二、冶鐵技術和工藝的發展
秦漢時期冶鐵技術進壹步發展。高爐煉鐵已成為壹種經濟有效的煉鐵方法。高爐煉鐵從上裝料，從下鼓風，造成爐料下落和煤氣上升的相對運動。燃料產生的高溫氣體通過料層上升，將熱量傳遞給爐料，其中含有的壹氧化碳也還原氧化鐵。這樣，燃料的熱能和化學能同時得到充分利用，下部爐料逐漸減少甚至熔化，上部爐料從爐頂慢慢下降，燃料被預熱到更高的燃燒溫度。這確實是壹種合理的冶煉方法，所以生命力很強，流傳了很久。其冶煉水平的發展表現在以下幾個方面:
首先，高爐煉鐵的築爐技術已經達到很高的水平。有些是用高矽含量的黃色或紅色耐火粘土燒制的矩形或弧形耐火磚建造的。南陽瓦房莊遺址出土的耐火磚，不同部位的材質、厚度、形狀不同。有的用直徑0.3 ~ 0.5 cm的白色石英砂顆粒混少量細砂。有些是用混有泥土、黃泥和大量石英砂的草制成的。用的石英砂不僅是天然的，還有加工破碎的。這些耐火磚的耐火極限在1463℃到1469℃之間，這顯然是耐火土中摻入高矽的砂石的結果。鑒於中國古代高爐多為酸性渣，這種高矽含量的酸性耐火材料是合適的。
其次，高爐煉鐵所用的原料大部分已經加工完畢。冶煉廠從長期的實踐經驗中發現，爐料的純凈粒度可以降低對氣體的阻力。因此，在冶煉之前，必須對原料進行加工。桐柏縣張凡村遺址出土了數千噸礦石粉，表明當時對礦石加工十分重視。
除了高爐煉鐵，西漢時期還發現了坩堝煉鐵技術。南陽市北關瓦房莊遺址發現坩堝爐17座，其中3座較為完整，幾乎呈長方形。其中壹座長3.6米，寬1.82米，深0.82米。該爐的施工方法是在地面上挖壹個長方形的坑，留下爐門，搗實後在四周墻壁上塗壹層薄薄的泥。爐頂采用弧形耐火磚，磚的大小不壹。磚的內表面塗有壹層耐火泥，厚度約為1 cm，泥的表面仍有壹層薄薄的灰白色巖漿。磚的背面塗上厚厚的(約5厘米)草混合泥。有些是用土坯和草混合泥土建成的。爐子由四部分組成:門、池、窯室和煙囪。門在爐子的前端。用於裝爐和通風時，左右墻壁燒成磚灰色。水池在門裏面，周圍的墻也是燒磚灰的。池底有厚度約1 cm的細砂，燃燒時作為“風窩”。爐呈長方形，外圍壁上有混泥的草，火很輕。用於盛放成排排列的坩堝、木柴、木炭等燃料，爐後有三個煙囪，用於排出爐煙。有些爐子裏裝滿了木灰，有些爐子底部有很多燒過的土塊和磚塊碎片。發現有三個坩堝，都是橢圓形的陶罐，內有約3 ~ 4厘米厚的混草泥。泥巴內部是燒紅的磚，表面是亮暗黑色，還有壹層灰白色的亮巖漿。此外，鐵渣碎片粘在坩堝內壁上。從熔煉爐的結構和後世流傳下來的坩堝煉鐵法可以推斷，當時的煉鐵法是這樣的:先將碎礦、木炭和助溶劑混合後裝入坩堝，放爐前在爐底鋪上適量的磚屑，使爐底通風；並留出許多“火孔”放易燃物以便點燃，然後鋪上壹層木炭，在木炭上安裝壹排排坩堝；然後在這層坩堝上鋪壹層木炭，在木炭上安裝壹排排的坩堝。待爐滿後，可從“火嘴”點燃，吹氣使坩堝內的礦石還原溶解成生鐵。？第三，爆破技術的發展。高爐煉鐵和煉鐵技術的發展離不開鼓風技術的提高。在中國古代，煉鐵高爐是用皮革制成的。隨著時間的推移和經驗的積累，人們逐漸改變了吹的方法。在大型熔煉爐中，不僅有壹臺鼓風機，還有鼓風機和鼓風機管，這樣可以使爐內燃料充分燃燒，提高爐溫，加快熔煉過程。在瓦房莊冶鐵遺址中，出土了大量的鼓風管，其中包括壹些帶彎頭的陶瓷鼓風管。粗端內徑約為100mm，細端內徑為50mm，長度約為400 mm，由於陶瓷胎的鼓風管下面的泥層被燒壞，因此確定燒壞溫度在1250℃至1280℃之間。從溫度和出土物來看，漢代南陽的冶鐵爐裝有熱風裝置(《漢代南陽冶鐵》，中州古籍出版社，1995 65438+2月，第23頁。)。這種裝置利用爐口余熱，將風道中的冷風變成熱風，鼓入爐內，既提高了爐溫，又縮短了冶煉時間，提高了鐵水質量。就吹力而言，有“人排”吹力和畜力吹力，如“馬排”、“牛排”。東漢建武七年(31)，杜氏被任命為南陽知府，開創了水力鼓風的“水排”，並得到推廣。用水吹制鑄造農具，比用人力吹制“省力又省力”，取得了很好的效果。今天，桐柏縣張凡村發掘的冶鐵場離礦井很遠，但建在河邊，可能是因為利用“排水”吹空氣。水排的發明和應用，不僅提高了吹煉能力，而且大大降低了成本，因此長期以來壹直為煉鐵行業所采用。像這樣以水為動力的吹瓶機，是1100多年後才在歐洲出現的。？
鼓風技術的改進促進了煉鐵技術的發展。除了生鐵冶煉和鑄造技術的迅速發展，還創造了鑄鐵的軟化工藝，出現了灰鑄鐵和球墨鑄鐵。通過分析和考察可以看出，可鍛鑄鐵是漢代主要的農業工具。檢驗的12農具中，可鍛鑄鐵9件，鑄鐵脫碳2件，白口鑄鐵1件。這說明鑄鐵已經采用了軟化技術。從質量上看，當時的鑄鐵軟化技術相當穩定。瓦房莊冶鐵遺址東漢地層出土的135號鐵鍬石墨結構是在高溫退火過程中形成的，但形狀規則，接近球形，邊緣光滑，提高了工件的力學性能。
三、炒鋼、鑄鐵脫碳及鑄造技術
為了滿足社會對鋼材的需求，西漢後期創造了“炸鋼”技術。這項技術將生鐵加熱到熔化或基本熔化的狀態，然後油炸，使鐵脫碳，變成鋼或熟鐵。？
南陽市方城縣趙賀村也發現了與珙縣鐵生溝相同類型的6座火爐。這種炸鐵爐體積小，形似水桶，溫度可以集中；挖到地下成為地爐，散熱少，有利於升溫；為了便於裝料和攪拌，爐子的下部形狀像“底部”。此外，在南陽市北關瓦房莊冶鐵場也發現了幾座鋼鐵炸爐，形狀和建造方法相似，底部有鐵塊。根據該遺址的發掘內容，在南陽瓦房莊的冶鐵作坊中，不僅有鑄鐵，還有用生鐵炒鋼或用熟鐵鍛造工具等構件。這個遺址還出土了這個作坊制作的鑿子和鋤頭。考古資料顯示，到東漢時期，鋼煎的技術已經非常普及。南陽東郊出土壹把東漢鐵刀。它有壹個特殊的形狀，類似於烹飪刀。刀刃有平行於刀刃的鍛造痕跡，刀寬11？2 cm，長約17 cm，刀背約0？5 cm，保存完好，炸鋼鍛造(河南省博物館等。:河南漢代冶鐵技術初步研究，考古學報，第1978期，第1期)。)。？
西漢後期，造出了簡易的炸鋼爐，把生鐵炸成熟鐵或鋼的技術發展，標誌著煉鋼技術的進步。
發展到壹個新的階段，大大增加了鋼鐵產品的產量，這對於當時生產工具的改進和鋼鐵產品的提高是非常重要的
推廣意義重大。
古代以含碳量低的煉鐵或熟鐵為原料，用滲碳法精煉鋼(這種方法沿用至今)
壹種是將含碳量高的生鐵固態脫碳，制成鋼。戰國時期采用軟化工藝對生鐵進行脫碳退火，得到脫碳不完全的鑄鐵件(李忠:中國封建社會早期鋼鐵冶煉技術發展探討，考古學報，第2期，1975)。)，這種工藝在漢代還在使用。如南陽瓦房莊冶鐵遺址出土的鐵斧，中心為白色結構，表面為鋼制。像這樣的鐵制品在其他地方也有發現。都是由白口鐵毛坯制成，在氧化氣氛中退火，使外層脫碳，結構由表及裏依次變成純鐵素體、亞* * *和* * *組織。由於脫碳不完全，內部還是鐵，實際上是鋼和鐵組成的復合材料。另壹種情況是脫碳比較徹底，白口組織已經完全去除，但內層有部分石墨析出。比如南陽瓦房莊出土的壹件鐵鏨子，從外觀上看是鑄件，表面金相分析是鋼的結構，很容易誤認為是鑄鋼件。在漢代當時的技術條件下，沒有高於1500℃的高溫和相應的耐火材料，是不可能生產出液態鑄鋼的。南陽瓦房莊出土的另壹件鐵鏨子，被發現是壹件脫碳的鋼制工具，基體為鋼，內層殘留石墨。此外，南陽瓦房莊冶鐵遺址也出土了成型的薄鐵板。這些鐵板實際上已經脫碳，變成了含碳量低的鋼板，可以鍛造成工具，實際上創造了壹種新的煉鋼工藝。這樣擴大了生鐵的應用範圍，增加了優質鋼的來源，在鋼鐵生產中發揮了重要作用。？
鑄鐵熱處理技術在漢代有了很大發展，並達到成熟。南陽瓦房莊冶鐵遺址出土九件
8個農具都是黑心球墨鑄鐵，質量很好，有些和現代黑心球墨鑄鐵差別不大。還有壹些白芯球墨鑄鐵，可以用來制作抗沖擊性能好的手工具，黑芯球墨鑄鐵可以用來制作耐磨的農具。鑄鐵中有鐵釤、鐵釤、鐵鐠，是白芯球墨鑄鐵。？
從漢代發現的冶鐵遺址來看，當時的作坊有的以煉鐵、鑄鐵為主，有的專門從事鑄鐵。
。最初的鑄鐵件是由鐵熔爐中的鐵水直接鑄造的。漢代出現了專門的熔化爐，對提高鐵水質量，獲得優質鑄件大有裨益。從南陽瓦房莊遺址來看，沖天爐的結構和建築材料與沖天爐明顯不同，說明當時煉鐵和沖天爐的分工非常明確。？
南陽瓦房莊冶鐵遺址出土了7座沖天爐。施工方法如下:在平整的地面上，鋪上直徑約2.6m、厚50mm的混草泥，燒成桔黃色作為竈臺。爐底是中空的，由整體底座、束腰支柱、外圍墻壁和
壁爐底部。地下室厚約45mm，用含大量大顆粒砂的耐火粘土鋪砌，砂的粒徑約為10 mm，外圍墻和柱子的築爐材料與地下室略有不同。地窖裏有許多小顆粒的沙子。圍墻厚40 ~ 50 mm，柱子直徑70 ~ 120 mm，高70cm。根據遺址出土的長方形耐火磚尺寸，估計可能有15根左右的柱子，竈臺底部建在地基上。？
爐體全部由弧形耐火磚制成。根據磚內表面熔化程度的不同，爐體可分為爐口和下部三四層磚(磚長36cm，寬17cm，厚6 ~ 9 cm)三個區域，爐襯稍有熔化，多龜裂紋，溫度最低為預熱區。爐體中間的第三層和第四層磚有燒琉球，說明溫度高，應該是還原帶。再往下三四層磚，爐襯普遍燒壞，甚至全部流下，露出磚體，這裏溫度最高，是風口附近的氧化帶。根據耐火磚的高度和爐墻的燃燒情況，沖天爐的爐體高度約為3 ~ 4m。
沖天爐爐墻分三層，弧形耐火磚為異型磚，外覆草泥，厚度約15 ~ 50 mm，內襯爐襯，厚度約40 mm，根據14出土較完整耐火磚的弧度，沖天爐最小外徑1.16m，內徑0.92m，最大外徑2.3m，內從石英砂的顆粒組成來看，有圓狀和棱角狀的白石英和少量的長石，說明除了天然砂外，還使用了人工破碎的砂粒。應時顆粒出現裂紋，玻璃相中析出針狀莫來石晶體，並有流動結構，這些都表明當時沖天爐能達到相當高的溫度。？從遺址出土的大量鼓風管來看，有可能是在煉鐵時試用了壹種熱交換熱風裝置。有壹個陶瓷的鼓風管，外面塗壹層約45mm厚的混草泥，下層泥表面融化滴落，靠近墻角的泥融化順著角度流下。根據測得的溫度，琉球的燃燒溫度在1250℃到1280℃之間。對空氣導管的這種燃燒狀態的壹種解釋是，它可能豎立在爐子的頂部，並用作預熱管。？
此外還有鏟、鏟、鏟、鐠等多塊梯形鐵板和鐵片(約40 ~ 70 mm厚)。這些遺物可能是沖天爐、方砧、鐵錘使用的原料，既是鍛造工具，也是用來打碎原料的工具。大量的炭渣說明使用的燃料是木炭，爐內殘留著炭塊，其中壹部分凝結著表面微熔的鐵塊，還能辨認出壹些形狀。從這個現象推測，可能是分層收費的結果。從出土的內襯來看，斷面明顯分為三層，停爐修爐至少兩次，修爐所用材料與耐火磚相同。根據出土遺物推測，這麽大的爐，如果半連續操作，每隔壹定時間就會出鐵水，澆壹批鑄模。冶煉時間過長或澆鑄模具完畢時，要適時停爐。這說明漢代的工匠已經很好地掌握了熔窯的操作程序。漢代的鑄造技術在戰國時期的鑄鐵、鑄銅技術上得到進壹步發展。這時鑄造用的模具有泥型、陶型和鐵型，尤其是鐵型的使用，不同程度地提高了鑄鐵的質量和效率。從南陽瓦房莊出土的各種模具和模型來看，工藝流程大致是這樣的:制模工就地挑選黃泥，浸泡在35%左右的細砂中，加水調泥，制成模板，然後精細挖掘模面，按照嚴格的尺寸要求，在不同的模面上塑造出各部分的形狀。模具表面做好之後，塗上塗料，晾幹，這是第壹道必須的成型工序。澆註前先合模，糊上加固泥，然後將模具送窯烘烤。達到壹定溫度後，停止烘烤並出窯，壹邊利用熱量壹邊澆鑄鐵水。澆註時，用鐵水充滿澆口和冒口，以滿足型腔收縮的需要。鐵水在型腔內凝固到壹定程度後，打開強化泥，取出泥型，然後敲掉澆口鐵，即可得到鑄鐵。然後將鑄鐵上模和鑄鐵下模合二為壹，再將鐵模芯插入模腔，用壹些鐵制工具將鐵模捆綁夾緊，避免澆註時由於鐵水熱膨脹而開裂。合型後也可以入窯烘烤，加熱澆鐵汁，鐵汁凝固到壹定程度後，打開鐵模，敲掉澆口和冒口鐵，得到產品。？鑄造技術和方法的發展還表現在重疊鑄造技術上。堆積鑄造技術是將許多件或塊逐層堆積，用統壹的澆口壹次鑄造多個鑄件。這種方法發明於戰國時期(子熙:論幾件古器物的模型，文物參考，第8期，1957)。)，主要適用於小型鑄件的批量生產。到了漢代，堆鑄技術有了進壹步的發展。如河南溫縣發掘的壹座漢代範烘窯，出土疊鑄模具500余套，鑄件16種，規格36種。壹套模具有4-65，438+04層，每層有65，438+0-6個鑄件，壹次最多84個鑄件，大大提高了生產效率。南陽瓦房莊冶鐵遺址出土數件疊置微熔遺物和3至5件V型鐵犁頭，充分證明南陽是最早采用雙疊置鑄造技術的冶鐵縣。？鑄造模具的設計也相當科學，模腔之間的泥層很薄。為了使模具表面致密，盡可能減少泥量，有些模具的直澆口做成扁圓形，模具所用的榫卯定位結構也是按照這個原理排列的。模具的形狀與型腔壹致，很多鑄造模具都是偷工減料，使邊緣厚度盡可能壹致，這樣不僅可以減少模具的體積和耗泥量，還可以使散熱更加均勻，提高鑄件質量。？在型芯的制造上，除了自帶泥芯外，簡單的造型都是用泥條壓入芯座。復雜的，如車床(車床口)泥芯，用泥制成的劈芯盒。東漢南陽瓦房莊發現的多堆堆鑄(車嘴)紋，紋塊采用分體式垂直分型面，兩堆鑄紋采用壹個澆口，使金屬成品率更高，澆註時間更少，表明堆鑄技術得到了進壹步發展。