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

Значение бессемеровского процесса заключается в том, что он индустриализировал производство стали. Процессы цементации и тигельной плавки требуют высокопрофессиональных исполнителей, от опыта которых напрямую зависит успех. Генри Бессемер после первой отливки писал: «У нас было столько металла, сколько могут произвести два публинговщика и два их помощника, работающие без перерыва и расходующие большое количество топлива. Мы получили чистую однородную 10-дюймовую отливку за 30 минут „дутья“, причем без использования квалифицированного труда или топлива». Используя очищенные от фосфора шведские чугунные чушки, которые стоили ему 7 фунтов за тонну, Бессемер произвел литую сталь, которая продавалась по 50–60 фунтов за тонну, всего лишь расплавив ее и продув воздух через расплавленную массу.

Бессемер был не первым, кто получал сталь, продувая воздух через расплавленные чушки. Очевидно стараясь справиться с трудностями, связанными с недостатком древесного угля для своей печи в районе Эддивиля, Кентукки, Уильям Келли (1811–1888) впервые добился успеха в превращении чушек в сталь, продувая сквозь металл воздух, в 1847 году, то есть за девять лет до Бессемера. Тем не менее именно Бессемер создал оборудование для эффективного производства. Его конвертор (рис. 10.1) состоял из большого цилиндра, футерованного кирпичом, с открытым коническим верхом. Двойное дно дало возможность проделать отверстия, через которые вдувался воздух, чтобы окислять или гореть, тем самым убирая большую часть углерода. Конвертор стоял на опорном ролике, так что операторы могли наклонить его, как большой чайник, чтобы вылить сталь в формы. Получившиеся в итоге слитки можно было прокатывать, ковать или подвергать любой другой обработке. Во время одного «вдувания» конвертор мог производить около 20 тонн стали за столько же минут.

Рис. 10.1. Простой бессемеровский конвертор

Бессемеровский процесс, однако, был настолько быстрым, что считался ненадежным – он мог использоваться разве что для производства стали с очень низким содержанием углерода, количеством, оставшимся после того, как вдувание прекратилось. Такая сталь очень мягкая, и было трудно оставить достаточно углерода в шихте, чтобы сделать сталь тверже. Более того, если было слишком много воздуха, существовала опасность получения «сгоревшей» стали, перенасыщенной кислородом и хрупкой. Кроме того, конвертор Бессемера не мог устранить такие примеси, как сера и фосфор, которые присутствуют во многих рудах. Спустя примерно месяц после сообщения Бессемера о его открытии английский металлург Роберт Форестер Мушет (1811–1891), вечный конкурент Бессемера, изобрел способ получения стали, содержащей нужное количество углерода. Он добавил определенное количество шпигеля, чугуна, богатого марганцем, в расплавленную массу после завершения вдувания. Марганец убрал избыточный кислород, а углерод в шпигеле повторно науглероживал сталь до нужного количества углерода. Мушет выплавил высокоуглеродистую сталь, которая затвердевала и была особенно хороша для деталей машин.

Уильям Сименс в 1868 году запатентовал процесс изготовления стали из железной руды и чушек в регенеративной печи (так называемый сименсовский процесс, который никогда широко не использовался). А еще в 1865 году братья-французы Эмиль и Пьер Мартен запатентовали более важное достижение – получение стали в печи Сименса из стального скрапа и чушек. Используя этот процесс Сименса – Мартена, в США получали в двадцать раз больше стали, чем в бессемеровском процессе. Основная черта процесса Сименса – Мартена – регенеративная печь Сименса, запатентованная в 1856 году. Эта печь состоит из двух нагревательных камер из огнеупорных кирпичей, через которые Сименс попеременно направлял горячие выбрасываемые газы, чтобы нагреть кирпичи до высокой температуры. Затем он нагревал входящий воздух для печи, прогоняя его через одну из этих камер, в то время как другая нагревалась, и таким образом возвращал печи большое количество тепла, которое иначе терялось. При использовании братьями Мартен это дополнительное тепло еще больше подогревало температуру шихты из чушек, стального скрапа и известняка в неглубоких контейнерах или открытой топке.

За 8—12 часов, необходимых для завершения процесса, каждая печь могла производить до 100 тонн стали из известного количества материалов. Операторы могли выплавлять сталь, имея точные, заранее установленные пропорции ингредиентов. Для контроля время от времени брались образцы металла из печи и подвергались анализу. В отличие от процесса Бессемера в данном случае реакцию можно было остановить в любой момент. Между тем ни бессемеровский процесс, усовершенствованный Мушетом, ни оригинальный процесс Сименса – Мартена не могли убрать фосфор из чушек, сделанных из руд с высоким содержанием фосфора, которых на земле большинство.

Лондонский клерк Сидни Гилкрист Томас (1850–1885) придумал, как убрать фосфор из чушек в бессемеровском конверторе. Процесс Томаса впоследствии был применен в открытой печи Сименса – Мартена. На одной из лекций в колледже Биркбек Томас услышал, что тот, кто придумает способ изготовления стали из богатых фосфором чушек, заработает состояние. Томас немедленно стал читать техническую и химическую литературу и проводить эксперименты в лаборатории, которую оборудовал в подвале. В 1871–1875 годах он разработал процесс томасирования. Отличие томасовского конвертора от бессемеровского заключается в основном в футеровке, для которой использовали доломит, карбонат кальция и магния, впитывающий фосфор из шихты. Также добавляется флюс, чтобы образовать шлак, который впитывает фосфаты и другие примеси и может быть удален. Кузен Томаса Перси Гилкрист, химик-металлург, тестировал процесс. Томас получил патент в 1878 году, но металлурги почти не обратили на него внимания, и так продолжалось, пока в 1879 году один из них, житель Кливленда, не доказал бесспорные преимущества томасирования, используя местную руду с высоким содержанием фосфора.

Значительное количество стали, изготовленной в Соединенных Штатах, – это легированная сталь, свойства которой определяются наличием одного или нескольких элементов, помимо железа и углерода. Из многих видов легированных сталей большинство составляют никелевая, хромовая и хромо-никелевая сталь. Джулиус Баур, металлург из Бруклина, Нью-Йорк, получил свой первый патент на хромовую сталь в 1865 году. В отрывке из его патента, опубликованном в журнале Scientific American за сентябрь 1865 года, было сказано, что автор сумел соединить железо с металлическим хромом. Он произвел свой сплав или в плавильном тигеле, или «с использованием пневматического процесса». Таким образом, в его стали было три составляющих: железо, углерод и хром. Многие специалисты не приняли всерьез заявления Баура, потому что он объяснял свойства стали исключительно наличием хрома, почти не уделив внимание углероду. Тем не менее его труд оказал важное влияние на развитие металлургической промышленности, поскольку привлек внимание французского промышленника Брюстлейна, которому обычно приписывается создание хромовой стали для использования в инженерных целях. В 1874 году хромовая сталь применялась для изготовления арок моста Идса через Миссисипи в Сент-Луисе. Спустя десятилетие Марбо получил никелевую сталь.