超级军网[转帖]中国古代科技之---中国古代冶金技术的成就
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中国古代冶金技术的成就
自然科学史研究所 何堂坤
生铁和柔化处理技术
生 铁
我们通常说的“铁”分“生铁”和“熟铁”两种，包括“钢”在内，都是以铁（Fe）和碳（C）两种元素为主的一种合金。人们通常把含碳量在百分之○·○五以下的叫熟铁，百分之○·○五到百分之二·○的叫钢，百分之二·○到百分之六·六七的叫生铁。
人类早期炼得的熟铁通常叫块炼铁，它是铁矿石在八百到一千摄氏度左右的条件下，用木炭直接还原得到的。出炉产品是一种含有大量非金属夹杂的海绵状固体块。块炼铁和生铁比较起来，有如下几个缺点：一是它不能从炉里流出，取出铁块时，炉膛要受到不同程度的破坏，不能连续生产，生产率比较低，产量比较小。二是成形费工费时。三是所含非金属夹杂比较多，要通过反覆锻打才能排除。四是含碳量往往比较低，因而很软。生铁的冶炼温度是一千一百五十到一千三百摄氏度，出炉产品呈液态，可以连续生产，可以浇铸成型，非金属夹杂比较少，质地比较硬，冶炼和成形率比较高，从而产量和质量都大大提高。由块炼铁到生铁是炼铁技术史上的一次飞跃。
我国钢铁冶炼技术的发展道路和世界各国是不完全相同的。国外一般是先有块炼铁，经过长期缓慢发展之后才有生铁。欧洲许多地方的块炼铁是公元前1000年前后发明出来的，但是直到公元十四世纪才有生铁。我国却不是这样。我国冶铁术大约发明于西周时期，比欧洲晚，可是它一经发明，不久就出现了生铁，后来者居上，使我国成为世界上最早发明并使用生铁的国家。
1964年，江苏六合程桥镇出土一件春秋晚期的铁块，经鉴定是白口生铁。这是到现在为止我国出土并且经过科学分析的最早生铁实物。战国中晚期，铁器在我国农业、手工业生产中占据了主导地位。据不完全统计，目前出土的战国铁质生产工具大约十六种左右，其中多数是生铁和它的柔化处理件，块炼铁处于辅助地位。这表明这时我国生铁生产已经有了比较大的发展。
我国生铁技术发明比较早的原因是多方面的，我们以为在技术上至少应包括以下几点：一是我国冶铜术中很早就使用了比较强的鼓风装置。二是很早就对冶炼用的原料进行了比较好的选择和处理。三是很早就发明了比较高大的冶炼竖炉。一般认为，我国生铁技术的发明和发展同青铜技术有密切的关系。
可锻铸铁
可锻铸铁原是白口铁经高温退火得到的一种高强度铸铁，具有一定的塑性和冲击韧性。依热处理条件的差别，又可分成白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种：白心可锻铸铁以脱碳为主，又叫脱碳可锻铸铁；黑心可锻铸铁以石墨化为主，又叫石墨化可锻铸铁。
国外的白心可锻铸铁是公元1722年由法国人首先发明的。公元1826年，美国人又发明了黑心可锻铸铁。此后一个相当长的时期里，人们都把白心可锻铸铁叫做“欧洲式可锻铸铁”，把黑心可锻铸铁叫做“美洲式可锻铸铁”。其实，这两种可锻铸铁，我国早在两千多年前都已经发明了。
“洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址出土过一件铁铲，铲体基本锈蚀，只在銎（qióng）部（装柄的孔）有部分金属残留，在金相显微镜下显示了黑心可锻铸铁组织，基体是铁素体，上面分布着团絮状退火石墨。这是到现在为止世界上经过科学分析的最早的铸铁可锻化退火处理件。战国中晚期后，可锻化处理工艺有了比较大的发展，主要表现在：第一，分布地域更广了。在北方，目前经分析过的有河北易县燕下都遗址的铁钁、铁锄、铁鐏等，在南方有湖北包山出土的空首斧、湖南长沙出土的铁铲等。第二，部分器件已经处理得比较好，器件断面基本上是可锻铸铁组织，中心没有白口铁残余，如燕下都的铁鐏等。汉代到南北朝时期，铸铁可锻化技术发展到比较成熟的阶段：一是使用范围有了进一步扩展。近年在山东薛城、河南南阳、渑池和巩义市，北京清河和大藻台，湖北铜绿山等地，都发现了这类器件。南阳瓦房庄出土的农器有十二作，经过分析，九件是普通可锻铸铁，两件是铸铁脱碳钢，只有一件是白口铁。二是技术水平有了进一步提高。凡处理过的器伴，中心很少有白口铁组织残留，石墨发育比较好，形态多和现代可锻铸铁相当。这些可锻铁中，有白心的，也有黑心的，多数是农具。
铸铁可锻化处理有十分重要的意义。在常温下，碳在铸铁中主要有两种存在形式：一是化合态，主要是渗碳体；二是自由石墨态，有条状、团絮状、球状石墨等。碳的存在形式不同，同一成分的铸铁，性能也是不尽相同的。白口铁中，碳全部以渗碳体形式存在，因渗碳体硬度很高，塑性极低，所以白口铁性硬而脆。通过可锻化处理，白口铁中的碳或以自由石墨态形式析出，或因氧化而去除，从而使材料强度提高，硬脆性减少，综合机械性能得到改善。战国中期以后，我国在农业、手工业中这样广泛地使用了铁器，可锻铸铁的发明和发展是起了重要作用的。
球墨可锻铸铁
球墨可锻铸铁因所含石墨呈球状而得名。它有比较高的强度、塑性和韧性，铸造加工性能也比较好。
1974年，河南渑池发掘了一个北魏铁器窖，里面藏有从汉代到北魏的铁器四千多件，种类有生产工具、兵器、日用器皿以及铸范、铁材等。有一件铁斧，整体经过脱碳退火处理，器件断面大部分相当于含碳百分之○·四的中碳钢，没有石墨析出。但在銎的底部发现有球状石墨，直径是二十微米，分布在平均厚度约三，二毫米、总长五十毫米的U形断面上，共约三十颗，外形比较规整。这类具有球状石墨的铸件在南阳瓦房庄、巩义市铁生沟等两汉冶铸遗址也有发现。特别值得指出的是巩义市铁生沟一件汉代铁钁，它的石墨发育良好，有明显的核心和放射性结构，和现行国家球墨铸铁标准一类A级相当。从现有研究资料看，这种球状石墨应是白口铁退火过程中得到的。
在国外，铸态球墨是1947年后使用了加入球化剂的方法才得到的。多年来，人们一直试图用白口铁退火的方式来获得球状石墨，但是难度很大。我国古代生铁含硅量长期偏低，在低硅的情况下，我国人民不但生产了大量具有絮状石墨的可锻铸铁，而且生产了部分球墨可锻铸铁，这在世界冶金史上是十分罕见的，实在难能可贵。
炼钢技术
炒 钢
炒钢因在冶炼过程中要不断地搅拌好像炒莱一样而得名。
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，称誊是“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摄加热锻打。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。
自然科学史研究所 何堂坤
生铁和柔化处理技术
生 铁
我们通常说的“铁”分“生铁”和“熟铁”两种，包括“钢”在内，都是以铁（Fe）和碳（C）两种元素为主的一种合金。人们通常把含碳量在百分之○·○五以下的叫熟铁，百分之○·○五到百分之二·○的叫钢，百分之二·○到百分之六·六七的叫生铁。
人类早期炼得的熟铁通常叫块炼铁，它是铁矿石在八百到一千摄氏度左右的条件下，用木炭直接还原得到的。出炉产品是一种含有大量非金属夹杂的海绵状固体块。块炼铁和生铁比较起来，有如下几个缺点：一是它不能从炉里流出，取出铁块时，炉膛要受到不同程度的破坏，不能连续生产，生产率比较低，产量比较小。二是成形费工费时。三是所含非金属夹杂比较多，要通过反覆锻打才能排除。四是含碳量往往比较低，因而很软。生铁的冶炼温度是一千一百五十到一千三百摄氏度，出炉产品呈液态，可以连续生产，可以浇铸成型，非金属夹杂比较少，质地比较硬，冶炼和成形率比较高，从而产量和质量都大大提高。由块炼铁到生铁是炼铁技术史上的一次飞跃。
我国钢铁冶炼技术的发展道路和世界各国是不完全相同的。国外一般是先有块炼铁，经过长期缓慢发展之后才有生铁。欧洲许多地方的块炼铁是公元前1000年前后发明出来的，但是直到公元十四世纪才有生铁。我国却不是这样。我国冶铁术大约发明于西周时期，比欧洲晚，可是它一经发明，不久就出现了生铁，后来者居上，使我国成为世界上最早发明并使用生铁的国家。
1964年，江苏六合程桥镇出土一件春秋晚期的铁块，经鉴定是白口生铁。这是到现在为止我国出土并且经过科学分析的最早生铁实物。战国中晚期，铁器在我国农业、手工业生产中占据了主导地位。据不完全统计，目前出土的战国铁质生产工具大约十六种左右，其中多数是生铁和它的柔化处理件，块炼铁处于辅助地位。这表明这时我国生铁生产已经有了比较大的发展。
我国生铁技术发明比较早的原因是多方面的，我们以为在技术上至少应包括以下几点：一是我国冶铜术中很早就使用了比较强的鼓风装置。二是很早就对冶炼用的原料进行了比较好的选择和处理。三是很早就发明了比较高大的冶炼竖炉。一般认为，我国生铁技术的发明和发展同青铜技术有密切的关系。
可锻铸铁
可锻铸铁原是白口铁经高温退火得到的一种高强度铸铁，具有一定的塑性和冲击韧性。依热处理条件的差别，又可分成白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种：白心可锻铸铁以脱碳为主，又叫脱碳可锻铸铁；黑心可锻铸铁以石墨化为主，又叫石墨化可锻铸铁。
国外的白心可锻铸铁是公元1722年由法国人首先发明的。公元1826年，美国人又发明了黑心可锻铸铁。此后一个相当长的时期里，人们都把白心可锻铸铁叫做“欧洲式可锻铸铁”，把黑心可锻铸铁叫做“美洲式可锻铸铁”。其实，这两种可锻铸铁，我国早在两千多年前都已经发明了。
“洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址出土过一件铁铲，铲体基本锈蚀，只在銎（qióng）部（装柄的孔）有部分金属残留，在金相显微镜下显示了黑心可锻铸铁组织，基体是铁素体，上面分布着团絮状退火石墨。这是到现在为止世界上经过科学分析的最早的铸铁可锻化退火处理件。战国中晚期后，可锻化处理工艺有了比较大的发展，主要表现在：第一，分布地域更广了。在北方，目前经分析过的有河北易县燕下都遗址的铁钁、铁锄、铁鐏等，在南方有湖北包山出土的空首斧、湖南长沙出土的铁铲等。第二，部分器件已经处理得比较好，器件断面基本上是可锻铸铁组织，中心没有白口铁残余，如燕下都的铁鐏等。汉代到南北朝时期，铸铁可锻化技术发展到比较成熟的阶段：一是使用范围有了进一步扩展。近年在山东薛城、河南南阳、渑池和巩义市，北京清河和大藻台，湖北铜绿山等地，都发现了这类器件。南阳瓦房庄出土的农器有十二作，经过分析，九件是普通可锻铸铁，两件是铸铁脱碳钢，只有一件是白口铁。二是技术水平有了进一步提高。凡处理过的器伴，中心很少有白口铁组织残留，石墨发育比较好，形态多和现代可锻铸铁相当。这些可锻铁中，有白心的，也有黑心的，多数是农具。
铸铁可锻化处理有十分重要的意义。在常温下，碳在铸铁中主要有两种存在形式：一是化合态，主要是渗碳体；二是自由石墨态，有条状、团絮状、球状石墨等。碳的存在形式不同，同一成分的铸铁，性能也是不尽相同的。白口铁中，碳全部以渗碳体形式存在，因渗碳体硬度很高，塑性极低，所以白口铁性硬而脆。通过可锻化处理，白口铁中的碳或以自由石墨态形式析出，或因氧化而去除，从而使材料强度提高，硬脆性减少，综合机械性能得到改善。战国中期以后，我国在农业、手工业中这样广泛地使用了铁器，可锻铸铁的发明和发展是起了重要作用的。
球墨可锻铸铁
球墨可锻铸铁因所含石墨呈球状而得名。它有比较高的强度、塑性和韧性，铸造加工性能也比较好。
1974年，河南渑池发掘了一个北魏铁器窖，里面藏有从汉代到北魏的铁器四千多件，种类有生产工具、兵器、日用器皿以及铸范、铁材等。有一件铁斧，整体经过脱碳退火处理，器件断面大部分相当于含碳百分之○·四的中碳钢，没有石墨析出。但在銎的底部发现有球状石墨，直径是二十微米，分布在平均厚度约三，二毫米、总长五十毫米的U形断面上，共约三十颗，外形比较规整。这类具有球状石墨的铸件在南阳瓦房庄、巩义市铁生沟等两汉冶铸遗址也有发现。特别值得指出的是巩义市铁生沟一件汉代铁钁，它的石墨发育良好，有明显的核心和放射性结构，和现行国家球墨铸铁标准一类A级相当。从现有研究资料看，这种球状石墨应是白口铁退火过程中得到的。
在国外，铸态球墨是1947年后使用了加入球化剂的方法才得到的。多年来，人们一直试图用白口铁退火的方式来获得球状石墨，但是难度很大。我国古代生铁含硅量长期偏低，在低硅的情况下，我国人民不但生产了大量具有絮状石墨的可锻铸铁，而且生产了部分球墨可锻铸铁，这在世界冶金史上是十分罕见的，实在难能可贵。
炼钢技术
炒 钢
炒钢因在冶炼过程中要不断地搅拌好像炒莱一样而得名。
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，称誊是“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摄加热锻打。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。
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自然科学史研究所 何堂坤
生铁和柔化处理技术
生 铁
我们通常说的“铁”分“生铁”和“熟铁”两种，包括“钢”在内，都是以铁（Fe）和碳（C）两种元素为主的一种合金。人们通常把含碳量在百分之○·○五以下的叫熟铁，百分之○·○五到百分之二·○的叫钢，百分之二·○到百分之六·六七的叫生铁。
人类早期炼得的熟铁通常叫块炼铁，它是铁矿石在八百到一千摄氏度左右的条件下，用木炭直接还原得到的。出炉产品是一种含有大量非金属夹杂的海绵状固体块。块炼铁和生铁比较起来，有如下几个缺点：一是它不能从炉里流出，取出铁块时，炉膛要受到不同程度的破坏，不能连续生产，生产率比较低，产量比较小。二是成形费工费时。三是所含非金属夹杂比较多，要通过反覆锻打才能排除。四是含碳量往往比较低，因而很软。生铁的冶炼温度是一千一百五十到一千三百摄氏度，出炉产品呈液态，可以连续生产，可以浇铸成型，非金属夹杂比较少，质地比较硬，冶炼和成形率比较高，从而产量和质量都大大提高。由块炼铁到生铁是炼铁技术史上的一次飞跃。
我国钢铁冶炼技术的发展道路和世界各国是不完全相同的。国外一般是先有块炼铁，经过长期缓慢发展之后才有生铁。欧洲许多地方的块炼铁是公元前1000年前后发明出来的，但是直到公元十四世纪才有生铁。我国却不是这样。我国冶铁术大约发明于西周时期，比欧洲晚，可是它一经发明，不久就出现了生铁，后来者居上，使我国成为世界上最早发明并使用生铁的国家。
1964年，江苏六合程桥镇出土一件春秋晚期的铁块，经鉴定是白口生铁。这是到现在为止我国出土并且经过科学分析的最早生铁实物。战国中晚期，铁器在我国农业、手工业生产中占据了主导地位。据不完全统计，目前出土的战国铁质生产工具大约十六种左右，其中多数是生铁和它的柔化处理件，块炼铁处于辅助地位。这表明这时我国生铁生产已经有了比较大的发展。
我国生铁技术发明比较早的原因是多方面的，我们以为在技术上至少应包括以下几点：一是我国冶铜术中很早就使用了比较强的鼓风装置。二是很早就对冶炼用的原料进行了比较好的选择和处理。三是很早就发明了比较高大的冶炼竖炉。一般认为，我国生铁技术的发明和发展同青铜技术有密切的关系。
可锻铸铁
可锻铸铁原是白口铁经高温退火得到的一种高强度铸铁，具有一定的塑性和冲击韧性。依热处理条件的差别，又可分成白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种：白心可锻铸铁以脱碳为主，又叫脱碳可锻铸铁；黑心可锻铸铁以石墨化为主，又叫石墨化可锻铸铁。
国外的白心可锻铸铁是公元1722年由法国人首先发明的。公元1826年，美国人又发明了黑心可锻铸铁。此后一个相当长的时期里，人们都把白心可锻铸铁叫做“欧洲式可锻铸铁”，把黑心可锻铸铁叫做“美洲式可锻铸铁”。其实，这两种可锻铸铁，我国早在两千多年前都已经发明了。
“洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址出土过一件铁铲，铲体基本锈蚀，只在銎（qióng）部（装柄的孔）有部分金属残留，在金相显微镜下显示了黑心可锻铸铁组织，基体是铁素体，上面分布着团絮状退火石墨。这是到现在为止世界上经过科学分析的最早的铸铁可锻化退火处理件。战国中晚期后，可锻化处理工艺有了比较大的发展，主要表现在：第一，分布地域更广了。在北方，目前经分析过的有河北易县燕下都遗址的铁钁、铁锄、铁鐏等，在南方有湖北包山出土的空首斧、湖南长沙出土的铁铲等。第二，部分器件已经处理得比较好，器件断面基本上是可锻铸铁组织，中心没有白口铁残余，如燕下都的铁鐏等。汉代到南北朝时期，铸铁可锻化技术发展到比较成熟的阶段：一是使用范围有了进一步扩展。近年在山东薛城、河南南阳、渑池和巩义市，北京清河和大藻台，湖北铜绿山等地，都发现了这类器件。南阳瓦房庄出土的农器有十二作，经过分析，九件是普通可锻铸铁，两件是铸铁脱碳钢，只有一件是白口铁。二是技术水平有了进一步提高。凡处理过的器伴，中心很少有白口铁组织残留，石墨发育比较好，形态多和现代可锻铸铁相当。这些可锻铁中，有白心的，也有黑心的，多数是农具。
铸铁可锻化处理有十分重要的意义。在常温下，碳在铸铁中主要有两种存在形式：一是化合态，主要是渗碳体；二是自由石墨态，有条状、团絮状、球状石墨等。碳的存在形式不同，同一成分的铸铁，性能也是不尽相同的。白口铁中，碳全部以渗碳体形式存在，因渗碳体硬度很高，塑性极低，所以白口铁性硬而脆。通过可锻化处理，白口铁中的碳或以自由石墨态形式析出，或因氧化而去除，从而使材料强度提高，硬脆性减少，综合机械性能得到改善。战国中期以后，我国在农业、手工业中这样广泛地使用了铁器，可锻铸铁的发明和发展是起了重要作用的。
球墨可锻铸铁
球墨可锻铸铁因所含石墨呈球状而得名。它有比较高的强度、塑性和韧性，铸造加工性能也比较好。
1974年，河南渑池发掘了一个北魏铁器窖，里面藏有从汉代到北魏的铁器四千多件，种类有生产工具、兵器、日用器皿以及铸范、铁材等。有一件铁斧，整体经过脱碳退火处理，器件断面大部分相当于含碳百分之○·四的中碳钢，没有石墨析出。但在銎的底部发现有球状石墨，直径是二十微米，分布在平均厚度约三，二毫米、总长五十毫米的U形断面上，共约三十颗，外形比较规整。这类具有球状石墨的铸件在南阳瓦房庄、巩义市铁生沟等两汉冶铸遗址也有发现。特别值得指出的是巩义市铁生沟一件汉代铁钁，它的石墨发育良好，有明显的核心和放射性结构，和现行国家球墨铸铁标准一类A级相当。从现有研究资料看，这种球状石墨应是白口铁退火过程中得到的。
在国外，铸态球墨是1947年后使用了加入球化剂的方法才得到的。多年来，人们一直试图用白口铁退火的方式来获得球状石墨，但是难度很大。我国古代生铁含硅量长期偏低，在低硅的情况下，我国人民不但生产了大量具有絮状石墨的可锻铸铁，而且生产了部分球墨可锻铸铁，这在世界冶金史上是十分罕见的，实在难能可贵。
炼钢技术
炒 钢
炒钢因在冶炼过程中要不断地搅拌好像炒莱一样而得名。
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，称誊是“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摄加热锻打。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。
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中国古代冶金技术的成就 自然科学史研究所 何堂坤
生铁和柔化处理技术
生 铁
我们通常说的“铁”分“生铁”和“熟铁”两种，包括“钢”在内，都是以铁（Fe）和碳（C）两种元素为主的一种合金。人们通常把含碳量在百分之○·○五以下的叫熟铁，百分之○·○五到百分之二·○的叫钢，百分之二·○到百分之六·六七的叫生铁。
人类早期炼得的熟铁通常叫块炼铁，它是铁矿石在八百到一千摄氏度左右的条件下，用木炭直接还原得到的。出炉产品是一种含有大量非金属夹杂的海绵状固体块。块炼铁和生铁比较起来，有如下几个缺点：一是它不能从炉里流出，取出铁块时，炉膛要受到不同程度的破坏，不能连续生产，生产率比较低，产量比较小。二是成形费工费时。三是所含非金属夹杂比较多，要通过反覆锻打才能排除。四是含碳量往往比较低，因而很软。生铁的冶炼温度是一千一百五十到一千三百摄氏度，出炉产品呈液态，可以连续生产，可以浇铸成型，非金属夹杂比较少，质地比较硬，冶炼和成形率比较高，从而产量和质量都大大提高。由块炼铁到生铁是炼铁技术史上的一次飞跃。
我国钢铁冶炼技术的发展道路和世界各国是不完全相同的。国外一般是先有块炼铁，经过长期缓慢发展之后才有生铁。欧洲许多地方的块炼铁是公元前1000年前后发明出来的，但是直到公元十四世纪才有生铁。我国却不是这样。我国冶铁术大约发明于西周时期，比欧洲晚，可是它一经发明，不久就出现了生铁，后来者居上，使我国成为世界上最早发明并使用生铁的国家。
1964年，江苏六合程桥镇出土一件春秋晚期的铁块，经鉴定是白口生铁。这是到现在为止我国出土并且经过科学分析的最早生铁实物。战国中晚期，铁器在我国农业、手工业生产中占据了主导地位。据不完全统计，目前出土的战国铁质生产工具大约十六种左右，其中多数是生铁和它的柔化处理件，块炼铁处于辅助地位。这表明这时我国生铁生产已经有了比较大的发展。
我国生铁技术发明比较早的原因是多方面的，我们以为在技术上至少应包括以下几点：一是我国冶铜术中很早就使用了比较强的鼓风装置。二是很早就对冶炼用的原料进行了比较好的选择和处理。三是很早就发明了比较高大的冶炼竖炉。一般认为，我国生铁技术的发明和发展同青铜技术有密切的关系。
可锻铸铁
可锻铸铁原是白口铁经高温退火得到的一种高强度铸铁，具有一定的塑性和冲击韧性。依热处理条件的差别，又可分成白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种：白心可锻铸铁以脱碳为主，又叫脱碳可锻铸铁；黑心可锻铸铁以石墨化为主，又叫石墨化可锻铸铁。
国外的白心可锻铸铁是公元1722年由法国人首先发明的。公元1826年，美国人又发明了黑心可锻铸铁。此后一个相当长的时期里，人们都把白心可锻铸铁叫做“欧洲式可锻铸铁”，把黑心可锻铸铁叫做“美洲式可锻铸铁”。其实，这两种可锻铸铁，我国早在两千多年前都已经发明了。
“洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址出土过一件铁铲，铲体基本锈蚀，只在銎（qióng）部（装柄的孔）有部分金属残留，在金相显微镜下显示了黑心可锻铸铁组织，基体是铁素体，上面分布着团絮状退火石墨。这是到现在为止世界上经过科学分析的最早的铸铁可锻化退火处理件。战国中晚期后，可锻化处理工艺有了比较大的发展，主要表现在：第一，分布地域更广了。在北方，目前经分析过的有河北易县燕下都遗址的铁钁、铁锄、铁鐏等，在南方有湖北包山出土的空首斧、湖南长沙出土的铁铲等。第二，部分器件已经处理得比较好，器件断面基本上是可锻铸铁组织，中心没有白口铁残余，如燕下都的铁鐏等。汉代到南北朝时期，铸铁可锻化技术发展到比较成熟的阶段：一是使用范围有了进一步扩展。近年在山东薛城、河南南阳、渑池和巩义市，北京清河和大藻台，湖北铜绿山等地，都发现了这类器件。南阳瓦房庄出土的农器有十二作，经过分析，九件是普通可锻铸铁，两件是铸铁脱碳钢，只有一件是白口铁。二是技术水平有了进一步提高。凡处理过的器伴，中心很少有白口铁组织残留，石墨发育比较好，形态多和现代可锻铸铁相当。这些可锻铁中，有白心的，也有黑心的，多数是农具。
铸铁可锻化处理有十分重要的意义。在常温下，碳在铸铁中主要有两种存在形式：一是化合态，主要是渗碳体；二是自由石墨态，有条状、团絮状、球状石墨等。碳的存在形式不同，同一成分的铸铁，性能也是不尽相同的。白口铁中，碳全部以渗碳体形式存在，因渗碳体硬度很高，塑性极低，所以白口铁性硬而脆。通过可锻化处理，白口铁中的碳或以自由石墨态形式析出，或因氧化而去除，从而使材料强度提高，硬脆性减少，综合机械性能得到改善。战国中期以后，我国在农业、手工业中这样广泛地使用了铁器，可锻铸铁的发明和发展是起了重要作用的。
球墨可锻铸铁
球墨可锻铸铁因所含石墨呈球状而得名。它有比较高的强度、塑性和韧性，铸造加工性能也比较好。
1974年，河南渑池发掘了一个北魏铁器窖，里面藏有从汉代到北魏的铁器四千多件，种类有生产工具、兵器、日用器皿以及铸范、铁材等。有一件铁斧，整体经过脱碳退火处理，器件断面大部分相当于含碳百分之○·四的中碳钢，没有石墨析出。但在銎的底部发现有球状石墨，直径是二十微米，分布在平均厚度约三，二毫米、总长五十毫米的U形断面上，共约三十颗，外形比较规整。这类具有球状石墨的铸件在南阳瓦房庄、巩义市铁生沟等两汉冶铸遗址也有发现。特别值得指出的是巩义市铁生沟一件汉代铁钁，它的石墨发育良好，有明显的核心和放射性结构，和现行国家球墨铸铁标准一类A级相当。从现有研究资料看，这种球状石墨应是白口铁退火过程中得到的。
在国外，铸态球墨是1947年后使用了加入球化剂的方法才得到的。多年来，人们一直试图用白口铁退火的方式来获得球状石墨，但是难度很大。我国古代生铁含硅量长期偏低，在低硅的情况下，我国人民不但生产了大量具有絮状石墨的可锻铸铁，而且生产了部分球墨可锻铸铁，这在世界冶金史上是十分罕见的，实在难能可贵。
炼钢技术
炒 钢
炒钢因在冶炼过程中要不断地搅拌好像炒莱一样而得名。
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，称誊是“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摄加热锻打。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。
[此贴子已经被作者于2005-4-19 19:25:27编辑过]
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，使用钳子钳住生铁块，使铁水均匀地浇淋到熟铁料上。浇淋完毕后，停止鼓凤，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，“鉴隧之齐”百分之三二·二。
“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。
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，使用钳子钳住生铁块，使铁水均匀地浇淋到熟铁料上。浇淋完毕后，停止鼓凤，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，“鉴隧之齐”百分之三二·二。
“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。
第二阶段是西汉到来元时期。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、55习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》，说在令云南会泽、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”。
水排发明干东汉早期，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，由同一时期的永碓和翻车结构推测，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。
湿法冶金的起源——胆铜法
山西大学 邢润川
胆水炼铜，以我国为最早，是湿法冶金的起源，在世界冶金史上占有光辉的一页。
在漫长的历史长河中，我们的祖先在冶炼铜和铁、应用铜铁器的实践中，以及在探索各种物质所进行的变化的一些实验工作中，逐渐对铁和铜的盐类相接触而发生的化学作用有了一些认识。
早在西汉成书的《淮南万毕术》里，就有“曾青得铁则化为铜”的话。曾青又有空青、白青、石胆、胆矾等名称，其实都是天然的硫酸铜。硫酸铜一般呈蓝色结晶体，因在空气里部分风化失掉水分成为白色，所以曾青又叫白青。东汉时的著作《神农本草经》也有“石胆……能化铁为铜”的记载，这和上面的话是一致的。晋葛洪《抱朴子内篇·黄白》中也有“以曾青涂铁，铁赤色如铜”的记载。南北朝时期陶弘景所作的实验，又扩充了以前的范围，不限于硫酸铜，只要是可溶性的铜盐，就会和铁起置换反应。他说：“鸡屎矾……投苦酒中涂铁，皆作铜色。”苦酒指醋酸。鸡屎矾也许是碱式硫酸铜或碱式碳酸铜。它们和硫酸铜不一样，都是难溶于水的物质，所以要加酷酸使它溶解。以上记载都清楚地表明，铁和铜盐能起反应，把铜盐中的铜置换出来。我们把金属活性顺序表和上面的记载略加比较，就能看出我们的祖先对这一现象认识的深刻程度。几种金属活性顺序依次是：钾、钠、钙、镁、铝、锌、铁、锡、铅、（氢）、铜、汞、银、铂、金。金属的位置越排在前面，它的金属活性越强。铁在上面金属活性顺序表中排第七位，而铜却排在第十位（氢除外），说明铁要比铜活动得多。因此，铁能和铜盐起作用而置换出铜。
我们的祖先并没有仅仅停留在上述这一认识上。到了宋元时期，或许还稍早些，已经发展成湿法炼铜的胆铜法而应用于生产上，成为大量生产铜的主要方法之一。
所谓胆铜法，就是把铁放在胆矾（就是水合硫酸铜）溶液（俗称胆水）里使胆矾中的铜离子被金属铁所置换而成为单质铜沉积下来的一种产铜方法。这种产铜方法有许多优点。它可以就地取材，在胆水多的地方设置铜场；设备比较简单，技术操作容易，成本低，只要把铁薄片和碎块放入胆水槽中，浸渍几天，就能得到金属铜的粉末。胆铜法可以在常温下提取铜，不必像火法炼铜那样需要高温，这样既节省大量燃料，又不必使用鼓风、熔炼等设备。胆铜法还可以使含有铜的贫矿和富矿都能作原料用。
由于社会经济的发展，宋代铸币感到铜原料不足，而湿法炼铜的胆铜法具有上面的许多优点，所以宋代对胆铜法很重视，应用这种方法生产铜的地方很多，据宋代文献记载，就有十多处。其中以韶州岭水（今广东曲江）、信州铅山（今江西铅山）、饶州德兴（今江西德兴）三场最著名，规模也最大。北宋胆铜产量每年达一百多万斤，占当时铜总产量的百分之十五到二十五。南宋铜产量虽大减，胆铜比重却比以前都高，宋高宗绍兴年间（公元1131年到1162年）胆铜占总产量的百分之八十五以上。
胆铜的生产过程包括两个方面：一是浸铜，二是收取沉积的铜。各场所用方法，有同有异，但总括起来大概有三种：一种是在胆水产地就近随地形高低，挖掘沟槽，用茅席铺底，把生铁击碎，排砌在沟槽里，把胆水引人沟槽浸泡，分节用木板闸断，看上去呈阶梯状。利用铜和铁颜色不一，浸泡后待颜色改变，说明胆水里的铜离子已被铁置换。然后把浸泡过的水放走，把茅席取出，沉积在茅席上的铜就可以收集起来。再引入新的胆水，周而复始地进行生产。另一种是在胆水产地设胆水槽，把铁锻打成薄铁片，排置槽中，用胆水浸没铁片，浸渍几天，薄铁片表面便有一层“赤煤”（铜的粉末）覆盖。把薄铁片从胆水槽中取出，刮取铁片上的“赤煤”。因“赤煤”几乎全是单质的铜，把它放入炼炉里略加炼制，就得纯铜。这种方法和上法大同小异，只是比前法费事得多。不过把铁锻打成薄片浸铜，是有道理的。因为同样重量的铁，用薄铁片浸铜可增加铁的表面面积，加大铁和胆水的接触面积，使铁和胆水中的铜离子接触机会增多，这样既能缩短炼铜时间，又可提高铜的产量。第三种是煎熬法，把胆水引入用铁所做的容器里煎熬。这里盛胆水的工具既是容器，又是化学作用的参加者。煎熬一定时间，就在铁容器上得到铜。煎熬法的长处在于加热和煎熬过程中胆水由稀变浓，都可加速铁和胆水中铜的置换反应，但是这种方法毕竟要用燃料，还需要专人操作，成本高，工多而利少。所以宋代胆铜生产多数胆场基本上用前两种方法。在胆铜生产中，浸铜时间随胆水浓度等不同而有长有短。元末明初的危素（1303—1372）在《浸铜要略序》（见《危太朴文集》）中对饶州兴利场的浸铜时间作了说明：“……其泉三十有二，五日一举洗者一，七日一举洗者十有四，十日一举洗者十有七。”浸铜一次所需时间不同也是符合实际情况的，因为要浸得一定数量的铜，胆水越浓，含铜离子越多，浸铜时间可短些；胆水稀，含铜离子少，浸铜时间就要长一些。《浸铜要略》一书是北宋哲宗（公元1086年到1100年在位）时张潜所撰。危序所反映的当是书中所记述的宋代的情况。综上所述，从浸铜、取铜方法优劣的比较，到浸铜时间的掌握，说明湿法炼铜的胆铜法在宋代已经发展成一套比较完善的工艺。
在欧洲，湿法炼铜出现比较晚。十五世纪五十年代，人们把铁片浸入硫酸铜溶液，偶尔看见铜出现在铁表面，还感到十分惊讶，更谈不上应用这个原理来炼铜了。
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。
第二阶段是西汉到来元时期。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、55习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》，说在令云南会泽、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”。
水排发明干东汉早期，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，由同一时期的永碓和翻车结构推测，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。
湿法冶金的起源——胆铜法
山西大学 邢润川
胆水炼铜，以我国为最早，是湿法冶金的起源，在世界冶金史上占有光辉的一页。
在漫长的历史长河中，我们的祖先在冶炼铜和铁、应用铜铁器的实践中，以及在探索各种物质所进行的变化的一些实验工作中，逐渐对铁和铜的盐类相接触而发生的化学作用有了一些认识。
早在西汉成书的《淮南万毕术》里，就有“曾青得铁则化为铜”的话。曾青又有空青、白青、石胆、胆矾等名称，其实都是天然的硫酸铜。硫酸铜一般呈蓝色结晶体，因在空气里部分风化失掉水分成为白色，所以曾青又叫白青。东汉时的著作《神农本草经》也有“石胆……能化铁为铜”的记载，这和上面的话是一致的。晋葛洪《抱朴子内篇·黄白》中也有“以曾青涂铁，铁赤色如铜”的记载。南北朝时期陶弘景所作的实验，又扩充了以前的范围，不限于硫酸铜，只要是可溶性的铜盐，就会和铁起置换反应。他说：“鸡屎矾……投苦酒中涂铁，皆作铜色。”苦酒指醋酸。鸡屎矾也许是碱式硫酸铜或碱式碳酸铜。它们和硫酸铜不一样，都是难溶于水的物质，所以要加酷酸使它溶解。以上记载都清楚地表明，铁和铜盐能起反应，把铜盐中的铜置换出来。我们把金属活性顺序表和上面的记载略加比较，就能看出我们的祖先对这一现象认识的深刻程度。几种金属活性顺序依次是：钾、钠、钙、镁、铝、锌、铁、锡、铅、（氢）、铜、汞、银、铂、金。金属的位置越排在前面，它的金属活性越强。铁在上面金属活性顺序表中排第七位，而铜却排在第十位（氢除外），说明铁要比铜活动得多。因此，铁能和铜盐起作用而置换出铜。
我们的祖先并没有仅仅停留在上述这一认识上。到了宋元时期，或许还稍早些，已经发展成湿法炼铜的胆铜法而应用于生产上，成为大量生产铜的主要方法之一。
所谓胆铜法，就是把铁放在胆矾（就是水合硫酸铜）溶液（俗称胆水）里使胆矾中的铜离子被金属铁所置换而成为单质铜沉积下来的一种产铜方法。这种产铜方法有许多优点。它可以就地取材，在胆水多的地方设置铜场；设备比较简单，技术操作容易，成本低，只要把铁薄片和碎块放入胆水槽中，浸渍几天，就能得到金属铜的粉末。胆铜法可以在常温下提取铜，不必像火法炼铜那样需要高温，这样既节省大量燃料，又不必使用鼓风、熔炼等设备。胆铜法还可以使含有铜的贫矿和富矿都能作原料用。
由于社会经济的发展，宋代铸币感到铜原料不足，而湿法炼铜的胆铜法具有上面的许多优点，所以宋代对胆铜法很重视，应用这种方法生产铜的地方很多，据宋代文献记载，就有十多处。其中以韶州岭水（今广东曲江）、信州铅山（今江西铅山）、饶州德兴（今江西德兴）三场最著名，规模也最大。北宋胆铜产量每年达一百多万斤，占当时铜总产量的百分之十五到二十五。南宋铜产量虽大减，胆铜比重却比以前都高，宋高宗绍兴年间（公元1131年到1162年）胆铜占总产量的百分之八十五以上。
胆铜的生产过程包括两个方面：一是浸铜，二是收取沉积的铜。各场所用方法，有同有异，但总括起来大概有三种：一种是在胆水产地就近随地形高低，挖掘沟槽，用茅席铺底，把生铁击碎，排砌在沟槽里，把胆水引人沟槽浸泡，分节用木板闸断，看上去呈阶梯状。利用铜和铁颜色不一，浸泡后待颜色改变，说明胆水里的铜离子已被铁置换。然后把浸泡过的水放走，把茅席取出，沉积在茅席上的铜就可以收集起来。再引入新的胆水，周而复始地进行生产。另一种是在胆水产地设胆水槽，把铁锻打成薄铁片，排置槽中，用胆水浸没铁片，浸渍几天，薄铁片表面便有一层“赤煤”（铜的粉末）覆盖。把薄铁片从胆水槽中取出，刮取铁片上的“赤煤”。因“赤煤”几乎全是单质的铜，把它放入炼炉里略加炼制，就得纯铜。这种方法和上法大同小异，只是比前法费事得多。不过把铁锻打成薄片浸铜，是有道理的。因为同样重量的铁，用薄铁片浸铜可增加铁的表面面积，加大铁和胆水的接触面积，使铁和胆水中的铜离子接触机会增多，这样既能缩短炼铜时间，又可提高铜的产量。第三种是煎熬法，把胆水引入用铁所做的容器里煎熬。这里盛胆水的工具既是容器，又是化学作用的参加者。煎熬一定时间，就在铁容器上得到铜。煎熬法的长处在于加热和煎熬过程中胆水由稀变浓，都可加速铁和胆水中铜的置换反应，但是这种方法毕竟要用燃料，还需要专人操作，成本高，工多而利少。所以宋代胆铜生产多数胆场基本上用前两种方法。在胆铜生产中，浸铜时间随胆水浓度等不同而有长有短。元末明初的危素（1303—1372）在《浸铜要略序》（见《危太朴文集》）中对饶州兴利场的浸铜时间作了说明：“……其泉三十有二，五日一举洗者一，七日一举洗者十有四，十日一举洗者十有七。”浸铜一次所需时间不同也是符合实际情况的，因为要浸得一定数量的铜，胆水越浓，含铜离子越多，浸铜时间可短些；胆水稀，含铜离子少，浸铜时间就要长一些。《浸铜要略》一书是北宋哲宗（公元1086年到1100年在位）时张潜所撰。危序所反映的当是书中所记述的宋代的情况。综上所述，从浸铜、取铜方法优劣的比较，到浸铜时间的掌握，说明湿法炼铜的胆铜法在宋代已经发展成一套比较完善的工艺。
在欧洲，湿法炼铜出现比较晚。十五世纪五十年代，人们把铁片浸入硫酸铜溶液，偶尔看见铜出现在铁表面，还感到十分惊讶，更谈不上应用这个原理来炼铜了。
中国古代三大铸造技术
自然科学史研究所 华觉明
“冶石为器，千炉齐设”，晋曹毗《咏冶赋》的著名诗句，真实描绘了我国古代冶铸生产的情景。在我国古代金属加工工艺中，铸造占着突出的地位，具有广泛的社会影响，像“模范”、“陶冶”、“熔铸”、“就范”等习语，就是沿用了铸造业的术语。劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。其中特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要，称古代三大铸造技术。
泥范铸造
我国自新石器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器，有锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就发展起来。
古代文献中有不少关于昆吾（夏代的一个部落，居住在今河南渡阳市境北）制陶、铸铜的记载以及禹铸九鼎的传说。从近年考古发掘来看，夏代已经能熔铸青铜。最初的铸型是使用石范。由于石料不容易加工，又不耐高温，在制陶术发达的基础上，很快就改用泥范，并且在长达三千多年的时间里，在随着近代机器制造业的兴起采用砂型铸造以前，它一直是最主要的铸造方法。
商代早期以河南偃师二里头遗址作为标志，已经用泥范铸造铜锛、铜凿等小型生产工具和铜铃、铜爵等日用器具。稍后，以郑州二里岗作为标志，青铜冶铸业开始发达起来。郑州张寨出土的两件大方鼎，分别重六四·二五和八二·二五千克，表明商代中期铸铜技术已经具有相当水平，从单面范、双面范铸造，发展到能用多个型、芯组成复合铸范铸作重达百斤以上的大型铸件。
盘庚迁殷以后，以安阳小屯殷墟作为标志，青铜冶铸技术达到鼎盛时期。出土和传世的几万件商、周青铜器，既是重要的历史文物，又是冶铸奴隶智慧和才能的结晶，它们的学术、艺术价值和技术水平是世所公认的。
为了获得形状高度复杂、花纹精细奇丽的青铜铸件，古代冶铸工匠采取了一系列重要的工艺措施，例如：
在造型材料的制备上，就地取材，精选质地纯净、耐火度比较高的砂泥，予以练制，铸型表层所用的面泥，用水澄洗，得到极细极纯的澄泥（澄泥），这种泥料有很好的塑性和强度，翻制铸范的时候能得到很高的清晰度和准确度。背泥却采用比较粗的泥料或杂以砂子、植物质，以减少澄泥的耗用量，增加铸范的透气性。所有泥料都要经过长期阴干，反覆摔扫，使它高度匀熟，不致在造型、干燥的时候开裂。
在造型工艺上，以分铸法作为基本工艺原则，获得复杂的器形：或者先铸器身，再在上合范浇注附件（如兽头、柱等）；或者先铸得附件（如鼎的耳、足等），再在浇注器身的时候铸接成一体。著名的四羊尊（湖南宁乡出土）就是使用了分铸法才铸成的。这个方法的起源可以上溯到二里岗期（商代前期），到小屯期（商代后期），基本型式已经大体具备。春秋时期，先铸附件后铸器身成为分铸法的主流，新郑彝器和战国时期的鼎、壶等类多半是这样铸成的。运用简单的工艺原则成功地解决复杂的工艺问题，执简御繁，平凡的劳动中显现出独具的匠心，这是古代劳动人民的卓越创造，也是了解商周青铜器铸造技术的一个关键。把像四羊尊这样复杂的器物误认为失蜡铸件，是不符合实际的，把商周青铜器说得神秘莫测，不可逾越，那更是错误的。
此外，对于范芯的干燥、焙烧、装配，均匀壁厚使它达到同时凝固，预热铸型使它能顺利浇注等方面，商周时期都已经摸索出了一整套成熟的工艺，不但为后代的泥范铸造，也为金属型和熔模铸造，奠定了技术基础。
但是，在剥削阶级占有生产资料、掌握国家机器的社会条件下，劳动人民的科学技术创造成果总是被统治者所攫取，用来镇压、欺骗人民，满足他们穷奢极欲的腐朽生活需要。商周青铜器中，礼、乐、兵、车四类占了绝大多数，生产工具为数很少，许多明器（陪葬器物）铸成后就埋置地下。这种情形极大地阻碍了社会生产力的发展。以致在长达一千多年的时间里，泥范铸造基本上停留在一次型的阶段，到春秋时期才用多次型（半永久性泥型）铸造铜工具（镢）。
我国古代泥范铸造的又一个杰出成就，是叠铸法的早期出现和广泛应用。所谓叠铸是把许多个范块或成对范片叠合装配，由一个共用的浇道进行浇注，一次得到几十甚至几百个铸件。这种方法在近代是随着大机器生产的出现，需要大批小型铸件（如活塞坏、链节等），才发展起来的。由于它生产率高，成本比较低，可以节省造型、浇注面积，目前仍在广泛应用。我国最早的叠铸件是战国时期的齐刀币，是用铜质范盒翻制出具有高度对称性和互换性的范片，每两片合成一层，多层叠浇而成。到了汉代，广泛用于钱币、车马器的生产。近年来，在陕西、河南、山东等省，这种铸范和烘窑多有出土。特别是河南温县西招贤村汉代冶铸遗址一个烘范 窑，就发掘出十六类、三十六种规格的五百多套叠铸范，为我们了解这一工艺提供了很可贵的实物资料。它们结构巧妙，制作精细，为便于清理铸件，内浇口厚度只有二到三·五毫米。用这些铸范浇出的铸件，表面光洁度达到五级（光洁度共分十四级）。金属收得率可以达到百分之九十，工艺水平和广东佛山近代所用同类方法已经札当接近。
用泥范铸造大型和特大型铸件，从唐宋时期起，有很大发展。沧州五代时期的铁狮，当阳北宋的铁塔，北京大钟寺明代的大钟，都是世界闻名的巨大铸件。宋应星《天工开物》卷八记述了两种浇注大件的方法：一是用多个行炉相继倾注（千斤以内的钟），一是用多个熔炉槽注（万钧钟）。这在古代手工业生产的技术条件下，应当说是一种巧妙而又需要熟练技巧和很好组织协同的工艺措施。就是在现代，要成功地浇注三四十吨的大铸件，也不是一件轻而易举的事。
金属型铸造
铸型材料从石和泥、砂改用金属，从一次型经多次型又改进成为耐用性更高的所谓“永久”型（就是金属型），在铸造技术的历史发展上具有重要的意义。1953年河北兴隆铁范的发现，证明我国早在战国时期已经用白口铁的金属型浇注生铁铸件。这批铁范包括锄、镰、斧、凿、车具等类共八十七件，大部完整配套。其中，镰和凿是一范两件，锄和斧还采用了金属芯。它们的结构十分紧凑，颇具特色。范的形状和铸件相吻合，使壁厚均匀，利于散热：范壁带有把手，以便握持，又能增加范的刚度。可以说是创造了一种中国风格的金属型，并且在那个时候已经大体定型了。近年来，在河南南阳、郑州、镇平和河北满城、山东莱芜等地又陆续出土汉代铁范许多件，品种比战国时期显著增多，型式却基本相同。河南泥池汉魏铁器窖藏中还有铸造成形铁板和矢镞的铁范以及长达半米的大型铁犁范。
除铁制金属型外，战国时期和汉代已经用铜制金属型铸造钱币（如传世和出土的五铢铜范等）。它们在生产中起着重要作用，但是在文献中，却很少看到记载。《汉书·董仲舒传》里说：“犹金之在镕，惟冶者之所为。”“镕”字注：“谓铸器之模范也。”这可以认作是金属型铸造的最早记述。但是后来这个“镕”字多和“熔”字通用，失却它的本意了。
曾经有一种意见，认为铁范在我国很早发明，以后失传了，到近代才又从国外引进。这是不对的。因为，虽然锄、镰等小农具，在唐宋以后，由于炒铁的发明和推广，已经由铸制改成缎制，但是，犁镜一类却直到近代仍有用铁范铸造的。从战国、秦、汉起，由泥范翻铸铁范、再由铁范翻铸铁器的工艺方法基本上延续不变，是一脉相承的，在工艺操作上形成一套合乎科学原理的办法。例如：用铁水预热铸型（最初浇注的若干件作为废品或次品处理），使用双层涂料，浇注以后及时打箱，除使用金属芯外还采用泥芯，使用简易的装十机构等，由于金属型生产率高，使用寿命长（小型铸件可以达到几百次），产品规格齐整，又能保证得到白口组织（在浇注铁件的时候），它和铸铁柔化术配合使用，在古代农具铸造上发挥十分重要的作用。《汉书·沟洫志》描绘汉代大规模兴修水利的情景说：“举臿如云，决渠为雨。”出土铁器的检验表明，在这么多的铁工具中，有相当数量应该是由金属型铸成的。
用铁范铸炮是我国传统金属型铸造的一个创造。第一次鸦片战争时期，在浙江省炮局监制军械的龚振麟，为了赶铸炮位，打击侵略者，曾经创议用铁范铸炮并且得到成功。他所撰写的《铁模铸炮图说》，由魏源（1794—1857）收入《海国图志》中，得以保存到现在。它是世界上最早论述金属型铸造的科学著作。书中总结了使用铁范的一些优点，如一范多铸，成本低，工效高（“用一工之费而收数百工之利”，“用匠之省无算”），减少表面清理和旋洗内膛的工作量，铸型不含水气，不出气孔，收藏、维护方便，如果战事紧迫，能很快投产以应急需，等等。所有这些都讲得比较真切，和现代铸造学对金属型的认识是一致的。虽然由于清代反动政府的腐败无能以及此后不久钢炮的发明，这种工艺没有可能进一步发展，但是龚振麟的爱国主义和首创精神，仍是值得赞扬的，他的创造是来源于历代劳动人民的生产实践的。
熔模铸造
传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造，无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且，现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。
清代的桂馥（1736—1805）说：“汉印多拨蜡”。一些带兽钮的汉代印章，钮制细小，形体复杂，又没有明显的熬、凿痕迹，很可能是失蜡铸造的。云南石寨山出土的汉代滇族文物贮贝器盖（参看本书第518页的图），也是失蜡铸件。
1978年湖北随县出土的曾侯乙尊盘和1979年河南浙川出土的楚国铜禁，经研究，都是失蜡法所铸，说明中国在春秋时期已经发明这种技术。
《唐会要》卷八十九说，开元通宝已经使用蜡模（原文是“”，古“蜡”字），这可以说是失蜡法的最早文献记载。现在传世和出土，的开元钱，还有一种是带甲痕的，据说就是用蜡模铸造留下的痕迹。
宋代赵希鹄著的《洞天清禄集》里具体地记述了这一工艺，是用蜡刻画成模，放在桶状的容器里，经用澄泥浆多次浇淋以后，撤去桶板，再加敷含有盐和纸筋的细泥和背泥，做成铸型，然后出蜡浇注。这种方法用于小型铸件，和明清时期失蜡铸印工艺比较接近。
现代熔模铸造多数也用于小型铸件，铸件过大，精度不容易保证。古代熔模铸造多用于艺术铸件或钟、鎛等，精度要求不像现代机械零件那样严格。因此，如《天工开物》所记述，有用失蜡法来铸“万钩钟”的。它采用地坑造型；蜡料由牛油、黄蜡调制，油蜡是八和二之比（“油居什八，蜡居什二”），泥料中加入炭末以减少收缩，增加透气性，并且使表面光洁：每一斤蜡料，配铜十斤。附图是《天工开物·冶铸篇》所载塑钟模图（铁钟模是泥制的）。
元代设出蜡局，专管失蜡铸造。清代内务府造办处等也设有专职工匠，现存故宫博物院、颐和园的铜狮、铜象、铜鹤、狻猊等，都是有代表性的艺术价值很高的失蜡铸件，颐和园铜亭的某些构件也是用失蜡法铸成的，亭壁镌刻有拨蜡工杨国柱、张成、韩忠、高永固四位匠师的姓氏，可作佐证。
以上事实说明失蜡法在我国有悠久的历史，具有自己的工艺特点和艺术风格。但是，在封建制和旧中国半封建半殖民地生产关系的桎梏下，这一传统工艺只在很狭窄的范围里应用（主要是用来铸造用一般方法无法得到的艺术铸件和用于宗教迷信的神像等），未能向现代精密铸造工艺转化。只是在新中国成立后，革命解放了生产力，熔模铸造车间才得以成批建立，并逐步实现机械化和自动化。在“古为今用”方针指引下，传统的失蜡铸造目前在生产中仍有应用，它和泥范、铁范一样，都是劳动人民创造的珍贵的科学技术遗产，可供我们学习、借鉴。
自然科学史研究所 华觉明
“冶石为器，千炉齐设”，晋曹毗《咏冶赋》的著名诗句，真实描绘了我国古代冶铸生产的情景。在我国古代金属加工工艺中，铸造占着突出的地位，具有广泛的社会影响，像“模范”、“陶冶”、“熔铸”、“就范”等习语，就是沿用了铸造业的术语。劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。其中特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要，称古代三大铸造技术。
泥范铸造
我国自新石器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器，有锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就发展起来。
古代文献中有不少关于昆吾（夏代的一个部落，居住在今河南渡阳市境北）制陶、铸铜的记载以及禹铸九鼎的传说。从近年考古发掘来看，夏代已经能熔铸青铜。最初的铸型是使用石范。由于石料不容易加工，又不耐高温，在制陶术发达的基础上，很快就改用泥范，并且在长达三千多年的时间里，在随着近代机器制造业的兴起采用砂型铸造以前，它一直是最主要的铸造方法。
商代早期以河南偃师二里头遗址作为标志，已经用泥范铸造铜锛、铜凿等小型生产工具和铜铃、铜爵等日用器具。稍后，以郑州二里岗作为标志，青铜冶铸业开始发达起来。郑州张寨出土的两件大方鼎，分别重六四·二五和八二·二五千克，表明商代中期铸铜技术已经具有相当水平，从单面范、双面范铸造，发展到能用多个型、芯组成复合铸范铸作重达百斤以上的大型铸件。
盘庚迁殷以后，以安阳小屯殷墟作为标志，青铜冶铸技术达到鼎盛时期。出土和传世的几万件商、周青铜器，既是重要的历史文物，又是冶铸奴隶智慧和才能的结晶，它们的学术、艺术价值和技术水平是世所公认的。
为了获得形状高度复杂、花纹精细奇丽的青铜铸件，古代冶铸工匠采取了一系列重要的工艺措施，例如：
在造型材料的制备上，就地取材，精选质地纯净、耐火度比较高的砂泥，予以练制，铸型表层所用的面泥，用水澄洗，得到极细极纯的澄泥（澄泥），这种泥料有很好的塑性和强度，翻制铸范的时候能得到很高的清晰度和准确度。背泥却采用比较粗的泥料或杂以砂子、植物质，以减少澄泥的耗用量，增加铸范的透气性。所有泥料都要经过长期阴干，反覆摔扫，使它高度匀熟，不致在造型、干燥的时候开裂。
在造型工艺上，以分铸法作为基本工艺原则，获得复杂的器形：或者先铸器身，再在上合范浇注附件（如兽头、柱等）；或者先铸得附件（如鼎的耳、足等），再在浇注器身的时候铸接成一体。著名的四羊尊（湖南宁乡出土）就是使用了分铸法才铸成的。这个方法的起源可以上溯到二里岗期（商代前期），到小屯期（商代后期），基本型式已经大体具备。春秋时期，先铸附件后铸器身成为分铸法的主流，新郑彝器和战国时期的鼎、壶等类多半是这样铸成的。运用简单的工艺原则成功地解决复杂的工艺问题，执简御繁，平凡的劳动中显现出独具的匠心，这是古代劳动人民的卓越创造，也是了解商周青铜器铸造技术的一个关键。把像四羊尊这样复杂的器物误认为失蜡铸件，是不符合实际的，把商周青铜器说得神秘莫测，不可逾越，那更是错误的。
此外，对于范芯的干燥、焙烧、装配，均匀壁厚使它达到同时凝固，预热铸型使它能顺利浇注等方面，商周时期都已经摸索出了一整套成熟的工艺，不但为后代的泥范铸造，也为金属型和熔模铸造，奠定了技术基础。
但是，在剥削阶级占有生产资料、掌握国家机器的社会条件下，劳动人民的科学技术创造成果总是被统治者所攫取，用来镇压、欺骗人民，满足他们穷奢极欲的腐朽生活需要。商周青铜器中，礼、乐、兵、车四类占了绝大多数，生产工具为数很少，许多明器（陪葬器物）铸成后就埋置地下。这种情形极大地阻碍了社会生产力的发展。以致在长达一千多年的时间里，泥范铸造基本上停留在一次型的阶段，到春秋时期才用多次型（半永久性泥型）铸造铜工具（镢）。
我国古代泥范铸造的又一个杰出成就，是叠铸法的早期出现和广泛应用。所谓叠铸是把许多个范块或成对范片叠合装配，由一个共用的浇道进行浇注，一次得到几十甚至几百个铸件。这种方法在近代是随着大机器生产的出现，需要大批小型铸件（如活塞坏、链节等），才发展起来的。由于它生产率高，成本比较低，可以节省造型、浇注面积，目前仍在广泛应用。我国最早的叠铸件是战国时期的齐刀币，是用铜质范盒翻制出具有高度对称性和互换性的范片，每两片合成一层，多层叠浇而成。到了汉代，广泛用于钱币、车马器的生产。近年来，在陕西、河南、山东等省，这种铸范和烘窑多有出土。特别是河南温县西招贤村汉代冶铸遗址一个烘范 窑，就发掘出十六类、三十六种规格的五百多套叠铸范，为我们了解这一工艺提供了很可贵的实物资料。它们结构巧妙，制作精细，为便于清理铸件，内浇口厚度只有二到三·五毫米。用这些铸范浇出的铸件，表面光洁度达到五级（光洁度共分十四级）。金属收得率可以达到百分之九十，工艺水平和广东佛山近代所用同类方法已经札当接近。
用泥范铸造大型和特大型铸件，从唐宋时期起，有很大发展。沧州五代时期的铁狮，当阳北宋的铁塔，北京大钟寺明代的大钟，都是世界闻名的巨大铸件。宋应星《天工开物》卷八记述了两种浇注大件的方法：一是用多个行炉相继倾注（千斤以内的钟），一是用多个熔炉槽注（万钧钟）。这在古代手工业生产的技术条件下，应当说是一种巧妙而又需要熟练技巧和很好组织协同的工艺措施。就是在现代，要成功地浇注三四十吨的大铸件，也不是一件轻而易举的事。
金属型铸造
铸型材料从石和泥、砂改用金属，从一次型经多次型又改进成为耐用性更高的所谓“永久”型（就是金属型），在铸造技术的历史发展上具有重要的意义。1953年河北兴隆铁范的发现，证明我国早在战国时期已经用白口铁的金属型浇注生铁铸件。这批铁范包括锄、镰、斧、凿、车具等类共八十七件，大部完整配套。其中，镰和凿是一范两件，锄和斧还采用了金属芯。它们的结构十分紧凑，颇具特色。范的形状和铸件相吻合，使壁厚均匀，利于散热：范壁带有把手，以便握持，又能增加范的刚度。可以说是创造了一种中国风格的金属型，并且在那个时候已经大体定型了。近年来，在河南南阳、郑州、镇平和河北满城、山东莱芜等地又陆续出土汉代铁范许多件，品种比战国时期显著增多，型式却基本相同。河南泥池汉魏铁器窖藏中还有铸造成形铁板和矢镞的铁范以及长达半米的大型铁犁范。
除铁制金属型外，战国时期和汉代已经用铜制金属型铸造钱币（如传世和出土的五铢铜范等）。它们在生产中起着重要作用，但是在文献中，却很少看到记载。《汉书·董仲舒传》里说：“犹金之在镕，惟冶者之所为。”“镕”字注：“谓铸器之模范也。”这可以认作是金属型铸造的最早记述。但是后来这个“镕”字多和“熔”字通用，失却它的本意了。
曾经有一种意见，认为铁范在我国很早发明，以后失传了，到近代才又从国外引进。这是不对的。因为，虽然锄、镰等小农具，在唐宋以后，由于炒铁的发明和推广，已经由铸制改成缎制，但是，犁镜一类却直到近代仍有用铁范铸造的。从战国、秦、汉起，由泥范翻铸铁范、再由铁范翻铸铁器的工艺方法基本上延续不变，是一脉相承的，在工艺操作上形成一套合乎科学原理的办法。例如：用铁水预热铸型（最初浇注的若干件作为废品或次品处理），使用双层涂料，浇注以后及时打箱，除使用金属芯外还采用泥芯，使用简易的装十机构等，由于金属型生产率高，使用寿命长（小型铸件可以达到几百次），产品规格齐整，又能保证得到白口组织（在浇注铁件的时候），它和铸铁柔化术配合使用，在古代农具铸造上发挥十分重要的作用。《汉书·沟洫志》描绘汉代大规模兴修水利的情景说：“举臿如云，决渠为雨。”出土铁器的检验表明，在这么多的铁工具中，有相当数量应该是由金属型铸成的。
用铁范铸炮是我国传统金属型铸造的一个创造。第一次鸦片战争时期，在浙江省炮局监制军械的龚振麟，为了赶铸炮位，打击侵略者，曾经创议用铁范铸炮并且得到成功。他所撰写的《铁模铸炮图说》，由魏源（1794—1857）收入《海国图志》中，得以保存到现在。它是世界上最早论述金属型铸造的科学著作。书中总结了使用铁范的一些优点，如一范多铸，成本低，工效高（“用一工之费而收数百工之利”，“用匠之省无算”），减少表面清理和旋洗内膛的工作量，铸型不含水气，不出气孔，收藏、维护方便，如果战事紧迫，能很快投产以应急需，等等。所有这些都讲得比较真切，和现代铸造学对金属型的认识是一致的。虽然由于清代反动政府的腐败无能以及此后不久钢炮的发明，这种工艺没有可能进一步发展，但是龚振麟的爱国主义和首创精神，仍是值得赞扬的，他的创造是来源于历代劳动人民的生产实践的。
熔模铸造
传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造，无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且，现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。
清代的桂馥（1736—1805）说：“汉印多拨蜡”。一些带兽钮的汉代印章，钮制细小，形体复杂，又没有明显的熬、凿痕迹，很可能是失蜡铸造的。云南石寨山出土的汉代滇族文物贮贝器盖（参看本书第518页的图），也是失蜡铸件。
1978年湖北随县出土的曾侯乙尊盘和1979年河南浙川出土的楚国铜禁，经研究，都是失蜡法所铸，说明中国在春秋时期已经发明这种技术。
《唐会要》卷八十九说，开元通宝已经使用蜡模（原文是“”，古“蜡”字），这可以说是失蜡法的最早文献记载。现在传世和出土，的开元钱，还有一种是带甲痕的，据说就是用蜡模铸造留下的痕迹。
宋代赵希鹄著的《洞天清禄集》里具体地记述了这一工艺，是用蜡刻画成模，放在桶状的容器里，经用澄泥浆多次浇淋以后，撤去桶板，再加敷含有盐和纸筋的细泥和背泥，做成铸型，然后出蜡浇注。这种方法用于小型铸件，和明清时期失蜡铸印工艺比较接近。
现代熔模铸造多数也用于小型铸件，铸件过大，精度不容易保证。古代熔模铸造多用于艺术铸件或钟、鎛等，精度要求不像现代机械零件那样严格。因此，如《天工开物》所记述，有用失蜡法来铸“万钩钟”的。它采用地坑造型；蜡料由牛油、黄蜡调制，油蜡是八和二之比（“油居什八，蜡居什二”），泥料中加入炭末以减少收缩，增加透气性，并且使表面光洁：每一斤蜡料，配铜十斤。附图是《天工开物·冶铸篇》所载塑钟模图（铁钟模是泥制的）。
元代设出蜡局，专管失蜡铸造。清代内务府造办处等也设有专职工匠，现存故宫博物院、颐和园的铜狮、铜象、铜鹤、狻猊等，都是有代表性的艺术价值很高的失蜡铸件，颐和园铜亭的某些构件也是用失蜡法铸成的，亭壁镌刻有拨蜡工杨国柱、张成、韩忠、高永固四位匠师的姓氏，可作佐证。
以上事实说明失蜡法在我国有悠久的历史，具有自己的工艺特点和艺术风格。但是，在封建制和旧中国半封建半殖民地生产关系的桎梏下，这一传统工艺只在很狭窄的范围里应用（主要是用来铸造用一般方法无法得到的艺术铸件和用于宗教迷信的神像等），未能向现代精密铸造工艺转化。只是在新中国成立后，革命解放了生产力，熔模铸造车间才得以成批建立，并逐步实现机械化和自动化。在“古为今用”方针指引下，传统的失蜡铸造目前在生产中仍有应用，它和泥范、铁范一样，都是劳动人民创造的珍贵的科学技术遗产，可供我们学习、借鉴。