第1篇　铁与钢

H.R.舒伯特（H.R.SCHUBERT）

1750年至1850年这段时期是以冶铁工业中出现的根本性变化为标志，焦炭与煤作为燃料取代了木炭，蒸汽作为动力取代了水。随着机械与建筑业需求量的增长，过去只占熔炉产量不足5%的铸铁生产增加了产量。在科特（Henry Cort）发明了熟铁搅炼法与槽轧辊之后，熟铁或条形铁的产量也大大增加，这些发明比起老式冶炼厂的炉膛和锻锤来，可以更便宜而且更大批量地生产出熟铁。亨茨曼（Benjamin Huntsman）发明的坩埚冶炼法，能够生产出更为匀质的钢材。

然而直到1800年前后，所有这些变化与改进仍只处于发展的初始阶段，而且主要还局限于英国。因此，整个这段时期可以划分为两个相继的阶段，大致相当于18世纪的后半叶和19世纪的前半叶。

在这两个阶段的第一阶段中，冶铁工业发展进行得非常缓慢，即便在英国也是如此。利用焦炭或煤代替木炭来熔炼铁矿石的尝试，此前已进行了很长时间。在这方面最为知名的是达德利（Dud Dudley，1599—1684），他宣称早在1619年就用煤成功地在鼓风炉中生产出了铸铁，或在锻炉中生产出了条形铁。他在前人都已失败的领域里取得了成功的这些说法，无论过去还是现在一般还是不为人们所接受。利用煤来熔炼的唯一办法是首先要制造焦炭，因为炼焦能降低原煤中的硫含量，而硫会使金属的强度降低。首先利用焦炭成功地熔炼铁矿石的是亚伯拉罕·达比（Abraham Darby，1677—1717），他于1709年在什罗普郡科尔布鲁克代尔的工厂中完成了这项工作。

达比的成功，部分是在科尔布鲁克代尔附近的地表发现的块煤的性质使然。这种煤的硫含量很低，而硫的存在曾经是以前所有尝试中的主要障碍。作为燃料，焦炭明显比木炭优越。首先，焦炭是从矿物煤中获得的，有着丰富的资源，木炭则截然相反，对木炭的需求会很快将森林耗尽。这样，比起木炭来，焦炭会以低得多的价格供应。其次，焦炭不大容易脆裂，所以能更多地装入熔炉，而无被压碎和堵塞气流的危险。因此，也就有可能使用更大的熔炉以提高产量（图版7B）。熔炉高度的增加使得矿石能与炽热的燃料保持更长时间的接触。焦炭在熔炉未受损的情况下能接受较强劲的鼓风，从而会增强还原作用，比起用木炭生产的铁水来，焦炭生产的铁水在熔炼过程中会变得更具有流动性，金属就有可能流进铸模内更为狭小的通道，从而制造出更轻便、设计更精巧的铸件，铸工们的生产范围也就扩大了。在科尔布鲁克代尔，刚开始用焦炭炼铁时，达比的主要产品是精巧型铸件，例如凸肚罐和其他器皿。因为这些产品比起过去用木炭熔炉生产的铁铸造的笨重的产品来，质量要优良得多，从而为他开辟了一个广阔的市场。

另一方面，使用焦炭也有明显的缺点。焦炭比起木炭来含有较多的杂质，木炭是用植物制造的，只含有微量矿物质。木炭的灰分（0.011%）比焦炭的灰分（约0.029%）要少，因而含磷量也少得多。磷虽有助于铁的流动性，但对强度会有不利影响。在英格兰，燃料中含有磷还有别的缺点，因为在18世纪开采的很多铁矿，本身就是含磷铁矿。此外，并不是所有用来炼焦的矿煤，都像科尔布鲁克代尔块煤那样含硫量很低。

因此，在早先的年代，使用焦炭炼铁只局限于科尔布鲁克代尔，别的地方只有数量极其有限的熔炉使用焦炭，而且所有这些熔炉都是在间断地使用焦炭，有时又会改用木炭，这并不足为奇。当时该区域生产的主要产品是小型铸铁件。用焦炭炼制的生铁，由于其杂质会导致产品发脆，因此存在缺陷。它之所以能销售出去，只是由于价格低廉，而且主要是用来制造铁钉。至少在1750年以前，焦炭炼制的生铁是竞争不过木炭炼制的生铁的，但从那时以后，伍斯特郡的炼铁厂厂主就开始接受这种冶炼方法了。

图56　砖砌蜂窝式炼焦炉。

大约就在当时，有几项技术革新得到了应用，利用焦炭进行熔炼的技术也有了重大改进。形状像蜂窝的封闭式砖砌炼焦炉（图56）开始使用，取代了与制造木炭的方法相似的敞开式炼焦炉。较广泛地采用铸造炉和焦炭来再熔炼制铁，这一举措具有更为重大的意义。用于铸造的再熔法已不是新鲜事物，采用小型移动式熔炉来再熔化铸铁以制造子弹，早在1722年法国科学家雷奥米尔（R.A.F.de Réaumur）对此进行过描述。在英国冶铁工业中，使用再熔炉大约始于1702年。再熔炉是一种改进型的反射炉，铁在炉中不与用作燃料的煤直接接触，因而煤中的杂质不会对金属造成有害的影响。这种改进型反射炉的发明，应归功于伦敦的医生兼化学家赖特（Edward Wright）。他自1696年起就在北威尔士进行铅的熔炼和精炼试验，并于1701年取得了成功，从而使一家装备有运用赖特试验成果的改进型熔炉的炼铅厂建立起来，这种熔炉被取名为“冲天炉”（cupola）。这是第一次使用这个名称，赖特随后被确认为发明人，但是，他所做的改进的确切本质仍未被人们认识到。据说亚伯拉罕·达比在科尔布鲁克代尔定居之前，在布里斯托尔开始铸造铁产品时就用过这种冲天炉。曾于1764—1765年间访问过英格兰的法国工程师雅尔（Gabriel Jars，1732—1769）也描述过一座英国的铸造炉（图57）。

从鼓风炉中得到的用焦炭炼制的铁经过再熔，在匀质性和纯净度方面都大有改进。这种改进对于国家具有重要意义，因为这就可以铸造更高质量的大炮，特别是皇家海军的大炮。海军装备中采用再熔铁的优越性，曾得到过法国准将乌利耶（M.de la Houlière）的高度赞赏，他在1773年曾做过一些用焦炭熔炼铁矿石的相当成功的试验，并于两年后前往英格兰学习英国的方法。在访问登比郡贝沙姆的一家由威廉·威尔金森（William Wilkinson）经营的工厂时，铸造炉生产的产品给他留下了深刻的印象，特别是铸造的大炮。在向法国政府提交的报告中，他总结了自己的经验，并且指出在已过去的20年间，由于采用了铸造炉，英国没有一门海军大炮发生过爆炸，而在法国海军中这种事故却很普遍，使得水兵“惧怕他们所使用的大炮超过了敌人的大炮”［1］。后来，威廉·威尔金森来到法国，从1777年到1780年，担任设在南特附近安德尔特岛上的国有炼铁厂和大炮铸造厂厂长，在那里安装了两座小型冲天炉。

尽管使用冲天炉越来越多，但铸件还是直接从鼓风炉中制造出来1777年，为了铸造当地塞文河大桥上的378.5吨重的桥梁构件，人们对科尔布鲁克代尔的老式熔炉进行了改造（边码455）。相对于老式熔炉，新式熔炉的炉身做得非常宽而短，炉膛或炉缸却很深，以积蓄大量铸造用的液体金属。

为降低由这种两步法工艺过程所造成的高昂的生产成本，即先在鼓风炉中冶炼，然后再在冲天炉中熔炼，威尔金森设计出一种类似于小型鼓风炉的新式冲天炉。比老式冲天炉更大的新式冲天炉并没有获得成功，但是作为现代冲天炉的前身，其在历史上仍是值得一提的。

焦炭比起木炭来不太容易燃烧，因此要使用焦炭就必须配备更强的鼓风。对于木炭熔炉来说，鼓风的动力来自水车，由水车驱动一对用木材和皮革制成的风箱，间歇地将鼓风吹进风口，然后再进入熔炉之中。即使在17世纪初，水轮的直径也未超过22英尺。但是，在使用焦炭时，因为需要更强劲的鼓风，使得一些铁厂的水轮直径达到了30—40英尺。然而，从水力驱动的风箱所得到的鼓风，还不足以使达比的发明发挥出全部效能。

图57　1765年泰恩河畔纽卡斯尔附近的铸造炉（外部视图及正视图）。

在这些熔炉中，燃料是在灰坑（E）上面的炉栅（F）上燃烧。火焰穿过（G）进入炉膛（A），炉膛底部填满沙子，铺在圆拱（D）的砖顶（C）上熔化的金属经过通道（B）流入铸模中，烟气经烟囱（K）排出。

1762年，一种新型的鼓风装置开始出现。此后不久，斯米顿（John Smeaton，1724—1792）推出了他发明的机械鼓风风箱，使用这种装置可保证达到更为完全的燃烧。但是，水力仍保留下来作为动力。直到瓦特（James Watt）的蒸汽机应用于机械鼓风风箱上以后，焦炭才最后战胜了木炭。

早期可供瓦特使用的蒸汽机汽缸并不令人满意，因为汽缸的缸径不够精密，无法避免漏气。正是约翰·威尔金森（John Wilkinson，1728—1808）利用他发明的一种于1774年获得专利的镗削大炮的新方法（边码421），制造出第一个完全令人满意的蒸汽机铸铁汽缸。蒸汽机的改进才获得了重大突破。

1776年，蒸汽机第一次被用于泵水以外的用途。这台蒸汽机有一个38英寸的汽缸，被用于为设在什罗普郡威利的维尔金森的炼铁炉鼓风。4年以后，威尔金森已拥有4台蒸汽机来为炼铁炉鼓风。瓦特的发明所取得的成功，立即使其他的铁厂厂主也开始订购熔炉用蒸汽机，这些蒸汽机被安装在从约克郡到南威尔士的广大地区（图58）。

蒸汽机取代水车，不仅使鼓风炉的产量增加，而且还有开发轧钢机和纵切圆盘锯的潜力。改进的轧制熟铁板技术，是在18世纪后期发展起来的。它对于马口铁的生产产生了非常有利的影响（边码125）。

在17世纪，马口铁工业在萨克森德累斯顿周围地区蓬勃发展起来，马口铁这种廉价材料就开始代替家用的锡镴器皿。时至17世纪末，法国与英国也开始尝试着创建马口铁工业。当时英国已经有了生产用的材料，但却仍然完全依赖从德国进口。在英国，马口铁首先在庞蒂浦被成功地制造出来，时间大约在18世纪20年代。1745年，又引入了专用油脂槽来为铁皮镀锡作准备。铁皮在进入锡槽之前在油脂中浸一个小时，这种被称为韦尔什浸渍法的流程一直在得到应用，某种程度上至今还用于预制钢质物件的镀锡。1800年，在英国有11家马口铁工厂在生产的记载，它们都位于南威尔士、蒙茅斯郡及格洛斯特郡等地，产品已开始出口［2］。

图58　鼓风机、水力鼓风调节器、风口和炼铁炉的装置图。

下一个重要步骤是用蒸汽动力来锻造加工。当时采用的是水力驱动的锻锤（边码116），第一台蒸汽机驱动的锻锤直到1782年才建立起来，供位于什罗普郡布拉德利的约翰·威尔金森的冶炼厂使用。这台锻锤每分钟能击打30次，锻锤头重7.5英担，每次击打前升程为2英尺3英寸。一只19世纪20年代在约克郡使用过的这种类型的锻锤如附图所示（图59）。

图59　柄式锻锤，在约克郡米尔顿铁厂使用过。

该锻锤是铸铁制成，重约6吨。A为锤头，B为锤锤砧（C）装在一个重量超过4吨的铸铁座（D）中。锻锤是由凸轮或升降机（F）提升。柄式锻锤是安装在一铁质座架中，老式锻锤笨重的木质座架被废弃掉了。

所有这些改进措施的影响，均反映在炼焦炉数量的增加上。在英国，最初的增加速度比较缓慢，但自1775年往后就开始加快。在1760年有不超过17座炼焦炉在生产运行，在随后的15年中也只增建了14座。然而到了1790年，在英国的106座鼓风炉中有81座是采用焦炭生产，其中差不多半数是在中部地区（什罗普郡24座，斯塔福德郡11座）。

在英国以外，炼焦炉的采用进展得很慢。欧洲大陆上第一座焦炭炼铁炉是于1781—1785年在勒克勒佐的法国国家炼铁厂，由威廉·威尔金森与文德尔（de Wendel）和陶费尔（Toufaire）联合建造的。接下去的国家是普鲁士，威廉·威尔金森应普鲁士政府邀请，于1789年在西里西亚的弗里德里希斯许特尝试用焦炭炼铁，但未获成功。1791—1792年，德国工程师韦丁（T.F.Wedding）在小帕内河地区用焦炭炼铁获得了成功，1794—1796年又在格莱维茨建起了另一座焦炭炉。上述两个地方都是在上西里西亚地区。在德国的煤炭基地鲁尔，开始用焦炭炼铁的时间不会早于1850年。在比利时，炼焦炉是于1823年由科克里尔（John Cockerill）在靠近列日（Liége）[1]的瑟兰首先采用的。5年以后，威尔科维茨（现属捷克斯洛伐克）也建立了一座炼焦炉，这是整个前奥地利帝国的第一座炼焦炉。

然而直至1813年，利用焦炭炼铁以及利用蒸汽驱动的鼓风风箱来代替水力驱动的风箱，几乎仍然完全局限在英格兰。根据1813年宾夕法尼亚州卡莱尔的化学和矿物学教授库珀（Thomas Cooper）的报告，英格兰当时所生产的全部的铁有十分之九是利用焦炭炼制的，而在美国及欧洲大陆，还几乎完全在使用木炭［3］。

这时尽管铸铁的需求量比以往任何时候都要多，但铸铁产量的增长，还不能完全解释英国的冶铁工业在18世纪最后的1/4世纪出现的迅速增长。在建筑业（第15章）和机械制造业（第14章）中，铸铁也广泛地代替了其他金属和木材。1760年，在苏格兰的卡伦铁厂开始铸造铁齿轮。1784年，伦尼（John Rennie）为伦敦的阿尔比恩制造厂设计出第一台全铁制的设备。正如前面所述，制造很大型的铸件已经成为可能，例如科尔布鲁克代尔的塞文河大桥的桥梁构件（见图版30A）和蒸汽锻锤。尽管已经取得了所有这些重大成就，对铸铁的需求量却仍然低于熟铁或条形铁的需求量。熟铁在今天虽然是一种无足轻重的商品，但在1800年前后一直是生产应用中的主要金属，而且至少保持了半个世纪（图版9）。

人们发现，焦炭炼制的生铁不适合于转变成熟铁，因为焦炭会给铁带来杂质，这些杂质会使熟铁变脆，在锻锤下发生碎裂。制造出适合于制成熟铁的生铁，这一问题约在1749—1750年才由亚伯拉罕·达比二世（Abraham Darby Ⅱ，1711—1763）解决，但遗憾的是他所使用的技术却无人知道。在他的后面，克拉尼奇（Cranage）兄弟这两位科尔布鲁克代尔的技术娴熟的钢铁工人，在反射炉中只用原煤就炼出了铁。取得最后成功的荣誉一般都归于戈斯波特的科特（Henry Cort，1740—1800），他在1784年获得了关于用搅炼法将生铁制为可锻的熟铁的专利权。然而，奥尼恩斯（Peter Onions）所使用的方法实质上也是搅炼法，并在一年前就获得了专利权。

科特所用的搅炼法，主要是在反射炉的炉床上搅拌熔融的生铁。搅拌器不停地旋转搅拌熔融的生铁，通过炉中循环空气的脱碳作用，直到它变成可锻的熟铁。在这一过程中，避免了金属与作为燃料的原煤相互接触，并且连鼓风设备也不需要了。科特的方法如何优于他的前辈们的方法，特别是奥尼恩斯的方法，这一点并不清楚。也许是他在炉顶利用了风门来调控热量（图60）。

图60　搅炼炉。

（左）外部视图；（右）垂直剖面图

科特还被认为发明了槽轧辊（图61），并于1783年取得了专利权。然而在这方面，他的前辈瑞典的普尔海姆（Christopher Polhem）的确在1745年就制造出了一台装有类似轧辊的轧钢机。以前，条形铁的制造或者是用锻锤锻打，或者用纵切圆盘锯将轧制好的板材热切成条。同样是在12小时内，利用槽轧辊可以加工完毕15吨铁，利用锻锤则很难加工好1吨铁。

图61　制造条形铁用的槽轧辊。

由于把自己开创的两种方法结合了起来，科特很快就取得了成功简化了的工序降低了生产成本，尽管搅炼的铁在质量上不如木炭炼的铁，但价格却便宜很多。他的成功体现在英国为制造搅炼铁所需要的生铁产量的巨大增长上。这种增长可以用1740—1839年的生铁产量图来说明（图62）［4］。

图62　英国在1740—1839年的生铁产量图（千吨）。

钢铁工业中没有受到英国铁产量大幅增长影响的一个分支产业是炼钢业。钢的质量主要取决于所用的铁矿石，因此利用德国的含锰铁矿石制造的钢，在18世纪一直享有最高的声誉。英格兰摆脱对进口钢依赖的努力，导致了渗碳工艺的改进。在钢的制造上的最大发展，出现在1750年之前不久，这就是坩埚钢或铸钢的发明。这种钢比以前生产的钢成分上更加均匀，含有的杂质更少。这种工艺的发明人是亨茨曼（1704—1776），一个荷兰裔英国人。作为唐克斯特的一个仪器制造商，他开始试验制造钟表的弹簧及钟摆所用的更为匀质的钢。1740—1742年，在他定居的设菲尔德附近的汉兹沃思，经历了多次失败以后，他终于发现了在熔融状态下制造钢的方法（图63）。他在封闭的黏土坩埚中加入助熔剂，以熔化粗钢棒，所需的高温由焦炭产生。两个坩埚被安放在耐火砖衬砌的炉膛内，炉顶用耐火砖砌成的盖子封闭，炉盖与炼钢厂房地面平齐。拱形的地下室留有灰坑通道。

图63　亨茨曼的熔化炉剖面图，图中所示有两个坩埚。

亨茨曼的方法比起以前的炼钢方法来并不复杂。因此，采用这种方法能使生产成本降低，产量增加。可是问题在于铸钢不能焊接，因为它无法承受900℃以上的高温。

这一发明首先在法国受到青睐。设菲尔德的餐具制造商开始时认为亨茨曼的钢太硬，都不愿接受，直到受到法国进口餐具的竞争压力，才被迫接受了这种钢。在英格兰，1770年以前的铸钢生产增长非常缓慢，在亨茨曼的发明被广泛采用之前就有几十年的时间白白流逝了。

在欧洲大陆，瑞士主要的工业家之一费希尔（Johann Conrad Fischer）于1802年在沙夫豪森首次制造出铸钢。因为亨茨曼的方法保密，费希尔不得不自行发明方法。他还发明了铜钢合金和镍钢合金，分别被他称为“黄钢”与“陨钢”。费希尔不久就将他的产业扩展到瑞士以外，在奥地利和法国建立了钢厂和机械加工车间。

在我们现在所关注的整个这段时期中，铸铁在军械制造中的应用一直超过其他各种材料。人们在火炮制造中的确曾经试图用铸钢来代替铸铁。克虏伯（Krupp）就提议使用铸钢，但是他制造的第一门火炮——在铸铁外管内套有铸钢管的一种可发射3磅重炮弹的火炮，1849年在柏林交货时经受的严格测试中，最后还是爆裂了。由普鲁士炮兵军官组成的一个委员会，对按照这一原理生产质量统一的重型武器表示出疑虑，并且指责其成本高昂。大约在同一时间，一门5吨重的铸钢大炮从埃森运到了伍利奇，但在试验时第一次点火就爆裂了。

在1750年以前，人们还未认识到钢的含碳量对其硬度的影响。第一个对铁中的碳进行分析的是瑞典冶金学家伯格曼（T.O.Bergmann，1735—1784）。他和他之后的吉东·德·莫尔沃（Guyton de Morveau，1737—1816）得出这样的结论，即铁转变成钢是由于它与碳化合的结果。与吉东·德·莫尔沃同时，普里斯特利（Priestley）于1786年在伯明翰对铁钉的试验中也得出了相同的结论。

导致钢铁工业革命的重大发明和进步，以及一个全新的发展方向的进程，到18世纪结束时差不多都已完成了。在1815年拿破仑战争结束以后，对战争物资的需求也告一段落，暂时的不景气影响到了制铁行业。但在1830年以后，英国制造业的各个分支领域，包括制铁业，都出现了惊人的增长。这样一个非同寻常的繁荣时期在1835年达到了顶峰。由于冶炼炉和锻铁厂中工艺方法的改进，铁的生产开始迅速增长。

最重大的改进也许是在炼铁过程中采用热鼓风代替冷鼓风。最初的想法是，在鼓风经过风口进入熔炉之前进行加热，可以提高熔炉内的温度。这个想法是由格拉斯哥煤气厂的经理尼尔森（James Beaumout Neilson，1792—1865）提出的。他于1828年获得了专利权，第二年初就应用在格拉斯哥的克莱德铁厂。

尼尔森最初使用的设备有一个设在砖结构中的熟铁换热室，下面有加热格栅。冷鼓风在加热格栅上方的换热室一端进入，达到约200华氏度后在另一端流进风口。每个风口都有一个换热室。但尼尔森发现这种熟铁换热室不久就会被高温和氧化所毁坏，因此他将其换成铸铁的曲颈甑形换热室，并完全封闭在砖砌的外壳之中。这种方法避免了热量浪费，温度可升高到280华氏度。在经过几次进一步改进之后，1832年在克莱德铁厂建起了一座加热炉，它就是第一座实际建成的铸铁管式热风炉（图64）。

图64　尼尔森的热风炉正面图（A），1832年在格拉斯哥克莱德铁厂建成。该炉有一个熟铁换热室，4英尺长，3英尺高，2英尺宽，类似于货车车头里的蒸汽锅炉，安置在格栅上的砖砌结构中。冷鼓风在一端进入，并在另一端流到风口，温度升高到约200华氏度。下面是经改进过的热风炉正面图（B）和平面图（C）。熟铁换热室换成了铸铁的曲颈甑形换热室，密封在砌砖之中后来孔迪又引入了水冷式风口（未画出）。

在这里，冷鼓风是经一根从鼓风机总管分出来的支管通到每一个加热炉中的。鼓风在远离风口的一端进入加热炉，并经过位于火上的拱形管进入换热室另一侧的管子之中，然后再进入风口。整套装置封闭在一个拱形加热炉内，以保持和反射尽可能多的热量。通过两根纵向管和连接的拱形管，鼓风被直接加热，温度能升高到600华氏度，大致达到铅的熔点。

温度的升高要求对风口进行保护，因为风口是在其最热的部分进入熔炉的。保护措施是采用水冷式风口，它是由苏格兰布莱尔铁厂的孔迪（John Condie）发明的，通常被称为苏格兰风口。这种风口有一只熟铁盘管，嵌装在短的铸铁锥形套之中。两端伸出锥形套底面，每边各一只。水从伸出的管子的一端流入，一直流到风口狭窄的一端，水在盘管中绕行，最后经过对面伸出的管子流出。

到能产生600华氏度高温的加热炉建成时，人们才认识到用同样多的燃料能够生产出以前3倍的铁，同样鼓风量的作用比用冷鼓风时增大1倍。意识到用热鼓风熔炼的巨大潜力，大多数铁厂厂主接受了这种方法，尽管在开始时还有一些阻力。到1835年，热鼓风已被普遍使用了。

尼尔森的发明导致铁的产量有了很大的增长。采用热鼓风不仅能用同样多的燃料熔炼更多的矿石，而且还能建造更大的熔炉。其进一步的优点是，热鼓风所产生的更高的温度，使得不仅是焦炭，甚至连原煤也可用作燃料。这一点在苏格兰具有重大意义，因为在苏格兰能炼成优质冶金焦炭的煤很少。使用热鼓风还能够利用黑菱铁矿石，这种铁矿石19世纪初就已在苏格兰被发现，但在热鼓风被采用之前，对于炼铁几乎没什么用处。

通过热鼓风的发明，还有一种重要燃料资源可用来炼铁，即南威尔士和宾夕法尼亚的无烟煤。通过热鼓风来利用无烟煤的想法，是由一个德裔美国人盖森海默（W.Geissenheimer）最早提出来的。他是纽约的一名信义会牧师，在1830—1831年冬天使用了一个小型试验炉。1833年取得专利权以后，他在宾夕法尼亚的锡尔夫克里克建起了“瓦利”（Valley）炼铁炉，然后用无烟煤和热鼓风成功地熔炼了黑菱铁矿石。不幸的是，两个月之后，该炉由于一次事故停止了工作。

独立于盖森海默，克兰（George Crane）和他的雇员托马斯（David Thomas）于1837年在英国将同一想法付诸实现，他的工厂位于南威尔士无烟煤矿区的伊内赛温。在盖森海默死后，他的美国专利于1838年被克兰买去。就在那年夏天，托马斯移居美国，在宾夕法尼亚州的卡塔索夸开始建造一座无烟煤炼铁炉。这开创了一个新的时代，即储量丰富的无烟煤矿——虽已为人熟知却很少利用——可以被美国的钢铁工业利用了。托马斯的举动在另一方面也有着深远的影响，因为他是在美国完全实现了强力鼓风机的巨大价值的第一人。他在1852年前后采用的鼓风机，其鼓风压力比当时英格兰通常所能达到的鼓风压力翻了一番。

在美国，以无烟煤为基础的制铁工业的繁荣状况，延缓了用焦炭炼铁的发展。因为无烟煤和硬煤可供大量使用，当然比焦炭更受人欢迎。尽管早在1819年就曾有过用焦炭来炼铁的尝试，但直到1850年以后在美国仍然没有大规模使用焦炭。

利用机械鼓风风箱来为熔炉供给空气，这样就不再需要手动风箱了。因此，人力风箱的喷口穿过熔炉外壳的大型开孔，可以换成机械风箱鼓风的小型开孔。因而就有了足够开两个或三个风口的位置。多风口不可能在旧式的四方形炉壳上使用。受必须有更多鼓风以增加产量的激励，从而产生了使用更多风口的要求，导致了熔炉外形的重大变化。熔炉外壳被设计成圆形，并安置在5根结实的砖砌柱子上。但是，这项始于19世纪20年代的革新仍不允许在炉壳上开出4个以上的风口。自从1830年前后采用了热鼓风之后，为了充分挖掘热鼓风的潜力，要求有更多风口的愿望就更加迫切，因此炉膛的敷设不应受到限制。将熔铁炉外壳设置在铸铁柱上，炉膛就可以从各个方向与风口相接，使得风口数量能够很容易地增加。炉壳的石壁做得很薄，并用熟铁箍来加固，后来又换成了锅炉钢板做成的外壳。因为第一座这种熔铁炉是19世纪30年代初在苏格兰的邓迪万建成的（图65），因此被称为苏格兰熔铁炉。此后不久，在欧洲大陆上就开始采用这种新型熔铁炉，首先在法国的阿扬日，那里自1838年起就有一座这种熔铁炉在运作。邓迪万型炼铁炉代表了在向现代的高炉发展中前进了一大步，但是这种改变并没有影响到熔铁炉的内部结构。

熔铁炉的内腔从上往下直到炉膛，都是圆形的截面。这种形状大约在1650年第一次采用，并逐渐扩展到绝大多数的熔铁炉。尽管如此，铁厂厂主们仍墨守于方形的炉膛或坩埚来收集熔化的金属。在18世纪末期，法国有关制铁的文献开始建议采用圆形熔铁炉，例如1775年法国铁厂厂主格里尼翁（P.C.Grignon）就曾提出过这种建议。但是，这种建议也不过是源自实际经验，因为由于炉火造成的损坏，方形炉膛在熔炼过程中也会逐渐变成圆形。可是直到1832年，这种形状才被接受，并审慎地投入使用。这种变化也出现在斯塔福德郡南部由奥克斯（T.Oakes）建造的新熔铁炉中，这座熔炉位于布赖尔利希尔的科比城堡，是为铁厂厂主吉本斯（John Gibbons）建造的（图66）。

吉本斯的改进所产生的直接影响是，熔炼过程明显加快，还大大节约了燃料，从而增加了金属产量。吉本斯熔铁炉为鼓风炉的进一步发展确定了方向。最早采用这种样式的是布莱克郡的铁厂厂主。在1832年以前，熔炉的平均高度为35—40英尺，后来增高到50—60英尺。

图65　邓迪万型熔铁炉。

位于伍斯特郡达德利附近的拉塞尔斯城堡。（A）正视图，（B）垂直剖面图。（A）中的吊车是用来清除形成的大块炉渣。

进一步的革新涉及鼓风炉顶部的开孔或“炉口”。几个世纪以来，这个开孔一直是敞开着的，以便排出煤气。燃烧的煤气在高空中升腾，呈现出一幅壮丽的景观，尤其是在夜间。可是，这种煤气被白白放掉也是一种浪费。在德国符腾堡，福尔（A.C.W.F.Faber du Faur）就曾于1831年试图利用这种废气。1832年，在巴登的绍普夫海姆铁厂第一次取得了具有实际意义的成功。煤气从炉顶排出，通过管子输送到热风炉（参见图67）。在英格兰，第一个尝试利用煤气来加热热风炉的是1834年位于斯塔福德郡温斯伯利老帕克铁厂的劳埃德福斯特公司，只是产生的热量很低，在鼓风进入熔炉之前，还需在风口附近增设一个加热炉来进一步提高鼓风温度。后来，对煤气的利用迅速蔓延开来，在欧洲大陆连方法也有了改进，但直到斯旺西附近的阿斯特勒费拉铁厂的巴德（James Palmer Budd）推出并在1845年取得专利的煤气利用设备后，该技术才在英格兰被普遍采用并声名鹊起。这种用于鼓风炉进料的杯锥式炉顶装料设备，最早是于1850年在蒙茅斯郡的埃布韦尔铁厂由帕里（George Parry）使用的（图67），其最简单的形式是一个固定的杯状容器和一个可上下移动的锥体物。这种装置能够保证比炉顶敞开的熔炉更均匀地布料。

19世纪初的改进也扩展到了锻炉以及锻铁或条形铁的生产实践。搅炼法的缺点在于搅炼炉的底部要使用砂石。砂石中的二氧化硅与氧化铁化合，容易形成酸性过强的炉渣，以至于无法吸收用普通含磷铁矿石炼制的生铁中所含的磷。由于需要维修被酸性渣腐蚀的砂层，会使炼铁炉减产，从而造成相当大的损失。蒙茅斯郡楠蒂格洛的罗杰斯（Samuel Rogers）找到了补救方法，他是用铸铁底板来代替砂层。在1816—1818年间，他曾努力劝说南威尔士的铁厂厂主接受他的发明，但他的努力却遭到嘲笑，并得了一个“铁底先生”的绰号。直到若干年后，罗杰斯的铸铁底板才被普遍采用。

图66　科比城堡的吉本斯熔铁炉图形。

吉本斯修改了熔炉的内部尺寸，以使其寿命延长。

图67　位于蒙茅斯郡埃布韦尔的鼓风炉。

（A）热风加热炉的正视图；（B）垂直剖面图。炉口装有“杯锥式装料设备”。该装置上有一个圆形开孔以放出热气，并通过管子将热气送到热风加热炉。

不仅是搅炼炉，而且连搅炼法本身都发生了重大变化。自从科特的发明出现以后，几乎所有的熟铁都是用“干式”搅炼法制造的。这种方法的制造过程比较缓慢，因为为了使金属能够受到大气的作用，必须用铁棒对其进行搅拌。斯塔福德郡蒂普顿的布卢姆菲尔德铁厂的霍尔（Joseph Hall）将这种方法加快了。1839年，他获得了在窑中煅烧“初渣”或“搅炼炉补炉底料”——搅炼炉窑中的炉渣——的专利权。煅烧后，让“搅炼炉补炉底料”冷却，碎裂成小块，并用来补涂炉底。“搅炼炉补炉底料”中所含的铁的氧化物与炉料中的碳化合，并在熔化的金属表层下生成一氧化碳气体，在气体释放过程中会造成沸腾现象，因此这个过程就被取名为“生铁沸腾”。由于用这种方法生成的是液态炉渣，而在砂底上进行的旧式搅炼法中并不存在这种现象，因此这种方法也叫“湿”搅炼法。通过这种新方法，铁是在单一步骤中熔化的，使得搅炼过程大大加快，并迅速得到采用。

在19世纪的第二个四分之一世纪中，英国的搅炼工迁移到欧洲大陆，在比利时和德国一家工厂接一家工厂地对当地人进行工艺指导。他们大多数来自南威尔士，当时那里是搅炼和轧钢的中心。法国的第一家搅炼厂与轧钢厂于1818—1819年在阿扬日（靠近蒂尔维尔）和圣艾蒂安（卢瓦尔）建成。在德国，科特的搅炼法（边码106）于1824—1825年首次被引到讷维德附近的拉赛尔斯泰因铁厂和迪伦附近的勒德斯多夫—克拉沙逊的霍施铁厂。这两家铁厂中都雇用了英国的搅炼工，而且几乎所有人都来自南威尔士或蒙茅斯郡。来自南威尔士的熟练工人也于1829年参与了瑞典木炭—钢板的制造。他们将精炼炉引到瑞典，后来发展成所谓的瑞典式兰开夏炼铁反射炉（图68）。这些工人显然是来自蒙茅斯郡的庞蒂浦，当时那里是英国西南部仍然利用老式精炼法炼铁的唯一地方。庞蒂浦的锻铁厂是从兰开夏郡获得它们所需的生铁的，由此产生了“兰开夏”炼铁反射炉的名称。没有证据说明这种炼铁炉曾在兰开夏郡使用过。兰开夏炼铁反射炉与用来精炼生铁的一般的炼铁炉主要有三个不同的特征。第一，烟囱不是在炉膛上方，而是在其正后方。第二，炉膛本身是用拱形炉顶盖住，以反射热量，从而显著节约燃料。第三，在炉膛下方设有浅的铸铁箱（图68B中的f）。在精炼过程中，有水不断流过该箱，以使炉底冷却。这种兰开夏炼铁反射炉又从瑞典引回英格兰，并在德国得到采用。

图68　瑞典式兰开夏炼铁反射炉。

（A）正视图；（B）纵剖面图。

内史密斯（Nasmyth）发明的实用蒸汽锤具有重大意义。他的锻锤是一种简单的直接加工机器，省去了老式夹板锤上必不可少的许多笨重的齿轮装置（边码431，图69及图版24A）。这种锻锤的另一个优点是可以方便地按照工件尺寸和需要的锤击力调整行程。这一点对于小型工厂特别重要（图版8B），因为这些工厂实际上不可能按工作类型设有许多不同规格的锻锤。孔迪发明的蒸汽锤是内史密斯锻锤的改进型，在1846年获得了专利权。

图69　双动式蒸汽锤，建在设菲尔德的阿特拉斯工厂。

蒸汽锤最初是由瓦特于1784年提出来的，后来由德弗罗尔（Deveral）在1806年进行了设计，但是将其发展成为实用锻锤的乃是内史密斯。原先蒸汽只用于将汽锤提升起来，但在上下两个行程都使用蒸汽后，锻锤功率就增大了。

第1篇 铁与钢

第1篇　铁与钢