产业发展 | 中国近代特殊钢冶炼技术发展研究（1890—1949）上
摘要：本文回顾了1890年至1949年中国特殊钢冶炼的概况，考察了军工和非军工企业特殊钢冶炼技术的来源、设备类型、冶炼规模与能力、产品产量等情况。同时，以西北工业公司创办的西北育才炼钢机器厂为例，考察了中国近代特殊钢冶炼技术的获得与发展过程，认为西北工业公司的特殊钢冶炼部门能够为其军工制造提供的支持有限。此外，本文还探究了近代中国特殊钢的研发机构与研发活动，并通过对比同期中国与欧洲、美国和日本特殊钢的生产规模与产量，进一步探讨了近代中国特殊钢冶炼技术发展的特点。
关键词：特殊钢技术史；冶金史；西北工业公司；西北育才炼钢机器厂
特殊钢通常是指具有特殊化学成分、工艺、性能或要求的钢。冶炼的主要原料是普通钢、铁或废钢，加入镍、铬、锰、钼、钒、钨等合金元素，经过热处理等工艺制成不同合金成分配比的钢，如镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钒钢、铬钼钢、锰钢、锰硅钢、钨钢等。现代特殊钢按其用途可分为结构钢、工具钢、电磁钢、其他钢四大类。这些钢具有优越的韧性、强度等性能，常用于机械加工和军事工业，如机床、枪管等。因此，特殊钢的冶炼水平关系到国民经济和国防建设，也是工业制造水平和能力的体现。
近代特殊钢可用坩埚、平炉或电炉等冶炼设备冶炼。在更好的技术发明之前，特殊钢一般用电炉冶炼。电炉具有炉况稳定、温度可控、合金不易变质等优点，利用电产生的高温将合金熔化，经氧化还原作用冶炼成特殊钢。特殊钢与合金钢的概念在近代有很大的交叉，尤其在近代中国，两者有时混用。因此，本文的研究内容在某种意义上既包括特殊钢也包括合金钢，如无特别说明，均统称为特殊钢。
中国并不是近代特殊钢冶炼技术的发源地，相关技术在中国经历了漫长的传播过程。目前，关于中国近代特殊钢技术史的研究较少。本文探讨中国近代特殊钢冶炼技术的发展现状和研发过程，并以西北工业公司为例，还原近代特殊钢冶炼与军事制造的关系，以了解近代中国特殊钢技术能力的形成过程和特点。
1.近代中国特种钢冶炼的发展
其实，在电炉出现之前，特种钢多采用坩埚冶炼，1878年西门子发明了电弧炉，1900年保罗·T·埃鲁发明了工业电弧炉。20世纪初，世界各国开始采用电炉冶炼特种钢。第一次世界大战的爆发，使特种钢需求量猛增，电炉成为冶炼特种钢的主流，1920年全世界有电炉700多座，其中美国有250座，日本1921年有40多座。苏联特种钢技术发展较晚，到1937年才基本能满足自身需要。第二次世界大战中武器的巨大需求，使特种钢电炉冶炼技术有了更大的发展。
中国近代特殊钢冶炼始于清末洋务运动时期的军工制造业，这一时期成立了江南机器制造总局、汉阳兵工厂等企业，为解决军工物资问题，通过技术贸易，即购买成套设备、聘请外国工程师等方式获得冶炼技术，近代中国对特殊钢技术的认识和生产能力的获得，从此开始。
近代特殊钢冶炼集中于两个领域，一类是兵器及相关企业，包括兵器企业的炼钢部门和为兵器企业提供钢材的钢厂，以及一些相关科研机构和它们参与创办的钢铁企业。另一类是非兵器企业，抗战前分散于唐山、上海等工业城市。抗战时期，部分冶炼设施西移，在重庆、四川等地兴建了渝新钢厂等企业。此外，抗战时期，日军在沦陷区兴建了一批特殊钢冶炼设施，集中在东北、唐山等地。下面就两种情况作详细介绍。
1.军工企业特种钢冶炼
近代以来，特种钢冶炼设备大多集中在兵器及相关企业（表1）。抗战前，具有特种钢冶炼能力的主要企业有上海兵工厂钢厂、湖北枪炮厂、巩县兵工厂、东北三省兵工厂钢厂、重庆电力钢厂、西北育才炼钢机械厂等。
从表1可以看出，抗战前中国特殊钢冶炼技术曾有一个演变过程，19世纪末至1910年代，兵器企业生产武器所需钢材主要由平炉、小型坩埚提供，直到1920年代才开始采用电炉冶炼武器用钢，兵器企业才初步具备了电炉冶炼特殊钢的能力。
江南制造局是中国早期使用平炉和坩埚冶炼武器专用钢的典型代表，其炼钢厂成立于1890年，从英国购入3吨马丁炉和小型坩埚炉，能用硅、锰、铝等原料生产枪管、炮管及少量工具钢。马丁炉原料为进口的海默泰生铁、锰铁锰、废钢，加入南方铝和硅，能冶炼出枪炮所需的大部分合金钢。坩埚钢原料包括瑞典熟铁、碳铁、锰、铝、硅等，所产钢材可用于制造口径6英寸（152.4毫米）以下的武器，口径6英寸以上的枪支，如21英寸火炮，需从英国进口。 例如，1905年兵工厂生产的上海产克虏伯75毫米后装山炮，除复进簧需从国外采购外，其余材料均由钢厂马丁炉冶炼。1917年，钢厂引进平炉（图1）各1台、转炉1台，1919年开始冶炼钨钢。1933年，钢厂从江南造船厂借用电炉1台，开始用电炉炼钢，电炉和平炉共产钢679吨。
20世纪20年代是军工企业真正开始使用电炉冶炼特殊钢的时期。这一时期巩县兵工厂、东三省兵工厂和太原兵工厂相继引进电炉炼钢设施并成功投入生产。巩县兵工厂引进电炉制造各型炮弹，但由于技术能力不足，大部分材料不得不进口。东三省兵工厂于1923年成立炼钢厂，相继设立3座3吨电炉，但只冶炼工具钢。武器钢则依赖进口钢材，其制造的辽十四式75毫米山炮所用材料均从日本、奥地利进口。1926年，阎锡山创办育才钢厂，配合太原兵工厂武器制造，成功提供枪炮、机床专用钢，成为这一时期军工企业钢铁自给自足的代表。 此外，20世纪30年代开始筹建的重庆电钢厂，从美国、德国等国购买炼钢设备，1936年安装了3吨重的摩尔式电炉，但直到1937年才正式产钢。
抗日战争时期，大后方陆续建立了兵器企业。这一时期特种钢冶炼能力的获得主要通过两个方面实现：一是抗战前各大兵器企业原有设施西迁或保留（表2），这类企业包括钢铁厂迁建委员会、兵器部第24厂等；二是回购、自主发展（表3），主要包括中国电钢厂、资源委员会电化学冶炼厂、凌江钢铁厂、兵器部第28厂等。这些企业均是在当时材料研究发展机构的参与下建立的。
1937年以前由原电炉组成的特种钢冶炼部门，受到战争影响，在战争时期因地制宜采取了一些特殊的工艺和方法。如军械部第24工厂为解决废钢缺乏、电力不足等问题，在战争初期就用当地铁矿代替废钢，设计出三合一法生产特种钢，即用3吨卧式煤气熔炼炉、3吨侧吹炉和3吨电炉热装冶炼特种钢。此法于1937年底试制成功。为扩大生产能力，1943年该厂以厂内摩尔电炉为原型，设计出新型炼钢电炉，并命名为“冀实发55号辉炉”。1945年，电力短缺问题得到解决，两炉可同时冶炼。 这一时期，军械部第24工厂生产钨钢、锰铬钢等，供给军械部各工厂制造炮管等军械装备，自1937年至1949年共生产钢材3.6万吨、钢材2.4万吨（图2）。
1938年在重庆成立的钢铁厂迁建委员会（简称钢迁会）是后方最大的钢铁企业，拥有1.5吨和3吨电炉各1台，原属上海钢厂。1.5吨电炉于1941年11月开始炼钢。但由于原材料等原因，战争时期所产钢材多为普通碳素钢，用于制造轻轨，少量高硬度钢用于制造锉刀，因此其电炉在特种钢生产中发挥的作用有限。1946年以后，钢迁会才得以向军械部各工厂提供镍铬钢等材料。
此外，由于战争期间特殊钢需求量不断增长，后方也陆续成立了具有特殊钢冶炼能力的新型军工企业，其设备来源有两方面：进口电炉和自行研制的坩埚炼钢设备。值得一提的是，这些企业均是由当时的钢铁材料研发机构联合创办，这一方面得益于这些研究机构战前特殊钢冶炼技术开发能力的积累，另一方面也是其在当地开发本土资源的研发能力的体现。
电炉方面。通过引进电炉设施，增设了两个电炉钢厂，即中国电炉钢厂和资源委员会电冶厂。中国电炉钢厂由中央研究院工程研究所联合创办，工程研究所于1928年在上海设立钢铁试验场，是战前特种钢试制和研发的最重要机构，积累了利用电炉冶炼和研发各种特种钢和碳素钢的经验，为中国电炉钢厂的创办提供了条件。中国电炉钢厂位于云南安宁。抗战爆发后，原有的电炉无法搬动，1939年向美国订购1吨电弧炉，后又购买美国匹兹堡电炉公司拍卖的0.5吨电炉。1941年8月28日，该公司成功产钢。 原料为云南当地产的磷硫含量较低的熟铁，根据原料种类采用酸性电炉冶炼，钢材质量以美国汽车工程师学会（SAG）标准为准，生产碳钢、镍钢、镍铬钢、高速工具钢、硅锰弹簧钢等，1941年至1945年共生产各类钢材1443吨。抗战期间该公司能迅速成功生产出多种特殊钢材，与战前钢铁试验场积累的研发能力有关。
1941年成立的资源委员会电化冶炼厂，是由经济部矿冶研究院筹办。1939年，经济部矿冶研究院筹办纯铁冶炼厂、锌冶炼厂、铜冶炼厂。1941年，三者合并为资源委员会电化冶炼厂，并购置了一台大型高频电炉，可冶炼各种工具钢及合金钢，日产钢量达8吨。以产能而言，这是抗战后期后方最大的电炉设施。坩埚炼钢是抗战时期为满足后方特殊钢需求而采取的措施。 经济部矿冶研究院与兵器部材料试验所此时均成立了坩埚炼钢研究发展部门，即矿冶研究院实验炼铁厂坩埚钢部与兵器部第二十八厂坩埚钢部（表3，研究发展情况后述）。两座坩埚炼钢厂是坩埚炼钢研究成果的工业化试验场。1939年，兵器部材料试验所利用四川当地耐火材料制造小型坩埚，并以川产土钢为原料进行试验，成功后制造大型坩埚，并制造钨铁合金、高碳钢、电磁钢、各种高速工具钢、镍铬钢零件等特殊钢。 冶炼出含碳0.74%、硅0.15%、锰0.5%、钨16.11%、铬3.89%、钒0.8%、钼0.39的钢，制成枪管钢后，经军械部第21工厂检验合格，1942年产钢14.82吨，1943年产钢73.1吨，1944年产钢556.4吨。同时，经济部矿冶研究所也利用四川产的原料试验合金钢，质量不错但产量不高，无法大批量生产供应市场，但相关研发部门的成立，为后方冶金工业培养了一批技术人才。
2.沦陷区非军事企业与特殊钢冶炼
近代中国除与国防军工相关的特殊钢冶炼设施外，一些非军工企业在抗战爆发前也设立了特殊钢冶炼部门，为一般工业制造提供工具钢、不锈钢、合金铸件等各类特殊钢产品（表4）。随着抗战爆发，一些企业如国立中央研究院工程钢试验场、大新钢厂等在后方恢复生产，并逐步恢复钢铁生产；一些企业如启新机器厂等，因西迁失败，被日军占领后，丧失了生产能力。
齐新机器厂隶属于齐新水泥公司，该公司始建于1906年，1923年从德国克朗机器厂引进0.5吨电弧炉（图3），成为近代中国最早生产非军用特种钢的企业。齐新机器厂的宗旨是为齐新公司制造的水泥窑提供钢材，为水泥厂提供炼窑钢的机器，并为永利碱厂、开滦矿务局等铁路矿山制造机器。1927年南京国民政府成立后，中国工业进入创业高潮期，上海等工业城市非军用企业的兴起，促进了民间资本和地方政府建立了一批新型钢厂。 这些企业利用电炉生产工具钢等新兴产业用材料，如大新钢厂、华西兴业有限公司等。但由于当时融资能力和渠道的限制，这些企业引进的电炉设备规模多为1—1.5吨，远低于同期西方国家的水平，实际产量也十分有限。
南京国民政府的成立，也促成了我国第一个特殊钢材料研究发展机构的诞生。1928年，国立中央研究院正式成立，次年在上海设立工程研究院钢铁试验场。除研制制造特种铁铸件和特种钢铸件外，从美国引进的0.65吨电炉（图4）也生产普通碳钢铸件，服务社会。到1935年，产品已包括各种齿轮、钩子、框架等钢铸件。
抗战爆发后，一些非军用电炉设施被迁往后方继续发挥作用。其中大新钢厂迁往重庆，改名为渝新钢厂（图5），不仅为军械部各工厂提供手榴弹、炸弹等军用武器钢材，还制造民用的各种钢丝、钉子、钢件等。1939年，华西兴业经济资源委员会增资，更名为中国兴业公司，成为资金和规模仅次于钢铁迁建会的后方钢铁企业。其钢部电冶厂有一座战前购置的电炉，因电力供应不足，每天只能产钢2-3吨，1940年2月开始产钢，抗战胜利后停产。
抗日战争期间，日本人在东北、华北、上海等地占领或新建了一批钢铁企业，冶炼特殊钢（表5）。东北是战争时期最重要的特殊钢生产区，有3家大型特殊钢冶炼企业：第一家是1938年建成投产的满铁抚顺煤矿炼铁实验厂，该车间原为1907年关东总督设立的中央实验室，南满铁公司接收后予以扩建；第二家是1938年10月从本溪湖煤铁公司增资后独立出来的本溪湖特殊钢有限公司，其前身是该公司特殊钢实验车间； 第三家是1939年成立的大华矿业有限公司，是由1918年成立的大华电气冶金有限公司改组而来。与中国本土资本创办的企业不同，东北日资企业的冶炼设备较大，有2座15吨、4座6吨、3座5吨电炉。事实上，日占区东北的特殊钢企业生产规模比大后方地方企业还大，成为中国最大的特殊钢生产企业，但产品全部供给日军。除东北外，日本人还在华北、上海等地增设了特殊钢冶炼设施。1945年，日本北“华”钢铁公司在唐山建立唐山钢铁厂，拥有日式7吨电炉，但只生产普通软钢； 在上海，还有日商投资或占有的亚细亚钢厂、大陆铁厂、丰田汽车修造厂等企业，为日军生产军用钢材。
3. 总结
综上所述，中国近代特殊钢冶炼呈现出以下几个特点：第一，其崛起与中国最初的军工制造需求息息相关。第二，除抗战后方自主研发的坩埚冶炼外，以电炉为主的特殊钢冶炼设备均来自国外。第三，中国本土企业建立的冶炼设施规模较小，均为3吨以下的电炉，而同期日本在中国建立的最大电炉已达15吨，日本主流设备规模在20吨左右。第四，受合金原料和电力供应能力以及设备规模和研发能力的限制，近代中国企业虽然能生产包括工具钢、弹簧钢、不锈钢、武器钢等特殊钢品种，但产量十分有限，基本无法铸造和轧制大型特殊钢。可以说，近代中国特殊钢冶炼无法为国防和工业生产发展提供足够的物质支持。
但中国在这一时期通过从无到有的特种钢冶炼发展，积累了最早的现代特种钢冶炼技术和能力，西北工业公司获得特种钢冶炼能力并在武器制造中发挥的作用就是一个典型案例。
待续
注：1.本文节选自吴礼主编的《工业技术史研究.第八卷》（北京：科学出版社，2021.3），注释及其他相关内容可参见原卷。图片来自网络