C началом промышленной революции, сопровождавшейся широким применением различных механизмов во многих отраслях производства и сельского хозяйства, увеличился спрос на металлические детали прядильных станков, паровых машин, а также сеялок и других орудий труда, введенных в употребление в британском аграрном секторе в конце XVIII столетия.
Во второй половине XVIII в. промышленное производство чугуна и стали испытало подлинный переворот: широко применявшийся ранее древесный уголь был заменен каменноугольным коксом (см. т. 1, гл. 7, п. 7.1). Модернизация технологических процессов в черной металлургии повлекла за собой улучшение качества выплавляемого металла и увеличение производительности чугуно- и сталелитейных заводов. В конце XVIII в. значительные изменения произошли также в размещении металлургических предприятий. Теперь их строили вблизи месторождений каменного угля, а не в лесных районах, как раньше. После изобретения паровых машин металлургические заводы можно было возводить не только вблизи рек, поскольку использование силы воды как источника механической энергии потеряло свое значение. Все это позволило значительно расширить возможности выбора мест для сооружения металлургических предприятий. Рост производства и улучшение качества английского металла к концу XVIII в. позволили Великобритании полностью отказаться от импорта шведского и русского железа. Развернулось сооружение каналов для перевозки угля и металлов.
Анализ эволюции методов получения чугуна и стали позволяет сделать вывод, что к концу XVIII в. были разработаны или восстановлены основные технологические процессы, дальнейшее усовершенствование которых привело к созданию современной металлургической промышленности.
Первым весьма важным технологическим новшеством в черной металлургии стало применение метода горячего дутья, внедрение которого началось в конце 20-х гг. XIX столетия. Основной особенностью данного технического приема явилась подача в доменную печь предварительно нагретого воздуха. Главным результатом внедрения горячего дутья стало значительное сокращение топлива, используемого в технологическом процессе. Данный метод изобрел и запатентовал Джеймс Беомонд Нейлсон в 1828 г. Практически незамедлительно прием горячего дутья стали использовать на металлургических заводах в Шотландии. Использование горячего дутья принесло ощутимые плоды. Например, с 1830 г. по 1847 г. производство металла в Англии возросло более чем в три раза, а экспорт железа и чугуна из Великобритании увеличился в семь с половиной раз.
Позднее эта технология проникла и в другие страны. Особую роль она сыграла в развитии сталелитейной промышленности США. В первой трети XIX столетия в Соединенных Штатах не было разведано ни одного крупного месторождения коксующихся углей. Поэтому металлургические предприятия, как и столетие назад, работали на древесном угле. В 1831 г. Фредерик Гессенхайнер изобрел и запатентовал технологию доменного процесса с использованием более низкосортных антрацитовых углей. Впервые получить железо по своей технологии американский технолог смог только в 1836 г.
В Великобритании к использованию антрацита в доменном процессе независимо от Ф.У. Гессенхайнера пришли Джордж Крейн и Дэвид Томас. 5 февраля 1837 г. они начали производить металл по новой технологии на металлургических предприятиях Уэльса.
В первой половине XIX в., несмотря на модернизацию предприятий черной металлургии, до полного отказа от использования древесного угля в производстве сталей было еще далеко. Его продолжали применять для обезуглероживания чугуна, выплавленного с помощью кокса. Новое значительное улучшение технологии производства чугуна и стали произошло только в середине XIX столетия.
Большая заслуга в разработке способа массового производства литой стали принадлежит английскому металлургу Генри Бессемеру. Во время Крымской войны он работал над созданием артиллерийского снаряда, который бы вращался в полете и двигался по точно заданной траектории. Английский изобретатель понял, что для этого необходимо создать орудие с нарезным стволом. Однако изготовить такую пушку можно было только из особо прочной стали, поскольку орудийному стволу было необходимо выдерживать высокие давления. В то время производство стали было весьма дорогостоящим. Использовавшиеся тогда обычные гладкоствольные пушки можно было производить из менее прочного металла.
К середине XIX столетия технология получения черных металлов была многоступенчатой. На первой стадии выплавляли содержащий значительное количество углерода чугун, который отличался одновременно высокой твердостью и хрупкостью. Полностью удалив из чугуна углерод, можно было получить сварочное железо, которое представляет собой ковкий, но относительно мягкий материал. Введя в сварочное железо некоторое количество углерода, на третьей стадии получали сталь, которая оставалась достаточно вязкой и обладала при этом необходимой твердостью.
Г. Бессемер сумел разработать такой способ выплавки стали, который позволил исключить дорогостоящую стадию получения сварочного железа. Чтобы удалить избыточный углерод из чугуна, он решил пропустить струю нагретого воздуха через расплавленный металл. Под воздействием дутья содержащиеся в чугуне примеси (кремний, марганец, углерод) окислялись, выделяя значительное количество тепла. При протекании таких реакций одновременно снижалось содержание примесей в металле и повышалась температура, поддерживающая его в жидком состоянии. Прекращая в определенный момент времени подачу воздуха, Бессемер смог получить достаточно высококачественную сталь (см. цв. иллюстрацию к главе 8).
В 1856 г. Г. Бессемер сообщил об изобретенном им конвертере. Течение бессемеровского процесса определяется, прежде всего, химическим составом и температурой заливаемого в конвертер чугуна. При этом значительную роль играет кремний, окисление которого в начале процесса способствует повышению температуры в тот период, когда она еще недостаточна для реакции обезуглероживания. Чем выше степень перегрева чугуна сверх температуры плавления, тем ниже содержание кремния в чугуне. Однако выплавлять сталь конвертерным способом можно было лишь в том случае, если исходная железная руда не содержала примесей фосфора.
Генри Бессемер (1813–1898)
Бессемеровский конвертер в разрезе и перевернутом состоянии
В последующие годы технология производства стали была усовершенствована. В 1864 г. французский металлург Пьер Мартен разработал способ получения литой стали в пламенной регенеративной печи. Используя разработанный незадолго до этого немецким инженером Ф. Сименсом принцип регенерации тепла продуктов горения, Мартен применил его для подогрева не только воздуха, но и газа. Благодаря этому удалось получить температуру, достаточную для выплавки стали. Изобретенная французским металлургом печь и способ выплавки стали были названы его именем.
Четырнадцать лет спустя С. Дж. Томас предложил еще один способ передела жидкого фосфористого чугуна в сталь продувкой сжатым воздухом или другой окислительной газовой смесью в конвертере с основной футеровкой, содержащей соли кальция. Эта технология успешно конкурировала с бессемеровским процессом, поскольку позволяла перерабатывать чугун, содержащий до 2% фосфора (по массе){530}.
Пьер Эмиль Мартен (1824–1915)
Схема работы мартена: А — вдувание газо-воздушной смеси; В — теплообменник (нагрев); C — жидкий чугун; D — горн; E — теплообменник (охлаждение); F — выхлоп сгоревших газов
Наиболее широкое применение томасовский процесс получил сначала в Германии, обладавшей в то время большими запасами высокофосфористых руд в Лотарингии{531}. К началу XX в. томасовская сталь по объему мирового производства (около 25% от всей выплавки стали) занимала второе место после бессемеровской. Однако несколько повышенное по сравнению с мартеновским металлом содержание азота и фосфора, обусловившее большую хрупкость и хладоломкость томасовской стали, ограничило область ее применения. В начале XX в. по объему выплавленной стали томасовский процесс уступил свое место мартеновскому методу.
В XX столетии в мировом производстве сталей постоянно возрастала роль бессемеровского и мартеновского кислородно-конвертерного процесса благодаря его высокой производительности. Эта технология представляет собой передел жидкого чугуна в сталь без подвода теплоты — продувкой металла в конвертере технически чистым кислородом. Под воздействием дутья содержащиеся в чугуне примеси (Si, Mn, C и др.) окисляются с выделением значительного количества теплоты. По окончании продувки металл раскисляют, удаляя избыточный кислород.
Все названные технологические усовершенствования привели к резкому удешевлению процесса производства сталей, в результате чего железный век уступил дорогу стальному. Значение стали как основного конструкционного материала в процессе развития современной цивилизации трудно переоценить. Сталь — это рельсы для поездов и буровые установки, океанские корабли и железнодорожные составы, подвесные мосты и станки, автомобили и современные небоскребы.
