我国古代冶炼生铁，主要使用炼铁高炉。从公元前513年晋国使用“一鼓铁，以铸刑鼎”的事来看，春秋末年已经使用高炉冶铸生铁了。目前对于战国冶铁遗址还没有作大规模的有系统的发掘，战国高炉的结构还不清楚。但是从文献资料来看，当时的冶铁业已经普遍采用冶铸生铁技术，该已普遍采用高炉炼铁。出土的战国铸造铁器用的铁范和大量战国生铁铸件，显然都是高炉炼铁的产品。有不少出土的战国铁农具和手工工具，壁薄而外形细致端正，如果不是高炉炼出的有足够温度的铁水是没法铸造的。

从战国到西汉，随着铁器需要量的大幅度增加，冶铁业的重大发展，炼铁高炉建造得越来越大。历史上最早关于高炉事故的记载，有下列两件：

（1）　汉武帝征和二年（公元前91年）春天，涿郡的铁官“铸铁”，因为技术上的某种关系，“铁销，皆飞上去” 。

（2）　汉成帝河平二年（公元前27年）正月，“沛郡铁官铸铁，铁不下，隆隆如雷声，又如鼓音，工十三人惊走。音止，还视地，地陷数尺，炉分为十，一炉中销铁散如流星，皆上去，与征和二年同象” 。

这种事故之所以会发生，当是因为高炉相当高大，温度不够均匀，悬料很久不下，高炉下部很长一段炉料已经烧空而熔化，炉缸里积聚了很多沸腾的铁水，当上部炉料突然下降时，炉缸承受的压力过大，引起了严重的爆炸事故。炉子爆炸成十块，炸得地面塌陷数尺之深，而炉中沸腾的铁水散射如流星一般，说明当时爆炸的力量很大，这个爆炸的高炉必然是庞然大物了。在这个高炉上同时操作的工匠多到十三人，也说明这个炉子很高大，需要装料鼓风的人力很多。我国古代炼铁高炉是从炼铜高炉的基础上发展起来的。西汉初年的炼铜高炉也十分巨大。据南齐时刘悛的实地调查，南广郡界蒙山有城名蒙城，约有2顷地，上有烧炉4座，高1丈，广1丈5尺，就是汉文帝时邓通冶铜铸钱的作坊 。

高炉炼铁是一种经济而有效的炼铁方法，因而长期以来成为我国冶炼生铁的主要方法。高炉从上边装料，下部鼓风，形成炉料下降，和煤气上升的相对运动。燃烧产生的高温煤气穿过料层上升，把热量传给炉料，其中所含一氧化碳同时对氧化铁起还原作用。这样燃料的热能和化学能同时得到比较充分的利用。下层的炉料被逐渐还原以至熔化，上层的炉料便从炉顶徐徐下降，燃料被预热而能达到更高的燃烧温度。这确是一种比较合理的冶炼方法，因而具有强大的生命力，长期流传。

在今河南新安、鹤壁、巩县、临汝、西平以及江苏徐州、泗洪、北京清河以及新疆民丰、洛浦等地汉代冶铁遗址中，都有高炉的残迹发现。从河南各地冶铁遗址来看，当时高炉有圆形截面和椭圆形截面两种：巩县铁生沟六座高炉的截面都是圆形的，炉身直径有1.8米的，也有1.6米的，又有1.3—1.5米之间的，有残高1米左右的 。鹤壁市东南5公里鹿楼村发现有13座高炉，截面都是椭圆形，炉缸短轴2.2—2.4米，长轴2.4—3米左右，面积一般在5.72平方米左右。其中1座残高1.14米，长2.99米，炉体系就地挖成，内积大量木炭灰烬，灰烬下有许多穿插贯连的直筒状及曲尺状的鼓风管。鼓风管都用草拌泥制成，分内外两层，每层厚达8厘米左右，外层多烧成黑灰色，局部成琉璃状 。江苏徐州峒山北微山湖南岸发现汉代炼铁炉，炉型作长方形，底部东西宽3.8米，南北长4.7米，炉壁厚1米左右，内腔作椭圆形，长轴2.5米，短轴1.4米。炉身北壁在地面以下，估计炉高1.78米以上。筑炉用石英砂粒和粘土混合而成的耐火泥夯筑而成，采用一层层捣筑结实的方法，每层厚6厘米。炉基用粘土夯筑而成，范围大于炉身 。

铁生沟的18号高炉，圆形，用红色耐火砖砌造。炉门向南，炉壁已残，炉底成缶形。炉壁残高1.04米，直径1.6米。炉的南面，挖有一长方形的炉道，长3.4米，宽0.9米，比原来地面深1.6米。炉道低于炉底约0.5米，估计当时是在这里出铁的。炉道的北端有一片经过夯打的坚硬地面，距炉很近，估计是往炉内装料的地点。炉底南半部发现有草拌耐火泥的陶风管，呈圆筒形，残长0.16米，内径0.08米，外径0.2米，这证明高炉是有鼓风设备的。

河南郑州市古荥镇西汉中晚期冶铁遗址发现了两座特大的炼铁高炉，2号炉的炉缸已损坏，1号炉短轴约2.7米，长轴约4米，面积约8.48平方米。在1号炉南端5米处的坑内，挖出了拆炉时取出的1号炉积铁块，积铁块的边缘立着一块条状的铁瘤，铁瘤和积铁成118度夹角，向外倾斜，高约2米。由此可以推知高炉的高度可能达到5—6米，炉身呈直筒形，其下有一段喇叭形（上大下小）的炉腹与最下部的炉缸连接，有效容积约50立方米左右 。炉子截面筑成椭圆形，是为了使鼓风和煤气流（鼓进炉内的风和炭燃烧生成的气体）更容易达到炉缸中心，有利于提高炉的中心温度（参看图3-2） 。因此这种椭圆形高炉，风口一般设在长轴的两侧。从条状铁瘤分叉处的形状，可以推知每侧有两个风口，全炉共有四个风口。这里出土的陶质鼓风管，粗端内径有达32厘米的，结合炉子高度和容积来推测，其鼓风能力必定达到相当的水平（参看图3-3）。很可能每个风口不止使用一个鼓风皮囊，而同时使用一排几个鼓风皮囊。为了减少漏风，陶质鼓风管外敷有一层草拌泥。有的鼓风管表面有受热痕迹，表明风管是倾斜插入炉墙的，风口倾斜使火焰向上，有利于提高炉缸温度。炉腹作喇叭形，下部一段炉墙向外倾斜，炉腹角（指倾斜炉墙与水平所成角度）为62度，是为了使边缘炉料能够比较充分和煤气接触。如果炉墙是直壁，在风力不大的情况下，风量大部分就会沿炉墙上升，煤气也会沿炉墙上升，不能在中心部分很好地起作用，这样就多耗燃料，浪费煤气（参看图3-4）。从古荥镇这座汉代高炉的结构，可以看到当时冶铁工人在实践的基础上加深了对冶炼原理的认识，不断改进高炉结构，使之达到较高的水平。

古荥镇汉代高炉的筑炉技术也达到了较高水平。炉子底座周围有延伸6—9米乃至10米以上的夯土区，炉底下部有深达3米以上夯实的基础，这是为使这座估计总重达200吨以上的高炉的基础巩固。在夯土层之上，又加夯了一层掺有1—3厘米大小石子的耐火粘土层，而在50厘米的表层耐火粘土层中并没有掺石子。它之所以要掺石子，是为了加强耐火粘土的耐压强度；它的表层之所以不掺石子，因为石子的耐热和抗渣铁浸蚀的性能不如耐火粘土。耐火粘土层的炉底厚达3米左右，炉底凹入的最深处约达半米以上，如果炉底耐火材料没有足够厚度，就会被烧穿而引起重大事故。炉子的上部砌筑情况，因炉墙都已坍塌，不很清楚。从1号炉残留一段高约半米的炉壁来看，炉衬用耐火土夯筑，厚度为半米到一米，耐火土中掺有炭末或矿粉，耐火炉衬之外用黄土夯培，这主要是为了加强结构，同时也起到保温作用。

汉代的筑炉技术有多种方式。有的用含二氧化硅较高的黄色或红色耐火粘土烧成的长方形或弧形耐火砖砌筑。例如巩县铁生沟遗址出土的耐火砖，二氧化硅的含量很高，占61.16%—70.57%；二氧化二铝的含量较少，占12.94%—15.81%；而三氧化二铁的含量较现代耐火砖为大，占4.35%—6.14%，因而耐火度只达到1240—1330度之间 。南阳市瓦房庄遗址出土的耐火砖，含二氧化硅77%强，含三氧化二铝11%左右，含三氧化二铁2.7%强，耐火度达到1463—1469度之间 。这显然是耐火粘土中掺入了大量含有二氧化硅相当高的砂石的结果。这种含二氧化硅相当高的酸性耐火材料，对于我国古代高炉所出大都是酸性炉渣来说，是合适的。

当时高炉的炉衬和炉底，也用耐火粘土做成。这种耐火粘土在许多汉代冶铁遗址中都有发现，原料和制造耐火砖的原料相同，其中掺有大量的石英颗粒。多数石英颗粒是经过破碎加工而成，在使用前曾经烧制。耐火度大体上和耐火砖差不多。

这时炼铁高炉不断向高大发展，固然提高了产量，但是炉子过于高大，就使得煤气上升的阻力增加，影响到冶炼的进程。在炉温不够高的情况下，这种矛盾尤其突出。至迟到西汉，冶炼工人从长期实践的经验中，发现炉料的粒度整齐可以减少煤气阻力，因而炼铁之前，已注意到对矿石的加工和准备，在不少汉代冶铁遗址中都发现了原料加工场。

铁生沟遗址北半部有原料加工场，有石灰岩制成的石砧用作砸碎矿石的工具，也还利用鹅卵石和碎石块作为工具。遗址中还保留有一堆筛过的矿石碎粒，粒度大小在3厘米左右，没有碎末，这是准备装炉的冶炼原料。另有大量矿石粉末作为废料，有的和炼渣或残砖块堆积在一起，有的挖坑加以埋藏，有的被用来铺设地面或填塞土坑 。因为在当时还没有办法使矿石粉末作为原料使用。古荥镇遗址2号高炉以北也发现了原料加工场，有砸碎矿石用的工具如铁锤、石砧、石夯等。砸碎的矿石有粒状和粉末状两种，后者应是筛选剩下来的废料，前者一般粒度为2—5厘米，最大块为12厘米 。在桐柏县张畈村遗址中，曾挖出数以千吨计的矿石粉末。说明当时已十分注意矿石的加工，为了取得粒度比较整齐的原料，在破碎和筛分方面花费了大量劳力。这种原料加工场的情况，说明当时冶炼技术人员已经从实践中认识到原料加工的重要性，并且已经了解到：原料粒度比较整齐能够减少煤气上升的阻力，改善炉气的利用，节省燃料，加速冶炼的进程；而矿石粉末入炉，因其颗粒太小，密度大，会使炉中温度分布不均匀，或者堵塞炉腔，降低温度，甚至由于温度骤然下降，熔体凝固结底，造成事故。

古荥镇遗址发现两种不同的炼渣，反映了当时两种不同的冶炼情况。一种炼渣颜色发黑，熔化很不充分，当是炉况不正常或发生事故的时候产生的。其中有些就是人工从炉口抓出的。另一种炼渣，断口很像玻璃状，显然经过充分熔化。经取样化验，其中含氧化钙25%左右，含氧化镁2.5%左右。这种炼渣显然加入了适量的碱性熔剂，因而熔化性和流动性比较良好，这就保证了炉渣和铁水容易很好分离，并顺利地流出炉外。这对古代冶炼生铁技术来说，是个重要的关键。

从上述熔化的炼渣来看，当时冶炼工人已有一定的造渣经验，并能适当掌握炼渣的熔化性和流动性。至迟到西汉，已经发明在炉料中配入一定数量的石灰石作为碱性熔剂，起了助熔作用，使渣中的二氧化硅和氧化钙结合，降低炉渣熔点，从而加强炼渣的熔化性和流动性。同时客观上也起了一定的脱硫作用。中国古代生铁含硫都很低，除了使用的原料含硫量比较低以外，也该与使用石灰石造渣有关。铁生沟遗址中就保留有不少作为熔剂的石灰石，经过取样化验，知道其中含氧化钙41.927%，氧化镁3.229% 。这和炉渣中含有一定的氧化钙和氧化镁，是密切有关的。古荥镇遗址的炼渣成分，也说明已使用石灰石作助熔剂。当时使用石灰石作为炼铁的助熔剂，是十分重要的创造。从古荥镇遗址不同地点的炼渣取样检验，尽管年代可能间隔较长，但是成分差别不大，可见当时已经知道按重量比例进行配料，已经掌握稳定冶炼的科学技术。

河南省博物馆等所著《河南汉代冶铁技术初探》一文 ，根据古荥镇遗址所用的矿石和炼得的生铁、炉渣，又依据当地所出木炭和石灰石的成分，假定四个风口所用风囊，每个风囊每分钟风量为8立方米左右，加以推算，古荥1号高炉每生产1吨生铁，约需铁矿石2吨，石灰石130公斤，木炭7吨，渣量600公斤，日产量约500公斤。上述每个风囊的风量，是按照山东滕县宏道院出土的锻铁画像石上锻炉所使用的“橐”来估计的，而大型高炉所使用的鼓风器应当比它大，因此这个日产量是最低的估计。

汉代冶铁用的燃料依然是木炭。巩县铁生沟遗址曾发现不少木炭块、木炭灰和原煤（白煤）、煤饼（用煤末羼入粘土、石英或石灰石颗粒制成）。文物工作者曾经推断原煤主要使用于块炼炉，木炭和煤饼主要用于圆形高炉、长方形炼炉、排炉及反射炉等 。但是从同时出土的炼渣块中经常夹有木炭的痕迹来看，尽管这时已有原煤和煤饼作为一般燃料，炼铁用的燃料仍然是木炭。从当时炼得的生铁含硫量很低来看，也不会是用煤作燃料的。因为煤中含硫量一般比木炭高得多，如果当时用煤炼铁，含硫量不可能如此之低。汉代生铁的成分有如下表：

古荥镇遗址1号高炉西南方向的一块积铁块，由未完全熔化的炉渣和部分还原矿石等粘结在一起，里面裹有木炭，其断面呈放射性，是一种火力较强而质地坚硬的栎木炭，比较适宜用作高炉炼铁的燃料和还原剂 。

从汉代以炼铁为主的古荥镇作坊来看，它的主要产品是生铁及其制品。生铁制品主要有三种类型：第一种是生铁铸造的农具和工具。古荥出土最多的是铁锛和铁 ，并无使用过的痕迹，是尚未出厂的成品。第二种是铁范。遗址中出土大量铸造铁范的陶模及其残片，表明曾大量生产过铁范，但是没有发现铁范，当是作为成品已经出厂。铁范铸造要有较高的技术水平，必须由专门的作坊生产铁范以供铸造铁器作坊应用，或者供临时铸造铁器的需要。例如河北满城发现的西汉刘胜墓，建筑岩洞之中，发现有多件铸造铁斧的铁范和铁芯，说明开凿岩洞时，用铁范就地浇铸铁斧，以便及时更换损坏的铁斧。第三种是梯形铁锭，经过脱碳退火变成了钢。古荥镇遗址中出土几十公斤这样的梯形钢锭，长19厘米，宽7—10厘米，厚0.4厘米。经取样化验，含碳只0.1%，其他成分均与本遗址出土的生铁相合。外形表明是铸造的，是经过脱碳退火而变成钢材的。这是作为半制成品，提供锻铁作坊和小铁匠作为锻造钢铁器物的原料的。

除了像古荥镇西汉冶铁作坊专门制造梯形钢锭以供锻铁作坊作为原料以外，汉魏间还有冶铁作坊专门制造生铁锭，提供铸造铁器和炒炼钢材的原料的。河北满城2号汉墓和河南渑池汉魏窖藏中，都有一种见方（14×14×10厘米）的生铁锭，经取样化验，其成分基本相同，有如下表：

这两种生铁锭的特点是，硅很低，磷稍高，含硫很低。磷稍高，是从矿石带来的。含磷高的生铁容易铸造，但含磷过多会发生“冷脆”毛病。可贵的是含硫很低，完全达到了现代生铁的质量标准，既可以作为较好的炼钢原料，也有利于制作可锻铸铁。

上面谈的，主要是西汉的冶炼生铁技术，这是我国封建社会前期冶铁技术发展的一个高峰。从春秋末期一直到西汉时代，炼铁高炉经历着一个蓬勃发展的阶段，逐渐由矮小发展到高大。但是炉子过于高大，与当时的鼓风设备不相适应，尽管对鼓风设备有所革新，还是不能使得高大的高炉得到充分的风量，这就容易造成炉温不够甚至冻结事故，各地冶炼遗址出土不少黑色半熔炉渣和大块凝铁，就是明显的佐证。古荥镇遗址的高炉冶炼水平虽然已经相当高，但是由于高炉过于高大，鼓进去的风量不够，温度不够高，有时不免发生冻结事故。这个遗址上的大块积铁已清理出的有九块，1号和5号积铁都重达20多吨，4号积铁也重达15吨多 。有这样的大块积铁固然显示出当时冶炼效能之大，同时也反映了当时发生冻结事故的严重情况。

东汉以后高炉的冶炼技术，主要从两方面进行改革。一方面对高炉的内径作了适当的减小，使热量能够比较集中，以提高炉温；另一方面对鼓风设备机械化，创造和推广了水力鼓风机（水排），从而加强鼓风，以提高炉温。这样从两方面提高炉温，是很符合高炉的冶金原理的。汉代高炉多半建设在矿山附近，而鲁山县望城岗、桐柏县张畈村两个冶铁遗址，距矿山却有10—20公里，其所以远离矿山而设在河边，很可能是为了利用水力鼓风。从张畈村遗址出土物来看，冶炼的兴盛时期是在东汉时期。

至少魏、晋以后，冶炼生铁已开始用煤作燃料。北魏郦道元《水经·浊漳水注》引《释氏西域记》说：“屈茨（龟兹的异译，今新疆维吾尔自治区库车县）北二百里有山，夜则火光，昼日但烟。人取此山石炭，冶此山铁，恒充三十六国用。”从这段话，可知当时西域已用石炭（即煤）冶铁，而且采煤和冶铁的规模都相当大，“恒充三十六国用”。《释氏西域记》一书，据已故岑仲勉先生考证，出于晋朝道安之手 。西域的冶铁技术是从中原传过去的，前面已经谈到；这种使用煤作燃料来炼铁的方法，也该是从中原传过去。因此中原用煤冶铁的方法，至少在晋代或者晋代以前就开始了。我国是世界上最早用煤冶铁的国家。欧洲用煤冶铁要迟至16世纪。原来冶铁用木炭作燃料，优点是可以使生产的铁含杂质较少，缺点是温度不能升得太高，同时耐燃的时间较短，需要在冶炼时不断往炉内补充木炭，炼炉的启闭和燃料的更替都会影响炉内的温度。改用煤作燃料以后，就可以弥补这些缺点。当然，用煤作燃料也有缺点，就是炼炉容易粘结，所生产的铁含非金属的杂质较多。但是两者比较起来，用煤的优点多于缺点，用煤炼铁对提高生铁产量是有很大帮助的。

魏、晋以后耐火材料的使用也有发展。至少南北朝已开始使用铝土（即含三氧化二铝超过50%的耐火粘土）作为耐火材料。河南渑池冶铁遗址中发现了铝土鼓风管，就是一例 。铝土具有耐火度高、寿命长的优点，是比一般耐火粘土更高级的材料。我国这方面的资源丰富，在一千多年前已使用于冶金手工业了。 ZKM+ovvtZmznpZ6v+XuK3mAMwt+LKYsUbP1NQWfTbLfZGPbW2tIcp6b0o1xawkHU