汉代工农业生产和军事活动的需要，使各种制钢技术得到蓬勃发展。西汉前期刘胜墓所出钢剑，经检验是由块炼铁渗碳反复锻打而成的，由于锻打次数增多，钢的质量比战国燕下都钢剑有明显提高。到了东汉时期，又出现了以炒钢为原料的经“三十炼”的金马书刀和钢刀。《汉金文录》着录的永元错金书刀，铭文为“永元十六年（公元104年）广汉郡工官。卅炼史成长荆守丞主”。1974年山东苍山县出土的东汉钢刀，铭文有“永初六年（公元112年）五月丙午造卅炼大刀吉祥”，为接近共析成份（碳含量千分之八）的高碳钢锻成。稍后一些时期，在东汉中平年间（公元184—189年）又出现具有“百炼清刚”铭文的百炼钢刀。
另一卓越的制钢工艺——铸铁脱碳成钢，则是从高度成熟的铸铁柔化术衍变而来。通过长期反复的实践，汉代冶铁工匠对于生铁的机械性能随着碳份的高低而变化这一点已有深入的认识。在实践上，他们能够把碳含量达4％左右或更高的铸铁，经过脱碳使内层也消除白口铁的组织，通体都成为高碳钢。这样，就创造了一种在固态下通过高温脱碳处理，把生铁变成钢的先进工艺。郑州东史马出土的东汉铁剪和南阳东汉铁戟等，就是这样制成的。由于生铁在浇注过程中，非金属和金属夹杂物可上浮撇去，金属组织较为纯净。因此，铸铁脱碳后所得到的钢，和现代碳素滚珠轴承钢的质量相近。这种制钢工艺从目前资料看，是我国所独有，很有独创精神。
西汉时期钢铁技术最重大的成就是炒钢（或炒铁）的发明。它是在地面上挖出缶状炉缸，内层涂以耐火泥，上置顶盖，做成炒钢炉。冶炼时，将生铁料烧成熔融或半熔融状态，鼓风吹炼并加搅拌，使成为熟铁，或在有控制地脱碳的条件下成为低中碳钢以至高碳钢。流传至今的传统炼钢工艺仍沿用了这种方法。因为它以生铁为原料，价廉易得，生产率高，因此和其它制钢方法相比，有极大的优越性。它的出现和逐步推广改变了整个冶铁生产的面貌，是钢铁发展史上有划时代意义的大事情。炒钢技术及热锻制钢，大大促进了百炼钢的发展，使之进入成熟阶段。巩县铁生沟和南阳瓦房庄都出土有炒钢炉，说明炒钢技术可能在西汉中期或稍迟时已经发明。东汉时期铁器种类增多，锻铁器比铸铁器有明显增加，铜兵器全被铁兵器取代，社会生产力也较西汉有提高，这和炒钢的发明和推广是分不开的。
制钢术的进步，需要更多的生铁作原料，从而促进炼铁技术的发展。巩县铁生沟似已试用煤来冶铁。用煤作燃料是冶铁技术提高的重要因素。在鼓风技术方面，东汉时期以水力为动力，创制了“水排”鼓风装置，在钢铁史和机械史上都有重大的意义。从南阳地区诸冶铁遗址的实地调查看，有些炼炉即建在河边，很可能采用水力鼓风。南阳自战国以来即以冶铁着称，南阳大冶孔仅曾任西汉大司农和大农丞领盐铁事等要职，境内又有丰富的水利资源，“水排”在这里产生是很自然的。
魏晋的铁范、生铁范铸术和铸铁柔化术等在汉代的基础上又有新的发展，百炼钢已相当成熟，魏、蜀、吴三国都用之锻制刀剑。曹操曾令工师制作“百辟利器”，曹丕《典论·剑铭》说：“选兹良金，命彼国工，精而炼之，至于百辟”，制成的刀剑有美丽的纹理，文似灵龟，“采似丹露”，“理似坚冰”，“曜似朝日”。《太平御览》卷346引《刀剑录》称：“蜀主刘备令蒲元造刀五千口，皆连环，及刃口刻七十二湅”。《古今注·舆服》称：“吴大帝有宝剑三……一曰百炼，二曰青犊，三曰漏景”。陈琳《武军赋》称：“铠则东胡阙巩，百炼精刚”。《晋书》记述赫连勃勃命将作大匠比干阿利造五兵之器，“射甲不入，即斩弓人，如其入也，便斩铠匠，又造百炼刚刃为龙雀大环，号曰大夏龙雀”。由此可见，一些少数民族也已掌握这项技术，并用于铠甲和兵器制作。
此外，在制钢技术方面出现了新的突破。《重修政和经史证类备用本草》卷四十五“石部”引陶弘景语：“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者”，这是最早明确记载用生铁和熟铁合炼成钢（即灌钢）的文献资料。东汉王粲《刀铭》：“灌辟以数”，晋张协《七命》：“乃炼乃烁，万辟千灌”，这些词句似乎表明类似的工艺在汉末、晋代已经出现。
北齐的綦母怀文用灌钢法造宿铁刀，“其法，烧生铁精以重柔铤，数宿则成钢。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斩甲过三十札”。“生”指的是生铁，“柔”指的是熟铁。先把含碳高的生铁溶化，浇灌到熟铁上，使碳渗入熟铁，增加熟铁的含碳量，然后分别用牲尿和牲脂淬火成钢。牲畜尿中含有盐分，用它作淬火冷却介质，冷却速度比水快，淬火后的钢较用水淬火的钢硬；用牲畜的脂肪冷却淬火，冷却速度比水慢，淬火后的钢比用水淬火的坚韧。由此可知，当时不但炼钢技术有较大的发展，淬火工艺也有了提高。灌钢法在坩锅炼钢法发明之前是一种先进的炼钢技术，对后世有重大的影响。
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冶铸中的鼓风技术，也有了重大进步。三国时魏国的韩暨在官营冶铁工场中改进和推广应用水排，计其利益比马排、人排增加了三倍。这种鼓风水排，节省了人力、畜力，提高了生产效率，为后代广为流传使用。
汉代以来的各项金属冶炼和加工工艺在隋唐获得了全面的发展，并且在技术上趋于定型。如百炼钢技术因效率较低，已不常使用。而作为灌钢工艺早期形式的宿铁法则在唐初得到进一步推广，成为冶坊中的常规工艺。传统钢铁技术大约到唐代中期趋于定型，形成了以蒸石取铁，炒铁为柔，生熟相和，炼成则钢为主，辅以渗碳制钢、夹钢、贴钢等冶炼加工工艺的传统钢铁技术体系，其后长期沿用，成为定式。作为古代钢铁史上总结性的技术成果，这一体系采取的正是现代钢铁冶炼由矿石炼得生铁，再由生铁炼钢和熟铁或用生铁、废钢合炼成钢的工艺路线。这进一步证实了中国传统钢铁技术的先进性及其在世界钢铁史上的重要地位。
与此相应的是，唐代的农具制作有了重大变革。唐初仍有部分农具是铸铁的。唐中叶后，随着传统钢铁技术体系的形成，炒铁和制钢术普及，农具从铸制发展到锻制。这标志着锻造和铸造在社会生产中地位的转换。近年出土的唐代铁农具（如河南三门峡市出土的唐代铁铁镰，河北易州出土的锄、铲、刀、镰等）就是锻制的，其形式与现在所用手工制作的传统农具已几乎完全一致。农具制作的历史性变革在社会生产中起了重要作用。
隋唐以后的铁范铸造技术是承袭着早期铁范的结构形式和铸造方法而发展起来的。虽然农具由铸制改为锻制，但犁镜仍用铁范铸造。此外，失蜡法铸造技术也有了进一步的发展，特别是用于造型复杂的铸像。隋开皇四年（584），武强县丞董钦出资所造佛像即属于失蜡法铸件。唐初铸开元通宝也采用了失蜡法，《唐会要》卷八九引郑虔《会粹》：欧阳询“进样，自文德皇后搯一甲迹，故钱上有文”。这是关于失蜡法的最早文献记录。即蜡的古写，这是用蜡塑成钱样，经审定后才予铸造颁行。出土的开元钱中确有一种于钱背有甲痕的。唐代宫廷用器也常用失蜡法铸造而成。
大型、特大型铸件代表着金属冶铸业的生产规模与技术水平。隋澄空于晋阳铸铁佛高七十尺。唐武则天当政时铸天枢，高一百零五尺，用铜、铁二百万斤；又铸九鼎，高丈余，用铜五十六万斤。中国现存最早的特大铸件首推五代时期铸造的沧州大铁狮。它是953年由山东李云铸造的，长五点三米，高五点四米，宽三米多，重四十吨。它分段接铸而成，铸范共四百零九块，泥芯是整体的，这反映了当时造范与合铸技术的高超水平。
宋代的铁主要产自磁州、邢州、兖州和徐州。黄金开采以山东登州、莱州为最着称。其他有色金属产地则多在江西、福建、广东等南方地区。官营矿冶业的管理相当严格，据《宋会要辑稿·食货》记载，当时的铜矿官员要逐日登录下矿人数，采矿、磨矿篓数，淘洗和入炉冶炼的矿石斤数。《宋史·薛奎传》提到，永州“发调兵三百人采铁，而岁入不偿赀。奎听民自采，所输辄倍之”。又，《宋史·梁适传》载：“莱芜冶铁为民病，当役者率破产以偿。适募人为之，自是民不忧冶户，而铁岁溢。”这表明官营矿冶业的腐败和窑役的扰民已严重阻碍矿冶的生产发展。在这种情况下，官府被迫采取“豪户请佃”、“业主开采”等方式，民营坑冶得以有较大发展，如《东坡奏议》卷2即载其时徐州利国监“凡三十六冶，冶户皆大家，每冶有百余人”，李昭圯《乐静集》卷29《吕正臣墓志铭》中记兖州莱芜冶吕氏”募工徒，斩木锻铁，制器利用，凡东州之人，一农一工，家爨户御，其器皆吕氏作也”。
辽夏金对西北和东北地区的矿冶发展也作出了重要贡献。契丹和渤海、室韦诸族原先就都能炼铁。辽立国后，设五冶太师统辖坑冶。《辽史·食货志》记辽阳有铁冶300户。幽蓟等地的冶铁业也都保持一定的规模。女真在立国前也已能烧炭炼铁，其后进一步建立了自己的矿冶业。黑龙江阿城为金上京会宁府，已发现金代冶铁遗址50余处，出土有大量炼炉、矿石、炼渣和铁块等。陕西榆林窟有西夏时期的冶铁图，其中的木扇形制和中原相类似。历年所出西夏钱币的合金成分和铸造工艺，也和宋钱相同。这些都表明辽、西夏、金的矿冶业是在中原先进技术带动下发展起来的。
传统钢铁技术体系的定型，是唐宋时期金属技术发展最突出的成就。苏颂《图经本草》称：“初炼去矿，用以铸器物者为生铁，再三销拍可作鍱者为鑐铁，亦谓之熟铁。”唐初仍有部分农具用生铁铸就。但到宋代，锄、耙等铁农具如河南白沙、山东临沂、江苏扬州等地所出已均由锻制。农具制作由铸制改为锻制这一历史性转变，对宋代农业生产的发展是起了重要作用的。
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宋代称炼铁炉为蒸矿炉。河南南召县草店、下村、庙后村、朱砂铺发现宋代炼铁竖炉14座，均用耐火石砌筑，炉径2—3米。邯郸矿山村宋代炼铁炉保存较好，炉壁残存高近6米，底径3米。炉体呈鼓形，腹径较底径为大，自炉腹至炉顶逐渐收缩。河南林县铁牛沟宋冶铁遗址有炉址11座。炉的内径自0.9米到2.6米不等，多依山坡修筑，于坡上建平台装料。阿城金代冶铁遗址所出炼铁炉也依山岗修建，炉膛截面略呈梯形。近处并有矿井10余个，最深达40米，井内残存坑木、柳条筐、铁锤、铁钎和陶灯盏等。
由上可知，至迟到宋代，炼铁竖炉的内形已略近现代高炉，具有炉腹角和炉身角。这种炉型有利于炉气合理分布，使炉况顺行，炉龄得以延长，是炼铁竖炉的重大改进。苏轼《石炭行》诗中记徐州煤矿云：“南山栗林渐可息，北山顽石何劳锻。”河南安阳唐坡出土的9块宋代铁锭，经分析含硫1.075％。对河南登封、新郑、密县等地所出42件宋代铁器所作分析表明，其中大多数含硫较高，应为煤炭所炼。陆游《老学庵笔记》卷1云：“北方多石炭，南方多木炭，而蜀又有竹炭。……邛州出铁，烹炼利于竹炭，皆用牛车载以入城，予亲见之。”
传统制钢术以灌钢为最重要和最具特色。沈括《梦溪笔谈》称：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，封泥炼之，锻令相入，谓之团钢，亦谓之灌钢。”这是古代文献中首次使用“团钢”、“灌钢”二词。它比东魏、北齐间綦毋怀文的宿铁法减少了灌炼次数，又用封泥造渣和保护，显有改进。百炼钢的制备工艺也首见于《梦溪笔谈》：“但取精铁，锻之百余火，每锻称之，一锻一轻，至累锻而斤两不减，则纯钢也。”宋曾敏行《独醒杂志》又记载一种独特的制钢术：“（湖南苗族）其俗举子，姻族来劳视者，各持铁投其家水中。逮子长授室，大具牛酒，会其所尝来往者，出铁百炼，尽其铁以取精钢。刀成铦利绝世，一挥能断牛腰。”类似的制钢术，西班牙西北部的塞尔忒人也使用。
铁钱始铸于西汉时期。宋代是中国历史上铸造铁钱种类最多，数量最大的时期。神宗时，全国有铁钱9监，年铸铁钱88万余贯。夹锡钱则是杂有铅、锡的铁钱，而非有些学者认为的铜钱。这种劣钱本是为防止西夏等用铁钱改铸兵器而施行，在蔡京当政期间一再大量铸造，是北宋末期币政滥恶的又一例证。
隋唐以降，随着金属冶炼业的发展，大型、特大型铸件层出不穷，成为中国古代金属文化的突出标志之一。北宋嘉佑六年（1061）在湖北当阳建造铁塔，共13层，由44件铸铁构件叠装而成，总高18米，用铁近4万斤，经检验属麻口铁，含磷较高。正定铜佛坐落在河北正定隆兴寺大悲阁内。该寺始建于隋开皇六年（586）。五代时，铜佛被焚。宋开宝四年（971），奉赵匡胤之命重建。铜佛以生铁为基座，分7节，由泥型接铸而成，高20米，重达36吨。此外，太原晋祠铁人4尊，各高2米多，其中一尊铸于绍圣四年（1087）。四川峨嵋山圣寿万年寺普贤铜像，高7.4米，重12万斤，铸于太平兴国五年（980）。着名的针灸铜人，铸于天圣五年（1027），周身标明穴位，供习练针灸之用。
明代，炼铁竖炉及其熔炼技术有进一步发展。据朱国桢《涌幢小品》和孙承泽《春明梦余录》记载，遵化铁冶“铁炉深一丈二尺，广前二尺五寸，后二尺七寸，左右各一尺六寸，前辟数丈为出铁之所，俱石砌，以简千石为门，牛头石为心，黑沙为本，石子为佐，时时施下，用炭火，置二鞴扇之，得铁日可四次。妙在石子产于水门口，色间红白，略似桃花，大者如斛，小者如拳，捣而碎之，以投于炎，则化而为水。石心若燥，沙不能下，以此投之，则其沙始销成铁。”这里所说的色如桃花的石子应即莹石，用作熔剂可降低熔点，使炉况顺行，是炼铁技术的重要进展，文献记载以此为最早。炼铁所用鼓风器多为双动作的活塞式木风箱。由于箱体结构和活门的巧妙设置，使得正、逆行程都能送风，为炼炉提供连续风流。四人拉拽的大型木风箱，风压可达三百毫米汞柱，在当时世界上是一种先进的鼓风设备。有些铁场还使用了机车，如屈大均《广东新语》记载，广州铁场装填矿料“率以机车从山上飞掷以入炉”，节省了劳力，提高了工效。
焦炭至迟于明代已用于炼铁。方以智《物理小识》说：“煤则各处产之，奥者烧焙而闭之成石，再凿而入炉曰礁，可五日不绝灭，煎矿煮石，殊为省力。”李诩《戒庵老人漫笔》说北京地区“炼焦炭，备冶铸之用”。按木炭所含灰分只0.5—2.5％，磷分0.01—0.017％，硫甚少，可不计，并且气孔度大，料柱透气性好，利于熔炼操作。但由于其强度低，炉高不能超过十米，限制了高炉的发展。煤的杂质多，炼铁时须加大造渣量，兼以热稳定性差，易使炉况不顺，所得生铁含硫量高，质较次。焦炭在制备时经过蒸馏