(图十)。炉底粘结有耐火材料。！铁块的形状、大小与一号炼炉炉缸底部基本相符。据此 推测它是一号炼炉停炉后，冻结的炉底积铁。值得注意的是积铁一侧有一根铁柱，断面呈扁 圆形，直径约0.6米，向外倾斜与积铁平面呈118°角，高约2.2米。铁柱下部和积铁粘结一 半，上部分叉，很可能是风口以下的炉内结瘤。结溜上部含碳只有0.73%，下部含碳1.46%， 说明铁在下降过程中逐渐渗碳而成生铁。硅含量上部为0.07%，下部0.38%，从一个侧面反 映炉内温度的变化（图十一）。从结榴高度和各部位成分推算炉子高度约6米。估计高炉炉 客可达50立方米左右。 从大量木经燃烧的炉料来看，炼铁燃料是栗木烧成的木茨，火力足，灰分少，强度大， 适于炼铁。占代炼铁炉旁残留60立方米的铁矿石堆。据分析，含铁48.39%，氧化硅11%，氧 化H6.9%,氧化钙4.3%，氧化镁0.29%，氧化锰0.22%，硫0.054%，磷0.068%，属于含 细较高、含铁较富的赤铁矿。这些矿石经过破碎筛选，粒度大都在直径30毫米左右，适合当 时高炉冶炼的需要。 炼炉附近有不少破损的鼓风管，陶管内径100~200毫米，外层是草拌泥，大都经过高温 饶烤。但未发现鼓风器。据记载，战国以来牛皮攻马皮做的囊鼓风〔41)一〔43)。山东出土 汉代画像石的治铁图绘出了装的形状〔44)。 三、炒钢和锻造 议汉代生铁冶炼技术已经发：到较高的水平。在展性铸铁制造的基础上，占代铁工发明了 把生铁炒炼成熟铁或钢的新工艺。这种工艺把生铁放在特定的炒钢炉内加热，使呈半熔融状 态，边吹空气边搅排，空'中佩和生铁充分接触，生铁的含碳量因氧化而逐渐下降，变成熟 铁：或不同今碳量的钢，生铁中所舍硅、锰等元茶（化尘成硅酸盐火杂。提商了钢的上生产效 ,而且改善了钢的质量。 炒钢.上艺产铁器的金相特点，敏早是从山东苍山出土东议卅栋环首大刀和洛阳西晋徐 美人墓出士铁刀的金相研究中得到的〔4)。环首钢刀全长111.5厘米，刀背上有错金铭文： “永初六年五月丙午造卅谏大刀吉羊宜子孙”〔45)。说明大刀造于公元112年五月丙，金 相组织均匀，由很细的珠光体和少量铁素体组成，含碳量约在0.6一0.7之间，刃部经过谇 火，有马氏体组织。夹杂物系硅酸盐，成分比较均匀，含氧化亚铁很少。炒钢的夹杂物比生 铁及其柔化产品为多，一般金相观察是很容易区别的。而块炼铁的夹杂是以氧化亚铁和硅酸 盐共晶为，其成分也有差别，利用电子探针它和炒钢是可以区别的。汉代铁器金相普查中发 现炒钢19件，占普查铁器的7%左石。产品类型多为镣、剑、钉、环等小锻件。其金相组织 分为铁素体型、铁素体一珠光体型、珠光体型三种。铁生沟出土的T10,11铁环（图十二），底 铁茶体型。粒均)，直径约100微米，炒炼以后经反复锻打，停锻温度较高。T16,18铁剑 是铁素体一珠光体型（以铁素体为主）炒钢（图十三）。采4铁镢刃部是品粒较细的珠光体 型妙钢荆（图十四），品粒度7一8级，含碳0.5一0.6%，图十四下部靠近铁镢的基体和刃部的 另一侧均为铁素体组织。有可能是炒炼得到的熟铁锻打成镢，然后刃口贴钢（也是炒炼得到 的高碳钢)。 汉代关于炒钢的记载很少，但母以找到一些间接的描述。《太平经》曾记载，“使广师 击冶石，求其快烧治之，使成水，乃后使良工万段之，乃成莫邪”〔G)。这里“求其铁烧治 :之使成水”，当时能烧成水的只能是生铁，而不可能是块炼铁或者钢。丽生铁性脆不可能 137
图十 。 炉底粘结有耐火材 料 。 积铁块 的形状 、 大小 与一 号炼炉炉缸底部基 本相符 。 据此 推 测它是 一 号炼炉停炉后 , 冻结 的炉底 积铁 。 值得注 意的是 积铁一 侧有一根铁 柱 , 断面呈 扁 圆 形 , 直 径 约 米 , 向外 倾斜 与积铁平面呈 。 角 , 高约 米 。 铁柱下部和 积铁粘结一 半 七部 分 叉 , 很 可能是 风 口 以 下 的炉 内结 瘤 。 结瘤 上部 含碳 只有 , 下部 含碳 , 说明铁在 下降过程 中逐 渐渗碳 而成生铁 。 硅 含量 上部为 , 下 部 , 从 一个侧面反 映炉内温度 的 变 化 图十 一 。 从结 瘤高度 和 各部位成 分推 算炉 子高度约 米 。 估计高炉炉 客可达 立方 米左 右 。 鱿 从大 量 未经燃烧 的炉 料来看 , 炼铁燃 料是 栗木烧 成 的木炭 , 火力足 , 灰 分少 , 强 度大 , 适于炼 铁 。 古代炼铁炉旁残 留 立方 米的铁矿石堆 。 据 分析 , 含铁 , 氧 化硅 , 氧 化 侧拓 , 氧化钙 , 氧 化镁 , 氧 化锰 , 硫 , 磷 , 属 于 含 铝 较高 、 含铁 较富的赤铁 矿 。 这些矿石 经过破碎筛选 , 粒度大都在直 径 毫米左右 , 适 合 当 时 高炉冶炼的需要 。 炼炉附近 有不 少破损 的鼓风 管 , 陶 管 内径 毫米 , 外层是草拌泥 , 大都经 过 高温 烧烤 。 但未发现鼓 风 器 。 据 记 载 , 战国 以 来 川牛 皮 或马皮做 的囊鼓风 〔 〕一 〔 〕 。 山东出土 汉代画 像石 的 冶 铁 图绘 出了囊的 形状 〔 〕 。 三 、 炒钢 和锻造 汉代生 铁冶炼技 术 已经发展到较高的水平 。 在展性铸铁制造的墓 础上 , 古代 铁工 发明了 把生铁炒炼成熟铁 或 钢的新工 艺 。 这种工艺把生铁放在 特 定的炒钢炉内加热 , 使呈 半熔融 状 态 , 边 吹空 气边搅拌 , 空‘ 口扫氧 和 生铁充分接触 , 生 铁的 含碳 量因城 化而逐 渐 下降 , 变成熟 铁 或不 同 含碳 准的 钢 , 生 铁 , 一 ,所 含硅 、 锰 等元索城 化后生成 硅酸盐夹杂 。 捉 高 一 钢的生产 效 率 , 上 改 湃 一 ’ 臼可的质 量 。 炒 钢 ’艺生 产铁器的 金相特 点 , 最早是 从山东苍 山出土东汉姗 炼环 首大刀 和 洛阳 西晋徐 美人墓 出土 铁 刀 的 金相研究 中得 到的 〔 〕 。 环首 钢 刀 全 一 长 厘 米 , 刀背 上有错 金铭文 “ 永 初六 年五 月丙午造姗 谏大刀 吉 羊宜子孙 ” 〔 〕 。 说 明大刀造 于公 元 年五月丙 午 , 金 相 组织均 匀 , 由很 细的珠光 体和 少量 铁素体组 成 , 含碳 量 约在 。 一 之 间 , 刃部经 过淬 火 , 有 马氏 体组 织 。 夹杂 物系硅酸盐 , 成 分 比较均 匀 , 含氧 化亚 铁很 少 。 炒 钢的夹杂 物 比生 铁 及其柔 化产 韶为多 , 一 般 金相 观 察是很 容易区别 的 。 而块炼铁 的夹杂 是 以氧 化亚 铁和 硅酸 盐 共晶为主 , 其成 分 也有差别 , 利用 电子探针它 和炒 钢是 可 以 区别的 。 汉代铁 器金 相普查中发 现炒钢 件 , 占普查铁 器 的 左 右 。 产品 类型多为镣 、 剑 、 钉 、 环 等小锻 件 。 其金相组织 分为铁素 体型 、 铁素 体一珠光 体型 、 珠光体型 三 种 。 铁 生 沟出土的 , 铁环 图十二 , 属 犷铁 素体型 。 品粒均 匀 , 直 径约 微 米 , 炒炼 以后 经 反复锻扫 , 停锻 温度较高 。 ’ , 铁 剑 是 铁素体一珠 光体塑 以 铁素体为上 炒 钢 图十 止 。 采 铁撅刃部是 品粒较 细的珠 光体 型 炒钢 图十四 , 品 粒 度 一 级 , 含碳 一 , 图十四 下 部靠近 铁撅的基体和 刃 部的 另一 侧均 为铁 素体组织 。 有可能是 炒炼得 到 的熟铁锻打成 撅 , 然后 刃 口 贴 钢 也是炒炼得 到 的高碳钢 。 之灯弋关 于炒钢 的记 载很 少 , 但 , 以 找 到一些 句接 的描 述 。 《太平 经 》曾记 载 “ 使 几师 击冶石 , 求 其铁 烧 冶 之 , 使成水 , 乃 后 使良工万 锻之 , 一 少成莫邪 ” 〔的 。 这 里 “ 求 其铁烧 冶 之使成水 ” , 当时能 烧成水 的只能是 生 铁 , 而不 ,刁 ‘ 能是 块炼铁 或 者 钢 。 而 生 铁性 脆不 能 ‘ , 蚕飞 六 ‘ , 了 , 厂 一几‘ 泣缸 、访 「 。, 二
“使良工万锻之”。因此，可能的解释只能是从矿石炼出铁水，炒炼成钢，反复锻打成优质 的钢器。稍后的著作中有两道关于炒钢的算术题：一是用6281斤生铁炼黄铁（即熟铁），每 升耗5两（即损耗31%），计算结果是炼出黄铁4318斤3两，二是用这些黄铁再炼成钢铁 3508斤8两10铢5丝，损耗率12.5%〔47)。明代宋应星对炒钢有极其细致的描述，“凡铁分 生熟、出炉未炒则生，既炒即熟，生熟相和，炼成则钢”，“若道熟铁，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，春筛细罗为面，一人疾手撒滟，众人柳棍疾搅，既时炒成熟铁，其柳木棍每炒一 次，烧折二三寸，再用则义更之。炒过稍冷之时，或有就塘内斩刘成方块者，或有提出挥椎 打圆后货者”〔48)。直到解放初期炒钢技术在河南、山西一带还很流行。这些后来的记载和 实践，对我们理解汉代炒钢技术不失为重要的参考材料。 铁生沟汉代冶铁遗址中有“低温炒钢炉”，结构比较简单（图十五）。筑炉时地下挖成 “缶底”形状的坑，四周围用耐火材料夯筑作为炉膛，有鼓风管相通。推测当时的使用情 况，可能如下：将燃料点燃，升温后加入碎铁料，强力鼓风，将铁熔融，利用空气或加入一 些铁矿粉作为氧化剂，用棍搅拌，降碳成钢。取出锻打，挤出大部分渣滓，制成一定形状的 铁器使用。汉代类似的炒钢炉在南阳瓦房庄、方城县等地冶铁遗址也有发现。 我国炒钢技术的发明比欧洲早约1600年，炒钢技术在欧洲18世纪中叶始于英国〔49〕，是 钢铁史上的一项重要革新。马克思曾经指出：“当大规模工艺在英国兴起的时候，发现了将 焦碳冶炼的生铁炼制成具有展性熟铁的方法”，这个炒钢技术“由于煤和铁是现代工业的重 要因素，怎么样也不致于夸大这项革新的重要意义”〔50)。 四、脱碳铸铁和铸铁脱碳钢 铸造生铁特别是白口铁，在使用中容易脆断。古代铁工们根据实践经验创造了在窑内退 火的技术。这种窑就慢慢转变为退火窑，甚至变成象铁生沟遗址发掘的那种相当先进的退火 炉（以前叫反射炉）（图十六）。它的先进性主要表现在燃烧室、烟道和炉膛分隔开来，使 燃烧产生的氧化性炉气和炉膛的铸件不直接接触，既可以减少铸件表面的氧化损失，又可以 缓慢升温，有利于铸件的金属组织转变。这种退火炉的先进性还表现在炉膛四壁和炉底都有 烟道，因而炉膛温度分布比较均匀，有利于成捆的铸铁件退火脱碳，并且得到柔化质量大体 均匀的产品。 铸铁脱碳工艺一般是在特定的退火窑（炉）内，把铸铁件加热到一定温度(700~900℃)， 在固体状态下进行不同程度的氧化脱碳，可以得到脱碳铸铁和高碳钢、中碳钢和低碳钢，这 种工艺的特点之一是退火脱碳时基本不析出石墨，或者只在晶粒间界析出很少很细的石墨。 特点之二是钢中夹杂物很少，这是因为它保留了生铁夹杂少的优点，而没有块炼铁和炒钢那 样多的夹杂物。我们把表面脱碳而中心仍为莱氏体组织的产品称为脱碳铸铁，把铸件整个断 面都脱碳成为钢的组织（尽管它含碳不均匀）的产品称为铸铁脱碳钢。 最早的脱碳铸件是洛阳博物舘在洛阳水泥厂工地发掘出土的战国初期的铁锛。锛已大部 锈蚀，銮部残留部分金属，经金相检验表面有1毫米左右的铁素体、珠光体带，内部是莱氏 体组织。珠光体带的边部含碳量有所降低。大冶铜录山古矿冶遗址出土铁锄的金相组织，中 心是过共晶莱氏体组织，两边是粗大的铁素体柱状晶组织，两种组织之间有200微米左右亚共 138
“ 使 良工万锻之 ” 。 因此 , 可能的解释只能是从矿石炼出铁水 , 炒炼成钢 , 反复锻打成优质 的钢 器 。 稍后的著作 中有两道关于炒钢 的算术题 一是 用 斤生铁炼黄铁 即熟铁 , 每 升耗 两 即损耗 , 计 算结果是炼出黄铁 斤 两 , 二是用这些黄铁再炼成钢铁 斤 两 株 丝 , 、 损耗 率 〔 〕 。 明代宋应星对炒钢有极其 细致的描述 “ 凡铁分 生熟 、 出炉未炒则生 , 既炒即熟 , 生熟相和 , 炼成则钢 ” , “ 若道熟铁 , 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 , 春筛细罗为面 , 一人疾手撒艳 , 众人柳棍疾搅 , 既时炒成熟铁 , 其柳木棍每炒一 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 , 或有提出挥推 打圆后 货者 ” 〕 。 直 到解放初期炒钢技术在河南 、 山 西一带还很流行 。 这些后来的记 载和 实践 , 对我们理解汉代炒钢技术不失为重要的参考材料 。 铁生 沟汉代冶铁遗址 中有 “ 低 温炒钢 炉 ” , 结构 比较简单 图十五 。 筑炉时地下挖成 “ 击底 ” 形状的坑 , 四 周 围用 耐火材料夯筑作为炉膛 , 有鼓 风管相通 。 推测 当时 的使用 情 况 , 可能如下 将嫩 料点燃 , 升 温后加入碎铁 料 , 强 力鼓风 , 将铁熔融 , 利用空 气或加入一 些铁矿粉作为氧 化剂 , 用 棍搅拌 , 降碳成 钢 。 取 出锻打 , 挤 出大部分渣滓 , 制成一定形状的 铁 器使用 。 汉代类似的炒钢炉在南阳瓦房庄 、 方城县 等地冶铁遗址也有发现 。 我国炒钢技术的发明 比欧洲早 约 。年 , 炒钢技术在欧洲 世 纪中叶始于英国 〔 〕 , 是 钢 铁史上的一项重 要革新 。 马克思 曾经指 出 “ 当大规模工艺在英国兴 起的时候 , 发现了将 焦碳冶炼的生铁炼制成具有展性熟铁的方法 , , 这个炒钢技术 “ 由于煤和 铁是现代工业的重 要因素 , 怎 么样也不致于夸大这项革新的重要意义 ” 〔的 。 四 、 脱碳 铸铁和铸铁脱碳钢 铸造生铁特别是 白 口 铁 , 在使用 中容易脆断 。 古代铁工们根 据实践经验 创造了在窑 内退 火的技术 。 这种窑就慢慢转变为退 火窑 , 甚 至变成象铁生 沟遗址 发掘 的那种相 当先进 的退火 炉 以前叫反射炉 图十六 。 它的先进性主要表现在燃烧 室 、 烟道和 炉膛分 隔 开来 , 使 燃烧产生的氧化性炉气和 炉膛 的铸件不直 接接触 , 既可 以减少铸件表面的氧化损失 , 又可 以 缓慢升 温 , 有利于铸件的金属组织转变 。 这种 退 火炉的先进性还表 现在炉膛四 壁和 炉底都有 烟道 , 因而炉膛温度分布 比较均 匀 , 有利 于成捆 的铸铁件退火脱碳 , 并且得到柔 化质量大体 均 匀的产品 。 铸铁脱碳工艺 一般是在 特 定的退 火窑 炉 内 , 把铸铁件加热到一定温度 ℃ , 在 固体状态 下进行不 同程度的氧 化脱碳 , 可 以得 到脱碳铸铁和高碳钢 、 中碳 钢和低碳 钢 , 这 种工艺 的特点之一是退火脱碳时 基本不析出石墨 , 或者 只在 晶粒间界析出很少很 细的石墨 。 特点之二是钢 中夹杂物很少 , 这是 因为它保 留了生铁夹杂 少 的优点 , 而没有块炼铁和炒钢那 样多 的夹杂 物 。 我 们把 表面脱碳而中心仍为莱 氏体组织的产品称为脱碳铸铁 , 把铸件整个断 面都脱碳成 为钢的组织 尽管 它含碳不均 匀 的产品称为铸铁脱碳钢 。 最早的脱碳铸件是洛 阳博物葫在 洛阳水泥厂工 地 发 掘出土 的战国 初期 的铁铸 。 铸 巳大部 锈蚀 , 妻部残 留部分金属 , 经金相检验表面有 毫米左右的铁素体 、 珠光体带 , 内部是莱 氏 体组织 。 珠光体带的边部含碳量有所 降低 。 大冶铜 录山古矿 冶 遗址出土铁锄 的金相组织 , 中 心是过共晶莱 氏体组织 , 两边是粗大的铁素体柱状晶组织 , 两种 组织之 间有 微米左右亚共