亨利·贝塞麦有哪些发明?
贝塞麦是英国赫特福德郡人。她于6月1813+10月19出生于英国查尔顿。离伦敦不远,经济也比较发达。工业革命时期,机器工业在以伦敦为中心的英格兰东南部迅速发展。贝塞麦生活在这个地区,从小就受到工业生产的影响。
贝塞麦的父亲原籍法国。法国大革命爆发后,他搬到英国定居。书上对他的父亲有不同的看法。有人说他是发明家,有人说他是工程师,有人说他是工厂主。不管怎么说,毫无疑问,他父亲熟悉工程技术。
正是因为生活在这样的家庭,贝塞麦从小就具备了接受技术教育的有利条件。贝塞麦一生没受过多少教育,只上过小学。他后来的知识都是在实践中自学的。贝塞麦的父亲经营着一家工厂,他父亲的工厂就是他学习技术的学校。他一生中有很多发明,完成这些发明所需的技能和知识,大部分都是在他父亲的工厂里学到的。
贝塞麦天生聪明,喜欢动脑筋。甚至在他很小的时候,他就表现出了发明创造的天赋。18岁时,他离开家乡,只身前往伦敦,谋求事业,独立生活。此时,英国的工业革命已经进入完成阶段,各种科技发明不断涌现。这个时代环境为贝塞麦提供了一个展示才华的机会。据说他在伦敦工作时已经做了许多发明。
不到20岁的时候,他发明了一种机械盖章法,可以自动在邮票上加盖邮戳。他的发明引起了英国政府的注意,并很快被采纳。由于使用了这种机器,不仅邮局工作人员减少了很多麻烦,政府每年还可以节省50万英镑的经济损失。然而,英国政府并没有因此奖励他。很多人以为他只是个年轻人,发明看起来也不复杂,没必要奖励他。这件事对贝塞麦刺激很大,他一辈子都不会忘记。此后,他在从事各种发明时,总是想方设法取得专利证书来保护自己的权益。
贝塞麦还发明了一种制造铜粉的机器。铜粉,俗称“金粉”,是一种金色颜料,由铜锌合金黄铜制成。铜粉由于用途广泛,加工制造耗时,在市场上非常昂贵。得知这一情况后,贝塞麦决定改进当时制造铜粉的方法。
他一方面钻研相关技术书籍,另一方面进行研究和实验,发明了制造铜粉的简易机器。但这台机器一开始生产出来的铜粉既不光滑也不暗淡,与市面上卖的铜粉相差甚远。于是,他对这台机器做了很多改进,最终做出了一台性能完美的机器。贝塞麦用该机生产的铜粉完全达到了市场上销售的同类产品的质量。
贝塞麦发明了铜粉制造机后,为了不让外界知道,他没有马上申请专利权,而是藏在家里自己制造铜粉。贝塞麦此刻的想法是,用这台机器制造铜粉出售,将获得巨额收入;然后用这些钱作为资金从事研究和制造,以便做出更多的发明。他的做法和想法是可以理解的。
除了上述两项发明,贝塞麦还对排字机进行了一些改进。他还研究了玻璃制造工艺,对其进行了改进,并提出了新的制造方法。对于青铜合金,他也进行了更多的研究。青铜可以通过铸造来生产一般的机械零件和艺术品,也可以通过压延来制造板材、棒材、管材等各种半成品。经过研究,贝塞麦对青铜片的压延工艺进行了许多改进,得到了人们的认可。
19年50年代初,俄罗斯和土耳其爆发战争,很快蔓延到整个克里米亚,史称克里米亚战争。然后英法联盟就参与进来了。1854年,英法对俄宣战,出兵克里米亚。英国全国的注意力都转向了这场战争,贝塞麦也不例外。他真的想为战争做点什么。
首先,他改进了士兵手中的武器,发明了一种新型步枪,叫做步枪。这种步枪内膛刻有多条线,它射出的子弹以旋转的方式向前运动,弹道比较稳定。用这种步枪射击不仅射程远,而且命中率高。实验结果表明,步枪是一种优秀的步兵作战武器。
发明步枪后,他把注意力转向了大炮。当时士兵使用的火炮性能不是很好。炮弹排出后,往往会因为空气阻力等因素在空中翻滚,无法保持稳定的弹道,从而影响射击精度。贝塞麦擅长机械技术,他决定用自己的智慧帮助国家解决这个问题。
从物理学上我们知道,当一个旋转的物体在运动时,它会沿着旋转轴保持稳定。如果子弹在飞行过程中能够以飞行方向为轴旋转,那么就会避免滚动,保持稳定的弹道。根据这个原理,贝塞麦发明了步枪,效果非常好。现在,他会顺着这个思路,做一把复合枪。
那么,如何才能让外壳在飞行时旋转呢?当然,像步枪一样,要在枪膛上刻双线,炮弹要与枪膛紧密配合,这样火药燃烧时,会推动炮弹沿着双线运动,炮弹自然会旋转。有了这种炮弹,大炮可以打得更远更准。
根据这一想法,贝塞麦设计了一种新型大炮。他怀着极大的兴趣将设计提交给了英国陆军部。
令贝塞麦失望的是,英国陆军部相当保守,对他的发明不感兴趣。于是他想到了法国。一方面,当时法国是英国的盟友;另一方面,他本人是法国人的后代,父亲在法国大革命爆发时移民到英国。因此,他从内心对法国有着强烈的亲近感。就这样,贝塞麦带着他的设计来到了法国。
统治法国的拿破仑三世对他的设计很感兴趣,并鼓励他做实验。实验的结果是,这种新大炮确实很精确,射程也很远。于是,这种枪很快被用来装备部队。但没过多久,问题又接踵而至:有时炮弹发射后不够坚固,有时火炮卡壳。后来又发生了几次枪支爆炸,枪手死伤的重大事故。新型火炮没有杀死敌人,而是消灭了使用武器的人。军方不得不从战场上撤走枪支。当时人们对新炮议论纷纷,也对贝塞麦产生了怀疑。
贝塞麦压力很大,但他相信自己的设计是正确的。应他和有关方面的要求,军方对这些事故进行了认真调查。
调查报告很快就会出来。在法国炮兵专家的介入下,调查报告正确分析了事故原因:当时法国和其他国家一样,所有大炮都是铸铁的。这种方法铸造的炮膛比较不规则,很难满足双轨炮膛的要求。新炮的关键在于对炮膛与炮弹的间隙有严格的要求:炮弹与炮膛的间隙过大时,火药爆炸后的气体会漏出,造成弹丸旋转力不足,效力不大;当弹壳与炮膛间隙较小时,由于火药爆炸,炮膛内压力急剧增大,炮膛内外温度分布不均匀,而铸铁本身韧性不足以承受高压,容易导致炮膛爆炸。所以问题出在铸枪用的材料上。如果能炼出能承受高压的又硬又韧的铁,新炮就没问题了。
虽然调查报告已经公布,但人们仍然担心贝塞麦大炮造成的事故,没有人敢按照他的设计制造大炮。他辛辛苦苦研发的新炮很快就成了一堆没用的废铁。
耐人寻味的是,英法并没有采用贝塞麦设计的新式火炮,但他的设计思想却被德军接受了。1855年,在巴黎举行的世博会上,德国工程师克虏伯展出了贝塞麦梦寐以求的钢制步枪。火炮试验的结果是,发射了3000发炮弹,炮身安然无恙。事实证明,贝塞麦的设计完全正确。
面对法国的挫折,贝塞麦并没有气馁。他以为只要突破了物质壁垒,新型火炮就能起死回生。于是,他开始将注意力转向冶炼工作,下定决心要提炼出高强度的铁来彻底解决新炮爆破的问题。
贝塞麦想冶炼的又硬又韧的铁其实是钢。但当时他对冶铁一窍不通,就从头学起。首先从冶铁的基础知识学起。在短短的两三年时间里,贝塞麦几乎读完了所有关于冶金问题的书籍。同时,他还参观了英国各地的炼铁工厂,详细考察了当时的炼铁方法。为了把书本上的理论知识和钢铁生产的实践结合起来,他还办了一个工厂进行实验。经过努力学习,他终于掌握了冶铁的基本知识。
在贝塞麦实验的时代,制造业使用的铁基本上只有两种。一种是铸铁,也就是生铁。它含碳量高,很硬,但也很脆,抗拉强度低。主要用于熔炼后铸造发动机的气缸、车架等产品。生铁质地硬脆,容易破碎,这是其主要缺陷之一。贝塞麦设计的新型大炮是由生铁制成的。
另一种是锻铁,抗拉强度大得多,弹性也大得多。因为熟铁比较软,可以用锻造、压制等成型方法制造铁轨、船体、桥梁和各种机器零件。这种铁由于质地较软,在高压下容易变形,所以用途也受到很大限制。
炼铁炉直接炼出来的铁是生铁,生铁的含碳量很高,在2%以上。尽量去除生铁中所含的碳,得到熟铁。熟铁的碳含量一般在0.04%以下。两者之间的碳含量是钢。与生铁和熟铁相比,钢具有优异的性能,既有硬度又有韧性。但在那个时候,钢很难制造,所以它非常昂贵,被视为一种贵金属。用它来铸炮显然不现实。当然,如果能找到一种既便宜又快速的炼钢方法,那就另当别论了。现在,贝塞麦所做的就是找到这种方法。
传统的炼钢方法是先将生铁炼成熟铁,再加入适量的碳,炼成钢。为了把生铁变成熟铁,当时采用的是氧化法,即在生铁中加入氧化剂(通常是铁矿石),加热使其处于熔融状态。此时,熔融生铁中的碳将与氧化剂反应并被除去。
贝塞麦仔细研究了把生铁变成熟铁的方法。他将仔细称量的铁矿石加入生铁中,然后加热混合物使其处于熔融状态。铁矿石的主要成分是氧化铁。在高温下,氧化铁中的氧原子与生铁中的碳原子结合生成一氧化碳,一氧化碳进一步燃烧成为二氧化碳逸出。这时候炉内剩下的就是熟铁了。
根据实验结果,贝塞麦想到:既然生铁中的碳原子可以氧化得到熟铁,为什么不能用其他氧化方法把碳烧掉呢?例如,用鼓风机直接向熔融生铁中吹气,使空气中的氧气与熔融生铁中的碳原子发生反应,使其脱碳,从而得到熟铁。
贝塞麦的建议遭到了一些专家的反对。这些专家认为,当用鼓风机吹熔融的生铁时,吹入的冷空气会使铁水冷却凝固,从而导致整个冶炼过程停止。
贝塞麦没有盲目听取专家的意见。他觉得自己的建议是否可行,要通过实验来鉴定。实验结果与专家的意见相反。吹来的风不仅没有冷却铁水,反而提高了铁水的温度,因为其中的氧原子与生铁中的碳反应放出热量。
在第一个实验中,当鼓风机向熔融的生铁吹气时,在本已平静的炼铁炉中突然燃烧起来,反应异常激烈,几乎失控。这让他非常紧张。他没想到铁水中的碳等杂质被氧化时会释放出这么多的热量。好在这个过程只持续了十几分钟。氧化之后,他就放心了。实验表明,鼓风法不需要外加燃料,降低了成本,且简单易操作。这的确是一种很好的生铁养护方法。
随着实验的深入,贝塞尔进一步想到,在生铁熟化的过程中,如果在适当的时候停止反应,生铁中的碳没有完全去除,而是保持在2% ~ 0.04%的范围内,就可以直接得到钢。不需要像传统方法那样,先从生铁中提炼出熟铁,再经过熟铁阶段得到钢。当然,这些中间过程也没必要花钱买很多燃料。
为了验证这个想法的可行性,他在自己位于伦敦圣潘克里斯的工厂里建造了一个固定的熔化炉。炉高约1.2米,可装生铁350公斤。炉子底部有六个风口。贝塞尔用它做了一个严肃的实验,实验结果证明他的想法是完全可行的。于是,1856年8月,他在切尔滕纳姆的南英国科学促进会年会上做了题为《不用燃料制造熟铁和钢的方法》的报告,介绍了自己的炼钢方法,还把认真写好的论文送到杂志社发表。从此,他的鼓风炼钢法正式向世人公布。1860年,第一座改进型移动式转炉建成投产。人们一般称这种炉为“贝塞麦转炉”。由于采用酸性材料作为炉衬,这种炼钢方法也被称为“酸性底吹转炉炼钢法”。