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第6章 开创钢铁时代的发明家(1)

钢铁对于今天人们的生产生活来说是太重要了。只要稍微注意一下,就会发现,几乎到处都需要钢铁,做饭需要铁锅,切菜要用钢刀,盖高楼要用钢筋,火车、汽车、铁路、机床以及各种各样的机器,都是钢铁制成的。钢铁的拥有量,在今天仍然是一个国家经济实力的一个重要标志。可是在一百多年以前,无论哪个国家还都不能大量生产钢,钢在那时还是一种贵重金属。钢的大批量生产是从19世纪中叶才开始的。因为只是在这时才有了新的炼钢法的发明和应用,其中转炉炼钢法又是最先发明的。发明转炉炼钢法的人就是英国发明家亨利?贝塞麦。由于这项发明又引发了一系列的发明,使钢铁的大批量生产成为可能。所以,贝塞麦被誉为开创钢铁时代的发明家。

性格反常的人

1813年1月19日,亨利?贝塞麦生于英国哈福德郡的查尔顿。父亲是一位从事科学技术工作的法国人。也许由于受到家庭环境的熏陶,亨利?贝塞麦从小就对科学技术有了浓厚的兴趣;刚进入社会的时候,就已经开始显露出了一个发明家所应有的品格。不过在他的少年时代可从来都没有想过,要当一个钢铁技术发明家。

1831年,贝塞麦刚刚18岁,就来到了英国的首都伦敦。当时的英国正是工业革命的序幕开始拉开的时候。首都伦敦的一切对于贝塞麦来说都有一种新鲜感。但是他在伦敦所从事的工作,却有点使他头痛。他在一家邮政事务所工作,每天都是在往来的邮件上盖邮戳。一天之内同样一个动作重复几百甚至上千次。对于一个缺乏探索精神的人来说,是司空见惯的事。但是对于一个探索者来说,却能从司空见惯的事物中,发现不寻常的问题,并试图解决它。贝塞麦就是这样。他越来越发现自己不能忍受这种工作的单调乏味,因此便开动脑筋,试图发明一种装置,用来代替这种单调的工作。

于是,他买来许多工具和零件,每天下班之后,就开始琢磨,一个人搞起试验来。有人说贝塞麦有点反常了。

别人干了那么长的时间,也没感到它有什么不好;贝塞麦刚刚干了不久,就想改进它,确实有点“反常”。科学家、发明家所要干的事,往往都是“反常”的,这也正是一个发明家和一般人所不同的地方。贝塞麦不顾别人的冷嘲热讽,经过一段时间的努力,还真的发明了一种自动盖邮戳的机器。这项发明立即引起英国政府有关部门的重视,决定在全国邮政部门推广。

英国在1623年就制定了专利法,承认专利权人在一定期限内有制造和使用其发明产品的垄断权利。就是说一个人有了发明,就应向专利部门申请专利,并通过获得专利权来保护自己的发明的合法权益。但是年轻的贝塞麦不懂得申请专利,他的第一项发明竟无偿地被人使用了。邮政部门虽然推广应用了他的发明,但却没有给他任何报酬。只是到后来,英国国王因这项发明才封授贝塞麦骑士爵位。完成这项发明后不久,贝塞麦就离开了邮政事务所,进了一家铁工厂。在那里,他又很快完成了一项发明,即制造金属粉末的机器。这一次,他懂得了应该利用专利来保护自己的发明权,并立即申请了专利。贝塞麦确实是一位具有一种特殊性格的人。

由于他并不认为现有的一切都是对的,因此,无论在哪里,他都能发现问题,也都能有所创造。比如,他还曾对制糖压榨机、望远镜、铅笔等的制造进行过多项革新。

改造步枪

1853年,沙皇俄国入侵土耳其,爆发了俄土战争。第二年,正在向西南亚扩张势力的英国和法国,又支持土耳其反对沙俄,由此引发了所谓的克里米亚战争。作为具有法国血统的英国人,贝塞麦觉得支持这场战争是自己义不容辞的责任。他决定发挥自己的才能,来提高武器的威力。为此,他开始了对步枪的研究。

我们都知道,中国人不仅发明了火药,而且是筒形火枪的发明者。不久,中国人的发明便传到了西方。西方人又不断地对火枪加以改进。其中最主要的改进就是在枪筒中开设来复线,以增加子弹射出枪膛的速度,究竟是谁发明了来复线,众说不一。大约在公元1500年就曾有过加有来复线的猎枪。但是直到19世纪中叶以前,在枪筒中加有来复线的枪还很少见。贝塞麦首先研究的就是一种旧式的滑膛步枪。他发现,这种枪的明显缺点就是射程近,命中率低。当时英国陆军使用的就是这样的步枪。贝塞麦经过反复研究探索,制成了加有来复线的步枪,也就是在枪膛内部开设螺旋线,这样就可以使子弹在发射中旋转着前进,不但射程远,而且命中率也大大提高。

当贝塞麦把自己新研制的新式步枪首先推荐给英国的时候,他本以为会立即受到欢迎。然而,一向因循守旧的英国陆军部,对于贝塞麦的发明却毫无兴趣。这使贝塞麦大为失望,不得不将这种新式步枪拿到法国。新即位的法国皇帝拿破仑三世对这项发明极感兴趣,很快就对这种枪进行了试验,并获得了成功。步枪改进的成功,使贝塞麦又产生了一个新的设想,即把来复线原理推广到大炮上去。拿破仑三世对贝塞麦的这一设想也积极支持。为此,贝塞麦开始研究在有来复线炮筒中运行的所谓旋转炮弹。

1851年底,在阿萨斯诺靶场,对这种新型炮弹进行试射。军官们对这种试验非常担心。当时的炮筒还是用铸铁制造的,在炮筒内部开设来复线,是为了使炮弹旋转加速前进。为此,就必须使炮弹与炮身密切配合,不然的话,爆炸气体就会泄漏。在火药爆发时,炮筒内的压力非常之高;炮弹与炮筒密切配合,又势必使铸铁炮筒容易发生破裂。贝塞麦后来曾说,这是导致他寻找新炼钢方法的“一个火花”。

寻找新炼钢方法的火花,引发了贝塞麦探索的激情。此时,他记起了曾给予他以极深刻印象的一件事。

1851年,在伦敦的第一届国际博览会上,已经完成工业革命的英国,完全用钢铁和玻璃建造了一座“水晶宫”,用作博览会的会场,以此来炫耀它的强大。也就是在这个博览会上,德国却用另一种方式显示自己的实力:它在中央展览厅展出了克虏伯铁工厂的野炮。这种野炮不是用铸铁而是用钢铸成的。贝塞麦对此特别感到惊奇。因为当时的英国虽然钢铁工业已经比较发达了,但用坩锅法炼钢,每次也只能炼出35千克铸钢,要想铸造这样的大炮,那是相当困难的。从这里,贝塞麦已经认识到,要想制造钢铁大炮,必须先要解决大量快速的炼钢问题;而要想大量快速炼钢,就必须有新的炼钢方法。

转炉炼钢法的发明

人类在两千多年以前就已开始使用铁器。但直到18世纪末以前,人类所使用的主要是铸铁(或称生铁)和熟铁,钢的产量还很少。我们都知道,生铁、熟铁和钢之间的区别主要是看它们中间的含碳量的多少。铁中含碳量很少的叫熟铁,含碳量大的叫生铁。铁中含碳量在02%—15%之间就是钢。熟铁强度大,但质地柔软;铸铁强度小,很脆,但质地坚硬;钢则兼有两者的优点,它比铸铁强度大,又比熟铁硬度高,所以只有钢才更能满足人类对材料的需要。但要炼出含碳量适中的钢来并不容易。中国有句成语,叫“百炼成钢”,那是因为开始炼出来的是生铁,里面含碳量高,又有杂质,经过反复冶炼锻打,既脱碳,又去除了杂质,才能成为钢。当然还有其他炼钢方法,无非都是往熟铁里渗入适量的碳,或者使铸铁去掉多余的碳。

在贝塞麦生活的那个时代,人们仍然要通过复杂的程序,把适量的碳渗入到熟铁里去,才能炼出优质钢。本来熟铁的价格就比生铁贵,钢的价格更高于熟铁,所以那时钢还是一种贵重金属,用量也极少。1850年英国铁的产量为250万吨,但钢的产量只有6万吨。

当贝塞麦转向研究炼钢时,他对冶炼技术简直是一无所知,但他决心学习。他很快就弄清了铸铁之所以会这样脆,是因为它含碳量很高的缘故;要获得钢,关键是要降低铸铁的含碳量。传统的方法是将铸铁先变成纯铁再渗碳,其成本太高,因此贝塞麦所面临的课题是,如何用低廉的成本除去铸铁中的碳。

贝塞麦沿着这个线索继续思考。他想,要除去铸铁中的碳,就应当在熔化了的铁水中加入氧气来燃烧掉多余的碳。那么,用什么方法加入氧气并使成本最低而又最简便易行呢?空气里含有氧气,能否用吹入空气的方法来代替加燃烧而把碳烧掉呢?这种想法看来似乎很荒谬,不是增加燃料,而是吹入空气,这样做难道不会把铁水吹冷,从而使铁水凝固吗?

1855年,贝塞麦开始了他的炼钢实验。在当时,几乎没有人支持他的想法,甚至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的。贝塞麦追述当时实验的情况时说,这次实验使他不得不和“不信任的以及深感困惑的人们打交道”。

贝塞麦没有听从人们的警告,坚持进行了实验。他把铸铁水倒入经他设计和制造的一个罐型装置中,然后从罐口鼓进空气,不久就有褐色的烟雾逸出。这时炉温不仅没有下降,反而上升了。原来铁水只有1350摄氏度,结果上升到1600摄氏度。这证明空气先将铁水中的锰和硅氧化,生成了氧化锰和氧化硅,同时铁水中的碳也被氧化,生成了二氧化碳。正是由于炉料的“燃烧”,出现了白亮的火焰,使炉温上升了。大约十多分钟之后,火焰消失了,又开始放出浓重的褐色烟雾。说明铁水中的磷也被氧化,去除了。贝塞麦用了不到半个小时的时间就炼出来一炉钢水,实验取得了完全的成功。接着,贝塞麦又把罐型装置的固定方式加以改进。原来是固定式结构,为了便于把炼好的钢水倒出来,便改为转动式的结构,所以这种炉子叫作转炉。

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