开创钢铁时代的发明家

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0.2%—1.5%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。

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。