煉鋼技術(shù)的成熟（上）

法國(guó)巴黎的埃菲爾鐵塔，巍峨屹立聳入云霄，堪為當(dāng)今世界的一大景觀。這座高達(dá)300米的龐然大物，完全是用鋼鐵構(gòu)筑而成。它建造于1889年，恰好成為19世紀(jì)末興起的鋼鐵技術(shù)的象征。

1.從鐵到鋼的變化

煉鐵，在公元前就已有之。到了14世紀(jì)，歐洲已發(fā)展到高爐煉鐵時(shí)代。

18世紀(jì)初，焦炭煉鐵取得成功，木炭逐漸被焦炭所代替。18世紀(jì)后期，煉鐵中開(kāi)始使用蒸汽動(dòng)力鼓風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了高溫操作，同時(shí)，高爐脫硫亦獲得成功，煉鐵技術(shù)遂進(jìn)入了焦炭時(shí)代。

隨著歐美產(chǎn)業(yè)革命的成功，工場(chǎng)手工業(yè)逐漸為機(jī)械大工業(yè)所代替。由于機(jī)器的大量制造和使用，鐵便成為最基本的工業(yè)材料，需求量迅速增加。加之鐵路鋪設(shè)、輪船建造、武器制備和建筑材料的生產(chǎn)等，都需要用大量的鐵，因此，鐵的產(chǎn)量雖幾經(jīng)翻番，但仍不能滿(mǎn)足社會(huì)的需求。

一方面鐵的需要量日益增加，另一方面鐵的弱點(diǎn)也越來(lái)越引起人們的重視。生鐵太脆，熟鐵太軟，由于它們都缺少工業(yè)材料所要求的韌性，因此必然使鐵的應(yīng)用受到限制。在這種情況下，用鐵煉鋼，煉出大量的優(yōu)質(zhì)鋼自然成了人們共同關(guān)注的問(wèn)題和追求的目標(biāo)。

在19世紀(jì)以前，已經(jīng)有了使熟鐵滲碳的"泡鋼法"、用坩堝煉鋼的"鑄鋼法"和用反射爐攪動(dòng)鐵水煉鋼的"攪鋼法"。這幾種煉鋼技術(shù)和高爐煉鐵技術(shù)一起，形成當(dāng)時(shí)較為完整的鋼鐵技術(shù)體系。

英國(guó)的本杰明.亨茲曼發(fā)明了鑄鋼法，實(shí)現(xiàn)了由鐵到鋼的重大技術(shù)轉(zhuǎn)折。1740年，本是鐘表匠的亨茲曼開(kāi)始了煉鋼法的研究，其目的是要得到制造鐘表的優(yōu)質(zhì)材料。他在"泡鋼"的基礎(chǔ)上發(fā)明了"鑄鋼"。他把"泡鋼"放在坩堝內(nèi)，再在坩堝內(nèi)的金屬里加入少量木炭和熔劑，用焦炭做燃料，在熔爐中進(jìn)行高溫熔化，除去雜質(zhì)，然后將坩堝內(nèi)的鋼水倒在模子里鑄成鋼棒，"鑄鋼"因此而得名。使用時(shí)，將鑄鋼切制成鋼條，因其具有較高的機(jī)械性能和較好的韌性，故可做發(fā)條和刃具。

1783，亨利.考特發(fā)明了攪鋼法，是用燒煤的反射爐熔鐵，用火中的氧脫碳，為了加快反應(yīng)速度要不停地進(jìn)行攪拌，故為"攪鋼法"。用這種方法煉出的鐵易熔化和鍛打，因此相對(duì)于含碳量高的生鐵來(lái)說(shuō)，它被稱(chēng)之為"熟鐵"。"泡鋼法"的應(yīng)用比"鑄鋼法"和"攪鋼法"稍早一些，生產(chǎn)工藝和技術(shù)也比較簡(jiǎn)單。它是把熟鐵條放在木炭上，加熱10天左右，使之吸收一定量的碳質(zhì)即成泡鋼。這些方法效率都很低，產(chǎn)量也極其有限，因此無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)生產(chǎn)對(duì)鋼材的需求。要解決這一難題，必須研究先進(jìn)高效的煉鋼方法。

2.煉鋼方法的變革

在探索大規(guī)模煉鋼技術(shù)的過(guò)程中，可謂經(jīng)歷了三個(gè)階段。一是貝塞麥煉鋼法首創(chuàng)轉(zhuǎn)爐煉鋼新技術(shù)；二是德國(guó)的西門(mén)子和法國(guó)的馬丁發(fā)明了平爐煉鋼法，煉出了優(yōu)質(zhì)鋼；三是托馬斯煉鋼法脫磷成功，在歐洲各國(guó)得到迅速推廣。

由于平爐、轉(zhuǎn)爐煉鋼新技術(shù)的廣泛采用，從而推動(dòng)了鋼鐵工業(yè)的大發(fā)展。在研究新的煉鋼方法方面應(yīng)當(dāng)說(shuō)最早的成功者是英國(guó)人威廉.凱利(1811-1888）。他在肯特郡開(kāi)設(shè)了鐵工廠(chǎng)。1847年的一天，他偶然發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象，當(dāng)精煉生鐵時(shí)，如果少放一些木炭燃料而多向爐內(nèi)鼓進(jìn)空氣，反而能使?fàn)t溫升高。他把這種方法稱(chēng)作"空氣沸騰法"。采用這種方法，不但可以節(jié)省燃料，還可把鐵煉成鋼。1851年，凱利根據(jù)這個(gè)方法建造了煉鋼爐，但他嚴(yán)格保密達(dá)7年之久，直到1857年貝塞麥發(fā)明了"轉(zhuǎn)爐煉鋼法"，凱利才公布了自己的發(fā)明。

（1）貝塞麥與轉(zhuǎn)爐煉鋼法

轉(zhuǎn)爐煉鋼法的問(wèn)世，給鋼鐵工業(yè)注入了新的活力，在歐美各國(guó)爭(zhēng)相引進(jìn)之后，貝塞麥發(fā)明的轉(zhuǎn)爐煉鋼法，迅速在全世界得到推廣。說(shuō)來(lái)也怪，本不是鋼鐵工業(yè)專(zhuān)家的貝塞麥，卻為鋼鐵冶煉技術(shù)作出了重大貢獻(xiàn)；在英國(guó)長(zhǎng)大的貝塞麥，其技術(shù)發(fā)明卻是在外國(guó)人支持下進(jìn)行的。

1856年8月，貝塞麥(1813-1898)向英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)提交了一篇題目為《關(guān)于不使用燃料生產(chǎn)可鍛鐵和鋼》的論文，并在有關(guān)的會(huì)議上做了貝塞麥新煉鋼法的報(bào)告，受到與會(huì)者的歡迎和重視。精于學(xué)習(xí)、勤于鉆研的貝塞麥?zhǔn)且晃活H有名氣的發(fā)明家。他在20歲時(shí)發(fā)明了印制郵票的新方法，后來(lái)還發(fā)明過(guò)制糖壓榨機(jī)、金色涂料等。在軍工技術(shù)方面他還有過(guò)不少新發(fā)明。

導(dǎo)致他投入新煉鋼法研究的契機(jī)，是軍備和戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，直接原因是在英、法、土耳其對(duì)俄國(guó)的克里米亞戰(zhàn)爭(zhēng)(1853-1856)期間，貝塞麥研制出一種新型炮彈，并發(fā)明了大炮炮筒的來(lái)復(fù)線(xiàn)結(jié)構(gòu)。顯然用生鐵鑄造的舊炮已不適用，為了得到合格的鋼鐵做炮筒，貝塞麥便開(kāi)始探索新的煉鋼方法。經(jīng)過(guò)多次失敗，貝塞麥發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)化鼓風(fēng)非但不會(huì)降低爐溫，反而還會(huì)提高爐溫，而且可以減少鐵水中的雜質(zhì)和降低含碳量。于是他發(fā)明了"吹氣精煉法"，并于1855年10月取得專(zhuān)利。貝塞麥分析指出，充分供應(yīng)空氣可以使鐵水中的碳、硅、磷、錳等雜質(zhì)氧化，在它們氧化的過(guò)程中會(huì)放出熱量，連續(xù)不斷地進(jìn)行高溫反應(yīng)，因而不需再加入燃料。貝塞麥在報(bào)告中講到："轉(zhuǎn)爐熔鐵只要從爐底吹20-30分鐘空氣(氧使鐵中雜質(zhì)氧化后除去，則減少了碳的氧化），雖然引起猛烈爆炸，但鋼不變，雜質(zhì)成為渣子浮在表面，或成為氣體逸出，而后則可出鋼，熔鋼流出來(lái)，發(fā)出耀眼的強(qiáng)光。"

同年，貝塞麥改裝了一座煉鋼爐，以進(jìn)行新的煉鋼法實(shí)驗(yàn)，即從爐底吹入空氣，"除了鐵水和空氣什么也不需要"。對(duì)于這種實(shí)驗(yàn)，許多人都表現(xiàn)出疑惑和不解，甚至連參加實(shí)驗(yàn)的工匠們都警告他說(shuō)，不加焦炭光吹空氣是會(huì)使鐵水在爐中凝固的。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全出乎人們的預(yù)料：從爐底鼓進(jìn)的空氣，首先將鐵水中的錳和硅氧化，形成褐色煙霧沸騰逸出，同時(shí)生鐵中的碳也被氧化成二氧化碳。這時(shí)爐溫沒(méi)有下降，反而從倒入鐵水時(shí)的1350℃上升到1600℃，爐料"燃燒"呈現(xiàn)白亮的光焰。大約10多分鐘以后火焰消失，放出濃重的褐色三氧化二磷煙霧，表明鐵水中的磷也被除去了。這樣，用了不到半小時(shí)的時(shí)間就煉出一爐鋼水，實(shí)驗(yàn)取得了完全成功。為使煉好的鋼水易于倒出，貝塞麥將煉鋼爐從固定式結(jié)構(gòu)改為轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)爐由此誕生。1857年他取得了這一發(fā)明的專(zhuān)利權(quán)。

當(dāng)時(shí)英國(guó)煉鋼要從瑞典進(jìn)口大量的棒狀鐵，冶煉方式仍然擺脫不了過(guò)去的"泡鋼法"和"鑄鋼法"，而且要消耗大量的焦炭，因此和貝塞麥煉鋼法相比，可以明顯看出貝塞麥煉鋼法的巨大優(yōu)越性。一是它大大降低了生產(chǎn)成本；二是改進(jìn)了生產(chǎn)工藝；三是形成了大規(guī)模生產(chǎn)；四是提高了鋼的質(zhì)量。

正因如此，所以它引起了歐洲工業(yè)界的轟動(dòng)，隨后便被引入法國(guó)。德國(guó)的阿爾福萊德.克虜伯(1812-1887)專(zhuān)門(mén)為該項(xiàng)技術(shù)建設(shè)了一座轉(zhuǎn)爐煉鋼廠(chǎng)并于1862年投入生產(chǎn)。尤其是美國(guó)大規(guī)模引進(jìn)這一技術(shù)，并且在很多地方建立了以貝塞麥名字命名的鋼鐵廠(chǎng)。

貝塞麥煉鋼法一度產(chǎn)生了轟動(dòng)效應(yīng)，但不久便遇到了麻煩。許多引進(jìn)貝塞麥煉鋼法專(zhuān)利的鋼鐵公司，接二連三地遭到失敗。原因是他們用貝塞麥煉鋼法生產(chǎn)出的鋼制品質(zhì)地很脆，于是貝塞麥招致了很多人的批評(píng)甚至是責(zé)罵。一時(shí)間搞得貝塞麥?zhǔn)止铝⒑碗y堪。從1857年起，貝塞麥對(duì)自己煉鋼法暴露出來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使鋼質(zhì)變脆的原因是磷、硫雜質(zhì)脫除不好，其中磷又是主要因素；而問(wèn)題的癥結(jié)出在原料上。凡是發(fā)生問(wèn)題的轉(zhuǎn)爐，使用的生鐵都是由含磷、硫量較高的礦石冶煉的。貝塞麥?zhǔn)褂眠^(guò)的原料恰巧都是含磷、硫量較低的礦石，因此對(duì)這一問(wèn)題他未曾發(fā)現(xiàn)。正當(dāng)貝塞麥處于困難境地之時(shí)，瑞典企業(yè)家蓋朗松大膽引進(jìn)了貝塞麥煉鋼法，并于1858年試生產(chǎn)取得成功。貝塞麥由此獲得了啟示和信心。他堅(jiān)信自己的理論和方法完全正確，并于1860年自行建廠(chǎng)，用轉(zhuǎn)爐煉鋼法煉出了優(yōu)質(zhì)鋼，成功地實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。1862年，貝塞麥在國(guó)際博覽會(huì)上展出了用他的轉(zhuǎn)爐鋼制造的大量產(chǎn)品——從小小的刮臉刀片到威嚴(yán)的大炮。

1860年，貝塞麥煉鋼法在英國(guó)取得成功之后，法國(guó)在同年引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)并進(jìn)行推廣；1862年德國(guó)的煉鋼業(yè)也采用了貝塞麥煉鋼法；1864年美國(guó)也開(kāi)始大規(guī)模引進(jìn)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)，于是貝塞麥煉鋼法在經(jīng)歷了一段坎坷后重獲生機(jī)，煉鋼業(yè)也從此進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。

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