（八）矿业和冶金

十八世纪里，矿业方面最重要的事实是引入和逐步推广应用蒸汽动力，尤其是瓦特的蒸汽机。这使得采矿能够愈趋深入和经济。除此之外，采矿方法基本上同十六世纪阿格里科拉的《论天然金属》（De Re Metallica）里所描述的相似。带来的这些变化只影响到采煤，而不影响采矿石。甚至就采煤上的变化而言，虽然它促使联合王国本身的煤产量从1700 年的约250 万吨增加到1800 年的约1000 万吨，但还是根本比不上后来在十九世纪中叶发生的采煤技术巨大变化。深井作业的最大障碍，大概是排水困难。由于应用人力或畜力排水，从相当深地方泵抽大量水的昂贵代价从经济上限制了煤矿和金属矿的开采。纽可门蒸汽机虽然浪费燃料，但解决了煤井的排水问题，而这些矿井能轻而易举地提供的大量低品位燃料连抵付运费也不够。金属矿的情形不同，比如康沃尔那里的金属矿，它们远离煤田。它们的要求由瓦特的单独凝汽器蒸汽机予以满足。它大为经济。实际上，使用这种蒸汽机应付的专利权税按规定同采煤费用的节省成比例。约从1740 年起，矿井泵抽工作中，铁管逐渐取代了木管。

在煤普遍用于工业之前，一般用木柴和炭来把金属矿石还原为金属。古代希腊、古罗马和古罗马的不列颠也已经有点知道煤。不过，只是从十三世纪以来，煤才逐渐成为工业尤其金属工业中的一个重要因素。起初，煤是从海岸露头采集的，那些露头是海水腐蚀煤矿区海滨部分造成的，例如，纽卡斯尔那里就是这样。当年用作燃料的煤所以称为“海煤”，可能就是这个缘故。不过，更一般地说，这名字得之于煤一直自纽卡斯尔从海上运来这一事实。采煤到十三世纪末才开始，并且开始时十分原始。挖一口小矿井，挖掘矿井底部的煤，一直挖到有危险的时候。于是，这矿就被弃置，再在这煤区的另一处挖掘一个新矿井。十八世纪以前挖的最深矿井深400 英尺。矿内工作区中的水，利用同矿井连通的一个水平巷道加以排除。直到十六世纪末，才用泵来排水。

英国煤炭工业中心当时是纽卡斯尔，那里的自由民在1234 年就已接受了亨利三世国王的特许状，蒙准从事采煤工作。煤炭贸易相当稳步地增长，纽卡斯尔不仅送煤到伦敦，而且还送到法国。实际上，法国的金属工业在长时间里完全依赖从纽卡斯尔进口的“海煤”。伊丽莎白女王和斯图亚特王朝对纽卡斯尔出口煤炭也有兴趣，因为他们对出口的煤炭征收繁重赋税，这出口给他们带来可观的收入。而且，王国政府从煤炭得到的收入还因征国内税而增加，因为有一项税是对为了排放煤炉的烟而建立的烟囱征收的。

这些早期方法得到的煤质地差，因为主要是表面的煤。这种煤含有大量硫化铁形式的硫，在燃烧时产生极难闻的烟。十四世纪初（1306 年），伦敦市民抱怨这种烟雾污害，因此在1307 年，伦敦及其紧邻便禁止使用煤。像爱德华一世国王一样，伊丽莎白女王也禁止在伦敦及其周围使用煤。但是，无论哪一朝代，这种禁止使用煤的法律都没有真正生效。在巴黎，1714 年也用法律限制燃煤，尽管巴黎科学院的报告支持燃煤。

反对使用煤炉的禁令所以没有生效，主要因为缺少别的合适燃料，尤其是工业燃料。习惯上用木材熔化铁矿石，这造成大面积毁坏森林。并且，又没有为重新植林做点什么事。煤是木材最明显的代用品，而且在熔铁、制砖、酿造、染色和玻璃制造等工业中，甚至比木材更为合适。煤势在必然地成为主要的工业燃料，尤其在发现了把煤转变为焦炭的方法之后。西蒙·斯特蒂文特在1612 年以及达德·达德利在1619 年获得了用煤熔化铁矿石的方法的专利。亚伯拉罕·达比发现了更重要的熔化矿石工艺：把煤转变成焦炭之后，再放进他的熔铁炉。

及至1700 年，采矿在全英煤田全面铺开。但是，除了诺森伯兰、达勒姆和希罗普郡等地之外，矿工只是在一点一点地啃露头。个人的矿井大都由一两个人开采，罕有超过十二个人的。挖掘浅井不比在长长地下轨道上拖运那样繁重。通风很差，工作区范围很少超过离开矿井150 码以远。沿两个垂直方向挖两条宽约3 码的水平巷道即“横巷”，用截面约4 码见方的柱子支持盖在上面的地层。十八世纪后期有时采用一个第二工作区来减少柱子，偶尔完全去除之。但在泰恩河和坎伯兰地区，那里顶板的故障导致严重水患，这种工作区制式就基本上没有变化。在其他地区，城镇下面的煤矿和无法容忍地面扰动的其他环境中的煤矿仍旧采取留一半以上煤不开采的做法。然而，在希罗普郡，从十八世纪初开始，“长城制”已经普及。按这种制式，整个采掘面即“城墙”同时挖掘，废物有时还有岩石则被送下去，以便填塞留下的“采空区”或大空穴，建成两道沿路的坚固墙壁。只是在矿井脚的周围，仍必须留下坚实的大块煤。这种方法虽要引起沉降，但在这个世纪还是逐渐推行到几乎全部煤矿地区。

火药炸煤方法最早在英国煤矿中应用，是在1713 年。在德国煤矿中，火药在十七世纪初就已应用于这目的。

小面积浅矿井需要通风，以去除不流通的空气和积聚的碳酸气即“窒息毒气”。一般认为，为此只要矿井设置一个简单的垂直部分就够了，让空气从一侧向下通到矿井底，再从另一侧上行。然而，随着工作区的深度和广度增加，就会遇到更大的从矿穴煤中释出“火毒气”（沼气也即甲烷）的危险。为了清除瓦斯，必须有连续不断的新鲜空气流。应当打消对表面微风和温差的依赖，因为那是偶然性的，而应采取一些新的比较积极的引入循环方法。起先，试用一种“上风”井，它独立于工作区或下风井。1732 年在法特菲尔德，在上风井中悬挂一个火篮，以帮助空气自然流通。为了确保采掘面的通风，给除了两条从矿井到采掘面的通道之外的所有通道都配上门。但是，这导致其他地方积聚污浊空气、有时还有爆炸性空气。

詹姆斯·斯佩丁在1760 年引入了空气走道——一个精巧的由紧密接合的门和风幛组成的系统，它们的配置使空气通过全部通道循环。在北比多克，1760 年时通过让空气从上风井流过一个装设有烟囱的火炉而形成气流。然而，事故仍不断发生，死亡人数越来越多，因为随着通风和抽水的改良，开采的矿井越来越大，越来越深。在矿工们进入工作区之前，“瓦斯检验员”按惯例常常穿潮湿服装，手上拿一根装有蜡烛的长杆，走在前面点燃瓦斯。有时，他隐蔽在采掘面附近矿井底上一个洞里或者墙上凹进处，把装在一块板上的蜡烛移近自身，如有瓦斯，爆炸便在他后上方靠近矿井口处突发。无罩的蜡烛仍然是大多数地方的唯一照明源。虽然怀特黑文的卡莱尔·斯佩丁发明了“燧石和打火镰”，但人们说它不易引爆。一种可靠的安全灯直到1815年才发明。

阿格里科拉在他的《论天然金属》（1556 年）中描述的那种提升设备和水轮，十八世纪初还在应用。据说，哈特利煤矿在1763 年已用一种“火力引擎”来提升煤。从那时到十八世纪末的通常做法是，让用蒸汽机驱动的泵从矿井提起的水流通过一台水轮，后者安装在和绞盘头共同的一根轴上。1784 年，在沃克（纽卡斯尔）用一台瓦特旋转式蒸汽机提升煤。

机器采矿的初次尝试是在十七世纪六十年代。可是，尽管可以获得较大作用，手动机械却从未获得成功。直到1850 年前后，动力传动机械才开始同人和镐相匹敌。

铸铁矿车最初在1753 年使用。纽卡斯尔在1763 年开始在地下使用马。雷诺兹铸铁板1767 年开始铺设在当时的木轨道上。

1800 年汤利煤矿（纽卡斯尔）装设了第一个自动斜面，从采掘面下降到矿井的加载矿车沿着它把空车拖上来。

从纽卡斯尔的海滨露头获得的“海煤”日益不敷应用，并且效率也相当低。这最终导致发现和日益增多地应用从无烟煤矿床得到的所谓“白煤”。“白煤”渐渐赢得支持，尤其因为它产生的烟远比“海煤”少，因此，远为不仅适合于家庭应用，而且也适合于某些工业应用。随着蒸汽机在十八世纪后期的发展，煤作为一种动力源兴盛了起来，不仅成为一种热源，而且在很大程度上还促成了所谓工业革命，这场革命使英国从一个农业国转变为一个生产国。

（参见 Historical Review of Coal Minning by the Mining Association of Great Britain，1924；T.S.Ashton 和J.Sykes：The Coal Industry in the Eighteenth Century，Manchester，1929；T.A.Rickard：Man and Metals，1932，Vol.Ⅱ，Ch.Ⅺ Ⅴ。）

铁的生产和把铁转变成钢，是古老的行业。但是，它们是在相当小规模上进行的。这些工艺到十八世纪扩展为大规模工业。

十八世纪初，高炉已在水力充沛，可用来推动强大风箱的地方使用，生产粗生铁。其他地方使用土法熟铁吹炼炉，即建在迎着盛行风的山坡上的小火炉，生产小量韧性铁。这两种炉子都使用木炭。生铁的精炼是在一个小炉中重加热，也是使用木炭。这种工艺过程再延长几小时，就出产钢。由于木炭强度弱，高炉的炉膛很浅，所以，产量很小。因此，铁很昂贵。埃利奥特和梅西于1614 年获得了制钢“渗碳法”的专利，按这种方法，把铁杆同大概属有机性质的“一些其他物质”放在反射炉中的一些密闭锅里一起加热。1616 年，他们又获得了用坑煤实施这种方法的一项专利。由于锅密闭，热量由从弯曲炉顶下窜的火焰施加于它们，因此，铸铁熔液和含硫空气之间没有接触，而这致使煤不适用于熔化或精炼。埃利奥特和梅西的第一项专利禁止进口钢，授权两位专利权获得者搜查进口船舶。因为他们未能生产质量比较优良的钢，所以，如果他们自己实际上真的这样做了，那他们的垄断会成为抗议和纷纷请愿的目标。

然而，渗碳却已在德安的福雷斯特确立起来，并约在1650 年从那里传播到约克郡。1686 年又传到斯塔福德郡。约在1702 年，德国工匠在安布罗斯·克劳利爵士的领导下，用瑞典铁在纽卡斯尔附近的斯沃尔威尔制造了钢。钢以三种形式销售：“粗钢”，渗碳炉生产；“普通钢”，经跳动锤加工；“剪钢”，通过把粗钢杆“捆成束”，在红热状态锤打到一起而制成，这样，加工过的钢杆的总的成分和结构便达致均匀。剪钢直到1767 年才在谢菲尔德生产。

另一种制钢方法是把各必需成分一起放在一个坩埚中熔化。印度早就采用这种方法。波斯人和阿拉伯人在十字军东征时期把印度的优质钢输入东欧。

因此，十八世纪时铁和钢所以相当稀罕和昂贵，不是因为不知道生产钢铁的适当方法，而是因为利用木炭这种微弱燃料和当时可资利用的鼓风机械，很难使所能同时处理的少量材料维持必要的高温。所必需的是廉价的和丰富的燃料以及充裕的能源。这些在十八世纪是由煤和蒸汽机提供的。

萨弗里的“火力引擎”装备有铜工作室、铅管道、黄钢阀、带铅盖的锅炉；同炉火接触的零件用铜制。纽可门的早期汽缸是黄铜制的；铸铁当时熔铸的数量还不足以制造所需要的大汽缸；当把铸铁用于此目的时，铸件很厚，而且在交替加热和冷却时浪费大量蒸汽。

当老亚伯拉罕·达比在科尔布鲁克代尔租用一座高炉时，英国另外还有不多几座，每座产量不超过每周5 到10 吨。

没过几年，达比建造了第二座高炉。在死之前，他于1717 年成功地用坑煤生产出了一种令人满意的焦炭，并把它用于熔化生铁。

第一批“火力引擎”铸件于1718 年在科尔布鲁克代尔熔铸。从1724 到1760 年，达比的厂实际上垄断了这类生产。

小亚伯拉罕·达比于1732 年到达法定年龄。那年，这家厂商吸收了在威利的邻近几座高炉。当萨弗里的专利于1733 年期满时，他们已能接应预期中从蒸汽机制造者那儿纷至沓来的订单。他们自己在1732 和1734 年间制造的第一台蒸汽机能把已流过十台水轮的水抽回去。它能驱动两台汽缸直径18 英寸、冲程7 英尺3 英寸的泵，这两台泵能进行84 英尺往返冲程的工作。同时，鼓风装置也因应用木桶取代皮风箱而有所改良。

1740 年，唐卡斯特的一个钟表制造师本杰明·亨茨曼（1704—76）由于在市场上觅不到制造高级发条的合适材料，遂自己动手做了一系列实验，并在谢菲尔德开设了一爿钢厂，经过长期努力终于取得成功。他在这钢厂里用一种秘密的未申请专利权的方法制造坩埚钢。他的困难主要在于，事实上，当时得不到能够长期耐受他的方法所需的空前高温的火炉、坩埚或铸模。一切都得有待于被发现或发明。所生产的钢十分坚硬，因此，当地的刀匠一直拒绝使用，直到他们发现，从大陆进口的刃具远比自己的优良，而它们正是用亨茨曼的钢制造的。这种方法的秘密渐渐为其他钢制造者发现，因而流行了开来，奠定了谢菲尔德钢工业的基础。

其间，科尔布鲁克代尔的铁业继续扩展。1745 年，达比的商行在霍斯海租借了一些煤矿，又建造了一些高炉。1756 年，他在霍斯海的最新高炉达到了每座每周25 吨的空前产量。及至1762 年，已能铸造直径大到70 英寸、冲程10 英尺的汽缸。那年，达比父子、伯沙姆的伊萨克·威尔金森和新威利的约翰·威尔金森（这三家企业实际上垄断了重型铸铁业）形成了一个“集团”，对类似汽缸出同样价格。

虽然十八世纪中期英国在铸件生产上处于世界领先地位，但在熟铁也即韧性铁方面就不是这样，大都仍从海外进口。最好的熟铁是瑞典出产的，瑞典在十八世纪中期之前就已使用滚轧机。克里斯托弗·波拉姆（1661—1751）在他的《爱国圣约书》（Patriotic Testament）中描述了其中一种（见图311）。此书写于1746 年，在他死后于1761 年出版。这位杰出人物最初是职员。他克勤克俭，设法在乌普萨拉大学接受科学训练，成为矿业工程师，后来是瑞典贸易部的“技术顾问”。他在1714 年被封为贵族（其时他把名字从波拉默尔改为波拉姆），从事大规模公共工程，尤其是运河，并赢得了唯有英国斯米顿可与之相匹的专业地位。像斯米顿一样，他是最早把科学研究同广泛的工程经验和机械禀赋相结合的工程师之一。

至少从十五世纪初以来，德国就已一直在应用小型滚轧机生产铅窗闩。在三十年战争（1618—48）期间，已在滚轧铁板，至少以此来光制即轧平锤击留下的凹凸不平。然而，好些原因导致延迟应用滚轧工艺来生产重型铁条。这种金属只能在高温下滚轧。但是，为了维持高温直至工件加工完毕，就必须高速进行操作。而要高速加工重金属，就需要相当大的动力，而这只有相当大的水车才能提供。在还没有大型坚固铸件可资利用之前，在这种条件下，轧辊的寿命是短的。波拉姆声称，能够轧出刀剑、锉刀和刀的胚件所需要的形状，能够轧制方形、圆形和半圆形截面的杆条，并能在一次“鞭锤”拉出一根带钢条所花时间内，挤压出一、二十根这种钢条。然而，他的方法由于上述种种原因并未得到普遍采用。

波拉姆还设计了切齿轮机、锉刀切削机床、起重机、传送机、纺织机械和许多种机械装置及科学仪器。虽然这些给他带来了名望和富足，但是它们大大超前了同时代技术水平，因此，它们并未导致工业普遍机械化。后来在经济比较繁荣的条件下，其他人又陆续重新发明了其中的许多种。

小亚伯拉罕·达比不仅制造了生铁和各种各样铸件，而且还把他那焦炭熔铸的生铁用于生产熟铁，不过，他是用木炭进行这种“精炼”的。“精炼”就是在鼓风条件下重新熔化，所用的燃料比原始高炉所用的更纯，并添加石灰，这样，原先的杂质部分地就被清除到熔渣里了。于是，就生产了一种比较纯的、具有“韧性铁”或“熟铁”质地的金属。这种工艺过程实际上去除了生铁中绝大部分矽和大部分硫，而且还清除了几乎全部碳。然而，直到十八世纪末，对铁生产的化学甚至连模糊的认识都还没有。从某个工艺过程生产出来的东西，究竟是铸铁、钢还是韧性铁，全凭物理性质来判断。事实上，1750 年前后人们还认为，钢的优异硬度是由于包含硫的盐所致。其实，哪怕微些数量的硫也是一种根本要不得的杂质，它是煤带来的，不可能完全消除掉。乌普萨拉的T.O.柏格曼（1735—84）首先表明，碳在决定铁-碳化合物的物理性质上起重要作用。他表明，除了燃素数量上的很大变化之外，钢包含百分之0.3 至0.8 的碳，铸铁包含百分之1 至3.3 的碳。法国的居伊东·德·莫尔韦奥和英国的约瑟夫·普利斯特列约在1786 年通过把铸铁溶解于酸而获得一种不可溶解的残余物（石墨）和一种黑色粉末（碳化铁体，Fe₃C），但是，他们不知道这些物质的化学性质。

然而，在对所涉及的化学反应毫无精确知识的情况下，铁产品的处理和应用仍在不断进步。铁的一个极其重要应用是制造铁轨。老亚伯拉罕·达比曾铺设了3.5英寸×4.5英寸的木轨，制造了货车取代以往给他运送煤和矿石的驮马。小达比据信进行过铸铁轨道的实验。但是，只是在他死后，理查德·雷诺兹才在1763 年大量应用铸铁轨。他是小达比的女婿，也是达比商号的继承人。这种轨道宽3.75英寸，深1.25英寸，每一端以及中间两点上都备有型心凸缘，利用它们可借助木栓把铁轨固定在枕木上。及至1785 年，达比的商号在亚伯拉罕·达比第三的控制下，拥有20 英里铁路，把他们的矿井和工厂连接起来。铁路铺设的代价为每英里800 英镑。这工厂拥有十座高炉、九座锻炉和十六台“火力引擎”，拥有资本10 万英镑。他们的主要困难之一是成品的运输问题。运河船由人牵拉，这些纤夫按自己的速度工作，在许多年里一直抵制被马取代，也抵制雇主无偿增加工作量的要求。1770 年前后，运送一个汽缸去纽卡斯尔，结果花了十二个月才抵达目的地。在这种状况能够改观之前，铸造厂在英国各地雨后春笋般地涌现，重型铁业都开办在塞文河沿岸，后者曾是重型铁业几乎一切改良的诞生地。

十八世纪后期铁的新应用中，必须提到“铸铁拱桥”，铁桥镇因之得名。这镇现在在这个战略交通枢纽旁发展起来。这座拱跨100 英尺的独特建筑建于1779 年，是亚伯拉罕·达比第三的作品。

威尔金森于1787 年在威利码头建造了第一艘铁船。把希罗普郡尤尼恩运河（在奥肯盖茨）同塞文河（在煤港）联结起来的那条运河，将塞文河流域铁工厂的产品运往北方。上面提到的理查德·雷诺兹的儿子威廉·雷诺兹正是在这里建造了第一个斜面，它不用船闸而能把驳船升起73 英尺。威廉·雷诺兹还同特尔福德合作设计使埃尔斯米尔运河从赛西尔陶桥通过的铸铁导水管，以及制造必须的铸件（参见图258）。

1780 和1790 年间，邓多纳德在苏格兰的喀尔科茨建造了一些炼焦炉，它们还回收副产品。

1788 年，英国生产生铁61000 吨，其中三分之一产自希罗普郡。1796年，全国产品翻番，到1806 年，再次翻番。生铁生产的这种大幅度发展，在相当大程度上是由于利用坑煤或其衍生物焦炭把生铁精炼成韧性铁的一系列尝试取得圆满结果。达德·达德利声称，他在十七世纪已沿这条路线取得成功。不过，迄今为止，除了他的自述，还没有任何旁证（Metallum Martis，1665）。克雷尼奇兄弟在1766 年以及默瑟尔提德维尔的彼得·奥尼恩斯在1783 年也曾取得部分成功。不过，后来成为常规的那种“搅炼”法只是在1784 年由亨利·科特（1740—1800）使其完善。

按科特的方法，铸铁熔液仅在一个燃煤的反射炉中用火焰加热，由此把过量的碳清除掉。纯铁的熔点比其碳化形态高很多，铸铁熔液逐渐地成为一种面糊状物质，而熔渣从中流掉。铸铁熔液用铁杆搅动即“搅炼”，然后成团块地移开。这些团块通过锤击去除掉所包含的残余熔渣，把产品联合成一整块坚实“铁块”。这里所用的锤乃由一个重铁头固定在一根木轴上而成。它由装在一根轴上的挺杆操纵而升高或“跳动”，这轴用水力驱动。图312示出这种“跳动锤”和它的传动机构。科特后来让铸铁块通过一系列槽辊，这样就比旧时方法大大节约。旧法是通过连续锤击把铸铁打成杆。这样生产出来的铁具有独特的“纤维状”结构。这是因为每根压延的纤维封包在熔渣细管之中的缘故，而且这种铁的极佳耐腐蚀性能部分地也是由于这个缘故。

应用成形的或带槽的轧辊来产生所希望的截面形状，并不是科特的发明。我们已提到过，克里斯托弗·波拉姆在1746 年之前制造了一种用于这种目的的机器。但是，科特似乎第一个利用铁块（并不预先锤击成铁杆）进行这整个工艺过程。因此，他可以恰当地被认为是现代滚轧机之父。

然而，科特从他的伟大发明只是得到了灾祸。预备性的工作很费钱，因此必须举债。在债务还清之前，他的合伙人侵吞了所掌管的公共资金，导致他破产。专利权也被没收，不过没有实施。这方法使十九世纪初的“铁大王”们大发其财。发明者本人只是由于在生命最后几年得到政府的微薄津贴，才免于在穷困潦倒中弃世。

把蒸汽机应用于滚轧工艺的先驱是约翰·威尔金森。他是导镗杆的发明者，并用它在伯沙姆镗制了第一个蒸汽机汽缸。1782 年，威尔金森因他开设的铁工厂的所在地布雷德利水力不足，遂定购了一台旋转式蒸汽机来操纵一个锻锤。1796 年，他又得到了一台，用于驱动一台滚轧和滚剪机，他用它所做的工作九倍于用锻锤。

（参见 Trans.of the Necomen Soc.，Vols.Ⅳ 和Ⅴ，其中R.Jenkins和J.H.Hall 关于科尔布鲁克代尔的文章； Vol.Ⅶ，其中J.G.A.Rhodin关于波拉姆的文章；Vol.Ⅷ，其中J.W.Hall 关于铁的文章；以及T.S.Ashton：Iron and Steel in the Industrial Revolution，Manchester，1924；和S.Smiles：Industrial Biography。）