㈠ 中國古代煉鋼技術怎麼樣
我國古代煉鋼技術至遲發明於春秋晚期。由先秦到西漢中晚期，主要制鋼工藝是塊鐵滲碳法；由漢代到明清，主要又是炒鋼法和灌鋼法，其次還有百煉鋼法和炒鐵滲碳法，漢魏南北朝時還有「鑄鐵脫碳鋼」，漢代還有坩堝煉鋼法。炒鋼工藝主要生產一般的可鍛鐵（包括鋼和熟鐵），灌鋼工藝主要生產含碳較高的刃鋼，百煉鋼是對普通炒鋼的再加工。「鑄鐵脫碳鋼」和炒鐵滲碳鋼工藝將在第五章介紹，這里主要討論其他五種。
一、煉鋼術的發明和塊鐵滲碳鋼之使用
今在考古發掘中所見我國最早的鋼制器物是1976年長沙楊家山出土的春秋晚期鋼劍，劍全長38.4厘米，身長30.6厘米。經分析，含碳量約與中碳鋼相當，組織均勻緻密。長沙鐵路東站建設工程文物發掘隊：《長沙新發現春秋晚期的鋼劍和鐵器》，《文物》1978年第10期。可知我國古代制鋼術至遲在春秋晚期便已發明。戰國中晚期後，煉鋼術在我國南北許多地方都迅速發展起來，並首先在南方的楚國達到較高水平。《史記And#8226；；范雎列傳》雲:秦昭王臨朝嘆息曰:「吾聞楚之鐵劍利而倡優拙。」《荀子And#8226；；議兵》亦雲:「宛鉅鐵釶，慘如蠭蠆。」「宛」治所在今南陽。「鉅」即鋼，「釶」即矛。《荀子And#8226；；議兵》楊倞注。此鋒利的「鐵劍」、「鐵矛」，顯然由鋼製成。中原的韓國也製作了許多鋒利兵器，《戰國策And#8226；；韓策一》說:「韓卒之劍戟，皆出於冥山、棠溪、墨陽、合伯（膊）、鄧師、宛馮、龍淵、太阿。皆陸斷馬牛，水擊鵠雁，當敵即斬。」這些鋒利的劍戟，後世學者一般都認為是鋼鐵所制。其中的冥山（今信縣境）、棠溪（西平縣境）、合伯（西平縣境）、馮池（滎陽縣境）《史記And#8226；；蘇秦列傳》引「徐廣曰：滎陽有馮池」。索隱：「宛人於馮池鑄劍故號宛馮」，「鄧國有工鑄劍，因名鄧師。」鄧國在今河南漯河市東南。、龍泉、太阿（均在西平縣境，今為舞陽鋼鐵廠管轄）等處都發現了古代冶鐵遺址。董文安：《韓國十大寶劍產地初考》，全國金屬學史學術討論會論文，1989年，舞陽。墨陽在今河南淅川縣。1965年，河北易縣燕下都第44號墓出土鋼鐵劍15枚、矛19枚、戟12枚等；人們分析了其中的6枚兵刃器，除1枚為塊煉鐵外，其餘5枚皆由鋼製成。北京鋼鐵學院壓力加工專業：《易縣燕下都44號墓葬鐵器金相考察初步報告》。《考古》1975年第4期，發掘報告見同刊同期《河北易縣燕下都44號墓發掘簡報》。說明當時北方的燕國制鋼術亦已發展起來。
人類早期冶煉的鋼一般都是在低溫還原冶煉後再經滲碳而成，整個過程約分兩步:第一步先由礦石煉取塊煉鐵，第二步再由塊煉鐵滲碳成鋼。此滲碳過程中要不斷地折疊鍛打，以幫助碳的擴散。這樣得到的鋼便叫塊鐵滲碳鋼。燕下都鋼劍等兵器就是由這種鋼製成的。如若控製得當，也有不經第二步，而一次還原冶煉成鋼的，這種鋼便叫塊煉鋼或自然鋼。這兩種鋼的強度和硬度均較塊煉鐵為高。其缺點是:（1）含碳量一般較低。（2）碳分布往往不夠均勻。（3）鋼中所含夾雜往往較多。（4）生產率較低。在中原文化區，這種制鋼工藝一直沿用到西漢中期，之後由於炒鋼的發明和發展而漸被取代。滿城漢墓出土的劉勝佩劍和錯金書刀等皆由塊鐵滲碳鋼製成，其夾雜已較燕下都鋼劍為少，組織亦較之均勻緻密。這種鋼主要用來製作刀劍等兵刃器，農業和手工業中使用甚少。
二、炒鋼及其工藝操作
炒鋼工藝是一種半液態冶煉。它以生鐵為原料，把生鐵加熱到液態半液態後，利用鼓風中的氧使生鐵脫碳到鋼和熟鐵的成分范圍。冶煉過程中要不斷地炒動金屬。古謂之「擣剛」，本世紀五十年代以前，習謂之炒鐵、炒「熟鐵」。
（一）炒鋼的發明和發展
我國古代炒鋼技術約發明於西漢中晚期，今見較早的遺物有:鞏縣鐵生溝、南陽瓦房庄、新安孤燈村等冶鑄鐵遺址出土的漢代炒鋼爐，以及鐵生溝出土的鐵塊、殘鐵鋤、鐵臿等14件炒煉產品。鐵生溝炒鋼爐系向地下挖出的缶形小坑，內塗耐火泥，長0.37米，寬0.28米，殘高0.15米，爐壁已被燒成黑色，內中殘存一鐵塊。河南省文化局文物工作隊：《鞏縣鐵生溝》，文物出版社1962年版，趙青雲等：《鞏縣鐵生溝漢代冶鑄遺址再探討》，《考古學報》1985年第2期。我國古代關於炒鋼的記載始見於東漢中晚期。《太平經》卷七十二雲:「今軍師兵，不祥之器也……有急乃後使工師擊治石，求其中鐵，燒冶之，使成水，乃後使良工萬鍛之，乃成莫邪耶？」此「莫邪」指鋒利兵器。「燒冶之」等三句所指即是炒煉及其制器的全過程。《太平經》系道家著作，基本上保持了東漢中晚期的原貌。
炒鋼的發明，迅速地改變了我國社會可鍛鐵的使用情況。1952-1953年，洛陽燒溝發掘了225座西漢中期至東漢晚期墓葬，出土鋼鐵刀116枚、劍33枚、矛5枚、斧4枚；而在青銅兵器刃器中，只有銅刀7枚（儀仗器），矛1枚，無劍。中國科學院考古研究所：《洛陽燒溝漢墓》，科學出版社1959年版。1957-1958年，洛陽西郊發掘217座同一時期的漢墓，出土鋼鐵刀52枚，劍58枚，戟1枚，斧1枚；青銅兵刃器只有刀1枚。中國科學院考古研究所洛陽發掘隊：《洛陽西郊漢墓發掘報告》，《考古學報》1963年第2期。西漢中期以後，除了弩機和鏃仍然較多地使用青銅外，其他兵器刃器已多用鋼鐵製作，其原料顯然是炒鋼。這樣，鋼鐵器物便在農業、手工業、軍事三方面完全取代了青銅和木石的主導地位。
炒鋼工藝在我國由漢代一直沿用到明清。有關記載在唐《夏侯陽算經》、宋蘇頌《圖經本草》、明唐順之《武編前編》、趙常吉《神器譜》、朱國楨《涌幢小品》、清屈大均《廣東新語》等書中都可看到。《廣東新語》卷一五「貨語And#8226；；鐵」條說:「其炒鐵則以生鐵團之入爐，火燒透紅乃出而置砧上，一人鉗之，二三人錘之，旁十餘童子扇之，童子必唱歌不輟，然後可煉熟而為鑊也。」1920年出版的耿步蟾《山西礦務志略》卷五說:「將煉出之生鐵加煤末燒之，使化為鐵汁，冷後復置於炒鐵爐內炒之，即成熟鐵。」二十世紀八十年代，湖南攸縣等地仍用此法生產。
炒鋼工藝的優點是:（1）用作原料的生鐵易於獲得，就擴大了原料來源。（2）冶煉在半液態下進行，脫碳反映較為迅速，生產率較高。（3）成分范圍較寬。據分析，鐵生溝所出一件炒鋼料含碳1.288%、硅0.231%、錳0.017%、磷0.024%、硫0.022%，與過共析高碳鋼相當；另一件成分為:碳0.048%、硅2.35%、錳微量、磷0.154%、硫0.012%，與今之熟鐵相當。李眾：《中國封建社會前期鋼鐵冶煉技術發展的探討》，《考古學報》1975年第2期。今世學者常把先煉生鐵，後再由生鐵煉鋼的工藝叫兩步冶煉，那麼炒鋼的出現便是兩步冶煉的某點，在世界冶金史上佔有重要地位。在歐洲，與炒鋼相類似的工藝大約在十六、十七世紀才出現，整個中世紀佔主導地位的是自然鋼法和塊鐵滲碳法。因此其可鍛鐵供應長時期不夠充分，這對社會的進步自然是有影響的。
炒鋼法是我國古代可鍛鐵生產的基本工藝，其主要用途有三:（1）製作一般鍛件。由漢到明清，我國一般鍛件，包括生產工具、生活用具和兵刃器中的鍛件大約都是炒鋼及其再加工的產品製成的。（2）用作百煉鋼的原料。（3）用作灌鋼的原料。
（二）炒鋼的工藝操作
我國炒鋼主要有三種不同的工藝類型:
（1）單室式炒煉。基本特點是金屬熔煉與燃料燃燒同在一個爐膛中進行。此法發明較早，沿用時間較長，前述鞏縣鐵生溝、南陽瓦房庄、新安孤燈村漢代炒煉法皆屬此類。本世紀五十年代，河南、山西等地都曾流行過一種「地爐」，築爐於地面以下，狀如缶形或直筒形，爐口與地面平直。冶煉時先放木炭（煤炭），後放生鐵，生鐵需擊碎，上面再蓋以煤末。之後再點火、送風、封閉爐口。生鐵接近熔化時，啟開爐口，用鐵棍或木棍不斷地攪動金屬。隨著炒煉之進行，碳分不斷降低，金屬熔點升高，便粘結成一個海綿狀固體塊，之後夾出錘擊，排除夾雜，並賦予一定形狀，便是炒煉產品。南方一些省分又流行過一種「台爐」，築爐於專門的爐台上，並有一個較大的加熱兼炒煉空間。溫州地區的炒爐以磚砌成，狀如雞籠，爐底接近地平面，炒煉室是一個不規則的長方形空間，爐子正面設一爐口，在此進料、操作、出鋼，並由此逸出廢氣；鼓風從爐底進入，並正對爐底正中；操作法與地爐大同小異。湖南攸縣也有類似的爐子溫州炒煉工藝系1977年調查，攸縣炒鋼系1980年調查，當年皆在生產。單室式炒煉的優點是設備簡單，缺點是因金屬與燃料直接接觸，所含有害夾雜往往較多。
（2）雙室式炒煉，或叫反射爐（倒焰爐）炒煉。基本特點是燃料燃燒與金屬熔煉各佔一個獨立的空間。燃料燃燒產生的高溫火焰流越過火牆（火道）進入熔煉室，並加熱金屬，之後從爐門或專門設置的煙囪排出。因其金屬不與燃料直接接觸，就減少了有害雜質磷、硫進入其中的可能性。這種煉鋼法的發明時間待考。1935年出版的《中國實業志（湖南省）》第七編說:「湘省邵陽、武岡、新寧、湘潭縣之土法煉鋼，由來已久。邵陽原名寶慶，所產之鋼，稱曰『寶慶大條鋼』。邵陽附近之武岡、新寧出品，均集中於邵陽，業中人亦以『寶慶大條鋼』名之。前清初葉，寶慶大條鋼，極負盛名，而產之多，首推邵陽南鄉。」因寶慶大條鋼系倒焰爐所煉，由這段記載看，反射爐發明年代應在清代初葉以前。今在考古發掘中所見最早的倒焰窯是南京眼香廟發現的明洪武初年所建一排六座琉璃窯。南京博物院：《明代南京聚寶山琉璃窯》，《文物》1960年第2期。1958年，這種倒焰爐煉鋼在我國南北許多地方都使用過。河南魯山的爐子較為簡單，兩室左右相近，皆築於地面以下，鼓風從燃燒室下部進入，後從炒煉室頂部進入炒煉室。西安的爐子又另是一個樣，炒煉室築於地面以下，燃燒室築於地面以上，兩室上下疊加，燃燒室底部正對炒煉室中心，風從燃燒室上部鼓入，再經由燃燒室底部火口直射到炒煉室中。燃燒室頂口用蓋板封閉。科技衛生出版社編：《土法低溫煉鋼》第六編《最簡單的反射爐煉鋼》，1958年版。
（3）串聯式炒煉。有關記載唯見於明代宋應星《天工開物》卷一四「鐵」條:「若造熟鐵，則生鐵流出時，相連數尺內，低下數寸，築一方塘，短牆抵之。其鐵流入塘內，數人執持柳木棍排立牆上。先以污潮泥曬干。舂篩細羅如面，一人疾手撒And#63083；；，眾人柳棍疾攪，即時炒成熟鐵。其柳棍每炒一次燒折二三寸，再用則又更之。炒過稍冷之時，或有就塘內斬劃成方塊者，或有提出揮椎打圓後貨者。若瀏陽諸冶，不知出此也。」此「污潮泥」很可能是造渣熔劑。這里談到了串聯式炒煉的全過程。此法的優點是生鐵出爐後直接流入方塘炒煉，省去了生鐵再加熱的工序，從而節省了工時，降低了成本。
需要特別注意的是古代「熟鐵」一詞，宋應星在上述引文中曾兩次提及，在其他古代文獻中也經常看到，其含義與現代熟鐵是不同的。古人沒有含碳量的概念，區別生鐵、鋼、熟鐵的主要依據是它的使用性能，硬且脆者為「生」，可鍛者為「熟」，其性剛強者為鋼。因炒煉過程是在半液態下進行的，渣鐵分離較難，產品所含夾雜往往較多，即使含碳量較高，但其性不剛，也只能稱作「熟鐵」。元人偽撰《格物粗談》卷下「偶記」條雲:「地溲油又如泥，色黃金，氣腥烈，柔鐵燒赤投之二三次，剛可切玉。」此「柔鐵」即「熟鐵」。蘇恭《唐本草》雲:「柔鐵也，即熟鐵。」這是以材料性能來區分鋼和「熟鐵」的。蘇頌《圖經本草》雲:「初煉去礦，用以鑄瀉器物者為生鐵，再三銷拍，可以作鍱者為鑐鐵，亦謂之熟鐵。」蘇恭《唐本草》、蘇頌《圖經本草》皆引自《本草綱目》卷八「金石；；鐵」。這是以材料性能和冶煉工藝來區分鋼、鐵的。《天工開物》卷十四「鐵」條:「凡鐵分生熟，出爐未炒為生，既炒則熟。」這里單以冶煉工藝作為區分鋼、鐵的標准。有學者視古代「熟鐵」與現代熟鐵等同，把《天工開物》卷十四所載炒煉「熟鐵」的工藝。