Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Пока война приближалась, Новый Орлеан оставался крупнейшим портом, почти равным Нью-Йорку. На самом деле имел место абсолютный прирост перевозок, поскольку хлопок, чисто южный продукт, увеличил объемы, следующие с низовьев Миссисипи, но относительное снижение объемов из-за перехода их в атлантические порты все же было велико, и южане понимали почему. Северная предприимчивость «откатила могучий поток Миссисипи и ее десяти тысяч притоков, и в конце концов их устья оказались больше в Нью-Йорке и Бостоне, чем в Новом Орлеане». Город пароходов должен иметь и железные дороги, ведущие к рынкам и источникам снабжения, как сети, создающиеся вокруг северных городов Нью-Йорк, Бостон, Цинциннати и Чикаго.

Быстро развивающиеся железнодорожные системы стимулировали рост сталелитейной промышленности, имевший место вскоре после середины XIX века. Потребность в стали для пароходов и высотных зданий также повлияла на рост сталелитейной промышленности. Необходимость в новом продукте часто напрямую мотивирует людей к увеличению его производства, но у двух или трех самых значимых изобретателей новых процессов выплавки стали такой мотивации, очевидно, не было. Среди многих людей, внесших существенный вклад в развитие эффективных и экономичных методов производства стали, можно выделить троих. Это англичанин Генри Бессемер (1813–1898), немец по рождению, обосновавшийся в Британии, Уильям Сименс (1823–1883) и лондонец Сидни Гилкрист Томас (1850–1885). Бессемер в 1856 году изобрел свой знаменитый конвертор, брат Сименса Фредерик в том же году получил патент на регенеративную печь, а Томас в 1878 году запатентовал процесс томасирования чугуна. Интересно отметить, что ни один из этих изобретателей не работал в металлургической промышленности.

Высокая потребность в стали не являлась непосредственным стимулом, который привел Бессемера и Сименса к столь важным изобретениям. Во время Крымской войны Бессемер разработал тяжелый снаряд продолговатой формы, который вращается в полете, но британское военное министерство он не заинтересовал. Впоследствии снаряд испытали французы в Венсене. Испытания прошли успешно, и после их завершения комендант крепости сказал: «Главный вопрос – можно ли сделать орудие, которое выдержит такой тяжелый снаряд». В автобиографии Бессемер написал: «Простое замечание стало искрой, из которой разгорелось пламя одной из величайших промышленных революций текущего века. Оно моментально приковало мое внимание к очевидной трудности ситуации: как сделать орудие, которое будет достаточно мощным, чтобы метнуть, с учетом всех соображений безопасности, этот тяжелый снаряд? Я отлично помню, как, возвращаясь в Париж в одиночестве той холодной декабрьской ночью, дал себе слово, если возможно, выполнить эту работу, столь успешно начатую. Я должен был создать чугун такого качества, чтобы он мог выдержать большие напряжения, создаваемые увеличенным весом снаряда». За два года Бессемер изобрел и усовершенствовал свой знаменитый конвертор.

В точности так же Уильям Сименс в 1847 году не имел интереса к производству стали для железных дорог, когда изобрел регенератор (первоначально он назывался респиратор) для паровой машины, позволявший более полно использовать тепло, тем самым снижая расход угля. Респиратор не был успешным, но Уильям и его брат Фридрих предприняли попытку применить принцип возврата утраченного тепла к другим процессам. В 1856 году они придумали регенеративную печь и впоследствии заменили твердое топливо предварительно нагретым газом. Хотя в 1857 году печь Сименсов была впервые использована для выплавки стали, в течение следующего десятилетия ее использовали в производстве стекла и для нагрева воздуха для домен.

Когда бессемеровская сталь стала доступной и надежной, потребность железных дорог в стальных рельсах для замены чугунных вызвала ускоренное развитие новой отрасли промышленности. Первые рельсы из бессемеровской стали были изготовлены в 1857 или 1858 году. Хотя небольшие пароходы из бессемеровской стали были построены в 1858 и 1859 годах, судостроители не использовали бессемеровскую сталь для океанских пароходов до 1880-х годов, несмотря на неоднократные требования Бессемера. Первые бессемеровские прокатанные балки использовались в ранних небоскребах, пример – здание страховой компании в Чикаго в 1884 году. Хотя потребность в стали не была фактором, побудившим Бессемера и Сименса сделать столь важные открытия, именно она подтолкнула Томаса к разработке процесса томасирования чугуна.

Сталь – это твердый раствор железа и углерода, содержащий до 1,7 процента углерода, в отличие от чушек и чугуна, в которых углерода от 2,5 до 4 процентов. В кованом железе углерода, как правило, меньше 0,1 процента, но оно также содержит 1–2 процента шлаков, что отличает его от очень мягкой стали. Древние, по-видимому, знали сталь, как и средневековые кузнецы, которые ковали, разогревали и снова ковали металл, пока не получали великолепные мечи Толедо и Дамаска, и жесткую сталь Шеффилда. Средневековые кузнецы делали сталь из ковкого железа благодаря процессу науглероживания. Они нагревали ковкое железо докрасна, поместив его в контакте с порошкообразным углем, в течение десяти дней или двух недель. Потом они ковали его или прокатывали, снова нагревали и опять ковали или прокатывали, чтобы металл впитал нужную часть углерода. Очевидно, чтобы приготовить сталь таким образом, необходимы были рабочие очень высокой квалификации, и они могли получить сталь только в небольших количествах. Такая сталь использовалась только для специальных целей и стоила очень дорого.

Помимо науглероживания (цементации), до бессемеровского конвертора существовала еще одна техника производства стали. Работавший в районе Шеффилда, Англия, Бенджамин Хантсмен около 1740 года разработал тигельный процесс, который много лет держал в тайне. Используя томленую цементованную сталь с высоким содержанием углерода на поверхности и намного меньшим – в середине, Хантсмен плавил заготовку весом около 35 фунтов в крытом плавильном тигеле в течение нескольких часов. Получившаяся сталь с относительно высоким, но более равномерно распределенным содержанием углерода была исключительно твердой. Поскольку он лил ее в формы, Хантсмен назвал свой продукт литой сталью. Ясно, что она производилась в еще более ограниченных количествах и стоила дороже, чем сталь, подвергшаяся цементации. Некоторые производители до сих пор изготавливают тигельную сталь для специальных целей. Сегодняшняя шихта состоит из ковкого железа и углеродсодержащих материалов, таких как шарики угля. Такая сталь все еще очень дорогая.