世界现代前期科技史-第15章
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新型炮弹，并发明了大炮炮筒的来复线结构。显然用生铁铸造的旧炮已不适
用，为了得到合格的钢铁做炮筒，贝塞麦便开始探索新的炼钢方法。经过多
次失败，贝塞麦发现：强化鼓风非但不会降低炉温，反而还会提高炉温，而
且可以减少铁水中的杂质和降低含碳量。于是他发明了“吹气精炼法”，并
于1855年10月取得专利。贝塞麦分析指出，充分供应空气可以使铁水中的
碳、硅、磷、锰等杂质氧化，在它们氧化的过程中会放出热量，连续不断地
进行高温反应，因而不需再加入燃料。贝塞麦在报告中讲到：“转炉熔铁只
要从炉底吹 20—30分钟空气 （氧使铁中杂质氧化后除去，则减少了碳的氧
化），虽然引起猛烈爆炸，但钢不变，杂质成为渣子浮在表面，或成为气体
逸出，而后则可出钢，熔钢流出来，发出耀眼的强光。”同年，贝塞麦改装
了一座炼钢炉，以进行新的炼钢法实验，即从炉底吹入空气，“除了铁水和
空气什么也不需要”。对于这种实验，许多人都表现出疑惑和不解，甚至连
参加实验的工匠们都警告他说，不加焦炭光吹空气是会使铁水在炉中凝固
的。而实验结果完全出乎人们的预料：从炉底鼓进的空气，首先将铁水中的
锰和硅氧化，形成褐色烟雾沸腾逸出，同时生铁中的碳也被氧化成二氧化碳。
这时炉温没有下降，反而从倒入铁水时的1350℃上升到1600℃，炉料“燃烧”
呈现白亮的光焰。大约10多分钟以后火焰消失，放出浓重的褐色三氧化二磷
烟雾，表明铁水中的磷也被除去了。这样，用了不到半小时的时间就炼出一
炉钢水，实验取得了完全成功。为使炼好的钢水易于倒出，贝塞麦将炼钢炉
从固定式结构改为转动式结构，转炉由此诞生。1857年他取得了这一发明的
专利权。
当时英国炼钢要从瑞典进口大量的棒状铁，冶炼方式仍然摆脱不了过去
的“泡钢法”和“铸钢法”，而且要消耗大量的焦炭，因此和贝塞麦炼钢法
相比，可以明显看出贝塞麦炼钢法的巨大优越性。一是它大大降低了生产成
本；二是改进了生产工艺；三是形成了大规模生产；四是提高了钢的质量。
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正因如此，所以它引起了欧洲工业界的轰动，随后便被引入法国。德国的阿
尔福莱德·克虏伯（1812—1887）专门为该项技术建设了一座转炉炼钢厂并
于1862年投入生产。尤其是美国大规模引进这一技术，并且在很多地方建立
了以贝塞麦名字命名的钢铁厂。
贝塞麦炼钢法一度产生了轰动效应，但不久便遇到了麻烦。许多引进贝
塞麦炼钢法专利的钢铁公司，接二连三地遭到失败。原因是他们用贝塞麦炼
钢法生产出的钢制品质地很脆，于是贝塞麦招致了很多人的批评甚至是责
骂。一时间搞得贝塞麦十分孤立和难堪。从1857年起，贝塞麦对自己炼钢法
暴露出来的问题进行了认真的研究。结果发现，使钢质变脆的原因是磷、硫
杂质脱除不好，其中磷又是主要因素；而问题的症结出在原料上。凡是发生
问题的转炉，使用的生铁都是由含磷、硫量较高的矿石冶炼的。贝塞麦使用
过的原料恰巧都是含磷、硫量较低的矿石，因此对这一问题他未曾发现。正
当贝塞麦处于困难境地之时，瑞典企业家盖朗松大胆引进了贝塞麦炼钢法，
并于1858年试生产取得成功。贝塞麦由此获得了启示和信心。他坚信自己的
理论和方法完全正确，并于1860年自行建厂，用转炉炼钢法炼出了优质钢，
成功地实现了工业化生产。1862年，贝塞麦在国际博览会上展出了用他的转
炉钢制造的大量产品——从小小的刮脸刀片到威严的大炮。
1860年，贝塞麦炼钢法在英国取得成功之后，法国在同年引进该项技术
并进行推广；1862年德国的炼钢业也采用了贝塞麦炼钢法；1864年美国也开
始大规模引进转炉炼钢技术，于是贝塞麦炼钢法在经历了一段坎坷后重获生
机，炼钢业也从此进入了一个新时代。
（2）平炉炼钢法
在贝塞麦发明转炉炼钢法的同时，就有人开始了平炉炼钢法的探索。为
此做出贡献并取得成功的是西门子兄弟和马丁父子。
1856年，刚刚加入英国籍的德国人弗里德利希·西门子 （1826—1904）
和哥哥威廉·西门子（1823—1883）曾设想用废气把蓄热室的耐火材料加热，
再把热传给空气和燃料，他们将这一办法用于制造玻璃，提高了炉温，并因
此发明了用废气预热的蓄热法专利。后来，他们试验把这种办法用在反射炉
上，但试验并不成功。这使弗里德利希转而用这种办法去制造玻璃，威廉则
继续进行研究。1861年，威廉改用发生炉煤气作燃料以代替燃用焦炭，并对
炉体结构进行了改进，取得技术突破。1864年，法国人马丁 （1824—1915）
对反射炉炉体又进行了改造，在威廉·西门子的帮助下，把提高玻璃熔化温
度的蓄热式气体炉技术应用到反射炉上，以提高炉内温度。起初采用酸性炉
衬，后又改用碱性炉衬，使用生铁、废钢终于炼出了优质钢，发明了“平炉
炼钢法”。1866年，威廉·西门子在伯明翰也建成了平炉，用生铁和铁矿石
炼钢成功，并投入工业生产。后来，西门子兄弟与马丁父子之间为平炉炼钢
的首创权问题发生了争执，但不久便达成统一。因此人们把平炉炼钢法又称
之为“西门子一马丁炼钢法”。1867年，这一新的炼钢技术在法国巴黎万国
博览会上获奖。
平炉，因其形状低平和有一个比较平展的熔池故而得名。将经由下层蓄
热室预热的空气和煤气送入上层，在熔池的铁水表面吹拂、燃烧，可较彻底
地将铁水中的碳和其他杂质氧化。虽然平炉冶炼过程比转炉要长，但平炉的
容量大，一炉就可炼出上百吨甚至上千吨钢。1868年，美国引进了这项技术。
1870年，俄国也引进了这项技术。1900年，平炉炼钢法已在世界各国得到普
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遍推广。直到二次世界大战，平炉炼钢法一直成为钢铁企业普遍采用的冶炼
方式，超过了贝塞麦炼钢法而占据主导地位。其重要原因是不仅它产量高，
而且所用原料广泛（生铁、铁水、废钢、铁屑、熟铁、铁矿石均可用于炼钢），
质量稳定，特别是又可使用劣质煤炼出优质钢，后来，由于制氧技术的发展，
出现了纯氧顶吹转炉炼钢法，于是占据了近百年主导地位的平炉法，又开始
让位于转炉炼钢法。平炉炼钢法和转炉炼钢法应该说各有长短，所以至今平
炉和转炉仍是炼钢业的两大主要技术体系。
（3）托马斯炼钢法
贝塞麦炼钢法适用于冶炼含磷少的铁，而对含磷较高的铁则不适用。他
虽然找到了自己的症结，并显示了贝塞麦炼钢法的成功和优越，但问题并没
有因此而得到解决。因为当时英国钢铁企业所用的原料含磷、硫量都很高，
欧洲90％的铁矿石都是含磷的，只有瑞典和意大利例外。1860年以后，社会
对钢铁的需求量继续大幅度增长。以铁路为例，全世界铺路总长度 （按公里
计算）1870年是1860年的2倍，1880年为1870年的3倍。因此要大幅度提
高钢铁产量，必须尽快解决高磷铁矿石的冶炼问题，这已成为迫在眉睫的紧
急任务。自然人们会想到这样一个问题：为什么贝塞麦炼钢法不能用含磷较
高的矿石呢？这是因为贝塞麦炼钢法是酸性底吹转炉法，转炉内部的耐火材
料是硅酸盐物质构成的，这种酸性冶炼法不能解决脱磷问题，在用坩埚冶炼
“铸钢”的过程中铁水中的磷在1300℃左右的温度下可以自行变为气体逸
出，所以不存在对矿石含磷量的苛求。然而在转炉冶炼过程中，铁水温度高
达1600℃，在这种高温条件下，变为气体逸出的磷，又会重新被铁水所吸收。
所以要解决脱磷问题，必须另寻他途。而使这一问题得到解决的是英国人托
马斯（1850—1885）。
托马斯幼年丧父，家里很穷。他在17岁时放弃了进大学的想法，到一个
小法院当职员。但他上进心很强，每天坚持到夜校学习，主要学习化学知识。
后来，他成了一名技师。1870年的一天，托马斯在夜校上化学课时知道了使
贝塞麦转炉脱磷的重要性，于是他下决心要解决这个问题。从此以后，他把
业余时间都用来钻研化学、冶金学教科书，并在家里布置了一个极为简陋的
实验室以进行研究工作。他首先研究了为什么搅钢法可以脱磷的问题，通过
试验他发现，在1300℃的温度下，磷不留在铁水里，而是成为五氧化二磷进
入钢渣之中。当在1600℃的高温时，五氧化二磷又被还原为磷，磷又回到钢
中。要想使磷进入矿渣，必须寻找一种经济适用的材料。后来，他发现石灰
石是一种较为理想的材料。但如要向转炉内添加石灰石，必须要把原来的酸
性炉衬改为碱性炉衬，否则石灰石就会与酸性硅酸质炉衬发生化学反应而使
之受到腐蚀。终于，托马斯找到了一种可做碱性炉衬的材料——白云石。他
把含石灰和镁的白云石用高温烧制成熟料，然后再与焦油混合做成碱性耐火
砖，砌在炉内。于是使原来的炉衬由酸性硅酸质改变为碱性石灰质。在这种
改造过的转炉内倒入高磷铁水，在冶炼过程中吹入空气，同时添加石灰石，
使炉渣变为高碱性炉渣，这时被氧化的磷与石灰结合在一起，留在炉渣内不
再返回钢中，因而实现脱磷。这正是托马斯炼钢法原理。1877年，托马斯在
一个星期天到南威尔士炼钢厂与在该厂当化学技师的兄弟合作进行实验，结
果脱磷喜获成功。
1878年3月，托马斯向英国钢铁协会报告了他的研究工作，但是并未引
起重视。后来，英国一个叫温萨·里恰兹的钢厂厂长知道了这件事，于是引
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起了他对托马斯研究成果的关注。1879年4月，在他的支持下，托马斯进行
了一次公开试验并获得极大成功。从此，托马斯炼钢法得到了社会公认。
冶金技术，在冶炼阶段本质上是属于化工技术。钢铁的冶炼过程也是化
学反应的过程。托马斯正是从化学研究入手，探讨炼钢过程中的脱磷问题，
才找到了通向成功之路的金钥匙。托马斯炼钢法，将钢水中的磷氧化后与石
灰结合留在了炉渣内，故使炉渣含磷较高，经粉碎处理后还可作为很好的农
业肥料。
托马斯炼钢法，化解了贝塞麦转炉存在的难题，无疑对转炉的推广应用
起到了促进作用。同时，托马斯的发明对平炉亦可使用。平炉用碱性法炼钢，
使用含磷较高的铁也能达到较好的脱磷效果。由于托马斯炼钢法的成功，而
使高磷矿、褐铁矿成为炼铁的重要资源。于是托马斯炼钢法，在德国、法国、
比利时、瑞典等盛产高磷矿石的欧洲各国迅速得到推广。
3。钢铁时代的到来
在18世纪与19世纪之交的近百年时间内，钢铁技术实现了巨大变革。
特别是19世纪中叶的十几年，贝塞麦炼钢法、托马斯炼钢法、西门子—马丁
炼钢法，三大炼钢技术的发明，使转炉炼钢和平炉炼钢迅速发展起来，并与
原有的高炉炼铁技术一起构成现代钢铁技术体系。1900年，法国人海罗尔特
采用电弧炉炼钢成功，增添了用电炼钢的新技术。19世纪后30年，钢铁工
业以惊人的速度发展。炼铁、炼钢、铸锭、轧制等一系列生产工艺也逐渐成
龙配套。1870年—1900年，全世界钢产量从51万吨跃至2850万吨，30年
增加了50倍以上；铁的产量从1400万吨提高到4100万吨，增加了2倍。在
这一时期钢铁工业发展最快的是美国。美国抓紧时机，大规模引进欧洲的炼
钢技术，到1889年，美国的钢产量超过欧洲各国，在世界排名榜上占据了头
把交椅。1870年以前，英国的钢铁产量最高，占世界总产量的一半以上，有
“世界的铁工厂”之称。1880年后，增长缓慢，占世界总产量的比例相对下
降。尽管当时在英国有不少技术发明，但因企业界的保守而不能迅速投入使
用，也就不能很快发挥应有的效益。1870年，美国进入垄断资本主义阶段，
从1880年起，其钢铁产量占世界总产量的比例不断上升，到1890年，美国
的钢铁产量已居世界第一位。1890—1900年，美国垄断资本逐渐形成，1901
年，摩尔根财团建立了钢铁托拉斯，垄断了美国的钢铁生产。1919年，美国
的钢产量已占世界总产量的59。2％。1870年，德国完成了产业革命，钢铁产
量已超过法国。1873年后，在德国出现了钢铁企业联合组织——卡特尔，使
德国的钢铁产量得到大幅度提高。
世界和主要产钢国历年钢产量一览表①
（单位：万吨）
年度世界英国德国法国美国俄国日本
1875 190 72 37 26 401。3 0。1
18804401326239127310。2
1890124036421690435380。2
1900285049866515910352210。1
① 参见《中国大百科全书》矿冶卷第569 页，1984。9 版。
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随着炼钢技术的发展，逐步分化出炼制特种钢的技术。1856年，英国的
马歇炼出了可用于制造刀具的高碳钨锰钢。1882年，哈德菲尔德（1859—
1940）发明了具有良好耐磨性能的锰钢。1885年，德国的迈尼斯迈发明了无
缝钢管。1898年和1906年美国的泰勒 （1856—1915）和怀特分别研制成功
可用于制造高速金属切削刀具的以钨和铬为主要合金成分的现代高速钢。
1900年前后又发明了可制造发电机，电动机和变压器的硅钢片。1913年美国
人布里尔利偶然发现镍铬合金钢不生锈，由此发明了不锈钢。
19世纪末，钢铁成为工业各方面最基本的生产材料。钢铁作为建筑材
料，在18世纪就已开始，到19世纪有不少桥梁是用钢铁建造的。其中最具
代表性的铁桥有3座。一是美国人埃底设计的桑特·路易斯大桥。其中央跨
度为158米，两端各为153米，是一座公路、铁路两用铁桥。二是宝尔克菱
大桥，是美国的诺布菱设计的，是一座连结纽约的曼哈顿和布尔库林两区的
钢丝斜拉吊桥。其独特的设计和施工技术被称之为“空中线法”。这种方法
的跨度可达到500米以上。这座桥的建成用了13年时间，成为19世纪最大
的工程之一。诺布菱父子为此作出了不寻常的贡献。第三座铁桥是英国东部
的佛斯桥，全长2。5公里�
