代灌钢技术又进一步发展，据《天工开物》卷十四记载，已把柔铁屈盘改为薄熟铁片，进一步增加了生熟铁的接触面，加速“生熟相和，炼成则钢”的进程，泥封亦改为草泥混封。灌钢又称“抹钢”、“苏钢”，其工艺自清至近代仍很盛行。在坩埚炼钢法发明之前，灌钢法是一种最先进的炼钢技术。
由于綦毋怀文和千百万工匠的辛勤劳动,使中国古代冶金技术自立于世界之林。因此,当我们研究和总结古代科学技术成就的时候,不应该忘记綦毋怀文的功绩。这是中国冶金史上的一项杰出成就和伟大创新,在世界炼钢史上占有一定地位。4灌钢法的进一步革新灌钢法的出现,使钢的产量和品质大大提高,为隋唐以后生产力的大幅度增长提供了条件。后来,灌钢法又不断发展。宋代又把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间,用泥巴把炼钢炉密封起来,进行烧炼,效果更好。明代又有改进,把生铁片盖在捆紧的若干熟铁薄片上,使生铁液可以更好均匀地渗入熟铁之中。不用泥封而用涂泥的草鞋遮盖炉口,使生铁可从空气中得到氧气而更易熔化,从而提高冶炼的效率。明中期以后,灌钢法更进一步发展为苏钢法以熟铁为料铁,置于炉中,而将生铁板放在炉口,当炉温升高到1300℃左右,生铁板开始熔化时,既用火钳夹住生铁板左右移动,并不断翻动料铁,使料铁均匀地淋到生铁液;这样,既可产生很好的渗碳作用,又可产生剧烈的氧化作用,使铁和渣分离,生产出含渣少而成份均匀的钢材。直到现今,在芜湖、湘潭、重庆、威远等地人们还在使用;可见其影响的深远。在17世纪以前,中国的炼钢技术长期居于世界领先地位,受到各国地普遍赞扬。公元1世纪时,罗马博物学家在其名著《自然史》中说:“虽然铁的种类很多,但没有一种能和中国来的钢相媲美。”
㈥ 中国历史上炼钢技术发展
我国古代炼钢技术至迟发明于春秋晚期。由先秦到西汉中晚期，主要制钢工艺是块铁渗碳法；由汉代到明清，主要又是炒钢法和灌钢法，其次还有百炼钢法和炒铁渗碳法，汉魏南北朝时还有“铸铁脱碳钢”，汉代还有坩埚炼钢法。炒钢工艺主要生产一般的可锻铁（包括钢和熟铁），灌钢工艺主要生产含碳较高的刃钢，百炼钢是对普通炒钢的再加工。“铸铁脱碳钢”和炒铁渗碳钢工艺将在第五章介绍，这里主要讨论其他五种。
一、炼钢术的发明和块铁渗碳钢之使用
今在考古发掘中所见我国最早的钢制器物是1976年长沙杨家山出土的春秋晚期钢剑，剑全长38.4厘米，身长30.6厘米。经分析，含碳量约与中碳钢相当，组织均匀致密。长沙铁路东站建设工程文物发掘队：《长沙新发现春秋晚期的钢剑和铁器》，《文物》1978年第10期。可知我国古代制钢术至迟在春秋晚期便已发明。战国中晚期后，炼钢术在我国南北许多地方都迅速发展起来，并首先在南方的楚国达到较高水平。《史记And#8226；；范雎列传》云:秦昭王临朝叹息曰:“吾闻楚之铁剑利而倡优拙。”《荀子And#8226；；议兵》亦云:“宛钜铁釶，惨如蠭虿。”“宛”治所在今南阳。“钜”即钢，“釶”即矛。《荀子And#8226；；议兵》杨倞注。此锋利的“铁剑”、“铁矛”，显然由钢制成。中原的韩国也制作了许多锋利兵器，《战国策And#8226；；韩策一》说:“韩卒之剑戟，皆出于冥山、棠溪、墨阳、合伯（膊）、邓师、宛冯、龙渊、太阿。皆陆断马牛，水击鹄雁，当敌即斩。”这些锋利的剑戟，后世学者一般都认为是钢铁所制。其中的冥山（今信县境）、棠溪（西平县境）、合伯（西平县境）、冯池（荥阳县境）《史记And#8226；；苏秦列传》引“徐广曰：荥阳有冯池”。索隐：“宛人于冯池铸剑故号宛冯”，“邓国有工铸剑，因名邓师。”邓国在今河南漯河市东南。、龙泉、太阿（均在西平县境，今为舞阳钢铁厂管辖）等处都发现了古代冶铁遗址。董文安：《韩国十大宝剑产地初考》，全国金属学史学术讨论会论文，1989年，舞阳。墨阳在今河南淅川县。1965年，河北易县燕下都第44号墓出土钢铁剑15枚、矛19枚、戟12枚等；人们分析了其中的6枚兵刃器，除1枚为块炼铁外，其余5枚皆由钢制成。北京钢铁学院压力加工专业：《易县燕下都44号墓葬铁器金相考察初步报告》。《考古》1975年第4期，发掘报告见同刊同期《河北易县燕下都44号墓发掘简报》。说明当时北方的燕国制钢术亦已发展起来。
人类早期冶炼的钢一般都是在低温还原冶炼后再经渗碳而成，整个过程约分两步:第一步先由矿石炼取块炼铁，第二步再由块炼铁渗碳成钢。此渗碳过程中要不断地折叠锻打，以帮助碳的扩散。这样得到的钢便叫块铁渗碳钢。燕下都钢剑等兵器就是由这种钢制成的。如若控制得当，也有不经第二步，而一次还原冶炼成钢的，这种钢便叫块炼钢或自然钢。这两种钢的强度和硬度均较块炼铁为高。其缺点是:（1）含碳量一般较低。（2）碳分布往往不够均匀。（3）钢中所含夹杂往往较多。（4）生产率较低。在中原文化区，这种制钢工艺一直沿用到西汉中期，之后由于炒钢的发明和发展而渐被取代。满城汉墓出土的刘胜佩剑和错金书刀等皆由块铁渗碳钢制成，其夹杂已较燕下都钢剑为少，组织亦较之均匀致密。这种钢主要用来制作刀剑等兵刃器，农业和手工业中使用甚少。
二、炒钢及其工艺操作
炒钢工艺是一种半液态冶炼。它以生铁为原料，把生铁加热到液态半液态后，利用鼓风中的氧使生铁脱碳到钢和熟铁的成分范围。冶炼过程中要不断地炒动金属。古谓之“擣刚”，本世纪五十年代以前，习谓之炒铁、炒“熟铁”。
（一）炒钢的发明和发展
我国古代炒钢技术约发明于西汉中晚期，今见较早的遗物有:巩县铁生沟、南阳瓦房庄、新安孤灯村等冶铸铁遗址出土的汉代炒钢炉，以及铁生沟出土的铁块、残铁锄、铁臿等14件炒炼产品。铁生沟炒钢炉系向地下挖出的缶形小坑，内涂耐火泥，长0.37米，宽0.28米，残高0.15米，炉壁已被烧成黑色，内中残存一铁块。河南省文化局文物工作队：《巩县铁生沟》，文物出版社1962年版，赵青云等：《巩县铁生沟汉代冶铸遗址再探讨》，《考古学报》1985年第2期。我国古代关于炒钢的记载始见于东汉中晚期。《太平经》卷七十二云:“今军师兵，不祥之器也……有急乃后使工师击治石，求其中铁，烧冶之，使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪耶？”此“莫邪”指锋利兵器。“烧冶之”等三句所指即是炒炼及其制器的全过程。《太平经》系道家著作，基本上保持了东汉中晚期的原貌。
炒钢的发明，迅速地改变了我国社会可锻铁的使用情况。1952-1953年，洛阳烧沟发掘了225座西汉中期至东汉晚期墓葬，出土钢铁刀116枚、剑33枚、矛5枚、斧4枚；而在青铜兵器刃器中，只有铜刀7枚（仪仗器），矛1枚，无剑。中国科学院考古研究所：《洛阳烧沟汉墓》，科学出版社1959年版。1957-1958年，洛阳西郊发掘217座同一时期的汉墓，出土钢铁刀52枚，剑58枚，戟1枚，斧1枚；青铜兵刃器只有刀1枚。中国科学院考古研究所洛阳发掘队：《洛阳西郊汉墓发掘报告》，《考古学报》1963年第2期。西汉中期以后，除了弩机和镞仍然较多地使用青铜外，其他兵器刃器已多用钢铁制作，其原料显然是炒钢。这样，钢铁器物便在农业、手工业、军事三方面完全取代了青铜和木石的主导地位。
炒钢工艺在我国由汉代一直沿用到明清。有关记载在唐《夏侯阳算经》、宋苏颂《图经本草》、明唐顺之《武编前编》、赵常吉《神器谱》、朱国桢《涌幢小品》、清屈大均《广东新语》等书中都可看到。《广东新语》卷一五“货语And#8226；；铁”条说:“其炒铁则以生铁团之入炉，火烧透红乃出而置砧上，一人钳之，二三人锤之，旁十余童子扇之，童子必唱歌不辍，然后可炼熟而为镬也。”1920年出版的耿步蟾《山西矿务志略》卷五说:“将炼出之生铁加煤末烧之，使化为铁汁，冷后复置于炒铁炉内炒之，即成熟铁。”二十世纪八十年代，湖南攸县等地仍用此法生产。
炒钢工艺的优点是:（1）用作原料的生铁易于获得，就扩大了原料来源。（2）冶炼在半液态下进行，脱碳反映较为迅速，生产率较高。（3）成分范围较宽。据分析，铁生沟所出一件炒钢料含碳1.288%、硅0.231%、锰0.017%、磷0.024%、硫0.022%，与过共析高碳钢相当；另一件成分为:碳0.048%、硅2.35%、锰微量、磷0.154%、硫0.012%，与今之熟铁相当。李众：《中国封建社会前期钢铁冶炼技术发展的探讨》，《考古学报》1975年第2期。今世学者常把先炼生铁，后再由生铁炼钢的工艺叫两步冶炼，那么炒钢的出现便是两步冶炼的某点，在世界冶金史上占有重要地位。在欧洲，与炒钢相类似的工艺大约在十六、十七世纪才出现，整个中世纪占主导地位的是自然钢法和块铁渗碳法。因此其可锻铁供应长时期不够充分，这对社会的进步自然是有影响的。
炒钢法是我国古代可锻铁生产的基本工艺，其主要用途有三:（1）制作一般锻件。由汉到明清，我国一般锻件，包括生产工具、生活用具和兵刃器中的锻件大约都是炒钢及其再加工的产品制成的。（2）用作百炼钢的原料。（3）用作灌钢的原料。
（二）炒钢的工艺操作
我国炒钢主要有三种不同的工艺类型:
（1）单室式炒炼。基本特点是金属熔炼与燃料燃烧同在一个炉膛中进行。此法发明较早，沿用时间较长，前述巩县铁生沟、南阳瓦房庄、新安孤灯村汉代炒炼法皆属此类。本世纪五十年代，河南、山西等地都曾流行过一种“地炉”，筑炉于地面以下，状如缶形或直筒形，炉口与地面平直。冶炼时先放木炭（煤炭），后放生铁，生铁需击碎，上面再盖以煤末。之后再点火、送风、封闭炉口。生铁接近熔化时，启开炉口，用铁棍或木棍不断地搅动金属。随着炒炼之进行，碳分不断降低，金属熔点升高，便粘结成一个海绵状固体块，之后夹出锤击，排除夹杂，并赋予一定形状，便是炒炼产品。南方一些省分又流行过一种“台炉”，筑炉于专门的炉台上，并有一个较大的加热兼炒炼空间。温州地区的炒炉以砖砌成，状如鸡笼，炉底接近地平面，炒炼室是一个不规则的长方形空间，炉子正面设一炉口，在此进料、操作、出钢，并由此逸出废气；鼓风从炉底进入，并正对炉底正中；操作法与地炉大同小异。湖南攸县也有类似的炉子温州炒炼工艺系1977年调查，攸县炒钢系1980年调查，当年皆在生产。单室式炒炼的优点是设备简单，缺点是因金属与燃料直接接触，所含有害夹杂往往较多。
（2）双室式炒炼，或叫反射炉（倒焰炉）炒炼。基本特点是燃料燃烧与金属熔炼各占一个独立的空间。燃料燃烧产生的高温火焰流越过火墙（火道）进入熔炼室，并加热金属，之后从炉门或专门设置的烟囱排出。因其金属不与燃料直接接触，就减少了有害杂质磷、硫进入其中的可能性。这种炼钢法的发明时间待考。1935年出版的《中国实业志（湖南省）》第七编说:“湘省邵阳、武冈、新宁、湘潭县之土法炼钢，由来已久。邵阳原名宝庆，所产之钢，称曰‘宝庆大条钢’。邵阳附近之武冈、新宁出品，均集中于邵阳，业中人亦以‘宝庆大条钢’名之。前清初叶，宝庆大条钢，极负盛名，而产之多，首推邵阳南乡。”因宝庆大条钢系倒焰炉所炼，由这段记载看，反射炉发明年代应在清代初叶以前。今在考古发掘中所见最早的倒焰窑是南京眼香庙发现的明洪武初年所建一排六座琉璃窑。南京博物院：《明代南京聚宝山琉璃窑》，《文物》1960年第2期。1958年，这种倒焰炉炼钢在我国南北许多地方都使用过。河南鲁山的炉子较为简单，两室左右相近，皆筑于地面以下，鼓风从燃烧室下部进入，后从炒炼室顶部进入炒炼室。西安的炉子又另是一个样，炒炼室筑于地面以下，燃烧室筑于地面以上，两室上下叠加，燃烧室底部正对炒炼室中心，风从燃烧室上部鼓入，再经由燃烧室底部火口直射到炒炼室中。燃烧室顶口用盖板封闭。科技卫生出版社编：《土法低温炼钢》第六编《最简单的反射炉炼钢》，1958年版。
（3）串联式炒炼。有关记载唯见于明代宋应星《天工开物》卷一四“铁”条:“若造熟铁，则生铁流出时，相连数尺内，低下数寸，筑一方塘，短墙抵之。其铁流入塘内，数人执持柳木棍排立墙上。先以污潮泥晒干。舂筛细罗如面，一人疾手撒And#63083；；，众人柳棍疾搅，即时炒成熟铁。其柳棍每炒一次烧折二三寸，再用则又更之。炒过稍冷之时，或有就塘内斩划成方块者，或有提出挥椎打圆后货者。若浏阳诸冶，不知出此也。”（图2-3）此“污潮泥”很可能是造渣熔剂。这里谈到了串联式炒炼的全过程。此法的优点是生铁出炉后直接流入方塘炒炼，省去了生铁再加热的工序，从而节省了工时，降低了成本。
需要特别注意的是古代“熟铁”一词，宋应星在上述引文中曾两次提及，在其他古代文献中也经常看到，其含义与现代熟铁是不同的。古人没有含碳量的概念，区别生铁、钢、熟铁的主要依据是它的使用性能，硬且脆者为“生”，可锻者为“熟”，其性刚强者为钢。因炒炼过程是在半液态下进行的，渣铁分离较难，产品所含夹杂往往较多，即使含碳量较高，但其性不刚，也只能称作“熟铁”。元人伪撰《格物粗谈》卷下“偶记”条云:“地溲油又如泥，色黄金，气腥烈，柔铁烧赤投之二三次，刚可切玉。”此“柔铁”即“熟铁”。苏恭《唐本草》云:“柔铁也，即熟铁。”这是以材料性能来区分钢和“熟铁”的。苏颂《图经本草》云:“初炼去矿，用以铸泻器物者为生铁，再三销拍，可以作鍱者为鑐铁，亦谓之熟铁。”苏恭《唐本草》、苏颂《图经本草》皆引自《本草纲目》卷八“金石And#8226；；铁”。这是以材料性能和冶炼工艺来区分钢、铁的。《天工开物》卷十四“铁”条:“凡铁分生熟，出炉未炒为生，既炒则熟。”这里单以冶炼工艺作为区分钢、铁的标准。有学者视古代“熟铁”与现代熟铁等同，把《天工开物》卷十四所载炒炼“熟铁”的工
㈦ 两次工业革命期间钢铁工业发展的原因
机器的发明和使用是第一次工业革命的第一阶段。珍妮机的出现是棉纺织业第一项具有深远影响的发明，使纺织效益提高了40倍以上。珍妮机的发明，一般认为是英国工业革命的开始。之后，有更多的机器被发明出来并得以应用，在冶金、采煤等其他行业，也出现发明和使用机器的高潮。 伴随“电气时代”而来的是“钢铁时代”。
新的技术革命也推动了老工业部门的发展，最突出的是钢铁工业。19世纪上半叶，由于房屋结构和铁路的需要，熟铁和铸铁的产量提高极快，但钢的产量裹足不前。英国是当时世界上钢产量最多的国家，1850年年产量不过6万吨，同年它的铁产量却达到250万吨。由于冶炼工艺的限制，钢产量不高，价格昂贵，其用途局限于工具和仪表。19世纪下半叶，由于西门子、托马斯等人在钢铁冶炼技术方面的贡献，钢得以大量生产且质量大幅度提高，因而逐渐代替熟铁，作为机械制造、铁路建设、房屋桥梁建筑等方面的新材料而风行全球。钢铁工业的发展如日中天，导致重工业在工业中的比重直线上升，史称“钢铁时代”。
第二次工业革命的显著特点就是电力的广泛应用，电动生产资料和生活用具如雨后春笋般涌现出来，迅速地改变着社会上生产与生活的面貌。由于使用电力，其他工业部门也快速发展起来，特别是钢铁行业的发展，使人类在材料领域告别了棉花时代，进入到钢铁时代。 第二次工业革命则是主要以重工业为主如机器制造工业,电力工业,化学工业,钢铁工业,汽车工业等.凯利,贝塞麦,托马斯,马丁和西门子等的炼钢法,以及后来发明的电炉炼钢法,使得钢产量剧增.钢产量的剧增,导致了其价格猛跌,便宜价格又导致了钢铁迅速在很多部门和领域代替了铁,应用的范围广泛扩大.钢铁技术的进步,不但引起了原有的重工业如采煤业,机器制造业,铁路运输业等的飞跃发展,而且存进了其它以钢铁为原料的新兴工业的发展,如电力工业,电器制造,化学工业,石油工业,汽车工业和飞机制造业等.重工业很快地成为各个资本主义国家经济的非常重要的部分.到19世纪末到20世纪初,重工业已经在世界工业中开始占据了主导地位.