三、炒钢、铸铁脱碳钢及铸造技术
为了适应社会对钢铁制品的需要，到西汉后期已创造了“炒钢”技术。这种技术把生铁加热到熔化或基本熔化的状态下加以炒炼，使铁脱碳成钢或熟铁。
在南阳市方城县赵河村汉代冶铁遗址中也曾发现与巩县铁生沟汉代冶铁遗址中相同的炉型6座。这种炒铁炉容积小，呈缶形，温度可以集中；挖入地下成为地炉，散热少，有利于温度升高；炉下部作“缶底”状，是为了便于装料搅拌。此外，在南阳市北关瓦房庄冶铁遗址中也发现几座炒钢炉，形制和构筑方法大同小异，炉底还有铁块。从这个遗址发掘内容看，南阳瓦房庄的冶铁作坊中，不仅铸造铁器，而且还用生铁炒钢或熟铁，以此锻制工具和其他构件。在此遗址中还出土有凿、钁等，当是该作坊自制的凿、钁等。通过考古资料证明，到东汉时期，炒钢技术已很普及。南阳东郊曾出土一件东汉铁刀，形制较特殊，类似炊事用刀，刀身有一道平行于刃部的锻接痕迹，刀宽112厘米，长约17厘米，刀背厚约05厘米，保存较完好，是用炒钢锻制而成（河南省博物馆等：《河南汉代冶铁技术初探》，《考古学报》1978年第1期。）。
西汉后期已经创造了简便的炒钢炉，将生铁炒炼成熟铁或钢的技术发展，标志着炼钢技术
发展到了一个新的阶段，使得钢材的产量大大提高，这对于当时生产工具的改进，钢制品的
推广均具有重要的意义。
古代炼钢以含碳量低的块炼铁或熟铁为原料，采用渗碳的方法炼制成钢（现在仍然使用此法）
，一种即以含碳量高的生铁为原料，在固体状态下脱碳制钢。战国时代已经采用了柔化处理工艺，将生铁进行脱碳退火，得到了脱碳不完全的铸铁脱碳钢件（李众：《中国封建社会前期钢铁冶炼技术发展的探讨》，《考古学报》，1975年第2期。），至汉代仍然使用这一工艺。如，南阳瓦房庄冶铁遗址所出土的铁斧，中心是白口组织，表层是钢的成份。类似这样的铁器在其他遗址里也有发现。它们都是用白口铁坯件，在氧化气氛下退火，使外层脱碳，由表及里依次成为纯铁素体、亚共析、共析组织，由于脱碳不完全，内部仍然是铁，实际上是一种由钢和铁组成的复合材料。另一种情况是脱碳比较完全，已全部清除白口组织，但内层析出部分石墨。如南阳瓦房庄出土的一件铁凿，从外形看是铸件，表面金相分析是钢的组织，很容易误认为是钢铸件。在汉代当时的技术条件下，没有高于1500℃的高温和相应的耐火材料，是不可能出现液态铸钢的。南阳瓦房庄出土的另一件铁凿，经检验，基体为过共析钢，内层残留石墨，证明它是经脱碳而成的钢质工具。另外，在南阳瓦房庄冶铁遗址中还有成形的薄铁板出土，这些铁板实际是经过脱碳热处理的已成为含碳较低的钢板，可以锻打成器，实际上是创造了一种新的制钢工艺。这样就扩大了生铁的使用范围，增加了优质钢材的来源，对于钢铁生产有重大的作用。
铸铁的热处理技术在汉代有很大的发展，并臻于成熟。在南阳瓦房庄冶铁遗址中所发掘的9件
农具，经检验8件为黑心韧性铸铁，质量良好，有一些与现代黑心韧性铸铁已无大的差别。还有一部分白心韧性铸铁，白心韧性铸铁可制作耐冲击、性能良好的手工工具，黑心韧性铸铁可制作耐磨的农具。在铸制的铁器中有一部分铁锸、铁耧铧、铁钁即为白心韧性铸铁。
从发现的汉代冶铁遗址来看，当时的作坊有以炼铁为主而兼铸铁器的，也有专门铸造铁器的
。而最初的铁铸件，是由炼铁炉的铁水直接浇铸。在汉代，出现了专门的化铁炉，这对于提高熔铁的质量，获得优质铸件，有很大的好处。从南阳瓦房庄遗址看，化铁炉的结构和筑炉材料与炼铁炉有明显的区别，说明当时的炼铁与化铁的分工已很明确。
南阳瓦房庄冶铁遗址出土化铁炉7座，它的构筑方法是：在平整的地面上，铺筑直径约、厚50mm的草拌泥，烧成橙黄色，作为炉基。炉底是空心的，由整体基底、束腰式支柱、周壁与
炉缸底部组成。基底约厚45mm，用羼有大量大颗粒砂的耐火粘土铺成，砂的粒度在10mm左右。周壁和支柱的筑炉材料与基底稍有不同。羼有大量小颗粒砂。周壁厚40～50mm，支柱直径70～120mm，高70cm，根据遗址所出土的长方形耐火砖的尺寸来估算，支柱可能有15个左右，基上砌筑炉缸底部。
炉体全用弧形耐火砖建造，从砖的内表面不同的熔融程度看，炉体可分为3个区域：炉口及其下三、四层砖（砖长36cm，宽17cm，厚6～9cm不等），炉衬略现熔融，有许多龟裂纹道，温度最低，为预热区。炉体中部的三、四层砖，炉衬均有烧琉，说明温度较高，应是还原区。再往下三、四层砖，炉衬普遍烧琉，甚至全部流下，露出砖体，这里温度最高，当是靠近风口的氧化区。依照耐火砖的高度及上述炉壁烧琉情况来推算，化铁炉的炉体高度约为3～4m。
化铁炉的炉壁分3层，弧形耐火砖是特制的成形砖块，外敷草拌泥，厚约15～50mm，内搪炉衬，厚约40mm。根据出土时较完整的14块耐火砖的弧度来看，化铁炉最小外径为，内径为，最大外径为，内径为，其平均内径有左右。经鉴定，耐火砖均有砂粒和粘土配制，从石英砂的颗粒组成看，有浑圆状的和棱角状的白石英和少量长石，说明除天然砂外，已使用了人工破碎的砂粒。石英颗粒有裂纹出现，玻璃相中析出针状莫来石晶体，有流动结构，均说明当时化铁炉能够达到相当高的温度。 从遗址中出土的大量鼓风管的情况推测，化铁时有可能已试用换热式热风装置，有一种陶质鼓风管，外敷厚约45mm的草拌泥，下层泥料表层烧熔下滴，靠近拐角处的泥料熔融顺角流下，据测定温度，烧琉温度当在1250℃～1280℃之间。风管的这种烧琉状态，有一种解释认为，它可能是架设在炉顶上，作为预热管道使用的。
此外，在出土的大量碎铁块和熔渣中，有不少梯形铁板和铧、锸、锛、钁、锄、斧等铁器残片（厚度约40～70mm）。这些遗物可能是化铁炉所用原料，方形的铁砧和铁锤，既是锻造工具，又是用来破碎原料的工具。大量的木炭渣表明所用燃料为木炭，炉中残留木炭凝块，有的与表面微熔的铁块凝结在一起，某些器形尚能辨认。由这种现象推测可能是分层装料的结果。从出土的炉衬看，断面明显分成三层，至少已经过两次停炉和补炉，补炉的材料与耐火砖所用材料相同。根据出土的遗物推测，对于这样大的熔炉，当是半连续操作的，每过一定时间，出一次铁水，浇注一批铸范。当熔炼过久或铸范已毕需适时停炉。这说明汉代工匠已很好地掌握了熔炉的操作程序。汉代铸造技术，在战国时代铸造铁器和铜器的技术上又有所发展。这时铸造所用的范有泥范、陶范和铁范，特别是铁范的使用，使铸造铁器的质量及效率均有不同程度的提高。从南阳瓦房庄发掘出的各种模及范来看，其工艺过程大致如下：制模工人就地选取黄粘土，羼入35％左右的细砂，加水调泥，制成模版，然后精工细雕地挖模面，按照严格的尺寸要求，塑制不同模面上的各个部位的形体。模面制妥后，涂上涂料凉干，这是首先的必要的制模工序。在浇铸之前，先合模，糊加固泥，再将铸模送入窑中烘烤，到一定温度之后停烘出窑，乘热浇铸铁汁，在浇注时将浇口、冒口注满铁汁，以适应模腔收缩的需要。待铁汁在模腔中凝固到一定程度之后，打开加固泥，脱去泥模，再打掉浇口铁，即可获得铁质的铸范。然后把铸出的铁上范、铁下范进行合范，再将铁范芯插入范腔中，并用某种铁工具将铁范捆扎夹固，以免浇注时铁汁的热涨作用而开裂。合范后，也可能入窑烘烤，乘热浇注铁汁，待铁汁凝固到一定程度之后，打开铁范，并打掉浇口、冒口铁，便获得产品。 铸造技术方法的发展还表现在叠铸技术方面。叠铸技术就是把许多范片或范块层层叠合起来，用统一的直浇道，一次浇铸出多个铸件。这种方法在战国时已经发明（梓溪：《谈几种古器物的范》，《文物参考资料》1957年8期。），它主要适用于小型铸件的大量生产。到汉代叠铸技术又有了进一步发展，如河南温县发掘的一处汉代烘范窑，出土有500多套叠铸范，有16种铸件，36种规格，一套范有4～14层不等，每层有1～6个铸件，最多的一次可铸84件，这样就大大提高了生产效率。南阳瓦房庄冶铁遗址出土有几件叠堆微熔遗物和三至五个“V”字形铁犁铧套叠遗物等，充分证明南阳是最早采用双堆叠铸技术的冶铁大郡。 铸范的设计也相当科学，范腔之间的泥层很薄，为使范面紧凑尽可能减少吃泥量，有些范的直浇口制成扁圆形，合范用的榫卯定位结构也按此原则予以布置。范的外形与范腔相吻合，不少铸范削去角部，使边厚尽可能一致，不但可以减少范的体积和用泥量，而且使散热更加均匀，提高铸件质量。 范芯的制造，除自带泥芯外，形状简单的用泥条捺入芯座内。复杂的，如车（车口）泥芯，用泥质对开式芯盒制成。南阳瓦房庄发现的东汉时期多堆式叠铸（车口）范，范块采用对开式垂直分型面，两堆铸范共用一个直浇道，使金属实收率更高，浇注时间更少，说明叠铸技术有了进一步的发展。
炼钢的方法，特点和应用
1）电弧炉炼钢
电弧炉的基本构造如图1所示。利用电弧产生的热量来熔化炉料和提高钢液过热温度。由于电弧炉不用燃料燃烧的方法加热，故容易控制炉气的性质。可按照冶炼的要求，使之成为氧化性或还原性。电弧
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