书城传记不懈追求的大科学家(走进科学丛书)
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第7章 开创钢铁时代的发明家(2)

当时的英国从瑞典进口棒状铁,是用这种棒状铁作原料来炼钢的。这种棒状铁的价格每吨为15~20英镑。贝塞麦用高炉的铁水作原料,其铁水价格仅为3英镑。用棒状铁来炼钢也极为麻烦,要先将棒状铁在炼钢炉里慢慢加热两个昼夜的时间,然后再将棒状铁深藏在炼钢炉内用石块组成的隔架中,再用碳粉一层一层地隔开,大约几天之后,棒铁呈现白热状态;再经过两天,等炼钢炉冷却,才能把已经变成钢的棒材抽出来。这样炼出来的钢被称作泡钢,即渗碳钢。炼钢过程到此还没有最后完成,还要把钢棒一小段一小段地割开,放进只能容纳40磅和50磅的坩锅内熔化,每熔化一吨钢又需2—3吨焦炭。

贝塞麦在谈到自己发明的价值时说:“若使用我的方法,则只需要20~30分钟就足够了……

而且用坩锅炼钢只能生产40~50磅,若是改用我的方法则每次可以生产5吨钢。以往的办法生产每吨钢需要花费50~60英镑的费用,但用我的方式则每吨只需要5~6英镑就够用了。”

为什么能作出如此巨大价值的发明贡献呢?贝塞麦在总结自己的发明经验时这样说:“比起许多研究同样问题的人,我有一个极大的有利条件,那就是我没有被长期既定的惯例所形成的观念束缚思想,造成偏见。我也未受害于现有的一切都是对的那种普遍的观念。”

发明后的悲欢

1856年,贝塞麦陆续将自己的发明分别在欧洲的一些国家和美国申请了专利,并得到了批准。没有想到的是,他在美国的专利申请不久便遇到了麻烦。一位叫作威廉?凯利的美国人向专利局提出申诉,提出自己比贝塞麦更早发明了这种“无燃料炼钢法”。

原来这位威廉?凯利(1811~1888)是美国宾夕法尼亚州匹兹堡的糖锅制造者。1847年,他在肯塔基的爱丁博罗开办了一家铁工厂,开始试验新的炼钢方法。有一天,他偶然发现,当炼钢炉中铁水上面没有木炭覆盖时,向铁水中吹入空气可以得到高温。从这一事实中,凯利悟出通过吹入空气可以除去铸铁中所含的碳。由此,他发明了所谓“空气沸腾法”,其特点是使铸铁中的碳迅速燃烧而获得高温,这样就可以用极为简单的方法将硬而脆的铸铁大量地炼成钢。凯利到处游说,宣传这种新的“无燃料炼钢法”的优点,然而,没有一个炼铁业者相信他的这种炼钢法。

后来,凯利一个人离开故乡,到一个偏僻的森林里继续搞他的实验,并于1851年建造了七座采用这种新方法炼钢的最早转炉。在其后的五年时间里,他一直秘密地进行生产。直到1856年他才提出专利申请。这时他才知道英国人贝塞麦在这一年也发明了与他相同的炼钢方法,并取得了美国专利。为此,他向专利局提出了申诉。

1857年6月22日,美国专利机关作出更正,承认了凯利的专利,正式认定凯利是最早的发明人,并撤销了贝塞麦在美国的专利权。实际上,应当是两个人独自发明了这种炼钢法。在发明史上,这样的事例可以说是屡见不鲜的。

如果说这件事对贝塞麦构成了某种打击的话,那么随之而来的另一件事则更令他沮丧。

1856年8月11日,贝塞麦在切尔腾纳姆举行的英国科学振兴协会的年会上,发表了题为《不用燃料制造熟铁和钢的方法》这一论文,详尽地公布了他发明的炼钢法,并立即受到大多数钢铁厂主们的欢迎。钢铁公司掀起了建造“高炉”的狂潮,打算采用这种新方法炼钢。贝塞麦发明转炉炼钢法的时候,正是欧洲第一次工业革命方兴未艾之际。1830年以后,随着铺设铁轨、制造机车、建造轮船、架设电报线路和生产近代武器等项事业的兴起,对钢铁的需要量也急剧增大。由于当时传统的炼钢方法效率很低,根本满足不了这一社会需求,所以迫切期望找到新的高效率的炼钢方法。这正是对贝塞麦的转炉炼钢法掀起投资狂热的原因。

但意想不到的是,他的炼钢方法一经开始推广就遇到了挫折。许多钢厂用此方法炼出的钢质量极差,这使钢铁厂商们大失所望,都愤愤地指责贝塞麦是一个“骗子”。用贝塞麦自己的话说,他热诚的努力得到的却是“最悲惨的”结局,“这是一次最可怕的打击”。

贝塞麦总有一股不服输的劲,他很快从逆境中走出来,再次进行实验,并发誓一定要找出原因。经过实验,贝塞麦终于弄清了自己的方法只能适用于含磷量极少的矿石,而不能使用含磷量高的矿石,因为其中的磷无法用氧化的方法来排除,因而残留在钢里并使钢质变脆。他第一次试验之所以成功,是由于他偶然使用了含磷量极少的铁矿石,而英国本地和欧洲大陆出产的矿石绝大部分是含磷量较高的铁矿石。这就难怪那些工厂炼出的都是质量低劣的钢了。

贝塞麦把自己再次实验的结果写成报告,公诸于世。可这一次,却没有人再愿意相信他,钢铁公司则明确向他表示不想再受一次打击。为了向世人证明自己的方法确实可行,贝塞麦决定自己来现身说法。他在1860年借钱在英国的谢菲尔德自办了一个炼钢厂。他从瑞典进口不含磷的铁矿石,用他发明的能倒入三十吨铁水的大转炉来冶炼。在他的工厂里,每十五分钟的时间就能炼出一炉钢,很快就生产出比其他炼铁厂便宜,而且质量好的钢。然后,贝塞麦以每吨一百美元的价格出售。这个价格比当时任何一个竞争者都低。为了证明转炉炼钢的可靠性,在1862年的国际博览会上,他展出了用他的转炉钢制造出来的大量产品——从刮脸刀片一直到大炮。

从此,贝塞麦的炼钢法又逐渐在各地推广开来,先是被英国的一些钢铁公司采用,后来又传入法国。1858年,法国的吉隆德建造了转炉。1862年,德国的“大炮王”阿尔菲德?克虏伯在埃森炼钢厂采用了贝塞麦法开始炼钢。1863年,奥地利在多乌尔拉哈建造了贝塞麦转炉。

在美国,转炉炼钢技术也被大量引进,到贝塞麦逝世的时候,仅在美国的阿巴拉乌州和怀俄明州,不仅采用贝塞麦法炼钢,而且冠以他的名字的炼钢厂就有13处之多。最终,人们还是普遍把这一新的炼钢方法称之为“贝塞麦法”。与贝塞麦相比,另一位最早发明转炉炼钢的威廉?凯利,却在争到专利权后不久,即告破产。由于他对这种新型炼钢方法的技术完善化和产业化无所作为,因而便逐渐地被人们遗忘了。

世界性的贡献

贝塞麦的转炉炼钢法对于使用含磷低的矿石作原料来炼钢,确实是很成功的。但是毕竟由于这种方法在炼钢中不能把磷这种有害的杂质除掉,因而使它的应用范围受到了限制。为此,应该寻找一种在炼钢中脱磷的方法。在贝塞麦之后,有很多人对贝塞麦的炼钢方法加以改进,并取得了良好的效果。这其中有一位英国的年轻人,名叫托马斯。他为转炉炼钢法的全面推广作出了决定性的贡献。

托马斯早年丧父,在法院担任小职员的时候,接受了夜校教育,后来成了一名牧师。他在夜校的化学课上,听到了贝塞麦炼钢法存在的问题。从此以后,他便开始孜孜不倦地钻研化学、冶金学等教科书,同时着手进行实验。他所进行的工作,就是想找到一种来源广、成本低的能够使铁水脱磷的材料。他通过化学分析发现,贝塞麦的炼钢方法之所以不能除磷,是由于在铁水处于1300摄氏度的情况下,氧气确实可以与磷发生氧化反应,生成五氧化二磷,但随着温度升高,达到1600摄氏度时,五氧化二磷又发生分解,这种磷又回到钢水里去,所以炼出来的钢因含磷高而变脆了。针对这一问题,他想出了一个办法,这就是在炉料中加入石灰,使铁水中的磷与碳酸钙发生反应,生成可以沉淀的碳酸磷。这样一来又发生了另外一个问题:转炉的内壁都是用一种酸性的耐火砖砌筑的,叫酸性炉衬。当加入碱性的石灰之后,由于酸与碱的中和作用,便产生了对酸性炉衬的腐蚀作用,使转炉的炉衬寿命大大缩短了,没等炼几炉钢,炉衬就破损了。这又该怎么办呢?经过探索,他终于找到了一种白云石作原料的耐火砖作炉衬。由于这是一种碱性的炉衬,冶炼时当加入石灰之后,就不再对炉衬发生腐蚀作用了。托马斯用这种办法圆满地解决了炼钢中的除磷问题。人们把托马斯发明的炼钢法叫作碱性转炉炼钢法,相应地把贝塞麦的炼钢法叫作酸性转炉炼钢法。由于有了这两种互为补充炼钢方法,使得几乎任何一种矿石都能用于炼钢了。从此,转炉炼钢技术就基本上完善了。

贝塞麦转炉炼钢法的推广应用,使钢产量大增,产生了大量的工业废钢。于是又出现了如何利用废钢铁的问题,因为转炉炼钢只能利用铁水作原料来炼钢。凡是有问题的地方,就有发明家在探索。1864年,法国人马丁在英籍德国人西门子兄弟的帮助下,终于用废钢铁和生铁作原料炼出了优质钢,创造了西门子—马丁平炉炼钢法。平炉炼钢可不像转炉那样冶炼时间很短,炼一炉平炉钢一般需要24小时,但由于一炉可以炼出上百吨钢水,所以产量仍然很高。在以后的相当时期内,它与转炉炼钢法并驾齐驱,在各国推广应用。

转炉炼钢法的完善,平炉炼钢法的问世,使人类稳步地进入了钢铁时代。在19世纪最后的30年内,钢铁工业迅速发展。1870年,全世界钢产量为51万吨,到1900年则跃至2783万吨,猛增了50倍。大量生产钢又促进了炼铁生产,冶炼生铁的高炉日益大型化,有了钢铁又促进了各种轧钢技术的发展。轧钢机则可以轧制出人们所需要的各种各样的钢材。这真是一石激起千重浪。钢铁的洪流最初正是由于贝塞麦转炉炼钢法的问世所引发的。廉价而又大量生产钢的方法的出现,更使许多工业奇迹从梦想变成现实。今天的人们仍然享用着钢铁带给人类的幸福。因此,人们不能忘记钢铁时代的开创者——贝塞麦。

贝塞麦在发明转炉炼钢法之后,一刻也没有止步,继续热衷于技术发明的活动。他一生共取得120余种专利特许权,其中绝大部分是在他完成转炉炼钢的发明之后搞出来的。鉴于他在技术发展中所做的贡献,因而被选为英国皇家学会会员。

贝塞麦作为一个富有的名人、杰出的发明家,度过了自己的晚年。1879年,他被英国国王授予爵位,1898年于伦敦逝世,终年86岁。