古人最初采集铜矿石，是用于提炼纯铜。纯铜因为是红色的，所以叫红铜。红铜虽然可锻并能熔铸工具，但质地不如石器坚硬和锋利，制作出来的工具刀口容易钝。同时，由于红铜溶液粘稠，流动性差，所以难以浇铸出造型复杂的大件容器。古人在提炼及使用红铜工具过程中，发现将红铜与锡、铅等金属熔融在一起，就能克服以上这些弱点，于是开始在红铜中掺进定量的锡、铅，炼制出一种青灰色的合金，这就是青铜。与红铜相比，青铜有熔点低，易于铸造；硬度大；融化后流动性好，少气泡等优点，适于铸造锋利的刀刃和细密的纹饰。
青铜文化的出现和发展是建立在冶金设备的发展和完善基础上的。先进的炼铜竖炉是青铜冶铸业兴起的基础之一。从湖北大冶铜绿山发现的春秋时期的炼铜竖炉看，当时的竖炉由炉基、炉缸和炉身组成，在炉的前壁下部设有金门和出渣、出铜的孔洞，炉侧还设有鼓风口，整体结构已相当先进。
在冶炼青铜的过程中，我国古代劳动人民还逐步发现了铜与锡、铜与铅的配比的改变，能够使炼制出来的青铜的属性发生变化。青铜熔点低，加进的锡越多，熔点越低。同时随着加锡量的增多，硬度也随之增高，远远超过了红铜的硬度。但是当加锡过多时，青铜反而变脆，容易断裂。后来，人们又发现在青铜中加入定量的铅，就能克服青铜较脆的弱点。通过反复的实践，到春秋战国时期，古人已经总结出配制青铜的合金规律。 战国时代的《周礼•考工记》里对于铸造各种青铜器物的合金配比，就有比较明确的记载："金有六齐，六分其金而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居其一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。"这里的"金"是指青铜，"齐"是剂量的意思。
古代世界冶炼生铁的技术最早发现于中亚，但是由于炼铁炉过小，鼓风力弱，只能炼出海绵状的块炼铁。从春秋晚期开始，中国在炼铁技术上就开始独领风骚，竖式炼铁炉成了生铁冶炼的主要设备。特别是到了汉代，国家专营的冶铁作坊技艺精进，使生铁得以大量生产。
高炉的鼓风设备叫“橐”（音tuó），是一只皮制的鼓风机。这种橐，在汉代又作了进一步的改进，由皮革制作的风囊和木架构成，有入风口和排风口，把几个橐连在一起的称为排橐或排，它可以增大进风量，增强燃烧的火力，把炉温迅速提高到炼铁所需要的1200多度。最早，橐用人力畜力带动。据史书记载，当时的炼铁，需要上百匹马拉动大型排橐鼓风，加上装运矿石的成百上千的工人，真是人强马壮。但是，无论人力还是畜力鼓风机都不能满足日益发展的炼铁的需要，炼铁业呼唤更有力的鼓风机的出现，于是功率更强大的水力鼓风机——水排应运而生了。宋代的王祯在《农书》中详细记载了水排的结构和工作原理，并绘图说明。水排是在湍急的水流之滨竖立起的巨大的木轮，靠水流的冲击力带动木轮转动，再由传动机构带动橐排的转动，从而将强大的风吹入高炉。古代水力鼓风机所包括的动力机构、传动机构和工作机构三部分已经达到相当完备的程度，制作技术和尺寸大小和中国高炉的规模相适应，举世无匹。
铸铁柔化术是中国古代钢铁业的另一重大发明。铸铁炼制出来之后，因为性脆、缺乏韧性而不适合锻造优良的铁器。而适合锻造铁器的铸铁，因热处理的温度和方法的不同，分作白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种。白心可锻铸铁具有比较高的硬度和强度，黑心可锻铸铁具有较好的耐冲击性。这种技术的关键是将普通铸铁长时间高温加热，使其中的化合碳发生变化，当碳的含量介于铸铁和钢之间，其性质也随之变化，具有较强的延展性并保持了一定的硬度。这种技术叫铸铁柔化术。
炒铁是古代中国钢铁冶炼的重大发明，是一种简便有效的炼铁术。方法是把含碳量过高的可锻铸铁加热到半流体状态，再和铁矿石粉混和起来不断“翻炒”，让铸铁中所含碳元素不断渗出、氧化，从而得到中碳钢或低碳钢。如果继续炒下去，就得到含碳更低的熟铁。这种方法始于西汉，东汉的《太平经》中就明确记载了炒铁技术。
两晋南北朝时，新的灌钢技术兴起了。这种方法是先将生铁炒成熟铁，然后同生铁一起加热，由于生铁的熔点低，易于熔化，待生铁熔化后，它便“灌”入熟铁中，使熟铁增碳而得到钢。这样，只要配好生熟铁用量的比例，就能比较准确地控制钢中含碳水平，再经过反复锻打，就可以得到质地均匀的钢材。这种方法比较容易掌握，工效提高较大，因此南北朝以后成为主要炼钢方法。灌钢技术在南北朝时已相当流行，这种方法是在炒钢的实践过程中逐步发展起来的。
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