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图4－5 龙首渠井渠示意图
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东汉前期，大抵在原有水利工程的基础上，进行了一系列修复与扩建的工作，水利事业一度又呈活跃的局面。如公元42年修复河南汝南的鸿郤陂，公元83年修复荒废已久的著名水利工程芍陂等等。公元69年，王景领导数十万民工，治理黄河，修复汴渠的工程，实为水利工程史上的一大盛事。这项工程包括修筑自河南荥阳到山东千乘（今山东高清县北）一千多里的黄河大堤，对于汴渠则开凿山阜，截弯取直，疏濬河道，修固堤防，兴建水门。经过一年的奋战，完成了全部工程。此后，黄河在大约八百年内没有发生大规模决溢改道，这次在中下游进行比较彻底的治理当是原因之一。
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中国科学技术史稿（修订版） [:1701078152]
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三 生产工具、兵器的铁器化和冶铁术的成熟
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生产工具和兵器铁器化的完成
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秦汉时期，铁器和冶铁术在包括边远的广大地区，得到了使用和传播。考古发现表明，西汉初年铁农具和工具已经普遍取代了铜、骨、石、木器；在西汉中期以后，随着炒钢技术的发明，锻铁工具增多，铁兵器也逐步占了主要的地位；到东汉时期，主要兵器已全部为钢铁所制，从而完成了生产工具和兵器的铁器化进程。西汉中期以前出土的铁器种类较战国时期有所增加，其突出的特点还在于形制进一步成熟，并有加宽加大的趋势。这同西汉前期整个社会生产处于恢复与提高的总趋势是相一致的。西汉中期以后，情况发生了根本的变化，出土铁器的种类急剧地增加，如灯、釜、炉、锁、剪、镊、火钳以及齿轮、车轴等机械零件等都涌现出来，东汉时期更是如此。铁农具发展的状况，也大体与此相似。这说明在西汉中期以后，钢铁生产在质和量两个方面都有了重大的发展。这同当时社会生产的发展、国防的需要以及冶铁术的进步有密切的关系。汉武帝于公元前119年采取的由国家经营统一冶铁业的政策，使人力、物力和财力比较集中统一，生产技术还可以较快地在较大范围内得到推广和交流，对钢铁生产的发展起了积极的作用。当然，由于官营有时也造成为追求数量而粗制滥造等弊病，这是其消极的一面。其时所设49处铁官，分布在今陕西、河南、山西、山东、江苏、湖南、四川、河北、辽宁、甘肃等省，成为钢铁生产的基地。到汉元帝时，“诸铁官皆置吏卒徒，攻山取铜铁，一岁功十万人以上”【16】。这是冶铁采矿业规模之大的一个说明。再从已发掘的冶铁遗址看，每一铁官下属的作坊，或以冶铁为主，或以铸造为主，或冶铸兼备，作坊面积达数万平方米，甚至数十万平方米，有的拥有炼炉十余座，表明了冶铁业的空前发展。
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冶铁新技术
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这一时期冶铁术的进步，首先表现在采冶程序及工艺的完善化，以及炼炉、鼓风技术、耐火材料、熔剂等方面的改进。
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属于西汉中、晚期的河南巩县铁生沟冶铁遗址，从开矿、冶炼到制出，整套成品都有机地结合在一起。冶铁作坊临近原料产地，矿石经砸击、筛选得到大小均匀的矿块，再交付使用。已发现各式冶炼炉有18座，熔炉l座，还有配料池（可能是为配制熔剂而设）、铸造坑、淬火坑、藏铁坑等，这些遗迹表明，冶炼工序已包括有选矿、配料、入炉、熔炼、出铁等步骤。
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铁生沟遗址炼炉的形状因用途不同而异，计有如下几类：块炼铁炼炉（3座），并列成排的排炉（5座，各炉的烟囱互相贯通，抽气力大，使炉内火力旺盛，温度增高），长方形炼炉（2座），造型庞大的圆形炉（6座，炉身直径在1.3～1.8米之间）和低温炒钢炉（1座）等。这是炼炉多样化的很好说明。郑州古荥镇汉代冶铁遗址，发现有椭圆形炼炉2座，炉底面积8.4平方米，容积估计为40～50立方米。炉前有带结瘤的炉底积铁，重约二十吨以上的有三块，这是当时炼炉增大的一个例证。
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炼炉的炉型扩大，与鼓风技术的改进是密切联系的。山东滕县宏道院出土的东汉画像石中，有一方是描写冶铁劳动过程的，上有鼓风的图像，其中鼓风大皮囊上排列有四根吊杆，右方下部是个风管。铁生沟、古荥镇、河南南阳瓦房庄和河南鹤壁市的冶铁遗址，均有鼓风风管出土。其中古荥镇和瓦房庄发掘出的弯头朝下的陶胎风管下侧泥层已经烧琉，经实验测定，泥层烧琉温度为1250～1280℃。就鼓风动力而言，从人力鼓风发展到畜力鼓风，如“马排”、“牛排”等，接着更有利用水力鼓风——“水排”的创造，它是冶铁劳动者的出色发明。据记载，东汉初年，南阳太守杜诗就使用水排于鼓铸，结果“用力少，见功多，百姓便之”【17】。
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图4－6 山东滕县宏道院东汉画像石上的治铁图
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从铁生沟遗址，我们还可看到当时耐火材料使用的进展。该遗址的炼炉多作半地穴式，上部用耐火砖垒砌，并在炉壁抹以耐火拌草泥，有的炉底还垫有耐火土。耐火砖系由耐火黏土制成，其中掺有石英石和绿色岩石。其种类多样，用于不同的炼炉与炼炉的不同部位。这说明人们已经掌握了多种耐火材料的配制和使用的知识。铁生沟遗址中发现有石灰石，兼之对熔渣的化验发现含有41.93％的氧化钙和3.22％的氧化镁，这是当时冶铁已使用了碱性熔剂的证明。
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至迟到西汉中期，出现了性能较白口铁为好的灰口铁，并很快被用作工程材料。河北满城一号汉墓出土的铁锭，经检验是含低硅、中磷、低硫元素的灰口铁，出土的轴承则为灰口铸铁，具有承载能力大、润滑和耐磨性能好等特点。对河北满城二号墓出土的西汉中期的生铁锭、铁生沟出土的熟铁块和河南渑池出土的汉魏时期的若干铁器的化学成分的分析表明，其含硫量都很低，均在0.07％以下，含磷量偏高些，在0.11％～0.38％之间，用现今国内外炼铁的标准衡量，也是合格的优质铁。灰口铁和优质铁的生产，正是炼炉巨型化、鼓风设施强化以及其他技术进步的产物。
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炒钢、百炼钢和铸铁脱碳钢技术
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炒钢技术的发明与百炼钢工艺的日益成熟，是秦汉时期钢铁技术得到重大发展的又一标志。西汉中期前后，虽然在冶炼块炼渗碳钢时，反复加热、锻打的次数有明显的增多，使钢的质量逐渐得到提高，但由于块炼铁生产效率低，钢铁的制作在原料上受到很大限制，致使百炼钢技术的发展十分缓慢。到西汉中、晚期出现了利用生铁“炒”成熟铁或不同含碳量的炒钢新技术，即将生铁加热成半液体、半固体状态，再进行搅拌，利用空气或铁矿粉中的氧，进行脱碳，以获得熟铁或钢的新技术。上已述及的铁生沟遗址中的低温炒钢炉就是为此目的而设计的，其地出土有含碳量不同的铁料（含碳量为1.288％、0.35％等），大概就是通过不同的加热、炒炼和锻打等工艺措施得到的不同钢料。这项新技术的发明，在炼钢史上是一项重大的技术突破。它使冶铁业能向社会提供大量廉价优质的熟铁或钢料，满足生产和战事的需要。在一定条件下，能够有控制地把生铁“炒”到所需要的含碳量，然后加热锻打成质量较好的钢件，大大促进了百炼钢的发展，使之进入成熟的阶段。1974年在山东苍山县出土了汉安帝永初六年（112年）“三十炼”环首钢刀，1978年在徐州一座小型汉代砖室墓中，发现了一把汉章帝建初二年（77年）的“五十湅”钢剑，经鉴定它们都是以炒钢为原料，经多次反复加热折叠锻打而成的。这说明东汉前期，炒钢以及以此为原料的百炼钢工艺已经相当普遍地被使用了。而在东汉时期，铁兵器完全代替铜兵器，锻制农具和钢工具显著增多的情形，正与这项新技术的发明与推广有着密切的关系。
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欧洲用炒钢法冶炼熟铁的技术在18世纪中叶才开始出现，比我国要晚一千九百余年。
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铸铁热处理技术在汉代有很大发展，臻于成熟。在南阳瓦房庄汉代冶铸遗址所出9件铁农具，经检验有8件是黑心韧性铸铁，质量良好，有一些和现代黑心韧性铸铁已无大的区别。北京大葆台西汉墓葬、南阳瓦房庄冶铸遗址及河南渑池汉魏铁器窖藏都出土具有钢的金属组织的铸铁件，有的残存着少量微细的石墨，它们是经脱碳热处理获得的白心韧性铸铁或铸铁脱碳钢件，由于熔铸时经过液态，杂质很少，质地相当纯净，性能良好，可以用作剪刀一类刃具。由实物检验可知，黑心韧性铸铁多用于要求耐磨的农具等，白心韧性铸铁多用于要求耐冲击性能较好的手工工具，说明当时的冶铸匠师对不同材质的性能及适用范围已有较深入的认识，能较为正确地选材和加工以达到工艺要求。南阳、古荥等处还出土有大量薄铁板，它们经脱碳热处理已成为含碳较低的钢板，可以锻打成器，这实际上是创造了一种新的制钢工艺，是我国古代所独有的。
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尤其突出的是，巩县铁生沟汉代冶铁遗址所出铁，具有和现代球墨铸铁的I级石墨相当的带放射状的球状石墨，类似的有球状或球团状石墨的铸铁生产工具已发现了6件，这是我国古代铸铁技术的杰出成就，而现代球墨铸铁是1947年才研制成功的。
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从铸造技术上看，秦汉时期铁范的使用已大为普及。战国时期，已经出现的叠铸技术（多层陶范叠装，一次铸得多件产品，现代铸造学称为层叠铸造），这时得到了进一步的发展。河南省温县发掘的一处汉代烘范窑，出土有五百多套叠铸范，有16种铸件，36种规格，其总浇口直径为8～10毫米，内浇口薄仅2毫米左右，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。这就大大提高了生产效率。这一时期铸造工艺出现了更细的分工。根据对汉代铸造作坊出土器物的考察，它大体可分为制模、制范、烘范、熔铁、浇铸等作业，尤其是烘烤铸模、铸范以及铸模、铸范的制造精密，在铸造工艺中起着重要的作用，从而保证了铸件的质量和降低了次品率。
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综上所述，我国早在汉代，钢铁技术已发展到了较为成熟的阶段，封建时期手工业生产的技术条件所能容许和社会生产所需要的钢铁技术除灌钢外已基本齐备。汉代冶铁业规模巨大，遍布全国的冶铁作坊和精湛的钢铁技术成为汉代工农业生产进一步发展、国力增强的重要物质基础。铸钱业也是重要的手工业部门，采用铜范、铁范和泥范来制作，武帝时统一币制，铸五铢钱，至西汉末年共铸钱280亿枚。除铜、铅、锡外，秦汉时期金、银、汞的产量也有很大增长，我国封建时期所能冶炼的八种金属（金、银、铜，铁、锡、铅、汞、锌），除锌以外，在秦汉时期都已掌握其冶炼工艺了。
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