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专栏:高光时刻——人类登月及宝钢远程“一键炼钢”

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记冶金学先驱R.F.马希特先生


1


2019年7月22日上午11:30,在宝钢股份中央研究院4号厅,宝武集团党委书记、董事长陈德荣先生,轻松按下IPAD屏上的按键,3000米外的宝钢股份宝山基地一炼钢3号转炉正式开启“远程一键炼钢”模式:


氧枪缓缓降下,转炉炉内的钢水开始翻滚……借助5G技术,会场的模拟画面直观实时显示转炉冶炼情况。

不久,这一炉出钢记号为DT0145D1的钢水冶炼结果展示在会场的大屏幕上——吹炼开始时刻:11:39,吹炼终了:11:55,出钢开始:11:59,出钢终了:12:05。碳、温、成本等冶炼指标全部一次命中!出钢后,碳、硅、锰、磷、硫等钢水成分指标全都在控制标准内!


这是宝钢股份利用5G技术,成功实现的远程“一键炼钢”。


顿时,会场内响起了热烈的掌声……

这也标志着中国钢铁业在智慧制造的征程中,又迈出了坚实的一步。宝钢股份在智能制造方面的大胆探索,无疑也将在钢铁制造业的历史上,留下浓墨重彩的一笔。


2


1969年7月16日,美国佛罗里达州肯尼迪航天中心,阿波罗11号腾空而起。


阿波罗11号(Apollo 11)是美国国家航空航天局的阿波罗计划中的第五次载人任务,是人类第一次登月任务,历时8天13小时18分35秒,绕行月球30周,在月表停留21小时36分20秒。三位执行此任务的航天员分别为指令长尼尔·阿姆斯特朗、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯与登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林


1969年7月20日,航天员阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶着“阿波罗11号”飞船的登月舱,降落在月球赤道附近的静海区,并相继走出舱外,在月球上迈出了人类的第一步。而阿波罗11号登陆月球一事,更进一步成为纪录片和广告常见之历史事件。


Apollo 11 Patch 由NASA - http://history.nasa.gov/apollo_patches.html (direct link),公有领域,

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1049515


当时,尼尔·阿姆斯特朗向地球传回含糊不清的语音:“这是一个人的一小步……也是人类的一大步。”因为信号实在太差,美国哥伦比亚广播公司(CBS)的主持人克朗凯特(Walter Cronkite)一开始并没听清楚。“我没听明白……‘一个人的一小步’,但我没听到后半句说的什么。”


阿波罗11号的成功实现了美国总统约翰·肯尼迪在1961年5月25日的演说中声称美国会在1970年以前“把一个航天员送到月球上并把他安全带回来”的目标。


继阿波罗11号登月之后,美国又连续进行了6次阿波罗飞行,除阿波罗13号遇险中途返回地球外,其余5次都成功进行了月面活动。

阿波罗11号成员合影。左起:尼尔·阿姆斯特朗、迈克尔·科林斯、巴兹·奥尔德林。

由NASA - NASA photo,公有领域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=697822

登月舱旁的阿姆斯特朗。这是他在月球表面为数不多的照片之一。由NASA photo As11-40-5886 - http://www.hq.nasa.gov/alsj/a11/AS11-40-5886.jpg,公有领域,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=525386


3


阿波罗11号的登月成功,无疑是人类历史上的一个高光时刻。阿波罗登月行动给人类带来的科技遗产,至今仍惠泽人类。


通过六次阿波罗登月行动,月球表面特性、物质化学成份、光学特性被逐一揭示,宇航员还利用仪器测量了月球重力、磁场、月震的数据。


科学界对于月球是如何形成的达成了共识——地球形成早期一块地幔进入绕地轨道,不断与轨道上的物质碰撞、融合,成为了月球。


经过多次月面行走和驾车考察,科学家、工程师和宇航员学会了如何开发和实践行星野外地质学的技术与科学探索。


四十年前宇航员带回的月球岩石至今仍具价值。结合近年来绕月轨道飞行器所采集的矿物成分等信息,这些标本可以为月球起源、太阳系起源及地球生命起源等多项研究提供线索。


与带给科学的进步相比,阿波罗的技术遗产更值得大书特书。


在科幻片《钢铁苍穹》中,一部iphone的计算能力比纳粹月球基地的巨型计算机还强大。这不是故意搞笑。其实阿波罗飞船上全部计算能力加起来也不如一部智能手机。阿波罗登月所采用的技术用今天的标准衡量显得粗糙简陋,例如飞船计算机的只读存储芯片是一个叫“小老太太”的小组手工制作的。


技术史学家认为,“阿波罗”的成功应归功于一场管理革命,它把政府、工业界和大学凝聚在一起。新的体制和方法指导着50万人在不同的时间地点为同一目标工作。


阿波罗15号的指令长大卫-斯科特认为:“阿波罗计划的主要成功之处在于其‘文化’,参与人员为一个有意义的共同目标协同工作的精神。鼓励每个人大胆地说,表达自己的意见或提出想法,不必担心受到惩罚或报复。


“曼哈顿工程”的组织者奥本海默就“大技术”工程曾发表过以下见解:“我们知道,避免错误的唯一办法是找到错误,而找出错误的唯一办法是集思广益。我们也知道,由于保密而未被查出的错误将会泛滥开来,并将一切破坏殆尽。


这些简单的道理或许能够解释为何美国在登月竞赛中获胜,而苏联最终落败。


有很多曾经为“阿波罗”登月而研发的技术如今已经作为副产品被应用到民间中。


~气垫式运动鞋的“中空吹塑成型”制造技术便来源于阿波罗计划中宇航服的制作技术。


~阿波罗计划最先利用食品冻干技术使宇航员吃上含蔬菜的航天食品。现在这种保存食物的方法也为军人、探险家和户外爱好者提供了便利。


~为登月开发的计算机图像增强技术,已用于医院的计算断层扫描和核磁共振的图像处理。


~宇航员身着的液冷空调服——服装夹层密布管网,管网中流动着温度可以控制的液体——今天穿在了消防队员、核反应堆技术工人和造船工人身上。患有多发性硬化症和大脑性麻痹的病人也可以穿上类似的服装以降低体温。


阿波罗计划对社会的影响更多是潜移默化的。当时为保障计划成功提出的需求,促使气象预报、通信、计算机、电子和医疗等产生了极大进步,并惠及今人。


有人计算过,阿波罗计划的投入产出比高达为1:14,推动了从医药到金属制造业等几十种行业的发展。航天工业从此成为美国的领先产业。更重要的是,阿波罗计划还引领了科技进步推动产业繁荣的浪潮,也为此后美国鼓励大学的科研成果社会化和产业化法案的出台奠定了基础。


4


其实,还有很多伟大的科学家,对人类的进步作出了巨大的贡献,生前他们或许穷困潦倒,身后也没有多少后人能记得他们。但历史将铭记他们创建的巨大功勋。


今天,我们还要介绍一位被后人誉为“合金钢之父”的英国冶金学家罗伯特·佛瑞斯特 马希特(Robert Forester Mushet),以纪念他在发明廉价炼钢方法领域作出的杰出贡献。

Robert Forester Mushet (1811-1891), British metallurgist and businessman.By "Steel City Founders: Robert Mushet, 1811-1891", Tilthammer.com On line., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19169780


马希特是一位英国冶金学家和商人,因为提出了一种更便宜的方法,即通过添加锰铁来制造高质量的钢材而名声鹊起。


1811年4月8日,马希特于出生在格洛斯特郡的科尔福德 迪恩森林(Forest of Dean),是著名的苏格兰铁工厂主戴维 马希特(David Mushet)和艾格尼丝威尔逊(Agnes Wilson)最小的儿子。其父曾经是克莱德(Clyde),艾尔弗雷顿(Alfreton)和惠特克里夫特(Whitclift)铁工厂的厂主。


1818-1819年间,其父在迪恩森林创办了一家名为达克希尔(Darkhill Ironworks)铁工厂的铸造厂,马希特正式开始随其父进行冶金知识的学习。这让他熟悉了炼钢的基本概念。


1845年,马希特接管了达克希尔工厂的管理。


1848年,马希特搬迁到新建造的位于达克希尔工厂旁边的弗雷斯特钢厂(Forest Steel Works)。


1862年,他搬到泰坦尼克钢厂(Titanic Steelworks),在这之前的10多年间,他在弗雷斯特钢厂进行了上万次的试验。


1876年,马希特被英国钢铁学会授予最高等级的贝塞麦金质奖章(Bessemer Gold Medal金质奖章)。


1891年1月19日罗伯特马希特于在英国切尔滕纳姆去世。死后,与其妻子和女儿玛丽合葬在切尔滕纳姆公墓。

View of Darkhill Ironworks near Gorsty Knoll in the Forest of Dean,Remains in 2007,https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Darkhill_Ironworks.jpg#/media/File:Darkhill_Ironworks.jpg

Very little of the Titanic Steelworks now survive.By Obscurasky - Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12572843

注:从现在的记载看,似乎直到1845年,马希特才开始使用他的中间名“Forester”,刚开始的时候只是偶尔使用一下。在他晚年的时候,他说这个名字源自其出生地迪恩森林,尽管他经常会在不同的场合把中间名拼写成“Forester”和“Forrester”。


5


马希特的主要贡献包括:高品质钢的廉价炼制法,钢轨和保温帽的发明,以及钢合金的发明。


高品质钢


1848年的夏天,当时一位名叫亨利·伯吉斯(Henry Burgess)的人,一位银行家通告杂志的编辑,将一块白色结晶金属带给了马希特。伯吉斯在普鲁士的莱茵河地区找到了它,在那里,他被告知它有相当大的供应量。


凭借在合金方面的丰富经验,马希特发现,这种白色的金属合金中含有铁和锰的合金,因此非常适合制造更高品质的钢。


这种白色金属合金是钢砂礓产物,它是铁和锰的双碳酸盐,它的原料产自莱茵河流域的山区,通过精心挑选后,矿石在小高炉中熔化,燃料只使用木炭,唯一的熔剂是石灰。


熔融金属从炉子倒入浅铁槽后,凝结成类似“蛋糕状”的铁块,这样形成的“蛋糕”在冷却和破碎时,展现出大而明亮的平面和晶面,上面还会留有微小的未结合碳点。因其亮度,故称之为“spiegel glanz”或“spiegel eisen”,即镜铁。它的实际成分是(%):铁约86... 25; 锰约8...50; 和碳约5...25。


马希特对这种金属进行了许多实验,他发现,在钢的制造过程中添加少量这种金属,使钢在加热状态下更易于加工。然而,直到1856年,当他的朋友托马斯·布朗(Thomas Brown)给他带来一块用贝塞麦工艺(Bessemer Process)制作的钢材时,并询问他是否可以帮助改善其低劣品质时,他才意识到这个金属的真正潜力。马希特根据他之前使用镜铁进行的实验,对朋友带来的样本进行了实验。


马希特研究了贝塞麦工艺后认为,贝塞麦的原始步骤是除碳直到碳的残留量正确为止,也就是剩下大约1%的碳。但这种做法很难稳定实现,因为每家炼钢厂购买的铁矿来源不同。另外,用贝塞麦工艺炼出的钢锭,由于氧化过度,生成的氧化铁留在钢中,同时钢水中的磷未能除去,使钢的质量很差,不是疏松,就是硬脆,在高温锻打时发生断裂。


亨利·贝塞麦本人也已经意识到,采用贝塞麦工艺制造的钢,其品质低下的主要原因是钢中的杂质造成的,并认为,正确的解决方案在于,知道何时关闭其贝塞麦工艺中的空气流;这样,在杂质已被烧掉的前提下,只剩下适量的碳。尽管贝塞麦为此在实验上花费了数万英镑,但他始终找不到正确的解决办法。


马希特的解决方案很简单,但很优雅。他首先利用现有的贝塞麦工艺,尽可能地烧掉所有的杂质和碳,然后加入一定量的镜铁(一种含锰量较低的锰铁),来重新调整碳和锰含量。这样就达到了提高钢成品质量,提高其延展性的效果 - 使其能在耐受高温下的轧制和锻造。


马希特写道:“我当时认为,贝塞麦工艺已经得到了完善,而且,基于公平竞争的原则,无穷无尽的财富将奖励贝塞麦先生和我自己......”


但是,马希特的梦想却未能实现。虽然其他人利用他的发现中获得了财富,但他未能利用到他的成就实现财富,到1866年,马希特已处于贫病交加的状态。那一年,他16岁的女儿玛丽独自前往伦敦,在办公室与贝塞麦交涉,并指出贝塞麦的成功正是基于她父亲的工作成果。


考虑到如果没有马希特提高钢品质的方法,贝塞麦自己发明的生产钢铁的工艺,在经济上是不可行的,因此,他决定向马希特支付300英镑的年度津贴,这在当时是一笔非常可观的金额,他为此共计支付了20多年,其中可能的原因,是为了让马希特不提起专利方面的法律诉讼。


钢轨


1857年,马希特是第一个发明耐用钢轨的人,用于取代之前的铸铁钢轨,这为十九世纪后期全世界铁路运输的发展奠定了基础。马希特的这一的发明,使得制造长而耐用的钢轨成为可能,这些钢轨将极大地提高铺设轨道的能力,并且确保它们不需要像以前那样经常更换。


马希特制造的第一条钢轨被送往德比米德兰火车站,在那里,它被放置在一个特别的经常使用的车站进出站区域,在这个区域,以往铁轨每六个月至少更新一次,有时甚至每三个月更新一次。


1863年,在使用马希特制造的钢轨六年后,尽管每天有700多列火车通过这些钢轨,但它们看起来像当初安装时一样完美。在其16年的“生命”周期中,除了火车之外,至少有1252000个机车头和车辆编组通过这些钢轨。


铁路运输业的兴起和发展,对工业革命的深入发展起着极为重要的作用。它直接推动了采煤、冶铁和金属制造业的发展,降低了运费,保证了各种物资和商品的畅通,从而保证了工业革命的顺利进行。


保温帽


当钢在模具中凝固时,不均匀的冷却,导致在铸件中形成中心空洞或“管”。


1861年,马希特发明了“保温帽”: 一种粘土锥体或套筒,加热到白热后插入钢锭模顶部,靠近铸罐的浇铸口末端,然后进行钢水浇铸。保温帽目的是保持一个钢水池,当铸件冷却时,钢水被填充到缩孔中。


马希特声称保温帽以及他的其他小发明,拯救了谢菲尔德钢铁制造商“数百万英镑”(19世纪的钱),但他既没有收到这些发明的报酬,也没有得到认可。直到现在,保温帽技术仍在钢厂中得到使用。


钢合金


在冶金学的排名第二的关键进展,是马希特于1868年发明了“R 马希特特种钢”('R Mushet's Special Steel' RMS)。


它既是第一种真正的工具钢,也是第一种空冷硬化钢。以前,为机床制造足够硬度钢的唯一方法就是淬火,即通过在水中快速冷却来实现。


使用自硬化(或钨)钢后,机床可以有更高的转速,并且能够切割比以前更硬的金属。RMS革命性地改变了机床设计,促进了金属加工业的巨大进步,也是高速钢的伟大先驱。


6


那些为人类点滴进步作出杰出贡献的先贤哲人们的名字,都将被永远铭记。


无论是一百多年前,廉价炼钢法的发明人贝塞麦和马希特,还是50年前登月的美国宇航员,包括今天正在将5G技术与传统钢铁工业有机融合的宝武人。


历史,从来都是由不甘平庸的自我前行者书写。


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