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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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图4－7 汉代叠铸范及其铸件（河南温县出土）
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中国科学技术史稿（修订版） [:1701078153]
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四 天文学体系的形成和杰出的科学家张衡
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历法体系的形成
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随着秦王朝的建立，秦颛顼历也就成为统一颁行全国的历法。汉初，仍继续沿用颛顼历。到汉武帝时期，颛顼历日见疏阔，在年终放置闰月的方法等也不能适应当时农业生产发展的需要，于是改历势在必行。公元前104年，汉武帝下令由公孙卿、壶遂、司马迁等人“议造汉历”，并征募民间天文学家二十余人参加（其中著名的有唐都、落下闳、邓平、司马可、侯宜君等人）。他们或作仪器进行实测，或进行推考计算，对所提出的18种改历方案，进行一番辩论、比较和实测检验，最后选定了邓平的方案，命名为太初历。从改历的过程我们可以看到，当时朝野两方对天文学有较深研究者，可谓人才济济。特别是来自民间的天文学家数量之多，说明在社会上对天文学的研究受到广泛的重视，有着雄厚的基础。我国古代制历必先测天，历法的优劣需由天文观测来判定的原则，这时就已得到了确认和充分的体现，这对后代历法的制定产生十分深远的影响。
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太初历的原著早已失传，西汉末年刘歆基本上采用了太初历的数据，把太初历改名为三统历，它被收录在《汉书·律历志》里，一直流传至今。太初历已具备了气朔、闰法、五星、交食周期等内容。它首次提出了以没有中气（雨水、春分、谷雨等十二节气）的月份为闰月的原则，把季节和月份的关系调整得十分合理，这个方法在农历（或被称为夏历）中一直沿用到现在。太初历还第一次明确提出了135个朔望月中有23个食季的食周概念，关于五星会合周期的精度也较前有明显提高，并且依据五星在一个会合周期内动态的认识，建立了一套推算五星位置的方法。这些都为后世历法树立了范例。
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关于月亮每日运行平均度值的概念，至迟在汉代也已形成。在《淮南子·天文训》中就指出：月亮每天运行十三度又十九分之七（由此可推得一恒星月长度为27.3218504日，与理论值之差约为17秒）。到三国两晋南北朝时期，各历法所给恒星月长度值误差降到5秒左右，而在唐宋以后大多数历法恒星月长度的误差已小于1秒，达到了很高的精度。
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