世界近代后期科技史-第20章
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1830年，乔治·斯蒂芬逊在利物浦打算修铁路的意图受阻，便决定在该
市的地下挖铁路隧道。他的这一创意使人们找到在城市中修铁路的方法，从
而导致19世纪后半叶开展了伦敦地下铁路工程，在这些工程中盾构法起了很
大的作用。1842年，用盾构法挖通了泰晤士河的河底隧道。
1830年还产生了一种压缩空气隧道施工方法。当隧道在开掘过程中有时
会遇到有水喷出的情形，此时若向隧道中输送2—3个大气压的空气就可以防
止冒水。1876年，美国哈德逊河道在施工中就是使用这一方法，有效地防止
了冒水的事故。后来，英国人格雷特赫德把盾构法和压汽法结合起来，发展
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成一种更安全的隧道施工方法。
4。转炉炼钢的诞生
18世纪，由于使用焦炭作为冶金的燃料，同时又发展了功率强大的鼓风
机，在英国以至欧洲大陆出现了大规模的钢铁和机械加工企业。但在19世纪
的前半期，钢主要是用掺碳和坩埚两种方法生产，因此无论是产量或是质量
都受到局限。英国当时是主要产钢国，1850年，它的生铁年产达到250万吨，
而钢产量只有6万吨。这种局面在转炉炼钢和平炉炼钢法诞生之后，得到彻
底改变。钢在19世纪下半叶可以大量生产，逐渐代替了熟铁。
18世纪时人们已经懂得，一块海棉铁放入反射炉中加热，由于生铁中的
碳和硅在高温下被空气氧化，其韧性可以得到显著提高。但是19世纪中期转
炉炼钢法的创造却是从一件偶然的事件开端的。
贝塞麦（1813—1898年，英国）是一位很有才干的发明家。他在研制有
来复线的的炮膛过程中，因铸铁质量不好，发生过炮身炸裂炮手炸死的事故，
这件事促使他下决心炼制一种耐高压的铁。一次，当他加大风压吹炼生铁时，
发现在风口处有一块未熔的生铁块，明显地表现出高温脱碳的一些特征。这
启发他试验用的强风吹铁除去碳的冶炼方法。在试验中他又发现除碳的过程
并不需要燃料，只要二次强制吹风，就会由于杂质燃烧出现自然增温，从而
使铁水脱碳转化为钢。
1856年，他在伦敦自己的工厂中，建立了一座固定式熔炉，用6个风口
从底部送风一次能炼350公斤铸铁，结果使人确信这是一种高效的、冶炼纯
净铁或钢的方法。同年，他发表了题为“不同燃料制造熟铁和钢的方法”的
论文。随后，他设计制造了一种容量为5吨的、可倾斜的转炉。转炉炼钢只
要10分钟就可以把10吨左右的铁水炼成熟铁或钢，而用搅拌法则需要几天，
木碳炉甚至需要几个月，转炉的高效率震惊了世界冶金业。
但是在进一步推广中，却证明了贝塞麦的转炉根本无法使用，其原因是
当时的生铁多含硫、磷，而贝塞麦侥幸地使用了低磷、低硫的生铁试验，才
得以成功，但贝塞麦并不知道这一点，他因此被人嘲笑，视为骗子。
1858年，冶金学家盖兰逊（瑞典）发现恰当地控制停风就能保持钢中的
含碳量，发明了碳的快速分析法，随时可以分析出炉中的铁的含碳量，从而
保证了转炉炼钢的质量。同年，瑞典引进了转炉的炼钢法获得成功。后来冶
金学家马谢特（1811—1891年）针对转炉钢过分氧化，质地疏松的弱点，加
入一种含锰量较高的铁，使钢中的氧和硫的含量下降，并调整了钢中的碳成
分，使钢锭坚实而光滑。但钢中含磷的弱点长期没有解决。
1864年，美国引进转炉炼钢，这是因为美国的铁矿含磷、含硫量低，结
果证明转炉方法很成功，于是这种快速炼钢方法在美国得到大规模的推广。
5。平炉炼钢技术
当贝塞麦在伦敦研究转炉炼钢时，威廉·西门子（1823—1883年，英国）
和弗得里希·西门子兄弟从德国迁居英国。1846年起，他们开始研究一种改
进搅拌炉热效率的方法。1856年，他们利用废气的余热给蓄热炉加热，再把
热传递给空气和燃料，结果冶金炉产生了极高的温度，甚至将试验用的坩埚
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也熔化掉了。后来，他们将这一专利用在玻璃熔化技术和炼钢炉上，以节约
燃料。
1857年，他们的助手柯柏提出用这一方法加热和熔化金属。1860年，预
热温度已达到620℃。1861年，西门子发明了煤气发生器，建造了一个煤气
和空气进行热交换的预热炉，用发生煤气熔化金属钢料，同时对炉体结构也
作了改进，防止炉体因高温熔化。这些措施虽然节约了燃料，但并未彻底代
替搅拌炉。
西门子的工作在英国并未受到重视，却引起了法国冶金专家马丁 （1824
—1915年，法国）父子的关注。1863年，他们发明了一种新型蓄热炉，利用
生铁和废钢做原料在平炉上炼钢成功。后来，西门子又在高温操作中加入矿
石，使之与碳、硅发生氧化，从而使平炉炼钢工艺完善。两年后，西门子兄
弟与马丁父子达成协议，把这种炼钢法取名叫“西门子—马丁平炉炼钢法”。
1867年，平炉炼钢法获巴黎万国博览会奖金。
平炉炼钢法是先使燃料燃烧，然后让炉内的空气预热达到高温，再把高
温气体吹入熔炼室使生铁中的杂质氧化，只要预先调整好生铁和废钢的比
例，就可以改变钢的含碳量。因此，这是一种经济实用的炼钢方法，受到各
国的重视，发展很快。第一座平炉只有1。5吨，后来逐渐发展到4吨、50吨、
100吨。1868年，美国引进了该项技术。1870年，俄国也引进了该项技术。
到19世纪末，平炉炼钢超过了转炉炼钢，成为当时首屈一指的炼钢技术。
不论是西门子平炉炼钢还是贝塞麦的转炉炼钢，都必须配以酸性炉渣，
否则易使炉壁腐蚀。但是酸性炉渣不能除去钢中的高磷、高硫杂质，使钢的
质量受到影响，这一难题困扰着当时的冶金学家和化学家。1877年至1878，
托马斯（1850—1885年，英国）证明用碱性炉衬和碱性石灰石熔剂可以除去
生铁中的磷。他后来找到一种镁矿石作炉衬，能经受碱性炉渣的侵蚀。1879
年，他的方法在大型平炉上试验成功，到80年代在欧洲迅速得到推广。
转炉和平炉炼钢法的逐步改善，大大推动了19世纪钢的产量。1870年，
世界钢产量只有50万吨，20年后，钢产量竞提高到2800万吨，平均年增长
率为28％，增长速度之快是前所罕见的。
6。电炉及轧钢技术
由于普通的碳素钢的性能不能尽如人意，人们就在炼钢过程中加入一些
少量的特殊元素，例如铬、镍、锰、钨等金属，就能得到具有某种独特性能
的合金钢。最早研究合金钢的是法拉弟，但主要的发明者是马谢特、海德费
尔德（英国）和约翰·费西尔（瑞士）。
1863年，马谢特用镜铁、铸铁、三氧化钨和沥青的混合物制造可以锻造
的合金钢，其耐用程度为碳素钢的两倍，可用来制造切削刀具，他后来把这
种钢命名叫玛谢特钢。后来，海德费尔德将这种钢中锰含量增加到 12—13
％，在1000℃下淬火处理，得到一种极硬的钢，这种12。5Mn—1。2C钢用于
高度耐磨的零件，成为合金钢史上的里程碑。
1824～1825年，费西尔在瑞士生产由法拉弟研制的镍合金钢。到 1889
年，雷利在钢中加入不同比例的镍，得到镍钢系列，其中当镍达到4。7％时
强度最高，延伸率最小。后来在英国又发展了镍—铬不锈钢系列。
合金钢的溶炼要求很严格的工艺条件，当时都用小型电炉熔炼。1878—
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1879年，西门子开始制造一种新式电炉。这种电炉具有可调节电弧距离的装
置；同时把电极做成中空的，以便在熔炼中导入其它气体。
1887年，德法兰梯在电炉中引入高频交流电，借助线圈在炉内产生涡
流，这种方法是利用电磁感应方法给炉料加热，因而取消了电极，后来叫高
频电炉。至此，各类型的炼钢炉已大体形成。
钢铁的大量生产，带动了钢材轧制技术的革命性变化。19世纪初，已出
现了用蒸汽机带动的单向双辊轧机。1866年，英国有人创造了逆式轧机；加
热后的工件可以来回在三轧辊间往返轧制。后来又增加了连续轧辊和一系列
支持辊，以减少尺寸和压力。
1865年，巴哈·曼勒斯曼 （德国）发明了轧制无缝钢管的工艺和设备，
它包括两个转向相反的彼此成角度的轧辊和一个烧热的金属圆杆。彼此倾斜
的轧辊使工件产生向外张开的力，热的圆杆从工件的中央的裂缝中进入，使
它从中劈开，形成无缝钢管。无缝钢管的诞生填补了钢材加工的一个空白，
在当时引起过轰动。
19世纪末，钢铁工业的冶炼、轧制技术已初具规模，为现代钢铁工业的
大发展奠定了基础。
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十三、近代 （1840—1910年）东方科技发展概况
1。日本的兰学和“锁国”与“开国”之争
1633年，江户幕府首次发布了锁国令，宣布取缔天主教，严禁日本人同
西方各国贸易，到1639年为止，先后共发布过5次锁国令，自此确立了严密
的锁国体制。从1639年算起，到1853年宣布开国为止，前后历时214年。
锁国使日本人完全断绝了同葡萄牙人的交往，唯独荷兰人可以来往于长
崎，但仅限于在幕府监督下从事贸易活动，在1630年日本曾制定过最早的禁
书令，所规定的禁书是从中国传入的“欧罗巴人利玛窦等人之作叁拾贰种，
以及邪宗门教化之书”，这些书多与天主教义有关。这一禁令后来也适用于
荷兰，但是并非一切西方书籍都在禁止之列，荷兰的商馆馆长曾在1641年通
告说：“凡印刷之书籍，除有关医药、外科、航海之类而外，不得携入日本。”
可见，幕府的禁书制度从一开始就不排斥西方科学的传入。
禁书令在17世纪末曾一度走向极端，但到18世纪初，德川吉宗执政（1716
年）后又渐趋开明，倡导殖产兴业、奖励学术、放松禁书、提倡学荷兰语。
历史上称这为“享保改革”时期。当时日本人学习西方科学主要有两条途径，
一条是从开禁后由中国传入的西方译作，间接了解西方的科技成就，一条是
通过荷兰商人输入的科技产品和书籍，直接了解。吉宗本人时常召见荷兰人，
对他们贡献的天体观测器，望远镜、武器、钟表、地图、医学书籍等都很喜
爱。在这样的背景下，日本产生了兰学。
所谓兰学，原义是指“荷兰的学问”，但其实它并没有囊括与荷兰有关
的一切知识，而只是借助荷兰语研究西方近代科学文化知识，包括医学、天
文、物理、化学、生物学、地理及炮术等许多方面。
兰学在长期的发展中形成了3个流派：译家、医家和杂家。译家主要活
动在长崎，他们掌握了荷兰语，因而较早地了解和介绍西方科技成就，他们
对荷兰语本身做过一定研究，为兰学各派提供字典、语法等工具书籍。在兰
学的形成中，《解体新书》的翻译和出版是一个重要转折，在此之前兰学的
翻译活动多是根据洋人口述予以笔录整理。 《解体新书》是德国人库勒穆斯
（1689—1745年）写的一本解剖学著作，在杉田玄白医生的主持下，几位日
本医生用了4年时间，将这一著作由荷兰语译成日本学术界通行的中文。这
部著作的出现意味着医学已经成为日本近代科学的带头学科，日本受这部著
作的影响，逐步实现了从传统医学向近代医学的转变，同时还带动了日本的
物理、化学、生物学科的相续转变。此书出版后，一些出身于幕府的侍医和
各藩的藩医，以江户为活动中心，形成了兰学的一个派别，叫医学。1823年，
德国医生西博尔德（1796—1866年）来日本工作，他在日本开办学校，讲授
医学和各种自然科学知识，把近代科学知识、科学的思维方式和实验观察方
法传授给日本学生，使一批日本学者第一次亲身体会到近代科学的精髓，于
是在西博尔德门下形成了一派兰学，叫杂家。杂家不仅掌握近代自然科学的
思想和方法，而且受西方政治思想的影响，最终成为变革日本社会的一支革
命力量。
1840年中国在鸦片战争中失败的消息，震动了日本的朝野人士，幕府的
上层统治者也产生了一种危机感。还在1732年10月，俄国使节拉克斯曼曾
闯入北海道根室，要求日本开港通商，幕府便动员南部各藩的兵力阻挡俄国
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的威胁。这种做法立即受到改革派的反对，其代表者著名兰学家本多利明主
张只有兴殖产业，发展贸易才是保国的根本，只知道以武力去抵挡欧美的殖
民政策的做法是愚蠢的。他实质上主张的是相对开放的政策，后来成为日本
富国强兵的思想渊源。1808年，英国军舰入侵长崎并袭击了荷兰商馆，俄国
加紧了对日本北方的骚扰。但幕府坚持闭关锁国，认定“祖宗之法不可改”，
1825年，幕府发出“无二念”驱逐令，坚持打击试图靠近日本的西洋船只。
幕府为了强化锁国体制，还加紧对兰学的控制，终于在1838年发生了“蛮
社之狱”。蛮社是一批兰学家发起的学术集团，参加者不仅有知识分子和下
级武士，还有不少幕臣和藩士，都是属于幕府内的开明官僚。蛮社的存在被
守旧派视为眼中钉，当开明派和守旧派就江户湾的海防问题发生争论时，幕
府就借故把他们逮捕，蛮社的领袖渡边华山和高野长英也先后自杀。但幕府
却没有取缔兰学，因为2年后的鸦片战争使统治者意识到必须重新调整国
策，以免重蹈中国的覆辙。各藩国的统治者于是纷纷启用兰学家，去研究炮
术、改革军事，这期间有关军事的科学著作也出版了许多种。与此同时和军
事相关的工程技术也有发展，例如1851年萨摩城建造了一座制炼所，专事化
学药品制造、金属分析等研究；1853年又建成一座反射式炼钢炉；1855年建
造了4艘帆船军舰；创办了包括玻璃、陶器、纺织等项的综合企业，取名集
成馆。但是这一切并没有彻底解决“锁国”与“开国”之争。
1853年，美国东印度洋舰队的4艘蒸汽军舰闯入江户湾，强迫幕府接受
美国总统要求日本开国的国书，否则便诉诸武力。1854年，日本在横滨被迫
签订了丧权辱国的神奈川条约。随后，荷、俄、英、法、德也同日本签订了
同样的不平等条约。西方殖民者的入侵，不�
