炼钢技术

炒  钢

炒钢因在冶炼过程中要不断地搅拌好像炒菜一样而得名。

炒钢的原料是生铁，操作要点是把生铁加热到液态或半液态，利用鼓风或撒入精矿粉等方法，令硅、锰、碳氧化，把含碳量降低到钢和熟铁的成分范围。炒钢的产品多是低碳钢和熟铁，但是如果控制得好，也可以得到中碳钢和高碳钢。

炒钢工艺大约发明于西汉。近年在河南巩义市铁生沟、南阳瓦房庄等处都发现过汉代炒钢炉遗址。巩义市遗址断代是西汉中期到新莽，瓦房庄遗址使用时间比较长，由西汉中期到东汉晚期。另外，铁生沟还出土了一些炒炼产品，经分析，有的含碳量是百分之一·二八，有的是百分之○·○四八。文献上关于炒钢的记载最早见于东汉《太平经》卷七十二，书中说：“使工师击治石，求其铁，烧冶之，使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪耶。”这“水”应指生铁水。“万锻”应指生铁脱碳成钢后的反覆锻打。

炒钢的优点是成分可适当控制，生产率比较高，质量也比较好。在现代，人们常把由矿石直接制钢的工艺叫一步冶炼或直接冶炼，而把先由矿石冶炼成生铁、然后再由生铁炼钢的工艺叫两步

冶炼或间接冶炼。炒钢的生产过程也分两步：先炼生铁，后炼钢。因而在某种意义上说，炒钢的出现便是两步炼钢的开始，是具有划时代意义的重大事件。它进一步促进了我国古代铁器的广泛使用和社会生产力的发展。十八世纪中叶，英国发明了炒钢法，在产业革命中起了很大的作用。马克思怀着极大的热情给予了很高的评价，说不管怎样赞许也不会夸大了这一革新的重要意义。

百炼钢

“百炼钢”以一种含碳量比较高的炒炼产品作为原料，操作要点是反覆加热锻打，千锤百炼。现在见到的最早百炼钢实物是东汉晚期的制件。1961年日本大和栎本东大寺古墓出土一把东汉灵帝中平年间（公元184年到189年）的纪年钢刀，上有错金铭文“百练清刚”字样。“练”就是“炼”，“刚”就是“钢”。在文献中，“百炼钢”一词最早也见于东汉晚期。曹操作宝刀五枚，称誉是“百炼利器”；陈琳（？—217）《武军赋》说：“铠则东胡阙巩，百炼精钢。”这些实物和文献都说明了百炼钢工艺已经兴起。除百炼钢外，我国古代还有“卅炼钢”、“五十炼钢”等说。1974年，山东苍山出土过一把东汉安帝永初六年（公元112年）大钢刀，上有错金铭文“卅湅大刀”字样；1978年徐州铜山出土一把东汉章帝建初二年（公元77年）大钢剑，上有“五十湅”字样；在文献注录中还有东汉和帝永元十六年（公元104年）“卅湅”金马书刀等物。看来，标以“炼数”的制钢工艺至迟在东汉早期就已产生。

宋代沈括《梦溪笔谈》卷三曾对百炼钢的工艺操作作了比较详细的记载，说把“精铁”锻炼一百多火，一锻一称一轻，待到斤两不减，就成“纯钢”了；“凡铁之有钢者，如面中有筋，濯尽柔面，则面筋乃见。”沈括所说的“精铁”，不应是生铁，也不是现代意义的熟铁，由建初“五十湅”长剑、永初“卅湅大刀”等器物的科学考察，以及有关文献来看，应是含碳量稍高的一种炒炼产品。这种炒炼产品所含非金属夹杂是比较多的。一锻一称一轻，是因为逐渐排除这些夹杂，氧化铁皮不断产生并脱落了。说最后“斤两不减”，这是相对来说的，实际上，不断地加热锻打，氧化铁皮不断地产生又脱落，重量总要不断减轻的。渗碳和脱碳都不是百炼过程的主要环节。百炼铜工艺的主要操作是反覆加热锻打。锻打可以去除夹杂，减小残留夹杂的尺寸，使成分均匀，组织致密，有时也可以细化晶粒，从而使材料强度大大提高。曹植（192—232）在他的《宝刀赋》中称赞百炼钢刀能“陆斩犀革，水断龙舟”，沈括在《梦溪笔谈》卷三中说百炼钢“其色清明，磨莹之，则黯黯然青且黑，与常铁迥异。”这都说明了百炼钢性能的优良。

百炼钢是在块铁渗碳钢反覆锻打的基础上，伴随着炒钢技术、刀剑工艺的发展而兴起的。“十炼”，“三十炼”的说法在公元前一世纪的西汉后期就已出现，最初是用在炼铜上的。魏晋时期百炼钢发展到了鼎盛的阶段，之后，虽因一些技术和社会的原因而有所减弱，但一直沿用到了明清时期。百炼钢制作比较艰难，成本比较高，主要用来制造宝刀、宝剑等一类贵重器物，它凝聚着我国古代劳动人民的勤劳和智慧，一定程度上反映了当时金属冶炼和加工技术的先进水平。

铸铁脱碳钢

铸铁脱碳钢是用热处理方法制作出来的。它的操作要点是先生产出白口铁铸件，然后在氧化性气氛中脱碳退火，使含碳量降低到钢的成分范围以下，不析出或很少析出石墨。它的金相组织同近代的钢和熟铁相似。

铸铁脱碳技术大约可以追溯到战国早期。洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址出土过两件铁锛，对其中一件的銎部作了金相分析，知道它的表层已经脱碳，稍里是珠光体，中心是白口铁组织。这表明铁锛进行过不完全的脱碳退火处理，应属铸铁脱碳钢的前身或早期阶段。经秦、汉、魏、晋到南北朝时期，这项技术发展到相当成熟的阶段，主要表现在：第一，进行这种处理的器物更多了。 近年在北京大葆台、河北武安和河南渑池、南阳瓦房庄、郑州古荥镇、鲁山望城岗等处都有发现，种类有铁斧、铁剪、铁铲、铁小刀、铁凿、铁笄、铁犁、铁铧等成形件，以及梯形和长方形的小铁板等半成品件。第二，多数器件的整个断面都已经脱碳成钢或熟铁，中心再没有白口铁组织残余，没有或只有微量石墨在晶粒间界析出。第三，部分器件在整体脱碳成钢或熟铁后，经过局部锻打、刃部渗碳或其他加工，获得了更加良好的使用性能。第四，铸铁脱碳钢主要用作手工业工具的斧、剪以及农具的镰一类锋刃器，而一般可锻铸铁主要用作农具的锄、钁、铲一类，至于铁釜、铁范、轴承一类生活用器、生产工具和交通用具，多用白口铁和灰口铁制作，说明当时人们对这些材质的性能已经有了相当认识，也说明铸铁脱碳钢技术、可锻化处理技术已经达到比较高的水平。南北朝时期以后，由于炒钢等冶炼工艺和加工工艺的发展等，铸铁脱碳钢技术、可锻铸铁技术逐渐失去了它们在生产中的重要地位，唐代以后就很少看到了。

铸铁脱碳钢的发明具有十分重要的意义。古代一般是没有铸钢的，而锻钢生产率很低，加工成形比较难，所含杂质比较多。我国古代利用生铁生产率比较高、容易成型、夹杂比较少的优点，通过脱碳退火的办法，得到一种组织和性能同近代铸钢相近的铸件，这是我国古代冶金技术上的一项重大发明。

灌  钢

所谓“灌钢”，用宋代苏颂的话来说，就是“以生柔相杂和，用以555                                                                                         555作刀剑锋刃者”。“生”就是生铁，“柔”应是一种可锻铁，只从含碳量看，应包括现代意义的钢和熟铁。所以依苏颂所说，灌钢是由生铁和可锻铁在一起冶炼得到的、用来制作刀剑锋刃的一种含碳比较高、质量比较好的钢。

灌钢发明时间似可追溯到汉魏晋时期。东汉末年王粲（177-217）的《刀铭》中说：“灌襞已数、质象已呈。”西晋张协《七命》中说：“乃炼乃烁，万辟千灌。”“辟”同“襞”，意思就是“叠”，指钢铁材料的多层积叠，多次折叠。“灌”应指“灌炼”，就是“灌钢”。

南北朝时期，灌钢工艺有了一定的发展，南朝梁代陶弘景说灌钢是“杂炼生鍒作刀镰者”。既然灌钢已用作刀、镰一类普通生产工具和生活用器，可见它的生产已经比较普遍。北朝东魏北齐间的綦毋怀文用灌钢制造了一把大钢刀，叫“宿铁刀”，“斩甲过三十札”，非常锋利。

在历史上，灌钢有过好几种不同的操作工艺。一种是把生铁和柔铁片捆在一起，用泥封住，入炉冶炼，如沈括《梦溪笔谈》卷三所说：“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’。”一种是把生铁放在熟铁（可锻铁）片的上面，生铁先化，渗淋到熟铁中，如宋应星《天工开物》卷十四所说：“用熟铁打成薄片如指头阔，长寸半许，以铁片束包尖紧，生铁安置其上，又用破草履盖其上，泥涂其底下，洪炉鼓鞲，火力到时，生钢先化，渗淋熟铁之中，两情投合。取出加锤，再炼再锤，不一而足。俗名团钢，亦曰灌钢者是也。”一种是“苏钢”，它是灌钢发展的高级阶段，灌钢的优点在这里得到了最充分的表现。

苏钢操作的要点是：先把熟铁料放到炉里鼓风加热，后把生铁的一端斜放到炉口里加热。当炉温达到一千三百摄氏度左右时，炉里生铁不断熔滴，熟铁料已经软化，便用钳子钳住生铁块，使铁水均匀地浇淋到熟铁料上。浇淋完毕后，停止鼓风，夹出钢团，砧上锤击，去除夹杂。一般要渗淋两次。苏钢冶炼高明的地方有两点：一是熟铁组织比较疏松，所含氧化夹杂比较多，硅、锰、碳含量比较高，灌炼时氧化反应比较剧烈，有利于渣、铁分离。二是熟铁  所含铁氧化物和生铁中的碳作用后，部分铁可被还原出来，提高了  金属收得率。

灌钢以生铁和可锻铁作为原料，灌炼操作在生铁熔点以上进行，因此生产率比较高，渣、铁分离比较好；人们可以通过控制原料配比和鼓风等操作来控制产品成分，因此产品质量也比较好。在公元1740年坩埚液态炼钢法发明以前，世界上制钢工艺基本上属于固态冶炼和半液态冶炼，渣、铁分离比较难。像灌钢这样，成分比较容易控制，渣、铁分离也比较好，在古代制钢技术中是十分罕见的。

有色冶金

“六  齐”

“六齐”是我国古代配制青铜合金的六条规定，见于《考工记》一书，原文如下：

“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。”

郭沫若（1892—1978）认为，《考工记》原是齐国的官书。“六齐”的“齐”同“剂”，原是调剂、配合的意思。“金”指赤铜。“六分其金而锡居一”就是六分铜一分锡，“金锡半”就是一分铜半分锡。所以“六齐”中各“齐”的含锡量分别是：“钟鼎之齐”百分之一四·三，“斧斤之齐”百分之一六·七，“戈戟之齐”百分之二○，“大刃之齐”百分之二五，“削杀矢之齐”百分之二八·六，“鉴燧之齐”百分之三三·三。

“六齐”的成分配比规定是我国古代青铜技术高度发展的表现，它是许多试验资料的反映和归纳。现有考古资料表明，我国早在夏代（公元前二十一世纪到公元前十六世纪）就掌握了红铜冷锻和铸造技术，夏末商（公元前十六世纪到公元前十一世纪）初就有了青铜冶炼和铸造，商代中期以后就创造了高度发展的青铜文化。目前出土的青铜器中，既有大批礼器、兵器、日用器，也有部分生产工具（包括手工业工具和农具）等。浑厚庄重的司母戊大鼎、技术高超的四羊尊等都是青铜器的精品。兵器都刚强锋利；响器的声音悦耳悠扬。这些都说明我国人民很早就有了丰富的合金知识。

“六齐”的成分配比规定和现代科学的基本原理是完全相合的。我们知道铜锡合金的含锡量是百分之十四左右的，色黄，质坚而韧，音色也比较好，所以宜于制作钟和鼎。铜锡合金含锡量是百分之十七到百分之二十五的，强度、硬度都比较高，所以宜于制作斧斤、戈戟、大刃和削杀矢。斧斤是工具，既要锋利，又要承受比较大的冲击载荷，所以含锡量不宜太高，否则太脆。戈戟、大刃、削杀矢都是兵器，都需要锋利。戈戟受力比较复杂，对韧性要求比较高，所以在兵刃中含锡量最低。大刃（刀剑）既需要锋利，也要求一定的韧性以防折断，所以含锡量比较高而又不太高。削杀矢比较短小，主要考虑锐利，所以在兵器中它的含锡量最高。铜锡合金含锡量是百分之三十到百分之三十六的，颜色最洁白，硬度也比较高。色洁白，就宜于映照；硬度高，研磨时就不容易留下道痕。所以这种铜锡合金宜于制作铜镜和阳燧。

有一点需要指出的是，除了钟鼎外，“六齐”规定成分和考古实物科学分析的成分基本上是不相符合的，原因是：“六齐”并不是生产经验的总结，而是一种试验资料的反映和归纳；人们在生产实践中已对“六齐”成分作了适当的修正。

“六齐”的产生有极大的技术意义和社会意义。它是世界上对合金成分和性能的关系的最早认识。在古代世界中，我国青铜技术的产生并不是最早的，但发展很快。除资源等方面的原因外，在技术方面至少有两点：首先是我国很早就掌握了金属冶炼所需要的高温技术；其次是很早具有了水平比较高的合金技术。世界上不少国家在公元前二三千年就进入了青铜时代，但发展缓慢。我国却不是这样。我国人民一旦发明了冶铜技术，很快就具有丰富的合金知识，并且迅速地把整个青铜技术推到更高的阶段，建立了世界上最光辉灿烂的青铜文明。

黄铜和锌的冶炼

锌在我国古代又叫“倭铅”、“白铅”。“倭铅”一名最早见于署名“飞霞子”著的《宝藏论》（辽神册三年，公元918年）一书中。

据文献记载和一些实物分析，我国用锌的历史大概分三个阶段。

第一阶段是西汉以前。这时锌作为伴生矿成分随铜或者随锡、铅进入铜合金中，铜器含锌量常在万分之几的水平上，个别的比较高，也有含锌量超过百分之二十五的。

第二阶段是西汉到宋元时期。这时开始有意地把锌的氧化物如炉甘石加入化铜炉里，氧化锌被还原并立刻溶解到铜中，成为以锌为主要合金元素的铜合金，就是黄铜。这一技术是逐渐成熟的。

第三阶段至迟从明代开始，这时发明了用炉甘石生产金属锌、再用金属锌配制黄铜的方法。明《天工开物》卷十四曾详细地记述了金属锌的生产过程：把十斤炉甘石装入泥罐，用泥封牢，晾干，用煤垫底，用木柴煅烧。炉甘石熔化成团，冷定后破罐取出，就得倭铅，每十斤损耗两斤。原记载虽不尽完美，如遗漏了还原剂等，但基本原理和设备同现代横罐炼锌法是相似的。这说明至迟在明代我国就生产了比较多的金属锌。

黄铜和锌的出现有重要的技术意义。黄铜耐蚀性能、机械性能都比较好，在现代工业中有广泛的用途。

我国是世界上最早冶炼并使用了金属锌的国家。欧洲直到十六世纪才了解到锌是一种金属，十七世纪才知道由炉甘石炼锌。这充分显示了我国人民的聪明才智和创造精神。

含镍白铜

我国使用含镍白铜的时间比较早，制炼工艺最初大约是使用一种铜镍矿，后来才使用含镍矿石和铜矿或者和铜一起冶炼的。

文献上关于“白铜”的记载开始见于东晋常璩《华阳国志》，说在今云南会泽、巧泉一带有一座螳螂山“出银、铅、白铜、杂药”。结合后世的大量资料看，这“白铜”就是含镍白铜。因为那一带就产铜和铜镍矿，东晋时候冶炼出含镍白铜是完全可能的。

国内外不少学者对我国生产和使用镍白铜的问题作过研究。有人说早在秦汉时期，我国镍白铜就运到了大夏国，他们还用它铸成了钱币，它的成分和中国的白铜十分接近，含铜百分之七十七，镍百分之二十。十八世纪的时候，西方许多人都极力仿制中国白铜，直到公元1823年才由英国人和德国人仿制成功。以后各种各样的仿制品都进入了市场，最流行的名叫“德国银”。我国白铜的西传，对西方镍白铜的生产和近代化学工艺起了很大的启发和推动作用。

鼓风技术和冶金燃料

水  排

水排是我国古代一种冶铁用的水力鼓风装置。人类早期的鼓风器大都是皮囊，我国古代又叫橐。一座炉子用好几个橐，放在一起，排成一排，就叫“排囊”或“排橐”。用水力推动这种排橐，就叫“水排”。

水排发明于东汉早期，它是南阳太守杜诗（？—38）在总结劳动人民实践经验基础上发明出来的。因为它“用力少，见功多”（《后汉书·杜诗传》），所以大家乐于使用。三国时期的韩暨把它推广到了魏国官营冶铁作坊中，用水排代替过去的马排、人排，四季不歇。水排不但节省了人力、畜力，而且鼓风能力比较强，因此促进了冶铁业的发展。水排在我国沿用了很长一个时期，直到本世纪七十年代，一些地方还在使用。

汉代水排的具体构造现在已经很难了解，由同一时期的水碓和翻车结构推测，大约也是一种轮轴拉杆传动的装置。我国古代水排构造的详细记述最早见于元代的《王祯农书》，依水轮放置方式的差别，王祯把水排分成立轮式和卧轮式两种。它们都是通过轮轴、拉杆以及绳索把圆周运动变成直线往复运动的，以此达到启闭风扇和鼓风的目的。因为水轮转动一次，风扇可以启闭多次，所以鼓风效能大大提高。

鼓风器最早是皮囊，后来是风扇，再后是风箱。风扇大约发明于公元十世纪以前。北宋《武经总要》前集的行炉图，敦煌榆林窟西夏（公元1032年到1227年立国）锻铁壁画，元代《王祯农书》的水排图，都有风扇的形象。活塞式风箱最早见于明代《天工开物》中。

水力鼓风有十分重要的意义，它加大了风量，提高了风压，增强了风力在炉里的穿透能力。这一方面可以提高冶炼强度，另一方面可以扩大炉缸，加高炉身，增大有效容积。这就大大地增加了生产能力。足够强大的鼓风能力，足够高大的炉子，是炼出生铁的必要条件。欧洲人能在十四世纪炼出生铁来，和水力鼓风的应用是有一定关系的。水排的发明是人类利用自然力的一次伟大胜利。

冶金用燃料的发展

燃料在冶金生产中占有特殊的地位。它既是一种发热剂，也是一种还原剂；既要为冶炼过程创造必要的高温，也直接参与冶金的物理化学过程。因此，人们对冶金燃料提出了许多特殊要求。

人类最早使用的冶金燃料是木炭。木炭的优点是：第一，容易获得。第二，气孔度比较大，使料柱具有良好的透气性。在鼓风能力不强、风压不高的条件下，这点具有尤其重要的意义。第三，所含硫、磷等有害杂质比较低。一直到现在，木炭还是冶炼高级生铁的理想燃料。

木炭的最大缺点是资源有限，所以人们一直在努力寻找新的燃料。首先找到的是煤。

我国冶炼生铁用煤的起始年代大约可以上推到南北朝时期。北魏郦道元（约466—527）《水经注·河水篇》说：今新疆库车县北二百里有山，人们取山上的煤来冶炼山上的铁，供给周围的广大地区  使用。一般认为，宋代以后，冶炼用煤又有了一些发展。

但是用煤冶炼也有缺点：一是所含硫、磷等有害杂质成分比较高，它们在冶炼过程中会渗入生铁而引起金属加工过程中的热脆和冷脆。二是所含其他杂质也比较多，因此炼渣多，炉子容易发生故障。三是煤的气孔度小，热稳定性能比较差，容易爆裂，影响料柱透气性。于是人们又进行新的探索，终于找到了另一种冶金燃料，就是焦炭。焦炭是由煤干馏得到的，它保留了煤的长处，避免了煤的缺点。直到现在，仍旧是冶金生产的主要燃料。

我国冶炼用焦的记载最早见于明末清初方以智的《物理小识》卷七，说把发臭味（挥发分多）的煤烧熔封闭起来，就成焦炭（“礁”）了；用它“煎矿煮石”，都“殊为省力”。在《戒庵漫笔》、《颜山杂记》、《会理州记》等书上，也有关于炼焦的记载。

冶金用燃料由木炭到煤，由煤到焦，都是重大的转变，这每一次转变对冶金生产都产生过重大的影响。欧洲人到十八世纪初才使用焦炭，才解决了冶炼用焦的问题。在生铁冶炼用煤和冶金用焦上，我国都比欧洲早得多。