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钢铁,当铁成熟时

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对于任何读过乔治·R·R·马丁(George R.R.Martin)的《冰与火之歌》(A Song of Fire and Ice)系列中的史诗奇幻小说或看过电视剧《权力的游戏》(Game of Thrones)(根据他的书改编)的人来说,他们一定会知道,没有什么能像【瓦雷里亚钢铁】(Valyrian Steel)那样令人惊喜。瓦雷里亚钢铁制造的剑从未变钝,刀刃依然锋利,就像锻造的那一天一样,不幸的是,制造钢铁的知识已经丧失,金属制造的剑成为了维斯特洛贵族家族的宝贵财富,并由父子相传。


  • urhgff
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可以肯定地说,在过去的2000年中,钢的制造只在距今165年的时候才崭露头角,因为直到1856年,钢只是少量生产用于特殊物品,如剑和弹簧。现在,钢是介于熟铁和铸铁之间的一种黑色金属,并且添加了控制量的碳,这使它在两个世界中都是最好的;锻铁的延展性和铸铁的强度(无脆性)。说起来容易做起来难,当做的时候只能少量进行。
18世纪中期开始于英国的工业革命增加了对黑色金属的需求,以至于在19世纪初,英国生铁(高炉产品)的产量达到了25.8万吨,到了大展(1851年,在海德公园水晶宫举行)的那一年,产量已经上升到270万吨,其中大部分转化为熟铁(几乎没有碳含量)。熟铁的制造是一个缓慢而费力的过程(称为“水坑”),它是铁产量的限制因素。这一限制将锻炼铁匠、冶金学家和工程师的头脑,但解决这个问题的将是一个没有炼铁知识的发明家。


2025-05-10 13:26:11
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“时不我待”这句谚语最适合用来形容的人莫过于亨利·贝塞麦(1813-1898),他出生于英国,是一位法国难民的儿子,是一个发明天才,拥有多项专利(共128项)。在克里米亚战争(1853-1856)期间,他的思想集中在改进迄今为止由铸铁(碳含量高,因此易碎)制成的大炮枪管上。他开始进行一系列小规模的实验,最终成功地注入了少量的钢水。他的脑电波是将热空气吹过他的实验反射炉的火桥,其中有少量的熔融生铁。当空气中的氧气与生铁中的碳结合在一起时,产生了烟火般的效果,使火花飞散,并随着生铁的剧烈沸腾而提高了熔体的温度。他的实验使他发明了著名的Converter,这是一种梨形钢制容器,内衬硅石(ganister),安装在耳轴上,可以倾斜(参见下图)。1856年8月11日,他有信心在英国科学促进会(British Association for the Advancement of Science)面前发表了一篇论文《论无燃料钢铁的制造》(On the Manufacture of Iron and Steel without Fuel),阐述了他的炼钢方法。在这一时刻必须指出,他所描述的“钢”与本杰明·亨茨曼(1746年)发明的用于制造刀具的坩埚工艺制造的“谢菲尔德钢”毫无相似之处。这是一种较小的钢材,将获得“低碳钢”的称号。贝塞麦承诺的是一种质量稳定、价格低廉、产量巨大的钢材。


  • urhgff
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贝塞麦“承诺”的消息迅速传开,引起了炼铁工人的极大兴趣。几周内,许多人支付了使用贝塞麦工艺炼钢的许可证,但在进行实际试验时却发现该工艺不起作用。铁匠们愤怒不已,“退款”是他们的呼声。贝塞麦把钱还给了他们。《泰晤士报》会在这件事上写道:“一颗明亮的流星划过冶金地平线,耀眼夺目了几位爱好者,然后永远消失在黑暗中”。
一个不那么优秀的人会“认输”,但他决心发现哪里出了问题。他找到了答案,这是因为他的工艺只有在使用含磷量低的铁矿石(如赤铁矿)时才是好的。在做实验时,他选择了布莱纳冯生铁,这是少数从含磷很少或不含磷的矿石中还原出来的生铁之一。尽管他可以报道“好消息”,但当时他已经成为了铁匠和铁路工人的“不受欢迎的人”,其中一名铁路工人被问及是否会从贝塞麦那里购买铁轨时,当面告诉他“贝塞麦先生,你希望我因过失杀人罪受审吗?”?。


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幸运的是,故事有一个圆满的结局,谢菲尔德的“贝塞麦公司”在所有初期的麻烦都得到解决后,在他的“朋友”(尤其是罗伯特·穆谢特)的帮助下,成为了一名成功的钢铁制造商。穆谢特是一位无名英雄,他对钢铁制造艺术做出了许多显著贡献。Ebbw Vale Ironworks的托马斯·布朗(Thomas Brown)给Mushet提供了一份劣质贝塞麦钢样品进行分析,并很快通过一份关于如何解决该问题的建议,找出了问题的根源。他确定过量的氧气是问题的原因,向熔体中加入“spiegeleisen”(一种来自德国的含锰铸铁)将是解决方案;多余的氧被锰吸引,锰将作为氧化锰成为炉渣的一部分。
贝塞麦转炉将成为其自身成功的牺牲品,因为新的炼钢方法,如西门子-马丁平炉炼钢法,可以接受以前贝塞麦炼钢法生产的废铁,而转炉只能接受来自高炉的熔融生铁。尽管如此,它可能在美国取得了最大的成功,因为那里的铁矿床主要不含磷。匹兹堡(及其周边地区)拥有成为一个炼钢小镇的所有要素,正是安德鲁·卡内基(Andrew Carnegie),这位“精明”的苏格兰人建立了美国钢铁工业,他将规定使用贝塞麦转炉。卡内基的一句著名名言是“再见了,那么,钢铁时代,万岁!钢铁王”。到19世纪末,美国的钢铁产量超过了英国、法国和德国的总和。以低成本大吨位生产钢铁已成为现实。


  • urhgff
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我不打算讨论贝塞麦转换器,因为互联网上的信息很容易获得,而且在那里发现的文章是由比我更有资格的人写的。
在20世纪,钢铁生产不仅在吨位上取得了巨大的进步,而且在可焊接结构钢、不锈钢、耐热钢和工具钢等各种钢种上也取得了巨大进步。清单还在继续,现在有超过2000种等级的钢材可供选择,以满足任何要求。
对古人来说,钢铁是一种令人惊叹的神秘金属,但今天,它已经变得平凡,因为它在我们的生活中如此常见。我们当然认为这是理所当然的,应该思考一下没有它我们会在哪里。我敢说,我们会回到中世纪,住在像国王登陆的维斯特罗斯那样的地方。
作为后记,我想补充的是,最后一座主要的锻铁结构是埃菲尔铁塔,第一座钢结构(采用平炉法生产)是第四铁路桥,这两座桥都于1889年完工。


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