自然科學史研究所何堂坤生鐵和柔化處理技術生鐵我們通常說的“鐵”分“生鐵”和“熟鐵”兩種，包括“鋼”在內，都是以鐵（fe）和碳（c）兩種元素為主的一種合金。人們通常把含碳量在百分之○·○五以下的叫熟鐵，百分之○·○五到百分之二·○的叫鋼，百分之二·○到百分之六·六七的叫生鐵。
人類早期煉得的熟鐵通常叫塊煉鐵，它是鐵礦石在八百到一千攝氏度左右的條件下，用木炭直接還原得到的。出爐產品是一種含有大量非金屬夾雜的海綿狀固體塊。塊煉鐵和生鐵比較起來，有如下幾個缺點：一是它不能從爐裡流出，取出鐵塊時，爐膛要受到不同程度的破壞，不能連續生產，生產率比較低，產量比較小。二是成形費工費時。三是所含非金屬夾雜比較多，要通過反覆鍛打才能排除。四是含碳量往往比較低，因而很軟。生鐵的冶煉溫度是一千一百五十到一千三百攝氏度，出爐產品呈液態，可以連續生產，可以澆鑄成型，非金屬夾雜比較少，質地比較硬，冶煉和成形率比較高，從而產量和質量都大大提高。由塊煉鐵到生鐵是煉鐵技術史上的一次飛躍。
我國鋼鐵冶煉技術的發展道路和世界各國是不完全相同的。國外一般是先有塊煉鐵，經過長期緩慢發展之後才有生鐵。歐洲許多地方的塊煉鐵是公元前1000年前後發明出來的，但是直到公元十四世紀才有生鐵。我國卻不是這樣。我國冶鐵術大約發明於西周時期，比歐洲晚，可是它一經發明，不久就出現了生鐵，後來者居上，使我國成為世界上最早發明並使用生鐵的國家。
1964年，江蘇六合程橋鎮出土一件春秋晚期的鐵塊，經鑒定是白口生鐵。這是到現在為止我國出土並且經過科學分析的最早生鐵實物。戰國中晚期，鐵器在我國農業、手工業生產中占據了主導地位。據不完全統計，目前出土的戰國鐵質生產工具大約十六種左右，其中多數是生鐵和它的柔化處理件，塊煉鐵處於輔助地位。這表明這時我國生鐵生產已經有了比較大的發展。
我國生鐵技術發明比較早的原因是多方麵的，我們以為在技術上至少應包括以下幾點：一是我國冶銅術中很早就使用了比較強的鼓風裝置。二是很早就對冶煉用的原料進行了比較好的選擇和處理。三是很早就發明了比較高大的冶煉豎爐。一般認為，我國生鐵技術的發明和發展同青銅技術有密切的關係。
可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵原是白口鐵經高溫退火得到的一種高強度鑄鐵，具有一定的塑性和衝擊韌性。依熱處理條件的差彆，又可分成白心可鍛鑄鐵和黑心可鍛鑄鐵兩種：白心可鍛鑄鐵以脫碳為主，又叫脫碳可鍛鑄鐵；黑心可鍛鑄鐵以石墨化為主，又叫石墨化可鍛鑄鐵。
國外的白心可鍛鑄鐵是公元1722年由法國人首先發明的。公元1826年，美國人又發明了黑心可鍛鑄鐵。此後一個相當長的時期裡，人們都把白心可鍛鑄鐵叫做“歐洲式可鍛鑄鐵”，把黑心可鍛鑄鐵叫做“美洲式可鍛鑄鐵”。其實，這兩種可鍛鑄鐵，我國早在兩千多年前都已經發明了。
“洛陽水泥製品廠戰國早期灰坑遺址出土過一件鐵鏟，鏟體基本鏽蝕，隻在銎（qiong）部（裝柄的孔）有部分金屬殘留，在金相顯微鏡下顯示了黑心可鍛鑄鐵組織，基體是鐵素體，上麵分布著團絮狀退火石墨。這是到現在為止世界上經過科學分析的最早的鑄鐵可鍛化退火處理件。戰國中晚期後，可鍛化處理工藝有了比較大的發展，主要表現在：第一，分布地域更廣了。在北方，目前經分析過的有河北易縣燕下都遺址的鐵钁、鐵鋤、鐵鐏等，在南方有湖北包山出土的空首斧、湖南長沙出土的鐵鏟等。第二，部分器件已經處理得比較好，器件斷麵基本上是可鍛鑄鐵組織，中心沒有白口鐵殘餘，如燕下都的鐵鐏等。漢代到南北朝時期，鑄鐵可鍛化技術發展到比較成熟的階段：一是使用範圍有了進一步擴展。近年在山東薛城、河南南陽、澠池和鞏義市，北京清河和大藻台，湖北銅綠山等地，都發現了這類器件。南陽瓦房莊出土的農器有十二作，經過分析，九件是普通可鍛鑄鐵，兩件是鑄鐵脫碳鋼，隻有一件是白口鐵。二是技術水平有了進一步提高。凡處理過的器伴，中心很少有白口鐵組織殘留，石墨發育比較好，形態多和現代可鍛鑄鐵相當。這些可鍛鐵中，有白心的，也有黑心的，多數是農具。
鑄鐵可鍛化處理有十分重要的意義。在常溫下，碳在鑄鐵中主要有兩種存在形式：一是化合態，主要是滲碳體；二是自由石墨態，有條狀、團絮狀、球狀石墨等。碳的存在形式不同，同一成分的鑄鐵，性能也是不儘相同的。白口鐵中，碳全部以滲碳體形式存在，因滲碳體硬度很高，塑性極低，所以白口鐵性硬而脆。通過可鍛化處理，白口鐵中的碳或以自由石墨態形式析出，或因氧化而去除，從而使材料強度提高，硬脆性減少，綜合機械性能得到改善。戰國中期以後，我國在農業、手工業中這樣廣泛地使用了鐵器，可鍛鑄鐵的發明和發展是起了重要作用的。
球墨可鍛鑄鐵球墨可鍛鑄鐵因所含石墨呈球狀而得名。它有比較高的強度、塑性和韌性，鑄造加工性能也比較好。
1974年，河南澠池發掘了一個北魏鐵器窖，裡麵藏有從漢代到北魏的鐵器四千多件，種類有生產工具、兵器、日用器皿以及鑄範、鐵材等。有一件鐵斧，整體經過脫碳退火處理，器件斷麵大部分相當於含碳百分之○·四的中碳鋼，沒有石墨析出。但在銎的底部發現有球狀石墨，直徑是二十微米，分布在平均厚度約三，二毫米、總長五十毫米的u形斷麵上，共約三十顆，外形比較規整。這類具有球狀石墨的鑄件在南陽瓦房莊、鞏義市鐵生溝等兩漢冶鑄遺址也有發現。特彆值得指出的是鞏義市鐵生溝一件漢代鐵钁，它的石墨發育良好，有明顯的核心和放射性結構，和現行國家球墨鑄鐵標準一類a級相當。從現有研究資料看，這種球狀石墨應是白口鐵退火過程中得到的。
在國外，鑄態球墨是1947年後使用了加入球化劑的方法才得到的。多年來，人們一直試圖用白口鐵退火的方式來獲得球狀石墨，但是難度很大。我國古代生鐵含矽量長期偏低，在低矽的情況下，我國人民不但生產了大量具有絮狀石墨的可鍛鑄鐵，而且生產了部分球墨可鍛鑄鐵，這在世界冶金史上是十分罕見的，實在難能可貴。
煉鋼技術炒鋼炒鋼因在冶煉過程中要不斷地攪拌好像炒萊一樣而得名。
炒鋼的原料是生鐵，操作要點是把生鐵加熱到液態或半液態，利用鼓風或撒入精礦粉等方法，令矽、錳、碳氧化，把含碳量降低到鋼和熟鐵的成分範圍。炒鋼的產品多是低碳鋼和熟鐵，但是如果控製得好，也可以得到中碳鋼和高碳鋼。
炒鋼工藝大約發明於西漢。近年在河南鞏義市鐵生溝、南陽瓦房莊等處都發現過漢代炒鋼爐遺址。鞏義市遺址斷代是西漢中期到新莽，瓦房莊遺址使用時間比較長，由西漢中期到東漢晚期。另外，鐵生溝還出土了一些炒煉產品，經分析，有的含碳量是百分之一·二八，有的是百分之○·○四八。文獻上關於炒鋼的記載最早見於東漢《太平經》卷七十二，書中說：“使工師擊治石，求其鐵，燒冶之，使成水，乃後使良工萬鍛之，乃成莫邪耶。”這“水”應指生鐵水。“萬鍛”應指生鐵脫碳成鋼後的反覆鍛打。
炒鋼的優點是成分可適當控製，生產率比較高，質量也比較好。在現代，人們常把由礦石直接製鋼的工藝叫一步冶煉或直接冶煉，而把先由礦石冶煉成生鐵、然後再由生鐵煉鋼的工藝叫兩步冶煉或間接冶煉。炒鋼的生產過程也分兩步：先煉生鐵，後煉鋼。因而在某種意義上說，炒鋼的出現便是兩步煉鋼的開始，是具有劃時代意義的重大事件。它進一步促進了我國古代鐵器的廣泛使用和社會生產力的發展。十八世紀中葉，英國發明了炒鋼法，在產業革命中起了很大的作用。馬克思懷著極大的熱情給予了很高的評價，說不管怎樣讚許也不會誇大了這一革新的重要意義。
百煉鋼“百煉鋼”以一種含碳量比較高的炒煉產品作為原料，操作要點是反覆加熱鍛打，千錘百煉。現在見到的最早百煉鋼實物是東漢晚期的製件。1961年日本大和櫟本東大寺古墓出土一把東漢靈帝中平年間（公元184年到189年）的紀年鋼刀，上有錯金銘文“百練清剛”字樣。“練”就是“煉”，“剛”就是“鋼”。在文獻中，“百煉鋼”一詞最早也見於東漢晚期。曹操作寶刀五枚，稱謄是“百煉利器”；陳琳（？—217）《武軍賦》說：“鎧則東胡闕鞏，百煉精鋼。”這些實物和文獻都說明了百煉鋼工藝已經興起。除百煉鋼外，我國古代還有“卅煉鋼”、“五十煉鋼”等說。1974年，山東蒼山出土過一把東漢安帝永初六年（公元112年）大鋼刀，上有錯金銘文“卅湅大刀”字樣；1978年徐州銅山出土一把東漢章帝建初二年（公元77年）大鋼劍，上有“五十湅”字樣；在文獻注錄中還有東漢和帝永元十六年（公元104年）“卅湅”金馬書刀等物。看來，標以“煉數”的製鋼工藝至遲在東漢早期就已產生。
宋代沈括《夢溪筆談》卷三曾對百煉鋼的工藝操作作了比較詳細的記載，說把“精鐵”鍛煉一百多火，一鍛一稱一輕，待到斤兩不減，就成“純鋼”了；“凡鐵之有鋼者，如麵中有筋，濯儘柔麵，則麵筋乃見。”沈括所說的“精鐵”，不應是生鐵，也不是現代意義的熟鐵，由建初“五十湅”長劍、永初“卅湅大刀”等器物的科學考察，以及有關文獻來看，應是含碳量稍高的一種炒煉產品。這種炒煉產品所含非金屬夾雜是比較多的。一鍛一稱一輕，是因為逐漸排除這些夾雜，氧化鐵皮不斷產生並脫落了。說最後“斤兩不減”，這是相對來說的，實際上，不斷地加熱鍛打，氧化鐵皮不斷地產生又脫落，重量總要不斷減輕的。滲碳和脫碳都不是百煉過程的主要環節。百煉銅工藝的主要操作是反攝加熱鍛打。鍛打可以去除夾雜，減小殘留夾雜的尺寸，使成分均勻，組織致密，有時也可以細化晶粒，從而使材料強度大大提高。曹植（192—232）在他的《寶刀賦》中稱讚百煉鋼刀能“陸斬犀革，水斷龍舟”，沈括在《夢溪筆談》卷三中說百煉鋼“其色清明，磨瑩之，則黯黯然青且黑，與常鐵迥異。”這都說明了百煉鋼性能的優良。
百煉鋼是在塊鐵滲碳鋼反覆鍛打的基礎上，伴隨著炒鋼技術、刀劍工藝的發展而興起的。“十煉”，“三十煉”的說法在公元前一世紀的西漢後期就已出現，最初是用在煉銅上的。魏晉時期百煉鋼發展到了鼎盛的階段，之後，雖因一些技術和社會的原因而有所減弱，但一直沿用到了明清時期。百煉鋼製作比較艱難，成本比較高，主要用來製造寶刀、寶劍等一類貴重器物，它凝聚著我國古代勞動人民的勤勞和智慧，一定程度上反映了當時金屬冶煉和加工技術的先進水平。
鑄鐵脫碳鋼鑄鐵脫碳鋼是用熱處理方法製作出來的。它的操作要點是先生產出白口鐵鑄件，然後在氧化性氣氛中脫碳退火，使含碳量降低到鋼的成分範圍以下，不析出或很少析出石墨。它的金相組織同近代的鋼和熟鐵相似。
鑄鐵脫碳技術大約可以追溯到戰國早期。洛陽水泥製品廠戰國早期灰坑遺址出土過兩件鐵锛，對其中一件的銎部作了金相分析，知道它的表層已經脫碳，稍裡是珠光體，中心是白口鐵組織。這表明鐵锛進行過不完全的脫碳退火處理，應屬鑄鐵脫碳鋼的前身或早期階段。經秦、漢、魏、晉到南北朝時期，這項技術發展到相當成熟的階段，主要表現在：第一，進行這種處理的器物更多了。近年在北京大葆台、河北武安和河南澠池、南陽瓦房莊、鄭州古滎鎮、魯山望城崗等處都有發現，種類有鐵斧、鐵剪、鐵鏟、鐵小刀、鐵鑿、鐵笄、鐵犁、鐵鏵等成形件，以及梯形和長方形的小鐵板等半成品件。第二，多數器件的整個斷麵都已經脫碳成鋼或熟鐵，中心再沒有白口鐵組織殘餘，沒有或隻有微量石墨在晶粒間界析出。第三，部分器件在整體脫碳成鋼或熟鐵後，經過局部鍛打、刃部滲碳或其他加工，獲得了更加良好的使用性能。第四，鑄鐵脫碳鋼主要用作手工業工具的斧、剪以及農具的鐮一類鋒刃器，而一般可鍛鑄鐵主要用作農具的鋤、钁、鏟一類，至於鐵釜、鐵範、軸承一類生活用器、生產工具和交通用具，多用白口鐵和灰口鐵製作，說明當時人們對這些材質的性能已經有了相當認識，也說明鑄鐵脫碳鋼技術、可鍛化處理技術已經達到比較高的水平。南北朝時期以後，由於炒鋼等冶煉工藝和加工工藝的發展等，鑄鐵脫碳鋼技術、可鍛鑄鐵技術逐漸失去了它們在生產中的重要地位，唐代以後就很少看到了。
鑄鐵脫碳鋼的發明具有十分重要的意義。古代一般是沒有鑄鋼的，而鍛鋼生產率很低，加工成形比較難，所含雜質比較多。我國古代利用生鐵生產率比較高、容易成型、夾雜比較少的優點，通過脫碳退火的辦法，得到一種組織和性能同近代鑄鋼相近的鑄件，這是我國古代冶金技術上的一項重大發明。
灌鋼所謂“灌鋼”，用宋代蘇頌的話來說，就是“以生柔相雜和，用以作刀劍鋒刃者”。“生”就是生鐵，“柔”應是一種可鍛鐵，隻從含碳量看，應包括現代意義的鋼和熟鐵。所以依蘇頌所說，灌鋼是由生鐵和可鍛鐵在一起冶煉得到的、用來製作刀劍鋒刃的一種含碳比較高、質量比較好的鋼。
灌鋼發明時間似可追溯到漢魏晉時期。東漢末年王粲（177—217）的《刀銘》中說：“灌襞已數、質象已呈。”西晉張協《七命》中說：“乃煉乃爍，萬辟千灌。”“辟”同“襞”，意思就是“疊”，指鋼鐵材料的多層積疊，多次折疊。“灌”應指“灌煉”，就是“灌鋼”。
南北朝時期，灌鋼工藝有了一定的發展，南朝梁代陶弘景說灌鋼是“雜煉生鍒作刀鐮者”。既然灌鋼已用作刀、鐮一類普通生產工具和生活用器，可見它的生產已經比較普遍。北朝東魏北齊間的綦毋懷文用灌鋼製造了一把大鋼刀，叫“宿鐵刀”，“斬甲過三十劄”，非常鋒利。
在曆史上，灌鋼有過好幾種不同的操作工藝。一種是把生鐵和柔鐵片捆在一起，用泥封住，入爐冶煉，如沈括《夢溪筆談》卷三所說：“用柔鐵屈盤之，乃以生鐵陷其間，泥封煉之，鍛令相入，謂之‘團鋼’，亦謂之‘灌鋼’。”一種是把生鐵放在熟鐵（可鍛鐵）片的上麵，生鐵先化，滲淋到熟鐵中，如宋應星《天工開物》卷十四所說：“用熟鐵打成薄片如指頭闊，長寸半許，以鐵片束包尖緊，生鐵安置其上，又用破草履蓋其上，泥塗其底下，洪爐鼓鞲，火力到時，生鋼先化，滲淋熟鐵之中，兩情投合。取出加錘，再煉再錘，不一而足。俗名團鋼，亦曰灌鋼者是也。”一種是“蘇鋼”，它是灌鋼發展的高級階段，灌鋼的優點在這裡得到了最充分的表現。
蘇鋼操作的要點是：先把熟鐵料放到爐裡鼓風加熱，後把生鐵的一端斜放到爐口裡加熱。當爐溫達到一千三百攝氏度左右時，爐裡生鐵不斷熔滴，熟鐵料已經軟化，使用鉗子鉗住生鐵塊，使鐵水均勻地澆淋到熟鐵料上。澆淋完畢後，停止鼓鳳，夾出鋼團，砧上錘擊，去除夾雜。一般要滲淋兩次。蘇鋼冶煉高明的地方有兩點：一是熟鐵組織比較疏鬆，所含氧化夾雜比較多，矽、錳，碳含量比較高，灌煉時氧化反應比較劇烈，有利於渣、鐵分離。二是熟鐵所含鐵氧化物和生鐵中的碳作用後，部分鐵可被還原出來，提高了金屬收得率。
灌鋼以生鐵和可鍛鐵作為原料，灌煉操作在生鐵熔點以上進行，因此生產率比較高，渣、鐵分離比較好；人們可以通過控製原料配比和鼓風等操作來控製產品成分，因此產品質量也比較好。在公元1740年坩堝液態煉鋼法發明以前，世界上製鋼工藝基本上屬於固態冶煉和半液態冶煉，渣、鐵分離比較難。像灌鋼這樣，成分比較容易控製，渣、鐵分離也比較好，在古代製鋼技術中是十分罕見的。
有色冶金“六齊”