第7章 發明轉爐煉鋼法的貝塞麥
- 發明家的故事
- 楊晶
- 4495字
- 2014-10-08 14:43:48
貝塞麥(公元1813—1898年),英國冶金學家。他發現將融化的生鐵放進轉爐內,吹入高壓空氣,便可燃燒掉生鐵所含的硅、錳、磷、碳,可以煉成鋼。這是首創大量產鋼的方法。此后,歐洲、美洲都引進了這一先進方法,世界進入了鋼鐵時代。
1813年1月19日,貝塞麥誕生了。他生于哈福德郡的查爾頓,從小就在他父親開辦的字模鑄造廠中玩耍。在父親的字模鑄造廠里,貝塞麥對機械和金屬產生了濃厚的興趣。每天放學之后,貝塞麥就急匆匆地趕回家中,在父親的工廠中鼓搗各種機器。
作為對他勤奮好學的獎勵,父親給他買了一臺倫敦名牌廠家出產的小型精美旋床。貝塞麥在這臺旋床和老虎鉗旁仔細琢磨研究了大約一兩年之后,他終于獲得父親的許可,可以按照自己的想法設計各種各樣的字模。這期間,貝塞麥取得了平生第一個發明,制成了一臺燒制小型磚模的機器。貝塞麥還用制造字模的低熔點合金鑄造了車輪、滑輪等各種機件模型。
人們經常在傍晚看到貝塞麥在心愛的小狗的陪伴下,專心致志地坐在路邊用黃泥捏制各種各樣的模型,而一兩天之后這些泥制的物件就會變成金屬鑄造品。小貝塞麥已經表現出非凡的機械技能和創造力,村子里的人們很喜歡用“亨利大師”來稱呼他。在上學的路上,孩子們會懷著敬仰的心情給貝塞麥讓路,大人們經常疼愛地問候一聲“早上好,亨利大師”。
貝塞麥的好奇心非常大,他發現父親生產的字模使用壽命比其他廠家的字模長得多,他一直想要找出其中的奧秘。因為工廠中每兩個月會開爐一回,以煉制字模合金,為保密起見從不讓不相干者參觀。不過這可難不倒貝塞麥,每當到了開爐的時候,他總有辦法鉆進車間,悄悄地藏在某個角落里,仔細觀看大塊金屬銻被破碎和鉛一起投入爐中的熔煉過程。飛濺的火花,生騰的煙氣,經常嗆得貝塞麥咳嗽不止,他也因此被發現而被趕出去。功夫不負有心人,在多次探查之后,貝塞麥終于發現熔煉過程中加入了少量錫和銅是其父生產的字模壽命較長的原因。他發現金屬中是否含有某些其他成分,會造成金屬性質的顯著不同,這一發現對貝塞麥后來發明的影響是難以估價的。
貝塞麥不僅對金屬感興趣,對機械學更是情有獨鐘。除了父親的工廠,村里還有幾處貝塞麥留戀的地方。如果在父親的工廠中見不著他,那么在村子另一頭的四座磨房中的某一座中準會發現他。貝塞麥經常一連幾個小時不動地方的觀看水輪運轉,琢磨著各個部件的機械原理,直到被家人找到為止。
1830年,17歲的貝塞麥已經長成一個大小伙子了,他充滿青春活力,尤其樂觀自信。在他眼里,任何事情只要下定決心去做,就會取得成功,前途是一片光明的。就在這時,他的父親決定重返倫敦。當年3月4日,貝塞麥隨父親到了倫敦。當時的倫敦號稱世界之都,大廈林立,車水馬龍,名流匯集,繁盛無比,這里的一切在鄉村長大的貝塞麥眼中簡直就是神話中的阿拉伯之夜。一個全新的世界展現在面前,年輕的貝塞麥必須在這個新世界中找到自己的位置,掌握自己的命運。
初抵倫敦的第一周,貝塞麥憑其特有的好奇心和充沛精力,靠雙腳轉遍了全城的大街小巷。幾乎在街道的每個拐角處,貝塞麥都會發現前所未聞的事物。建設中的大廈,修理中的碼頭,喧鬧的廣場,寂靜的教堂,都留下了貝塞麥探詢的身影。
早出晚歸的第一周很快就過去了,而未知的事物永遠是無窮無盡的,貝塞麥第一次生產了失落感。在倫敦的茫茫人海中,貝塞麥感到了孤獨,沒有人知道他,沒有人對他笑臉相迎,沒有人給他讓路,再也沒有人由衷地問候他“早上好,亨利大師”,他在查爾頓村所享有的禮遇一去不復返了。怎樣才能為人們所知,獲得社會的承認,贏得人們敬慕的笑臉,這些念頭一度占據了貝塞麥的大腦,令他感到非常難過,思鄉之情不禁油然而生。
貝塞麥的這種心理上的失落感,同樣會出現在20世界90年代那些剛剛考入大學的鄉村才子身上。但在緊張繁重的學習壓力和同齡人集體生活的環境下,這種失落感會被較快地克服。貝塞麥當時既無學業相壓,也無同齡人相伴,孤獨的他著實花費了不少的努力才改變了自己的心態。
在倫敦成功人士的個人奮斗經歷對貝塞麥的心態轉變起了很大的影響。貝塞麥沒有受過高等教育,也沒有正規的職業培訓,但有金屬和機械領域的實際經驗和強烈興趣,并已經顯示出在這些方面的卓越才能。一番自我解剖之后,貝塞麥決定揚長避短,走金屬和機械方面的發明之路。這一決定對他日后成為鋼鐵大師是至關重要的。
到倫敦不久,他偶然遇見的一個意大利人向貝塞麥展示了許多石膏勛章、徽章。貝塞麥一下子就被那些精美的藝術品吸引住了,便買了不少件,并把它們統統范鑄成金屬胎。他不滿足僅僅鑄造平面的藝術品,便試驗那些復雜的立體物品,如植物和動物。他把被復制物裹在范泥中在高溫下焙燒,有機質構成的被復制物被燒掉而留下型腔,澆入金屬,清除鑄范,即可獲得鑄造成品。但是,像玫瑰花等薄片類物品,在清除范泥時經常遭到損壞。
他絞盡腦筋進行試驗,一個使用石灰石做范泥的念頭猛然閃現在貝塞麥的腦中。石灰石粉末制成的范泥,在高溫焙燒時發生化學變化,碳酸鈣轉變成氧化鈣。澆鑄金屬后,把鑄范浸入水中,氧化鈣和水發生放熱反應而膨脹脫落,從而徹底解決了范泥清除困難的問題。
用這一方法他鑄出的產品質量極佳,花朵的紋脈清晰可見,就連細如針尖的花蕊也毫無損傷。在當時,要想把植物標本以其自然狀態保存下來是不可能的。植物學家們只滿足于以畫筆來描繪圖譜。貝塞麥認為,使用他發明的精密鑄造方法,就可以選擇適當尺寸的植物標本制成鑄范。需要時只要把鑄范焙燒,澆鑄成型,一件完整保持標本原貌的金屬復制品就到手了。
在當時,隨著工業革命的勝利,工場手工業轉向了機器大工業。機器的大量發明和廣泛使用,使鋼鐵成了最基本的工業材料。從前的煉鋼方法已經不能滿足工業和技術發展的急需。
在19世紀50年代初的克里米亞戰爭時期,貝塞麥集中精力從事于發明一種新型來福式射彈,它可以在飛行的同時自身旋轉,因而可以保持一個更為穩定的彈道。大炮上裝用這種炮彈,可以發射得更遠更準確。英國陸軍部很保守,對他的發明不感興趣,于是貝塞麥拿著他的發明找英國的盟友法國。拿破輪三世對他的試驗很感興趣,并鼓勵他做試驗。然而他的這個炮彈頭必須要在大炮內裝得很緊,否則火藥產生的膨脹氣體會從這個彈頭旁邊漏過去,使彈頭失去了使它旋轉的力量。
一個法國大炮專家嘲笑地指出,大炮內必須要有較大的壓力,這就很可能使這個武器沒有給敵人致命一擊,反倒會傷到使用武器的人。貝塞麥感到他的批評是正確的,于是著手研制一種有足夠強度的鐵,用來制造威力巨大的大炮。顯然,他所需要的正是鋼。但是鋼在當時極為昂貴,實際上成了一種珍貴金屬。
而在當時,從煉鐵爐煉出的鐵是“生鐵”,含碳很高。這種鐵極硬但很脆。生鐵中含有大量的碳,把含量過大的碳費很大力氣排出后,就可以形成一種比較純的“熟鐵”。這是一種韌性鐵,沒有生鐵那么脆,并且可以把它鍛打成任何形狀,但是缺點卻是它很軟。含碳量介于熟鐵和生鐵之間的鋼,既堅硬又有韌性。煉鋼所遇到的困難是,需要先將生鐵變成熟鐵,然后再往其中加入適量的碳。
這一問題一直困擾著貝塞麥,碳含量的多少是成功的關鍵。貝塞麥思考了很多將生鐵變成熟鐵的方法。為了煉出熟鐵,他把經過仔細稱量的鐵礦石加進生鐵中,再將此混合物加熱至熔融狀,此時鐵礦石中的氧原子則與生鐵中的碳原子化合而生成一氧化碳,此氣體逸出而被燒掉,留下的就是純鐵。除了利用鐵礦石,還有沒有別的加氧方法把碳燒掉呢?為什么不能利用鼓風直接通氧呢?一些反對的意見認為冷空氣會使鐵水冷卻、凝固,從而使整個冶煉過程停止。
貝塞麥不聽這些,堅持做了試驗。為了把實驗擴展到可進行工業生產的規模,1855年貝塞麥設計了一個爐子,高約1.22米,系固定式的垂直容器,下部有6個風口,可加入熔融生鐵約350公斤。試驗時人們對此表示極大的懷疑。就連參加實驗的工匠們都警告他說,不加焦炭光吹空氣,會使鐵水在爐中凝固。
但是他卻執意要做此實驗。他反復地檢查著自己創造的梨形怪物,認為“轉爐的容積和高度好像是足夠的”。他左看右看,覺得“看起來不會有什么問題”,他估計“除了熱的氣體和不多的火星兒之外,不會有什么東西從轉爐里飛出來……”于是,他打開了鼓風機!鐵水溫度果然像他想象的那樣,逐漸升了上來。
他滿懷希望地想著,欣賞著自己的這一梨形杰作,連震耳欲聾的鼓風機噪聲都似乎變成了悅耳的提琴曲。但是,當鼓風操作進入第十分鐘以后,這“樂章”就“跑調”了。從轉爐中噴出的火星開始超出他的想象,眾多的大火星接連奪口而出,使他的杰作變成了一個危險的火的噴泉。
他開始想到逃跑,但已經來不及了,那噴火的噴泉邊噴邊發出悶啞的“砰砰”聲,火柱形狀也已與爐口一般粗大。這真像外祖父講過的維蘇威火山爆發!貝塞麥邊想著死去多年的外祖父,邊蜷縮在角落里看著。他明白,這時候是什么事情都可能發生的,無論是轉爐爆炸還是鐵水淋頭,哪樣都會使他遭到滅頂之災!他心里祈禱著:上帝啊,該不會讓我在這近2000度的高溫中變成碳吧?
過了好久好久,火山漸漸熄滅下來,剛才那些想想都使他發抖的事,竟一件也沒有發生。于是貝塞麥發現,把冶煉過程進行到適當的時候就停下來,鋼就煉好了,用不著經過熟鐵階段,也用不著花錢買燃料,而只需要用他從前做實驗用的費用的一部分即可煉出鋼來。
在冶煉過程中,高溫爐火首先將鐵水中的錳和硅氧化,形成褐色煙霧逸出,在這期間,鐵水中的碳也被氧化成二氧化碳。爐溫從倒入鐵水時的135℃大約上升到1600℃,反應非常劇烈,像火山爆發一樣。整個過程約30分鐘,不需要任何燃料,就可以煉一爐鋼。這是一個非常令人激動的實驗,試驗成功后,他趁著這股勁頭,將煉鋼爐從固定式結構改為可向一側傾倒,以使煉好的鋼水易于倒出。這樣,煉鋼爐成為可轉動的爐子,即轉爐。
1856年他宣布了他的這一發現。一些煉鐵者表現出很高的熱情,并投資營造“鼓風爐”,1857年貝塞麥取得了這項發明的專利。并以他自己的名字命名了新的煉鋼轉爐,使世界煉鋼史,翻開了新的一頁。
但事情并不是一帆風順的,沒想到事情卻出了漏子,那些投資者們煉出的鋼質量很差,煉出的鋼有冷脆和熱脆現象,推廣使用受到限制。貝塞麥遭到了痛斥,他被說成是騙子。于是他開始重新進行了試驗。
原來,在他的最初試驗中,用的是不含磷的礦石,但那些煉鐵者用的是含磷的礦石。礦石如果含磷,貝塞麥的方法就不能用。貝塞麥聲明了這點,但煉鐵者怕再上當,沒有聽他的。因此,貝塞麥借來了錢,于1860年在謝菲爾德建立起他自己的煉鋼廠。他從瑞典進口了不含磷的鐵礦石,開始以競爭價格的十分之一出售他的優質鋼,沒有幾年他就富裕起來了,使那些煉鐵者看到了他的論點的力量。
1879年他被接納為英國皇家學會會員,就在那年,他提醒英國政府,他們在沿用他發明的那種沖壓法而未付酬勞。但英國政府未付給他什么報酬,只是通過授予他爵位而承認他的提醒是合理的。
所以以貝塞麥和他的一些后繼人(如西門子,他進一步改進了煉鋼過程)為起點,開始了生產廉價鋼的。這就意味著遠洋巨輪、鋼骨架的摩天大廈、巨型吊橋的到來。貝塞麥并沒有發明鋼,但他卻使得每個人都用上了鋼。
是他推動工業革命的“鐵時代”向“鋼時代”的演變。這在冶金發展史上具有劃時代的意義。