科普专栏

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钢铁简史

0从陨石划破天际降落人间,到摩天大楼拔地而起,这就是世界上最伟大的合金的历史。——原文作者:Jonathan Schifman 

                             1 引子


早在桥梁、工字钢和摩天大楼之前,钢铁的故事便开始了。而最初的一笔,便是来自星星的你——陨石。
在人类出现在地球上的数十亿年前,哦,那时候地球还没有出现,炽热的恒星将原子融合成铁和碳。在无数次宇宙的爆炸和重生中,这些物质进入了小行星和其他行星体,它们在宇宙大锅的搅动中相互撞击。最终,一些岩石和金属形成了地球,在这里它决定了一种特殊的类人猿的命运。


在一个被历史遗忘的日子里,几个幸运的人类发现了一颗闪闪发光的陨石。其主要成分是铁和镍,它穿过大气层撞到了地面上。于是,全人类都为它着迷。

几千年来,我们的祖先一直在使用这种材料,并发现了从地球上提取铁的更好方法,并最终将其熔炼成钢。

我们用它而战,我们为它而战。在它锋刃之下,无数国家旋起旋灭。锋刃入鞘,全球经济因之而发展,世界上那些最伟大的文明因之而建立。


来自天堂的金属


埃及法老图坦卡蒙(Tutankhamun)有一把铁制匕首。在古代,这是比法老还“值钱”的宝贝。近一个世纪前,英国考古学家霍华德·卡特(Howard Carter)发现了图坦卡蒙的陵墓,看到这把匕首后便移不开眼睛了,这把匕首太特别了。他当时不知道,这把匕首的材料来自太空。



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图1 图坦卡蒙的陨石铁匕首。


来自陨石的铁与人类从地下挖出来冶炼的铁相比,镍含量更高。在卡特的重大发现之后的几年里,研究人员发现,图坦卡蒙的匕首并非个例,几乎所有可以追溯到青铜时代的铁器都是由从天而降的铁制成的。

对我们的祖先来说,这种奇异的合金似乎是天上神明的馈赠。古埃及人称之为“buz-n-pt”。在苏美尔,它被称为安巴尔。两者都是“来自天堂的金属”的意思。铁镍合金很柔软,很容易锤打成形而不会断裂。但这种“奉天承运”的金属的供应极其有限,使得这种天赐金属比宝石或黄金更加宝贵。

人类花了几千年才开始将目光从天上转移到脚下。大约公元前2500年,近东的部落成员发现了黑色金属物质的另一来源,它隐藏在地下。看起来就像来自天堂的金属——确实很像,但有些不同。这种铁与石头和矿物混合在一起,形成了矿石。提取铁矿石并不像从地上捡起一块散落的金银那么简单。根据1956年出版的《熔炉和坩埚》一书,矿工们认为,从地下世界中取出铁会让灵魂冒险,所以第一批矿工在挖出矿石之前会举行仪式来安抚掌管此物的神明。

但学会从地下开采铁矿石只是成功的一半。古人又花了700来年的时间才弄清楚如何从矿石中分离贵金属。直到那时,青铜时代才真正结束,铁器时代也才真正拉开帷幕。


03 通往第一炉钢的漫漫长路


要了解钢,我们必须先了解铁,因为这两种金属几乎是一种。钢中铁含量在98%~99%或更多,剩下的是碳——添加量小小,对金属性质的影响大大。在有能力建造摩天大楼之前的几千年里,人类文明对冶炼技术进行了不断的调整和修补,使之越来越接近钢。

大约公元前1800年,黑海沿岸的卡吕贝斯人想要获得一种比青铜更坚固的金属——可以用来制造无与伦比的武器。他们把铁矿石放在炉子里,烧软-敲打-再烧软。在重复这个过程几次之后,卡吕贝斯人从炉子中取出了坚固的铁制武器。

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图2 原始的炉子


卡吕贝斯人制造的东西叫做锻铁,是现代钢的几个主要前身之一。他们很快就加入了好战的赫梯人族群,后者创造了古代历史上最强大的军队之一。没有哪个国家的武器能与赫梯人的刀剑或战车相媲美。

铸铁,钢的另一个小兄弟,姑且这么称呼,它最早是在古代中国制造的。大约从公元前500年开始,中国的金属工人建造了7英尺高的熔炉来燃烧更多的铁和木材。铁被熔炼成液体,倒入雕刻好的模具中,形成烹饪器具和雕像的形状。

不过,锻铁和铸铁都算不得完美。卡吕贝斯人的锻铁只含有0.08%的碳(原文0.8%,疑误,译者改为0.08%),所以它达不到钢的抗拉强度。中国的铸铁含有2%~4%的碳,比钢脆得多。黑海的铁匠们最后将铁条插入一堆白热的木炭中,从而制造出涂钢的锻铁。但是一群南亚人有更好的主意。印度生产出了第一批真正的钢材。

大约在公元前400年,印度的金属工人发明了一种熔炼方法,可以将完美的碳量与铁结合在一起。个中关键是装熔融金属的粘土容器:坩埚。工人们把小锻铁棒材和木炭块放进坩埚里,然后密封坩埚,再将之放进炉子里。然后通过风箱吹气提高炉温,锻铁熔化并吸收了木炭中的碳。坩埚冷却后,纯钢锭就得到了。

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图3 在德国发现的早期粘土坩埚的一个例子。


印度的铁匠们将他们的“乌兹钢”运往世界各地。在大马士革,叙利亚的铁匠用这种金属锻造出了著名的、几乎是神话般的“大马士革刀”,据说它的锋利程度足以吹毛断发(并启发了虚构的超级材料的灵感,比如《权力的游戏》中的瓦雷利亚钢)。印度钢一路贩卖到西班牙的托莱多,那里的铁匠为罗马军队锻造刀剑。

在运往罗马的过程中,来自埃塞俄比亚帝国的阿比西尼亚商人充当中间人,他们欺骗性很强,故意误导罗马人,说这些钢铁来自丝国(拉丁语中中国的意思)。这样,使得罗马人认为这些钢铁来自一个遥远的地方,无法征服。罗马人将他们购买的钢材称为丝国钢,并将其用于制造武器之外的基本工具和建筑设备。

铁作为贵重金属的时代早已远去。此时,世界上最勇猛的战士都佩戴钢制武器。


04 神剑和武士刀


在神剑与武士刀传说中,那把伟大的亚瑟王神剑Excalibur雄伟而又美丽。Excalibur这个词的意思是“断钢”(削铁如泥)。但它不是钢。从亚瑟王时代到中世纪,欧洲在钢铁生产方面是比较落后的。

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图4 一把带有维京刃的中世纪宽剑,刻有德博洪家族的纹章。


随着罗马帝国的衰落(公元476年),欧洲陷入了混乱。印度仍然生产出轰动一时的钢,但无法可靠地将金属运往欧洲,那里的道路危机四伏,商人经常遭到袭击,还伴有令人害怕的瘟疫和疾病。在西班牙的加泰罗尼亚,炼铁工人发明了类似于印度的炉子:加泰罗尼亚熔炉。生产了大量锻铁——足够制作马蹄铁、马车车轮、门铰链,甚至是覆钢盔甲。

骑士们挥舞着特制的剑。它们是由多根扭曲的铁棒锻造而成,这一过程在刀片上留下了独特的人字形和编织图案。维京人把这些图案解释为龙的缠绕。亚瑟王的神剑Excalibur和艾尔熙德的提泽纳剑都是神话虚构的。

然而,世界上最好的剑是在地球的另一边制造的。

为武士锻刀的日本铁匠发明了一种高超的技术,可以制造出轻巧、致命的利刃。这些武器成了传家宝,代代相传,在日本几乎没有比这更好的礼物了。武士刀的锻造是一件复杂而仪式化的事情。

在制造武士刀之前,日本铁匠要先沐浴。他们认为,如果他们自身不纯洁,那么邪恶的灵魂就会进入武士刀。金属的锻造以锻铁为原料。用木炭加热一大块材料,直到它软到可以折叠。加热-折叠-冷却-加热,折叠约20次,使叶片形成弧形,在整个锻造和折叠过程中,锻铁持续暴露在木炭中,从锻铁变成了钢。

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图5 东京国立博物馆上野武士馆,由14世纪镰仓时期,正宗被认为是日本最伟大的剑匠。这把刀有他的签名。


下一步,刀匠使用粘土、木炭或铁粉,刷在刀刃上,形成最终的图案。钢中出现了类似木纹的图案,带有漩涡和涟漪。它的细节甚至比欧洲刀上的龙鳞还要精致。日本武士刀被赋予了“Drifting Sand流沙”、“三日月宗近”、“童子切安纲”等名字(酒吞童子,是日本传说中的妖怪)。有五把古剑保留至今,即“天下五剑”,在日本被作为国宝和圣物保存。


05 铁与煤


世界上第一台高炉看起来像个沙漏。

位于如今的德国莱茵河流域,古代金属工人发明了一种大约10英尺高、底部有两个风箱的高炉设备(图6),可以容纳大量的铁矿石和木炭。燃烧后高炉变得非常热,铁吸收的碳比以往更多,二者的混合物变成了容易倒进模具的铸铁。

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图6 高炉示意图


这是中国人已经实践了1700年的炼铁工艺,只是他们采用的是一口相当大的锅。工人们在铸造厂的地面上挖出沟槽,从一条长长的中央通道分叉出来,为液态铁的流动腾出空间。这些沟槽就像一窝吃奶的小猪(图7),因此有了一个绰号:pig iron(生铁)。


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图7 生铁pig iron得名


铁的创新正好赶上了西方世界的战争。13世纪大炮和14世纪火枪的发明刺激了对金属的渴求。而生铁可以直接倒入大炮和枪管模具中,欧洲开始以前所未有的方式生产武器。

但炼铁热潮带来了一个问题,随着欧洲列强开始在全球范围内扩张他们的势力,他们消耗了大量的木材,用于造船和制造用于冶炼的木炭。根据布鲁克·c·斯托达德所著的《钢铁:从矿山到工厂——造就美国的金属》一书,一座英国熔炉每年需要消耗大约240英亩的树木。大英帝国转向新大陆未开发的资源寻求解决方案,并开始将在美国殖民地冶炼的金属运到大西洋彼岸。但是,殖民地炼铁破坏了英国炼铁厂的生意。

解决英国燃料困境的答案来自一位铸铁锅制造商——亚伯拉罕·达比(Abraham Darby)。他童年的大部分时间都在麦芽磨坊工作,在18世纪初,他想起了他研磨大麦时的一种技术:烘煤(一种可燃的岩石)。其他人也尝试过用煤冶炼铁,但达比是第一个在冶炼前把煤烘焙的人。烘过的煤保持高热的时间比木炭长得多,这使得铁匠们可以制造出更薄的生铁——非常适合倒进枪模里。今天,在科尔布鲁克代尔铁博物馆可以看到达比的大型高炉。

英国发现了用煤冶炼的威力。但他们仍然没有炼钢。


06 钟表匠与坩埚


本杰明·亨茨曼对铁感到沮丧。对于这位来自谢菲尔德的钟表匠来说,需要用的合金变化太大了,尤其是在要制作精致的弹簧时。

亨茨曼是一名未经训练的眼科医生和外科医生,在业余时间,他对铁矿石进行了实验,并测试了不同的冶炼方法。最后,他想出了一种与古印度使用粘土坩埚非常相似的方法。然而,亨茨曼的技术有两个关键的区别:他使用的是烘过的煤而不是木炭,而且他没有把燃料放在坩埚里,而是将装有铁和碳的混合物的坩埚放到了煤堆上方。

从冶炼厂出来的铸锭更加均匀、坚固、不易碎——这是欧洲乃至全世界所见过的最好的钢。到18世纪70年代,谢菲尔德成为全国钢铁制造业的支点。七十年后,整个国家都知道了这个过程,英国的钢铁厂大放异彩。

1851年,世界上最早的博览会之一在伦敦举行,这就是“万国工业产品博览会”。水晶宫是用铸铁和玻璃建造的,里面几乎所有的东西都是由钢铁制成的。机车和蒸汽机、饮水机和灯柱,任何可以用熔化的金属铸造出来的东西都在展出。这个世界从未见过任何东西像钢铁这样受欢迎。


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07 贝塞麦的突破


亨利·贝塞麦是一位英国工程师和发明家,他以许多不相关的发明而闻名,包括一种金色黄铜颜料、排字机的键盘和甘蔗粉碎机。当19世纪50年代克里米亚战争在东欧爆发时,他制造了一种新的细长炮弹。他向法国军方提供了这种炮弹,但当时传统的铸铁大炮太脆弱,无法发射炮弹。只有钢能承受这种可控的爆炸。

坩埚炼钢的过程太昂贵,无法生产大炮这样大的产品,所以贝塞麦开始寻找一种大量生产钢铁的方法。

1856年的一天,他决定把生铁倒进一个容器里,而不是让它流进沟槽。一进入容器,贝塞麦就会通过底部的穿孔吹气。据《钢铁:从矿山到工厂》报道,一切都保持了大约10分钟的平静,然后突然火花、火焰和熔化的生铁从容器中喷出。当混乱结束时,容器中留下的物质是无碳的纯铁。

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图8 ·f·斯金纳的油画,展示了南约克郡Penistone钢铁厂用贝塞麦工艺生产的钢铁。


这次熔炼爆炸事件的影响怎么说都不为过。当贝塞麦直接在熔化的生铁上使用风箱时,碳与空气中的氧气结合,留下纯铁。而对于纯铁来说,通过添加含碳材料,如镜铁这种铁和锰的合金,可以很容易地变成优质钢材。

贝塞麦制造了一台机器来完成这个过程:贝塞麦转炉(图9)。它的形状像一个鸡蛋,内部是粘土衬里,外部是实心钢。在顶部,当空气进入炉子时,一个小开口会喷出30英尺高的火焰。

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图9 贝塞麦转炉


然而,几乎与此同时,英国的炼铁厂出现了问题。事实证明,贝塞麦使用的铁矿石含磷很少,而大多数铁矿床都富含磷。旧的炼铁方法可靠地将磷除掉,但贝塞麦转炉没有除掉,生产出的钢很脆。

这个问题困扰了冶金学家20年,直到25岁的英国警察职员兼业余化学家西德尼·吉尔克里斯特·托马斯(Sidney Gilchrist Thomas)找到了解决磷问题的办法。托马斯发现这个装置的粘土衬里不能与磷反应,所以他用石灰衬里代替了粘土。这招很管用。

这种新方法可以在20分钟内生产出5吨钢,此时可以在整个英格兰的钢铁厂使用。旧的亨茨曼坩埚工艺在两周内只能生产区区60磅的钢,已经过时了。贝塞麦转炉是新的钢铁之王。


08 美国钢铁


在大西洋彼岸,美国荒野之中有大量的铁矿尚未开发。

1850年,美国的铁产量仅为英国的五分之一。但内战结束后,实业家们开始将注意力转向贝塞麦工艺,催生了一个比1849年加州淘金热创造的财富多得多的钢铁工业。在城市之间要修公路,在河流上要建桥梁,在蛮荒的西部腹地要铺设铁路。

安德鲁·卡耐基想要建造这一切。

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图10 安德鲁·卡耐基


没有人能像卡耐基那样践行美国梦。这位苏格兰移民12岁时来到美国,定居在匹兹堡的一个贫民区。卡耐基从十几岁时在电报局当送信员就开始了他的事业。一天,宾夕法尼亚铁路公司的一位高级官员对这个勤奋的少年印象深刻,聘请卡耐基做他的私人秘书。

这位“星光熠熠的苏格兰人”练就了敏锐的商业头脑,在铁路行业一路高升,并在此过程中进行了一些精明的投资。他在一家造桥公司、一家铁路厂、一家火车头厂和一家炼铁厂都有股份。1865年南方联盟投降后,30岁的卡耐基将注意力转向建造桥梁。多亏了他的工厂,他可以大批量生产铸铁。

但卡耐基知道他可以在铸铁的基础上更进一步。要建造一座耐用的桥,需要钢材。大约在西德尼·托马斯用石灰质衬里改进贝塞麦转炉的十年前,卡耐基把贝塞麦转炉的工艺带到了美国,采用无磷铁来炼钢。他在宾夕法尼亚州的霍姆斯特德建立了一家钢厂,为一种被建筑师称为“摩天大楼”的新型建筑制造合金。1889年,卡耐基所有的资产被合并为一个名称:卡耐基钢铁公司。

此时卡耐基单枪匹马的钢铁产量是全英国的一半之多。更多的钢铁公司开始在全国各地涌现,创造了新的城镇和城市,其中包括康涅狄格州的一个铁矿小镇,以古代炼铁族群的名字命名为“卡吕贝斯”。

美国突然间在钢铁工业中占据了主导地位。但卡耐基的霍姆斯特德钢铁厂的情况却不太顺利,就在匹兹堡与莫农加希拉河的对面。

为了降低制造成本,工资水平很低。1890年,每周工作84小时的工资还不到10美元(相当于今天的250美元),而且还是在炼钢厂里辛苦劳作的工资。事故司空见惯。在匹兹堡,空气污染严重到《大西洋月刊》(the Atlantic Monthly)的一名作家称钢铁城为“没有盖子的地狱”。

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图11 从联合车站的屋顶向西北望去,匹兹堡的长街区。


1892年7月,卡耐基钢铁公司和代表霍姆斯特德工厂工人的工会之间的紧张关系激化了。公司主席亨利·克莱·弗里克(Henry Clay Frick)采取了强硬立场,威胁要削减工资。工人们绞挂弗里克的肖像示威,弗里克让人在工厂周围围上了三英里的铁丝网作为回应,预料会有敌对行动。工人们投票决定罢工,随即被解雇,因此这座被围起来的工厂有了一个绰号:“弗里克堡”。大约3000名罢工者控制了霍姆斯特德,迫使当地执法部门撤离。

弗里克从平克顿侦探事务所雇佣了300名探员来守卫工厂。1892年7月6日上午,一场内战爆发了。人们聚集在河岸上,向试图乘船上岸的平克顿侦探投掷石块并开枪。

罢工者利用他们能找到的任何东西作为武器,推出一门旧大炮,点燃炸药,甚至把一节燃烧的火车车厢推到船上。

当一个8500人的国民警卫队营进入该镇并将霍姆斯特德置于戒严令之下时,秩序才得以恢复。10人在冲突中丧生。弗里克后来在办公室遭一名听说过罢工的无政府主义者射击并刺伤,但幸免于难。不久之后,他离开了公司。1897年,卡耐基聘请了一名叫查尔斯·m·施瓦布(不要与查尔斯·施瓦布公司的创始人混淆)的工程师担任新总裁。1901年,施瓦布说服卡耐基以4.8亿美元的价格出售他的钢铁公司。施瓦布的新公司与其他钢厂合并,成立了美国钢铁公司。

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图12 宾夕法尼亚州的民兵来平息敌对行动。


进入20世纪,美国钢铁工业继续迅猛发展。1873年,美国生产了22万吨钢铁。到1900年,美国的钢铁产量达到1140万吨,超过了英国和成功的德国工业的总和。新成立的美国钢铁公司是世界上最大的公司,生产全国三分之二的钢铁。

这是全球从未见过的生产速度,但钢铁铸造厂其实才刚刚开始热身。


09 金属在战争与和平年代的两副面孔


美国钢铁公司内部的分歧导致查尔斯•施瓦布(Charles Schwab)找到了一份新工作,负责一家不同的、快速发展的公司:伯利恒钢铁公司(Bethlehem Steel)。1914年,第一次世界大战开始两个月后,施瓦布收到了英国陆军部发来的密电。几小时后,他用假名买了一张飞越大西洋的机票。在欧洲,他会见了英国的战争大臣,后者希望下一笔大订单,但是有个条件。英国人希望伯利恒为英格兰制造价值四千万美元的武器,并且不与王室的敌人做生意。施瓦布接受了邀请,并参加了他的第二次会议,这次是与海军大臣温斯顿·丘吉尔的会面。丘吉尔自己也下了订单:为皇家海军订购潜艇以对抗德国潜艇,而且他马上就需要这些潜艇。

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图13 一艘英国E级潜艇在浮动船坞。她于1917年3月服役,于1918年5月10日在北海的Harwich击沉了UB-16,并于1918年7月20日在弗里西亚群岛附近被布雷。潜艇连同全体船员都失踪了。

但施瓦布遇到了一个问题。美国的中立法禁止公司向一战双方的战斗人员出售武器。伯利恒钢铁公司没有被吓倒,他们将潜艇部件送到蒙特利尔的一家组装厂,表面上是为了人道主义重建工作,而实际上美国的钢铁开始泄漏到盟军的战争中。

当美国于1917年4月正式加入第一次世界大战时,规避中立法律的必要性就消失了。1914年,当战争刚刚开始的时候,美国生产了2350万吨钢,是14年前的两倍多。1918年战争结束时,产量又翻了一番

美国的钢铁使协约国在对抗同盟国的战争中获得了决定性的优势。

战争结束后,美国的钢铁制造业比以往任何时候都更加强大。装饰艺术风格的高楼开始在纽约和芝加哥拔地而起,耸入青云。其中绝大多数钢材来自两家公司:美国钢铁公司(U.S. steel)和伯利恒钢铁公司(Bethlehem steel)。洛克菲勒中心、华尔道夫-阿斯托利亚酒店、乔治华盛顿大桥和金门大桥等标志性建筑都是用伯利恒钢铁建造的。1930年,该公司的钢材被用于建造当时世界上最高的摩天大楼:克莱斯勒大厦。不到一年之后,耗费重达六万吨、由美国钢铁公司供应的钢铁的帝国大厦,比克莱斯勒更高,成为曼哈顿永恒的象征。

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图14 1930年,以克莱斯勒大厦为背景的在建帝国大厦。


但摩天大楼并不是钢铁生产爆炸式增长引发的唯一新事物。这些材料被用于生产汽车、家用电器和食品罐头。例如:都乐(Dole)和金宝(Campbell’s)这两家前途无量的公司因其罐装食品的保质期长而风靡一时。伯利恒钢铁公司和美国钢铁公司的资产估值比福特和通用汽车都高。

这是真正的钢铁时代,但麻烦也不远了。

1929年股市崩盘后,随着经济陷入大萧条,钢铁生产放缓。美国的钢铁工人被解雇了,但工厂从未完全停摆。铁路仍然遍布全国,罐头食品仍然很受欢迎,随着禁酒令的结束,一种新的钢制品出现了:钢制啤酒罐,这是20世纪30年代由Pabst(蓝带创始人)为其蓝带啤酒推出的。

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图15 20世纪40年代早期的蓝带啤酒罐。


大萧条之后,战争对金属的渴求再次点燃了世界各地的铸造厂。德国占领了丹麦、挪威和法国的土地,控制了新的铁矿和工厂。突然间,纳粹生产的钢铁和美国一样多。在东方,日本控制了满洲的铁矿和煤矿。

珍珠港事件使美国卷入第二次世界大战。由于战争需要,大多数的钢铁消费品都被政府禁止生产。世界上的工业化国家,都一头扎进世界大战,开始为一些特定的用途定量配给钢铁:船舶、坦克、枪支和飞机等。

美国的工厂一天24小时熔化金属,工人通常以女性为主。经济又开始繁荣起来,很快美国的钢铁产量就超过了其他任何国家的三倍多。在第二次世界大战期间,美国的钢铁产量是第一次世界大战期间的25倍,新大陆(美国)的钢铁厂再次在盟军的胜利中发挥了决定性作用。

战争结束后,美国解除了对钢铁消费品的禁令。当时,世界上一半以上的钢材都是美国制造的,汽车、家用电器、玩具和建筑用钢筋的市场也像以往一样有利可图。战后剩下的船只和坦克的钢铁在巨大的熔炉中熔化,重新用于制造桥梁和啤酒罐。

但在海外,由于重建的迫切需要,以及炼钢新技术的引入,帮助外国钢铁公司蓬勃发展起来。


10 现代钢铁之路


在战时,即使工厂不停地运转,制造商们也没有使冶炼钢铁的工艺变得完美。而二战结束前100年的一个梦想,将再次彻底改变这一过程,并最终推翻美国作为世界钢铁之王的地位。

居住在英国的德国科学家和玻璃制造商威廉·西门子(William Siemens),在1847年意识到,可以通过回收散发的热量来延长熔炉保持最高温度的时间。西门子建造了一个新的玻璃炉,上面有一个小型的耐火砖管网。熔化室的热气体通过管道排出,与外部空气混合,并在室内循环。

西门子的玻璃炉花了将近20年的时间才进入冶金领域。19世纪60年代,一位名叫皮埃尔·埃米尔·马丁(Pierre-Emile Martin)的法国工程师了解了西门子的设计,并建造了一台西门子熔炉来冶炼铁。循环的热量使金属保持液化的时间比贝塞麦工艺更长,这给了工人更多的时间来添加精确数量的含碳铁合金,把材料变成钢。靠这些额外的热量,即使是废钢也会被熔化。到世纪之交,西门子-马丁工艺,也被称为平炉工艺,在世界各地流行起来。

目光再回到20世纪,一位名叫罗伯特·杜勒的瑞士工程师发现了一种更好的方法。杜勒在纳粹德国教冶金学。二战结束后,他搬回瑞士,实验贝塞麦工艺。他把纯氧(而不是只有20%氧气的空气)喷进熔炉,发现它能更有效地去除铁水中的碳。

杜勒还发现,通过从上方(而不是像在贝塞默转炉上那样从下方)将氧气吹入熔炉,他可以将的冷废钢熔化成生铁,并将其再循环到炼钢过程中。这种“顶吹氧工艺”也从铁中分离出了所有的磷。该方法结合了贝塞麦炉和西门子-马丁炉的优点。由于杜勒的创新,大量生产钢材的成本再次降低。

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图16 顶吹氧工艺


当欧洲和亚洲的国家立即采用了顶吹氧工艺时,美国的工厂,仍然处于行业的顶端,坚持使用西门子-马丁的工艺,信心十足,不知不觉地为外国竞争打开了大门。


11 不锈钢与美国工厂的衰落


1912年,一位名叫哈里·布雷利的英国冶金学家正在寻找一种延长枪管寿命的方法。他对铬和钢合金进行了实验,发现有一层铬的钢特别耐酸和耐候。

布雷利开始把这种钢-铬合金卖给一个在餐具行业工作的朋友,称其为“无锈钢(rustless steel)”——这是一个名副其实的工程师的叫法。他的朋友欧内斯特·斯图尔特(Ernest Stuart)需要把这种刀具卖给公众,于是想出了一个更吸引人的名字:不锈钢(stainless steel)。

一家名为维多利亚的公司在为瑞士军队锻造钢刀时,听说了这种来自英国的新型防腐金属。该公司迅速将其刀具中的金属改为inox,这是不锈钢的另一个单词,源自法语中的inoxydable。维多利亚将自己重新命名为Victorinox。今天,你很有可能在你的书桌抽屉里找到一把他们生产的红色小刀。

突然间,不锈钢传遍了世界。这种耐腐蚀、闪闪发光的金属成为外科手术工具和家居用品的重要材料。克莱斯勒大厦顶部的轮毂罩形装饰就是由不锈钢制成的,这有助于它们在阳光下保持银色光泽。1959年,工人们在圣路易斯破土动工,建造了不锈钢大拱门,它至今仍然是西半球最高的人造纪念碑。

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图17 圣路易斯的大拱门高630英尺。


但就在圣路易斯建成拱门时,世界其他地区正在追赶美国的钢铁生产。到20世纪50年代,海外的低工资和顶吹氧工艺的使用使得外国钢铁比美国钢铁更便宜,就像钢铁工业受到一种更便宜的家庭用品合金——铝的打击一样。

1970年,美国钢铁公司(U.S. Steel)长达70年的世界最大钢铁公司地位终结,取而代之的是日本新日铁(Nippon Steel)。

中国在20世纪90年代成为世界上最大的钢铁生产国,伯利恒钢铁公司于1995年关闭了在伯利恒的工厂。

直到20世纪后期,大多数美国钢厂才最终采用了顶吹氧工艺。根据世界钢铁协会的数据,截至2016年,美国的钢铁产量排名第四。


12 钢铁的可持续发展


世界上大部分的不锈钢都是由小型钢厂生产的。这些金属工厂不是从零开始炼钢,而是把废钢熔化后再利用。小工厂最常用的炉子——电弧炉,也是由威廉·西门子发明的——使用石墨电极产生电荷来熔化金属。

在过去的半个世纪里,小型钢厂的普及是回收旧钢的关键一步,但要实现完全可持续的冶炼还有很长的路要走。锻造钢材是众所周知的温室气体排放源。至今仍在广泛使用的顶吹氧工艺是近一个世纪前开发的,当时气候变化的影响刚刚进入科学研究领域。顶吹氧工艺仍然燃烧煤炭,排放的二氧化碳大约是电炉的四倍。但是把吹氧完全淘汰成电弧炉,并不是一个可持续的解决方案。毕竟,只有那么多废钢可以回收利用。

当下,冶金学家正处于开发环保型钢铁生产方法的早期阶段。在麻省理工学院,研究人员正在测试新的基于电力的金属冶炼技术。这些电熔炼技术如果能得到改进,使其适用于铁和钢等熔点较高的金属,就有可能显著减少温室气体排放。

其他用于限制汽车排放的想法也在测试中。去年2月,奥地利制造商奥钢联(Voestalpine)开始建造一座工厂,旨在用氢燃料取代煤炭——这项技术可能至少还要20年才能实现。作为权宜之计,中国政府去年甚至对该国的钢铁产量进行了限制。

在21世纪,利害关系发生了变化。但是,这个问题仍然和过去一样,和那些在印度坩埚、德国高炉和美国铸造厂工作的人一样。我们怎样才能更好地炼钢?