世界近代后期科技史- 第27节

古代木匠建筑房屋时广泛采用的结构方法。惠普尔为了将这一古老的方法移　

植到桥梁建筑中，发展了一种关于力的承受方式和材料强度计算的科学方　

法，使钢桥的设计和施工更加合理。　

　　　　　钢桥代替石桥后，由于钢材的优良性能，使桥的跨距越来越大，这样桥　

墩相对减少，使桥的造价不断下降。为了充分发挥钢桥跨距大的优点，有人　

发明了钢制吊桥。1850年，美国工程师特尔福特在梅奈海峡建成一座钢吊　

桥，跨距达到200米。同年，罗伯特·斯蒂芬也在梅奈海峡建成一座布里塔　

尼亚桥，他把钢材交叉成箱形，连接成长长的涵管形状。1869年，基弗在著　

名的尼亚加拉瀑布上架设吊桥，跨距达到400米。　

　　　　　隧道工程也随着铁路建设而兴起。　

　　　　　1818年，英国的布鲁纳发明了挖掘隧道的盾构方法。这是一种全新的创　

造，它是在挖掘过程中把坚固的圆铁筒沉在地下，利用水力使之旋转，并在　

挖掘中水平前进。圆筒的前端有开口，工人在这里操纵挖掘机进行挖掘工作。　

由于圆筒支撑着隧道的顶部，可以保护工人不受塌方伤害。这一方法据说是　

从蛀虫打洞得到的启示。盾构法是一种安全有效的掘进方法，它在隧道工程　

中发挥了巨大的作用。　

　　　　　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