书城教材教辅发明家的故事
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第7章 发明转炉炼钢法的贝塞麦

贝塞麦(公元1813—1898年),英国冶金学家。他发现将融化的生铁放进转炉内,吹入高压空气,便可燃烧掉生铁所含的硅、锰、磷、碳,可以炼成钢。这是首创大量产钢的方法。此后,欧洲、美洲都引进了这一先进方法,世界进入了钢铁时代。

1813年1月19日,贝塞麦诞生了。他生于哈福德郡的查尔顿,从小就在他父亲开办的字模铸造厂中玩耍。在父亲的字模铸造厂里,贝塞麦对机械和金属产生了浓厚的兴趣。每天放学之后,贝塞麦就急匆匆地赶回家中,在父亲的工厂中鼓捣各种机器。

作为对他勤奋好学的奖励,父亲给他买了一台伦敦名牌厂家出产的小型精美旋床。贝塞麦在这台旋床和老虎钳旁仔细琢磨研究了大约一两年之后,他终于获得父亲的许可,可以按照自己的想法设计各种各样的字模。这期间,贝塞麦取得了平生第一个发明,制成了一台烧制小型砖模的机器。贝塞麦还用制造字模的低熔点合金铸造了车轮、滑轮等各种机件模型。

人们经常在傍晚看到贝塞麦在心爱的小狗的陪伴下,专心致志地坐在路边用黄泥捏制各种各样的模型,而一两天之后这些泥制的物件就会变成金属铸造品。小贝塞麦已经表现出非凡的机械技能和创造力,村子里的人们很喜欢用“亨利大师”来称呼他。在上学的路上,孩子们会怀着敬仰的心情给贝塞麦让路,大人们经常疼爱地问候一声“早上好,亨利大师”。

贝塞麦的好奇心非常大,他发现父亲生产的字模使用寿命比其他厂家的字模长得多,他一直想要找出其中的奥秘。因为工厂中每两个月会开炉一回,以炼制字模合金,为保密起见从不让不相干者参观。不过这可难不倒贝塞麦,每当到了开炉的时候,他总有办法钻进车间,悄悄地藏在某个角落里,仔细观看大块金属锑被破碎和铅一起投入炉中的熔炼过程。飞溅的火花,生腾的烟气,经常呛得贝塞麦咳嗽不止,他也因此被发现而被赶出去。功夫不负有心人,在多次探查之后,贝塞麦终于发现熔炼过程中加入了少量锡和铜是其父生产的字模寿命较长的原因。他发现金属中是否含有某些其他成分,会造成金属性质的显著不同,这一发现对贝塞麦后来发明的影响是难以估价的。

贝塞麦不仅对金属感兴趣,对机械学更是情有独钟。除了父亲的工厂,村里还有几处贝塞麦留恋的地方。如果在父亲的工厂中见不着他,那么在村子另一头的四座磨房中的某一座中准会发现他。贝塞麦经常一连几个小时不动地方的观看水轮运转,琢磨着各个部件的机械原理,直到被家人找到为止。

1830年,17岁的贝塞麦已经长成一个大小伙子了,他充满青春活力,尤其乐观自信。在他眼里,任何事情只要下定决心去做,就会取得成功,前途是一片光明的。就在这时,他的父亲决定重返伦敦。当年3月4日,贝塞麦随父亲到了伦敦。当时的伦敦号称世界之都,大厦林立,车水马龙,名流汇集,繁盛无比,这里的一切在乡村长大的贝塞麦眼中简直就是神话中的阿拉伯之夜。一个全新的世界展现在面前,年轻的贝塞麦必须在这个新世界中找到自己的位置,掌握自己的命运。

初抵伦敦的第一周,贝塞麦凭其特有的好奇心和充沛精力,靠双脚转遍了全城的大街小巷。几乎在街道的每个拐角处,贝塞麦都会发现前所未闻的事物。建设中的大厦,修理中的码头,喧闹的广场,寂静的教堂,都留下了贝塞麦探询的身影。

早出晚归的第一周很快就过去了,而未知的事物永远是无穷无尽的,贝塞麦第一次生产了失落感。在伦敦的茫茫人海中,贝塞麦感到了孤独,没有人知道他,没有人对他笑脸相迎,没有人给他让路,再也没有人由衷地问候他“早上好,亨利大师”,他在查尔顿村所享有的礼遇一去不复返了。怎样才能为人们所知,获得社会的承认,赢得人们敬慕的笑脸,这些念头一度占据了贝塞麦的大脑,令他感到非常难过,思乡之情不禁油然而生。

贝塞麦的这种心理上的失落感,同样会出现在20世界90年代那些刚刚考入大学的乡村才子身上。但在紧张繁重的学习压力和同龄人集体生活的环境下,这种失落感会被较快地克服。贝塞麦当时既无学业相压,也无同龄人相伴,孤独的他着实花费了不少的努力才改变了自己的心态。

在伦敦成功人士的个人奋斗经历对贝塞麦的心态转变起了很大的影响。贝塞麦没有受过高等教育,也没有正规的职业培训,但有金属和机械领域的实际经验和强烈兴趣,并已经显示出在这些方面的卓越才能。一番自我解剖之后,贝塞麦决定扬长避短,走金属和机械方面的发明之路。这一决定对他日后成为钢铁大师是至关重要的。

到伦敦不久,他偶然遇见的一个意大利人向贝塞麦展示了许多石膏勋章、徽章。贝塞麦一下子就被那些精美的艺术品吸引住了,便买了不少件,并把它们统统范铸成金属胎。他不满足仅仅铸造平面的艺术品,便试验那些复杂的立体物品,如植物和动物。他把被复制物裹在范泥中在高温下焙烧,有机质构成的被复制物被烧掉而留下型腔,浇入金属,清除铸范,即可获得铸造成品。但是,像玫瑰花等薄片类物品,在清除范泥时经常遭到损坏。

他绞尽脑筋进行试验,一个使用石灰石做范泥的念头猛然闪现在贝塞麦的脑中。石灰石粉末制成的范泥,在高温焙烧时发生化学变化,碳酸钙转变成氧化钙。浇铸金属后,把铸范浸入水中,氧化钙和水发生放热反应而膨胀脱落,从而彻底解决了范泥清除困难的问题。

用这一方法他铸出的产品质量极佳,花朵的纹脉清晰可见,就连细如针尖的花蕊也毫无损伤。在当时,要想把植物标本以其自然状态保存下来是不可能的。植物学家们只满足于以画笔来描绘图谱。贝塞麦认为,使用他发明的精密铸造方法,就可以选择适当尺寸的植物标本制成铸范。需要时只要把铸范焙烧,浇铸成型,一件完整保持标本原貌的金属复制品就到手了。

在当时,随着工业革命的胜利,工场手工业转向了机器大工业。机器的大量发明和广泛使用,使钢铁成了最基本的工业材料。从前的炼钢方法已经不能满足工业和技术发展的急需。

在19世纪50年代初的克里米亚战争时期,贝塞麦集中精力从事于发明一种新型来福式射弹,它可以在飞行的同时自身旋转,因而可以保持一个更为稳定的弹道。大炮上装用这种炮弹,可以发射得更远更准确。英国陆军部很保守,对他的发明不感兴趣,于是贝塞麦拿着他的发明找英国的盟友法国。拿破轮三世对他的试验很感兴趣,并鼓励他做试验。然而他的这个炮弹头必须要在大炮内装得很紧,否则火药产生的膨胀气体会从这个弹头旁边漏过去,使弹头失去了使它旋转的力量。

一个法国大炮专家嘲笑地指出,大炮内必须要有较大的压力,这就很可能使这个武器没有给敌人致命一击,反倒会伤到使用武器的人。贝塞麦感到他的批评是正确的,于是着手研制一种有足够强度的铁,用来制造威力巨大的大炮。显然,他所需要的正是钢。但是钢在当时极为昂贵,实际上成了一种珍贵金属。

而在当时,从炼铁炉炼出的铁是“生铁”,含碳很高。这种铁极硬但很脆。生铁中含有大量的碳,把含量过大的碳费很大力气排出后,就可以形成一种比较纯的“熟铁”。这是一种韧性铁,没有生铁那么脆,并且可以把它锻打成任何形状,但是缺点却是它很软。含碳量介于熟铁和生铁之间的钢,既坚硬又有韧性。炼钢所遇到的困难是,需要先将生铁变成熟铁,然后再往其中加入适量的碳。

这一问题一直困扰着贝塞麦,碳含量的多少是成功的关键。贝塞麦思考了很多将生铁变成熟铁的方法。为了炼出熟铁,他把经过仔细称量的铁矿石加进生铁中,再将此混合物加热至熔融状,此时铁矿石中的氧原子则与生铁中的碳原子化合而生成一氧化碳,此气体逸出而被烧掉,留下的就是纯铁。除了利用铁矿石,还有没有别的加氧方法把碳烧掉呢?为什么不能利用鼓风直接通氧呢?一些反对的意见认为冷空气会使铁水冷却、凝固,从而使整个冶炼过程停止。

贝塞麦不听这些,坚持做了试验。为了把实验扩展到可进行工业生产的规模,1855年贝塞麦设计了一个炉子,高约1.22米,系固定式的垂直容器,下部有6个风口,可加入熔融生铁约350公斤。试验时人们对此表示极大的怀疑。就连参加实验的工匠们都警告他说,不加焦炭光吹空气,会使铁水在炉中凝固。

但是他却执意要做此实验。他反复地检查着自己创造的梨形怪物,认为“转炉的容积和高度好像是足够的”。他左看右看,觉得“看起来不会有什么问题”,他估计“除了热的气体和不多的火星儿之外,不会有什么东西从转炉里飞出来……”于是,他打开了鼓风机!铁水温度果然像他想象的那样,逐渐升了上来。

他满怀希望地想着,欣赏着自己的这一梨形杰作,连震耳欲聋的鼓风机噪声都似乎变成了悦耳的提琴曲。但是,当鼓风操作进入第十分钟以后,这“乐章”就“跑调”了。从转炉中喷出的火星开始超出他的想象,众多的大火星接连夺口而出,使他的杰作变成了一个危险的火的喷泉。

他开始想到逃跑,但已经来不及了,那喷火的喷泉边喷边发出闷哑的“砰砰”声,火柱形状也已与炉口一般粗大。这真像外祖父讲过的维苏威火山爆发!贝塞麦边想着死去多年的外祖父,边蜷缩在角落里看着。他明白,这时候是什么事情都可能发生的,无论是转炉爆炸还是铁水淋头,哪样都会使他遭到灭顶之灾!他心里祈祷着:上帝啊,该不会让我在这近2000度的高温中变成碳吧?

过了好久好久,火山渐渐熄灭下来,刚才那些想想都使他发抖的事,竟一件也没有发生。于是贝塞麦发现,把冶炼过程进行到适当的时候就停下来,钢就炼好了,用不着经过熟铁阶段,也用不着花钱买燃料,而只需要用他从前做实验用的费用的一部分即可炼出钢来。

在冶炼过程中,高温炉火首先将铁水中的锰和硅氧化,形成褐色烟雾逸出,在这期间,铁水中的碳也被氧化成二氧化碳。炉温从倒入铁水时的135℃大约上升到1600℃,反应非常剧烈,像火山爆发一样。整个过程约30分钟,不需要任何燃料,就可以炼一炉钢。这是一个非常令人激动的实验,试验成功后,他趁着这股劲头,将炼钢炉从固定式结构改为可向一侧倾倒,以使炼好的钢水易于倒出。这样,炼钢炉成为可转动的炉子,即转炉。

1856年他宣布了他的这一发现。一些炼铁者表现出很高的热情,并投资营造“鼓风炉”,1857年贝塞麦取得了这项发明的专利。并以他自己的名字命名了新的炼钢转炉,使世界炼钢史,翻开了新的一页。

但事情并不是一帆风顺的,没想到事情却出了漏子,那些投资者们炼出的钢质量很差,炼出的钢有冷脆和热脆现象,推广使用受到限制。贝塞麦遭到了痛斥,他被说成是骗子。于是他开始重新进行了试验。

原来,在他的最初试验中,用的是不含磷的矿石,但那些炼铁者用的是含磷的矿石。矿石如果含磷,贝塞麦的方法就不能用。贝塞麦声明了这点,但炼铁者怕再上当,没有听他的。因此,贝塞麦借来了钱,于1860年在谢菲尔德建立起他自己的炼钢厂。他从瑞典进口了不含磷的铁矿石,开始以竞争价格的十分之一出售他的优质钢,没有几年他就富裕起来了,使那些炼铁者看到了他的论点的力量。

1879年他被接纳为英国皇家学会会员,就在那年,他提醒英国政府,他们在沿用他发明的那种冲压法而未付酬劳。但英国政府未付给他什么报酬,只是通过授予他爵位而承认他的提醒是合理的。

所以以贝塞麦和他的一些后继人(如西门子,他进一步改进了炼钢过程)为起点,开始了生产廉价钢的。这就意味着远洋巨轮、钢骨架的摩天大厦、巨型吊桥的到来。贝塞麦并没有发明钢,但他却使得每个人都用上了钢。

是他推动工业革命的“铁时代”向“钢时代”的演变。这在冶金发展史上具有划时代的意义。