Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений

Долгое время для производства стали использовался сыродувный процесс. Но еще в древности металлурги применяли тигльный способ выплавки железа, меди, бронзы. Добытый металл переплавлялся в небольших огнеупорных сосудах – тиглях. Таким образом металл очищался от нежелательных примесей, его структура улучшалась. Тигльная сталь применялась для изготовления холодного оружия – мечей, сабель, кинжалов, отличавшихся необычайной остротой и упругостью. Именно из тигльной стали делали знаменитые дамасские клинки.

На процесс изготовления железа влияет режим термообработки. Уже первые кузнецы заметили, что если нагретый докрасна слиток металла опустить в холодную воду или иную охлажденную жидкость, его твердость резко возрастет. Этот процесс назвали закалкой. В некоторых старых металлургических трудах упоминается «закалка скотинным рогом с солью». По сути, это азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом.

Потребность в стали постоянно росла. Увеличивались размеры горнов, совершенствовалась их форма, повышалась мощность дутья. Высота печей достигала нескольких метров, воздуходувные трубы приводились в движение специальными водяными трубами и огромными водяными колесами. Температура в печах повысилась до 1250–1350 °C, что привело к увеличению количества чугуна, получаемого при плавке. В то время свойства чугуна не позволяли применять его для промышленных нужд. Но в XIII–XIV веках был открыт «кричный передел». Его суть заключалась в том, что чугун загружали в печь вместе с рудой. В результате происходило окисление примесей, в первую очередь углерода. Переплав чугуна позволял получать сталь хорошего качества и в больших количествах. Двухстадийный способ получения стали из руды сохранился и по сей день, являясь основой современных схем производства стали (за исключением бездоменной металлургии).

Технический переворот в металлургии произошел в конце XVIII – начале XIX века с изобретением паровой машины. И как следствие – рост промышленного производства и увеличение числа машин. Это вызвало повышенную потребность в металле и послужило толчком к развитию металлургии. Развитию же препятствовало отсутствие заменителя древесного угля. Он был дорог, запасы древесины для его производства – ограничены. Еще в 1558 г. английская королева Елизавета запретила производить уголь из древесины. Поэтому в качестве топлива стали использовать каменный уголь. Первые попытки использования угля были неудачными: проблемой стала высокая температура его воспламенения. Кроме того, чугун, выплавленный на каменном угле, содержал много серы и фосфора, поэтому для передела в сталь не годился. В 1619 г. англичанин Додлей получил патент на производство чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами. Но внедрить в практику это изобретение ему не удалось, и свой секрет он унес в могилу.

В 1713 г. Абрахам Дерби-старший нашел способ очистки каменного угля от примесей путем его обжига. Такой способ назвали коксованием. Но Дерби-старший применял кокс в доменной плавке лишь частично (из-за отсутствия техники для мощного воздушного дутья). В 1735 г. его сын Абрахам использовал для доменного дутья паровую машину. Качество выплавленного чугуна было высоким, а производительность из-за значительного увеличения температуры резко возросла. Дерби-сын заменил деревянные рельсы, по которым подавали вагонетки с рудой, на чугунные. Так появилась первая железная дорога. В 1779 г. Абрахам Дерби-внук построил первый в мире мост из литых чугунных деталей.

Применение каменного угля сдерживалось высоким содержанием серы в нем. Это придавало чугуну повышенную хрупкость. Проблему помогли решить пудлинговые печи. В них металл не соприкасался с коксом, а нагревался теплом, отраженным от свода. Для более равномерного выгорания углерода металл постоянно перемешивали, что и дало название процессу («puddle» по-английски – перемешивать).

Следующим шагом в развитии доменного процесса стал нагрев воздуха, подаваемого в печь. Эта идея, предложенная шотландцем Нильсоном, первоначально была встречена в штыки. Тогда полагали, что чем холоднее воздух, тем лучше идет плавка. Внедрение этого изобретения позволило сократить расход кокса на треть, а выплавку чугуна увеличить в полтора раза. Идею Нильсона развил английский инженер Каупер. В 1857 г. он предложил оригинальную конструкцию доменного воздухонагревателя (каупера), позволявшего нагревать воздух до 600–700 °C. Современные кауперы позволяют нагреть воздух перед подачей в печь до 1200 °C.

К середине XIX века существовавшие тогда пудлинговый процесс и кричный передел не удовлетворяли требования металлургов из-за продолжительности, трудоемкости и низкого качества металла, а тигльный способ, позволявший получать хорошую сталь, был дорогим и применялся мало.

В то время даже лучшие мастера руководствовались в своей работе исключительно опытом предшественников и своим собственным. О процессах, происходящих в металле при плавке и обработке, они практически ничего не знали, поэтому сознательно управлять ими не могли. Это не позволяло совершенствовать железоделательное производство.

Великий русский ученый-металлург Павел Петрович Аносов задался целью превратить металлургию железа из ремесла в науку. После окончания в 1817 г. Горного корпуса в Петербурге он получил назначение на заводы Златоустовского горного округа на Урале. Экспериментируя с различными процессами получения стали, Аносов сумел получить сталь высокого качества, сократив продолжительность выплавки в несколько раз. Ему удалось получать сталь непосредственно из чугуна. Заветной мечтой русского металлурга была разгадка тайны булата. На пути к ее раскрытию Павел Петрович провел тысячи опытов с различными добавками: кремнием, марганцем, алюминием, титаном, даже с золотом и платиной. В конце концов молодой инженер пришел к выводу, что булат – это только железо и углерод. А опыты с добавками других металлов в железо положили начало металлургии легированных сталей.

Для исследования структуры металла Аносов впервые в мировой практике применил микроскоп, заложив основы металлографического анализа. В 1833 г. был выкован первый булатный клинок, перерубавший и гвозди, и тончайший газовый платок. Итог своим многолетним трудам Аносов подвел в своей монографии «О булатах».

Переворот в производстве литой стали призошел во второй половине XIX века. В 1856 г. Генри Бессемер взял патент на изобретение – конвертер, в котором осуществлялась продувка воздухом расплавленного чугуна, что позволяло превращать чугун в сталь без дополнительного нагрева.