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美国电气革命与铜垄断

已有 378 次阅读 2026-10-16 20:26 |个人分类:《元素的文明征程》化学诗歌集|系统分类:观点评述

19世纪下半叶,随着电力的使用,铜的真正鼎盛时期出现了。而电气革命的核心在美国,正是通过电气革命,美国在短短几十年内,跻身于工业强国前列。

1839年,英国帕丁顿-西德雷顿21km地下试验电报线路是商用试验线,全部使用多股地下铜线,置于铁保护套管之内。早期地下敷设方案优先选铜,但施工造价很高,地下绝缘工艺不成熟,地下铜线很快出现绝缘损坏故障。于是英国很快转向架空架设。架空线路为节约成本,大量改用熟铁导线。

莫尔斯本人最早的电报示范线(1844年,华盛顿-巴尔的摩)最初规划是地下埋设铜线电缆。施工之后很快发现地下绝缘容易破损、故障频发。当时还没有古塔胶绝缘材料,早期麻布、橡胶绝缘很容易受潮失效。不是铜本身性能不好,是绝缘技术拖后腿,迫使工程转向架空铁线。因此在1844-1847年间,铜线并没有大规模用于陆上干线,只用于局站之间很短的地下引线。大部分电报为架空熟铁导线。熟铁电阻率约为铜的 5-6 倍,短/中等距离架空线路,总线路电阻可通过适度增加串联电池的数量解决。熟铁价格低廉,适合铁路沿线大规模架设,美国早期庞大的莫尔斯电报网绝大多数都是镀锌铁线。

1847年后,古塔胶(gutta percha)提供可靠的防水绝缘层,地下埋设方案重新启用。因为地下线路不能随便增设中间继电器站点,低电阻的铜芯就成为地下长距离线路几乎必然的选择。欧洲大陆(普鲁士西门子)建设的多条地下莫尔斯电报干线均采用铜导线。1840 - 1850年代,早期继电器技术还不成熟,没有普及;海底电缆根本无法设置中间继电器。电源的局限使得海底电缆几乎只能选择铜芯,完全放弃铁。1850年英吉利海峡试验海底电缆(45km)就是铜芯,运行莫尔斯电报。铁导线在此场景完全被排除。该线路用铜2.7吨,但很快被船锚扯断。

1851年后,第二条英吉利海峡海底电缆开通,使用四芯铜导线,用铜11-13吨。各地纷纷上马海底电缆项目。第一条跨大西洋电缆(失败)采用18587股绞合铜芯,总长约 2500 海里,但通电仅数周失效,用铜约 260 吨。1865年大西洋电缆(敷设中断,后来打捞修复复用)使用汤姆森改进方案,铜芯有了更大截面积以降低电阻,用铜约 470 吨。1866年由大东方号敷设的大西洋海底电缆,与1865年规格相同,档案记录铜线用量 495 吨。1870年苏伊士-孟买(英印主线)的长距离印度洋海底干线,总长约 3480 海里,用铜约 670 吨。1898年法国跨大西洋布雷斯特-马萨诸塞电缆,长3174 海里,用铜约 950 吨。

19世纪末,新建多条跨大西洋干线,而远东、南美、太平洋岛屿也大量敷设电缆。部分电缆进一步加大铜芯截面积(最高达 650 lb / 海里);同时旧电缆报废、替换。到 1900 年,整个 19 世纪海底电报电缆历史累计铜总消耗估算约 12000 - 14500 吨铜。

但海底只是整个电报网络当中很小一部分里程;1880年前全球绝大多数电报里程依然是大陆陆上架空熟铁线。1860年代后期,直流发电机(dynamo)逐步进入电报站供电;发电机虽然比化学电池提供更稳定的电源,但并没有立刻迫使全部线路改用铜线。1867 - 1874年间,新建干线依旧以镀锌熟铁架空导线为主;铜线仅用于城市地下引入线、少数局部试验架空铜线,期间陆上电报新增铜消耗累计约800 - 1300吨铜。

真正拉动陆上电报铜线的是复用电报(双工、四工)技术。1872 - 1874年,双工、四工复用电报(duplex - quadruplex)投入商用之后,单根导线上能同时传输2 - 4路电报信号,对线路电气参数(总电阻均匀、稳定)提出严苛要求。锈蚀铁线的阻值扰动直接造成多路信号互相串扰,误报严重。这才是倒逼干线改用铜线的核心动因。另外,早期软铜抗拉不足,不适合架空;1877 - 1878年硬拉冷加工铜线工艺成熟之后,铜线才可以直接架设在电线杆上。在此之前,陆上铜线大多只局限于城市局间地下引线,总消耗量很小。

1875 - 1884年间,美国西联公司大规模部署四工电报,干线开始优先选用硬拉架空铜线;老的铁线干线一部分保留运行,一部分逐步改造更新;城市地下电报线缆建设加快。美洲、欧洲新建长途主干线开始转向铜线;大量支线、偏远乡村依旧继续架设铁线。并非一次性全部替换。期间陆上电报新增铜消耗估算:3200 - 4300吨;至1884年末陆上电报历史累计铜约4000 - 5600吨。1880年代中后期以后,欧美新建长途电报干线普遍采用架空硬拉铜线(hard - drawn copper),陆上电报新增铜消耗估算:7500 - 9500吨;至 1900 年,整个 19 世纪陆上电报累计铜总消耗约 11 500-15 100 吨。

同时电话业务兴起之后,电话网络进一步加大铜线需求,与电报争夺精炼铜供给。电报可以依靠机械继电器,分段放大脉冲,但语音电话没有任何电子放大器(电子管1904年才问世)。电话采用双线回路(双向通话),每一路通话就需要一对导线,电话需要的导线总长度是电报的2倍。商用电话网络直接以硬拉铜导线作为基础。早期城市内部多使用多芯地下电话电缆;城市之间长途为架空硬拉铜线。

1877 - 1878年的波士顿 - 萨默维尔早期试验电话网,是早期小规模城市电话架空线路网,用铜约4 - 6吨;1882年纽约市早期地下电话电缆网,由AT&T公司建设的城市地下多芯电话电缆,用铜约75 - 90吨。1892年纽约 - 芝加哥长途电话试验线路采取长距离架空硬拉铜线,中间设置早期加感线圈,用铜约190 - 230吨。因为19世纪电话线路发展缓慢,所以用铜并不多。

电力系统开始消耗铜资源,早期爱迪生的直流电系统,只能短距离、小功率输电,铜的消耗还小,但特斯拉的交流电系统,可以远程高效输电,拉开了电力系统用铜快速发展的序幕。

1880 - 1892年间以爱迪生式直流照明站为主,消耗大量地下粗铜电缆;铜消耗约6 900 - 9 000吨。1893 - 1900年间,交流电网逐步取得优势,电气化加速,交流发电机与变压器制造业扩张,绕组用铜量快速上升。铜消耗约13 000 - 17 000吨;截至1900年末,整个19世纪电力(发电 - 输配电 - 早期电力牵引)累计铜消耗估算约20 000 - 26 000吨。

例如1895-1896年的尼亚加拉-布法罗输电工程(亚当斯水电站)采用特斯拉多相交流,设35km高压架空输电线,10台大型水轮交流发电机、一批降压变压器绕组,用铜约270-320吨(输电架空铜导线约75吨,其余大量铜集中于发电机与变压器绕组)。

到 1900 年,新兴电力系统的累计铜消耗已经超过电报业,也超过电话网络,成为整个电气领域第一大铜消费板块。站在全世界总产量视角,1900 年世界铜年产量约 55 - 70 万吨;通信 + 电力合计用铜(约 6 万 - 7.7 万吨)仅占全球年度产量的一小部分;传统消费(造船船底铜板、黄铜铸件等)仍然保有相当份额;不过电气部门已经成为拉动铜产业扩张最重要的新兴力量。在全球产量中,智利、美国铜矿成为主力。

早在1810年,南美开始独立运动,英国就开始关注智利的铜。斯旺西冶炼中心对铜矿石和粗铜的需求巨大,而英国本地铜的产量开始下降。在1820年代,英国投资者就进军智利铜业。

19世纪70年代,90%的智利铜出口到英国。智利也被称为“铜都”。并且,斯旺西从世界其他地方进口矿石,包括澳大利亚、南非。在1830 - 1860年间,铜矿石产量由拉丁美洲主导,古巴仅在1840 - 1860年间超过了智利。从19世纪40年代开始,南澳大利亚州也发挥了作用。

在1870年代,铜的消费发生了革命性变化,蒸汽机车的管道、电报电缆、棉花的滚筒印刷以及电力的产生和传输都产生了极大的铜需求。1890年代,世界铜产量达到每年30万吨。1908年,智利只占到10%的份额,而份额的大部分由美国提供。

美国五大湖区的基威诺(Keweenaw,位于密歇根州)铜矿纯度极高。它于1845年开始进行工业规模的运营,从1845年到1865年,基威诺半岛的铜矿占美国铜产量的3/4。1871年,基威诺当地两家最大的矿企合并为Calumet & Hecla矿业。在短短一年内,公司生产了1620万磅铜,并向股东支付了240万美元。到1880年代,蒙大拿州和亚利桑那州的矿山占到美国铜产量的55%,超越了基威诺。蒙大拿州的铜矿年总产量可达2.5亿磅。伦敦金融交易所(LME)也不得不把铜期货的交易标的,从单一的智利铜,加入美国铜作为指标。

而美国正处于“镀金时代”,数百万移民涌入,巨量的财富被创造,但各个行业内均有企业在野蛮生长。这类“男爵式”企业家,上下其手,无所不用其极,在短短三十年内,把美国从自由市场经济,演化为一个垄断企业霸占市场的丛林模式经济。这一时代也被称为美国政治最腐败的时代。

蒙大拿州铜王之一马库斯·戴利创立的联盟铜业(Amalgamated Copper Mining Co.,洛克菲勒家族参股,1915年后改名阿纳康达铜业Anaconda Company)在1894年产铜1.4亿磅。自1896年起,该公司维持年产1.84亿磅。戴利与蒙大拿州另一位铜业大亨威廉·安德鲁斯·克拉克自1888年开始了长期的“铜王战争”。

在1903年,仅蒙大拿州铜产量就达到2.34亿磅。1904年达2.98亿磅。当年美国共产铜8.14亿磅,且出口欧洲24.5万吨。如此高的产量,导致铜价无法上涨。1906年,美国铜价为16美分/磅。

美国采矿工程师和冶金学家丹尼尔·考恩·杰克林发明了浮选法,从而使得开发低品位斑岩铜矿能够盈利。杰克林在犹他州的宾厄姆峡谷(Bingham Canyon)的犹他铜业(Utah Copper)任总经理和首席工程师。他建造的一座6000吨的选矿厂于1907年投入运营。到了1910年,工厂日处理1万吨铜矿石。

古根海姆家族控制美国冶炼和精炼公司,在墨西哥及南美有矿产,还于1902年与摩根财团联合,投资了阿拉斯加“铜王”的肯尼科特矿业公司(Kennecott Mining Company)。1904年,古根海姆家族投资犹他铜业。1907年,犹他铜业成为世界最大的铜矿企业。1910年,古根海姆家族在美国精炼铜市场占到40%的份额。

宾厄姆峡谷矿今天仍在运营,是世界上最大的露天采矿作业之一。铜已成为战场上使用的每种武器、车辆和装备的重要组成部分。1880 - 1910年,世界铜产量主要增长来源于美国。1871年到1913年是美国经济赶超英国的关键时期,这一阶段美国GDP增长了5.26倍,英国只增长了2.24倍。1860年美国工业总产值尚不到英国的一半,到1894年已经超过英国。到1913年,美国的人均总产值和工业总产值均位居世界第一,无可争议地成为世界第一经济强国。而这,离不开铜垄断下的电气革命。



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