炒钢工艺是半熔融状态下将生铁炒炼脱碳成钢的技术,是我国古代重要的生铁制钢技术之一。而正确认识古代炒钢工艺及其遗存是认识我国钢铁技术发展多样性、复杂性、不平衡性的关键,对古代钢铁冶炼技术体系的完善及其对社会的影响研究具有十分重要意义。本论文通过文献调研,详细梳理了我国以往关于炒钢工艺的研究,补充与炒钢有关的古文献新内容,形成了对古代炒钢工艺的初步认识,总结了三种炒钢工艺的典型形式,并针对其中的“一缸式”地炉炒钢工艺与铁水搅拌炒钢方法,共设计并开展了 13次模拟试验,形成地炉炒钢与铁水搅拌炒钢的现场参数体系。同时,在确定地炉炒钢生产可行性的基础上,系统采集技术背景明确的样本,并开展金相观察与扫描电镜能谱分析,系统获取模拟试验实际脱碳水平、夹杂物特征、炉渣等微观信息,建立了地炉炒钢生产的现场参数设置与产物微、宏观特征之间的关系。有针对性地分析汉长安城武库出土铁兵刃、铁钉、残铁铤等古代样本,验证模拟试验所见的大型外生夹杂物特征外,还补充了古代炒钢实物资料存在的内生夹杂物特征。最后通过综合研究,完善对炒钢工艺定义、内涵、典型形式等方面的认识,详细论述我国地炉炒钢工艺的基本流程及其冶金特点,形成对我国炒钢工艺多方面的深刻认识基础上,为我国炒钢工艺的判定提出新见解。主要观点如下:炒钢工艺的生产过程可分为炒炼脱碳与锻造成型两个基本工序。炒炼环节需完成生铁熔化、高温脱碳至可锻含碳量水平、熔聚并凝固成团等关键任务。其中,生铁熔化是完成快速脱碳的关键性前提之一,也是铁料最终熔聚成团的必要条件,而炒钢生产的最高温度应高于生铁熔点。锻打环节可将炒炼初产物直接加工成器,也可先加工为中间产品再制成铁器。我国炒钢工艺自战国晚期就已出现,并在其后各个时代均有实物资料出土,而古文献中“炒钢”概念前后也发生演变,出现了多种与炒钢工艺有关的描述方式。这些内容展示了我国炒钢工艺具体形式的多样性与连续性。我国历史上出现的炒钢工艺以“一缸式”地炉炒钢、“两缸式”反射炉炒钢、竖炉方塘串联炒钢为典型工艺形式,各典型炒钢工艺的具体流程、生产操作、使用炉型、添加剂类别等方面均独具特色,又以“一缸式”地炉炒钢方法出现时间最早,持续使用时间最长,是我国古代主要的炒钢工艺形式。“一缸式”地炉炒钢方法是燃料与生铁原料同置于地炉内,利用鼓风设施吹炼空气供氧,使生铁完全熔化、脱碳后再锻打成器。一次理想的地炉炒钢生产,其炉内风口附近的高温中心温度需高于生铁熔点,高温分布范围需使铁料下坠过程中完全熔化,但炉底温度需低于炒炼产物熔点,供氧效率则需满足铁料的脱碳需求,生铁总用量还需保证其在炉底聚为积铁。这些内容可通过调整炉型结构与鼓风设施的组合参数、控制生铁原料成分、调节鼓风设备送风量等达到指标。地炉炒钢生产时,生铁先后经历了不同的相态,对应将经历Si、Mn等元素氧化、液态脱碳、固液两相脱碳、固态脱碳、铁料氧化等过程。同时,由于燃料与生铁不分离,炉渣的来源组分主要为炉壁、燃料灰分、生铁氧化物以及添加剂,对应也将出现硅系、钙系、铁系三种成渣过程。成渣过程不同,形成的炉渣类型也将不同。而不同阶段形成的炉渣又可能混入铁料形成对应成分的夹杂物类型。但相较于炉渣,地炉炒钢夹杂物的形成过程更为复杂,涉及外源组分与内源组分的共同作用。炒钢产物的大型非金属夹杂物多属于外生夹杂,引入自炒炼环节,包括硅钙系、铁硅系、铁硅钙系、铁钙系、磷酸钙、磷硅酸钙、铁氧化物等,锻打环节则会对这些夹杂物的数量、形貌、主要类型占比造成较大影响。汉长安城武库出土铁器的分析验证炒钢产物外生夹杂物特征,同时铁器内还观察到一些内生夹杂物特征。武库铁器的分析还反映了我国西汉时期就已掌握了“炒炼为钢”“炒炼为熟铁”的地炉炒钢生产方式,其中“炒炼钢料”被用于加工为高品质铁兵刃,而“炒炼熟铁或低碳钢”则被用于加工为品质较差的铁钉。针对炒钢遗存的判定方法,本论文重新总结了其与生铁冶炼或熔炼、生铁固态退火脱碳、块炼铁、块炼渗碳钢冶炼等关键技术的本质区别,重点参考了炉渣主成分、主要物相,铁质文物含碳量、夹杂物成分类别、尺寸、大型外生夹杂物数量、内外生夹杂物的组合、大型外生夹杂物主成分等信息,给出了判定路线图。