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千年钢铁工业发展史

分类:
行业新闻
2018/10/17
【摘要】:
钢铁的故事早在钢筋,桥梁和摩天大楼之前就开始了。它始于星星。 在人类出现十亿年之前,甚至地球形成之前,炽热的恒星将原子融合成铁和碳。在无数的宇宙爆炸和重生中,这些物质进入小行星和其他行星体,随着宇宙的搅动,相互撞击。最终,一些岩石和金属形成了地球,在那里,人类才开始他们的命运。 某一天,人类偶然发现了从大气层撞到地面的陨石,它的成分主要是铁和镍。从此一发不可收,人类开始了对金属近万年的痴迷。 几千

钢铁的故事早在钢筋,桥梁和摩天大楼之前就开始了。它始于星星。

 

在人类出现十亿年之前,甚至地球形成之前, 炽热的恒星将原子融合成铁和碳。在无数的宇宙爆炸和重生中,这些物质进入小行星和其他行星体,随着宇宙的搅动,相互撞击。最终,一些岩石和金属形成了地球,在那里,人类才开始他们的命运。

 

某一天,人类偶然发现了从大气层撞到地面的陨石,它的成分主要是铁和镍。从此一发不可收,人类开始了对金属近万年的痴迷。

 

几千年之前,我们的祖先发现了获取钢铁更好的方法,从地球上采集铁矿石并最终将其熔炼成钢。我们争夺它,用它创造和摧毁国家,通过它发展全球经济,并用它来创造出了一些世界上最伟大的文明。

 

天外来铁

 

图坦卡蒙有一把铁匕首 ,在古代,这位极富权势的法老,把这柄铁匕首当成非常珍贵的宝物。当英国考古学家霍华德·卡特发现图坦卡蒙墓,并看到这把匕首时,感觉它十分特别,后来通过实验证明,这把匕首的刀刃来自遥远的外太空,是用陨铁打造而成。

 

图:图坦卡蒙的陨石匕首

 

陨铁的含镍量高于从地下挖出并被人类冶炼成的铁。自卡特发现陨铁匕首以来,研究人员发现,不只是图坦卡蒙的匕首,几乎所有可追溯到青铜器时代的铁器,都是用陨铁打造。

 

对我们的祖先来说,这种奇特的合金(陨铁)是来自神明的馈赠。古埃及人称它为biz-n-pt。在苏美尔,它被称为an-bar。两者都可以解释为“来自天堂的金属”。铁镍合金具有一定的延展性,可以根据需要锻造成各种形状而不会碎裂。但这种“靠天收”的钢铁来源十分有限,使得这种神灵的金属在古代比宝石或黄金更有价值。

 

人类在自己脚下的岩石里找到钢铁,花了几千年时间。公元前2500年左右,近东的部落成员发现了隐藏在地下的金属来源。它看起来和“天外来铁”十分相像,但有些不同。铁与石头和矿物混合在一起。提取铁矿石并不像捡起一块金或银那么简单,第一批矿工在挖掘矿石之前需要进行仪式,以安抚内心的惶恐。那感觉就好像在开启神明隐藏在地下的宝藏。

 

但是,学会从地球上挖掘铁矿石,只能算是成功了一半。古代人类又花了700多年的时间,才弄清楚如何将贵金属与矿石分开。到那时候,青铜器时代才真正结束,人类进入铁器时代。

 

通往第一钢铁的漫长道路

 

要了解钢铁,我们必须首先了解铁,因为金属几乎是一样的。钢含有98%至99%或更高的铁。剩下的是碳,一种含量很小的添加剂,它对金属的性质产生重大影响。在建造摩天大楼之前的几千年里,人类不断钻研铁的加工方式,改进冶炼和锻造方法,从而越来越接近钢铁。

 

公元前1800年左右,黑海沿岸的人们将铁矿石放入炉膛,锤打它们,并将它们烧成软化。在多次重复这个过程后,Chalybes最终得到了坚固的铁制武器。这是一种比青铜更强的金属。

 

炼铁炉

 

这种产品被称为锻铁,是现代钢铁的主要前身之一。黑海沿岸的人们很快加入了好战的赫梯人,创造了古代历史上最强大的军队之一。当时没有一个国家的武器能与赫梯剑或战车相匹敌。

 

钢铁的另一个年轻的兄弟,可以说是铸铁,最初是在中国古代制造的。从公元前500年左右开始,中国的金属工人建造了7英尺高的熔炉,以燃烧更多的铁和木材。将材料熔炼成液体并倒入雕刻的模具中,制作成金属器具或者雕像。

 

然而,锻造和铸铁的钢铁都称不上完美。Chalybes的锻铁仅含有0.8%的碳,因此它没有钢的抗拉强度。含有2%至4%碳的中国铸铁比钢更脆。黑海的铁匠最终开始将铁棒插入成堆的白热木炭中,这种木炭制成了钢铁涂层的锻铁。但是南亚的一个地区有了更好的主意,印度生产了地球上第一种真正的人造钢材。

 

公元前400年左右,印度金属工人发明了一种冶炼方法,恰好将完美的碳量与铁结合。关键是熔融金属的粘土容器:坩埚。工人们将小型锻铁棒和木炭块放入坩埚中,然后密封容器并将其插入炉中。他们通过风箱中的空气冲击升高炉温时,锻铁熔化并吸收木炭中的碳。当坩埚冷却时,纯钢锭就炼成了。

 

在德国发现的早期粘土坩埚

 

世界第一名刃

 

印度铁匠把“乌兹钢”运送到世界各地贩卖。在大马士革,叙利亚铁匠使用这种金属锻造了著名的,几乎是神话般的大马士革刀,据说它足够锋利,可以在半空中切割羽毛(像《权力的游戏》中瓦雷利亚钢铁一样的超级材料),被誉为世界第一名刃。乌兹钢是最早的钢铁,被贩卖到西班牙的托莱多,那里铁匠的铁匠用乌兹钢为罗马军队锻造刀剑,世界上最凶悍的战士配备的就是大马士革刀。

 

随着罗马帝国的衰落,欧洲陷入了混乱。印度仍然在制造其耸人听闻的钢铁,但它无法将乌兹钢可靠地运送到欧洲,那里的道路因战乱而变得极不安全,商人经常遭到伏击,另外还有可怕的瘟疫和疾病。在西班牙的加泰罗尼亚,铁工开发了类似于印度的熔炉:加泰罗尼亚炉,用以生产锻铁。他们用这种金属制造了马蹄铁,车轮,车门铰链,甚至是钢制涂层盔甲。

 

骑士挥舞着的特制剑,是通过把多种钢铁材料折叠锻打制造的,这一过程会在剑身上留下独特的人字形和花纹图案。维京人将这些图案解释为龙线圈,像亚瑟王的神剑和埃尔西德的提佐纳神剑,都带有这种花纹。

 

日本史密斯为锻造武士刀开发了另一种精湛的技术,这些武器成了传家宝,传承了几代人。制造武士刀在日本是一种错综复杂的仪式化事件。

 

在制造武士刀之前,日本铁匠需要先沐浴,他们认为如果铁匠的身体不纯净,邪恶的灵魂就会进入刀锋。金属锻造始于锻铁。用木炭加热一大块材料,直到它变得足够柔软可以折叠。在冷却后,将铁加热并折叠约20次,使刀身呈弧形,并且通过锻造和折叠,锻铁继续暴露于木炭,将金属变成钢。

 

中世纪宽剑与维京刀——De Bohun家族的武器。(摄影:Chris Radburn)

 

atana由Masamune锻造,被认为是14世纪镰仓时代日本最伟大的剑士

 

剑士使用粘土,木炭或铁粉进行下一步,沿着刀身刷涂。钢中出现的图案类似于木纹,有旋纹结和涟漪,日本的katanas被命名为“漂流沙”、“月牙儿”和“Shuten-dōji杀手”,这是日本神话中的猛兽。今天留下的五把古代武士刀,称为“天下五剑”,在日本被保存为国宝和圣物。

 

铁和煤

 

在今天的德国莱茵河谷,金属工人开发了一个大约10英尺高的装置,底部放置了两个波纹管,以容纳更多的铁矿石和木炭。高炉炽热,铁吸收的碳比以往任何时候都多,混合物变成铸铁,可以很容易地倒入模具中。

 

这是中国人已经练习了1700年的炼铁过程, 但是用了更大的装置。工人们在铸造通道下面挖出了长长的沟渠,可以让液态铁流出来,为铸造炉腾出更多空间。

 

高炉

 

铁的创新正好赶上了西方世界的战争。13世纪大炮和14世纪枪械的发明,更加引发了人们对金属的渴望。欧洲开始以前所未有的方式制作武器,他们把生铁直接倒入炮和枪管的模具中进行铸造。

 

但铁的繁荣造成了一个问题。随着欧洲大国开始在全球范围内扩展其势力,他们消耗了大量的木材,用于建造船只,制作木炭。在《钢铁:从矿山到工厂》这本书里提到,一台英国的窑炉每年大约需要240英亩的树木。大英帝国开始转向尚未开发的新世界,并开始往美国殖民地运送冶炼金属。但是,殖民地的炼铁摧毁了英格兰炼铁厂的生意。

 

E.F. Skinner的油画,展示了1916年南约克郡Piiston钢铁厂贝塞麦工艺生产的钢材。

 

英国燃料问题的答案来自铸铁锅制造商。Abraham Darby 童年时期大部分时间都在麦芽厂工作,而在18世纪早期,他采用了自己以前磨大麦时的一种技术:烧烤煤,一种可燃的岩石。其他人曾试图用煤冶炼铁,但达比是第一个在冶炼前烧煤的人。烤煤可以保持的热量远远超过木炭,并可以帮助铁匠制造出更薄的生铁,非常适合倒入枪模。今天,可以在Coalbrookdale铁博物馆看到达比的大型高炉。

 

英格兰发现了用煤冶炼的力量,但它仍然没有制造钢铁。

 

铸铁的繁荣

 

Henry Bessemer 是英国的一位工程师和发明家,因许多发明而闻名,包括金色黄铜涂料,排版机键盘和甘蔗打碎机。Bessemer 在业余时间,对铁矿石进行了实验,并测试了不同的冶炼方法。在实验过程中,他发现了使用煤,可以大大提升冶炼的效率。

 

他想出了一个与古印度使用粘土坩埚非常类似的方法。但有两个关键的区别:他使用的是烤煤而不是木炭;他不是将燃料放入坩埚内,而是煤层放在最底部,铁和碳混合物放在上面。

 

从冶炼厂出来的铸锭更均匀,更坚固,更不易碎,这是欧洲乃至世界所见过的最好的钢铁。到1770年代,谢菲尔德在钢铁制造业有举足轻重的地位。

 

1851年,首届世界博览会在伦敦举行,这是一个工业作品展。水晶宫是用铸铁和玻璃建造的,包括内部,几乎所有的装饰也都是用铸铁制成的,比如机车和蒸汽机,喷泉里的灯柱,都是铸铁制品。以前,世界上从来没有见过这些东西。

 

新的钢铁之王

 

19世纪50年代,克里米亚战争在东欧爆发时,Bessemer 建造了一个新的细长炮弹。他把它提供给了法国军队,但当时传统的铸铁大炮太脆而无法开火。只有钢才有更强大的性能来处理受控爆炸。

 

Bessemer 发现,将融化的生铁放进转炉内,吹入高压空气,便可燃烧掉生铁所含的硅、锰、磷、碳,而炼成钢。

 

 

这是首创大量产钢的方法,Bessemer 的炼钢转炉成了新的钢铁之王。而这种炼钢转炉也以Bessemer 的名字而命名,此后,欧洲、美洲都引进了这一先进方法,世界进入了钢铁时代。

 

美国钢铁

 

19世纪60年代,从采矿、炼铁到最终制成成品,美国钢铁的生产经营极为分散,这就会导致最终产品的成本很高。

 

卡内基决定建立一个囊括整个生产过程的供、产、销一体化的现代钢铁公司。首先,从技术上讲,成本低廉的Bessemer 转炉炼钢法已经发明。其次,美国的钢铁市场十分广阔,供不应求。第三,在财力上卡内基已拥有数十万美元的股票及其它财产。

 

安德鲁卡内基

 

1865年,30岁的卡内基将注意力转向建造桥梁。因为他的工厂,他可以随意批量生产耐用的钢铁。

 

1889年,卡内基把他投资的所有公司进行合并,命名为:卡内基钢铁公司。

 

 

到目前为止,卡内基生产的钢铁产量几乎是全英国的一半。其他钢铁公司也开始在全国各地兴起,美国突然成为了钢铁行业的顶峰。

 

为了降低制造成本,工人的工资很低。1890年,工人们每周工作84小时,工资只有不到10美元(今天约250美元)。而且,事故频发,空气也受到严重污染。当时,人们把钢铁城称为“地狱中的地狱”。

 

1892年7月,卡内基钢铁公司和代表Homestead工厂工人的工会之间的紧张关系沸腾了。公司主席弗里克威胁工人要削减工资,并把工厂用三英里长的带刺铁丝网围了起来。工人们绞碎了他的肖像,投票罢工。

 

7月6日上午,发生了内战。工人们向弗里克请来的8500人的警卫队投掷石块并开枪,推出旧炮,点燃炸药,甚至将燃烧的火车推入船中。

 

最终,冲突中有10人遇难。弗里克也在他的办公室被刺伤,但幸免于难。1897年,卡内基聘请了一位名叫施瓦布的工程师担任新任总裁。

 

1901年,施瓦布说服卡内基以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工厂合并成为美国钢铁公司。

 

1873年,美国生产了22万吨钢材。到1900年,美国钢铁占1140万吨,超过英国和德国工业的总和。新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。

 

战争与和平的金属

 

施瓦布又担任了另一家快速发展的公司——伯利恒钢铁公司的总裁。1914年,也就是大战前两个月,施瓦布收到了英国战争办公室的秘密消息。英国人希望伯利恒为英格兰建造4000万美元的武器,并且不与皇冠的敌人做生意。

 

 

1914年战争刚刚开始时,美国生产了2350万吨钢,比14年前生产的钢多了两倍。在1918年战争结束时,伯利恒钢铁公司产量再次增加了一倍。

 

战争结束后,美国炼钢业比以往任何时候都更加强大。绝大多数钢铁都来自这两家公司:美国钢铁公司和伯利恒钢铁公司。

 

接着,钢铁材料进入了汽车、家用电器和食品罐头行业美国钢铁公司和伯利恒钢铁公司的资产价值要远远高于福特和通用汽车公司。

 

这次钢铁时代的繁荣,又遇到了新的危机。1929年股市崩盘,随着经济陷入大萧条,钢铁生产也开始放缓。

 

大萧条之后,金属饥渴的战争引擎再次点燃了世界的铸造厂。德国占领了丹麦,挪威和法国的土地,获得了对新铁矿和钢厂的控制权。突然之间,德国能够生产出与美国一样多的钢铁,在东方,日本控制了满洲里的铁矿和煤矿。

 

 

珍珠港事件将美国卷入了二战,美国政府开始禁止生产钢铁消费品,注意力全部集中到了配给船只、坦克、枪支和飞机的钢铁上。

 

美国工厂每天24小时冶炼钢铁,经济开始再次繁荣,很快,美国钢铁产量比其他任何国家都高出三倍多。二战期间,美国制造的钢材比一战时多25倍。

 

 

战争结束后,美国解除了对钢铁消费品的禁令。目前,世界上一半以上的钢材都是美国制造的。

 

现代钢铁之路

 

即使在战争期间,钢铁业快速发展,但是冶炼钢铁的技术还有待完善。

 

德国科学家和玻璃制造商西门子,在1847年发明了新的技术,他建造了一个带有小型耐火砖管网的新型玻璃熔炉,可以通过回收发出的热量来延长炉子达到峰值温度的时间。

 

西门子的玻璃熔炉花了将近20年才开始进入冶金领域。在19世纪60年代,一位名叫马丁的法国工程师建造了一台西门子炉来冶炼铁,再循环的热量使金属液化比Bessemer的时间更长,可以使工人有更多的时间来添加精确数量的含碳铁合金,将材料转化为钢。而且由于额外的热量,甚至废钢也可以熔化。到世纪之交,西门子 - 马丁工艺,也被称为平炉工艺,已经在世界各地流行起来。

 

到了20世纪,一位名叫Robert Durrer的瑞士工程师找到了更好的方法。他将纯氧气吹入炉内,发现它可以更有效地从铁水中去除碳。

 

Durrer 还发现,从上方向炉内吹氧,而不是像在Bessemer 转炉上那样,他可以将冷废钢熔化成生铁并将其再循环回到炼钢过程中,这个过程也可以将磷分离出来。该方法结合了Bessemer和平炉工艺的优点,使得钢铁产量又上了一个台阶,成本也降了下来。

 

虽然欧洲和亚洲的国家都开始采用了Durrer 的“基本氧气工艺”,但处于行业领先地位的美国钢厂仍然坚持使用西门子 - 马丁的平炉工艺,并在不知不觉中被国外竞争者追赶上来。

 

不锈钢的诞生

 

1912年,一位名叫Harry Brearly的英国冶金学家正在寻找一种方法来延长枪管的生命。他用铬和钢合金进行试验,发现含有一层铬的钢特别耐酸和耐腐蚀。

 

Brearly 开始向一位在餐具工作的朋友出售钢铬合金,称其为“不生锈钢” 。

 

 

一家名为维多利亚的公司引进了来自英国的新型防腐金属,开始为瑞士军队锻造钢刀,并将这种金属重新命名为Victorinox。今天,可能很多人的抽屉里都有一款他们的红色小刀。

 

突然间,不锈钢遍布全世界,防腐、闪烁的金属成为了手术工具和家居用品的关键材料。1959年,工人们在美国圣路易斯建造了不锈钢大拱门,这座大拱门仍然是西半球最高的人造纪念碑。

 

 

1970年,美国钢铁公司是全球最大的钢铁公司,70年以后,被新日本钢铁公司取代。20世纪90年代,中国成为了世界顶级钢铁制造商。美国伯利恒钢铁公司于1995年关闭了其工厂。直到20世纪末,大多数美国钢厂终于采用了Durrer 的“基本氧气工艺”。根据世界钢铁协会的数据,截至2016年,美国钢铁产量排名第四。

 

钢铁的可持续发展

 

世界上大部分不锈钢都是小型钢厂打造的。这些金属制品不是从头开始制造钢,而是将废钢熔化再利用。小型轧机中最常见的炉 - 电弧炉,也是西门子公司发明的,使用碳电极产生电荷以熔化金属。

 

在过去的半个世纪中,小型钢厂的扩散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。众所周知,钢铁工厂是温室气体排放源,在麻省理工学院,研究人员正在测试用于冶炼金属的新型电力技术。这些电熔炼技术有可能会显著减少温室气体的排放,如果加以改进,还能处理具有更高熔点的金属,如铁和钢。

 

 

目前,用于限制汽车尾气排放的技术也正在测验中,去年2月,一家名为Voestalpine的奥地利制造商建造了一座工厂,旨在用氢燃料技术取代煤炭,这种技术可能至少需要二十年的时间。

 

在21世纪,机遇和挑战发生了新的变化。但跟以往的印度坩埚、德国高炉和美国铸造厂一样,问题会一直存在。我们该如何在制造钢铁方面做得更好?

  

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