К 1850 г. железный век окончательно вступил в свои права. Но железо во многих отношениях уступало стали. Детали машин и рельсы, сделанные из железа, быстро изнашивались, что влекло за собой большие эксплуатационные расходы; кроме того, железо было недостаточно прочным и гибким, что ограничивало его применение во многих сферах, включая машиностроение и строительство. Проблема заключалась не в том, как делать сталь, а в том, как делать дешевую сталь.

Генри Бессемер являет собой классический пример профессионального изобретателя-самоучки. История о том, как он открыл процесс производства дешевой стали, следует типичной схеме: вдохновение пришло к нему в ходе решения совершенно иной задачи (он бился над проблемой артиллерийского снаряда для нарезных пушек с высокой начальной скоростью выстрела). Неожиданное озарение подсказало ему принципиальную идею конвертера, но затем понадобились годы труда для того, чтобы понять, как и в каких условиях работает этот процесс и почему он не всегда дает нужные результаты. Работа бессемеровского конвертера основана на том факте, что чугун отличается от стали в основном процентным содержанием углерода, который может сгорать при продувке воздуха через расплавленный металл. При взаимодействии кислорода, содержащегося в воздухе, с углеродом, содержащимся в металле, выделяется много тепла, которое не дает чугуну остыть и затвердеть. Таким образом, добавляя необходимую дозу углерода или останавливая продувку в нужный момент, можно получить желаемое сочетание железа и углерода, а высокая температура и завихрения в расплавленной массе обеспечивают однородность смеси. Поначалу бессемеровская сталь имела очень низкое качество, но потом британский металлург Роберт Мушет обнаружил, что проблему решает добавление в расплавленный чугун зеркального чугуна – сплава железа, марганца и углерода – в качестве науглероживателя. Как вскоре выяснилось, другим недостатком бессемеровской стали было присутствие фосфора в руде, снижавшего качество стали, и потому сперва для бессемеровского процесса годилась лишь шведская и испанская руда. Дешевая сталь вскоре стала применяться не только для производства пружин и ножей: к 1880 г. из стали все чаще делались здания, корабли и рельсы.

Одновременно с Бессемером аналогичное изобретение сделал американец Уильям Келли, запатентовавший идентичный процесс в июне 1857 г., через год после того, как Бессемер выступил со знаменитым докладом перед Британской ассоциацией содействия развитию науки. В конце концов Бессемер и Келли заключили соглашение о скоординированном использовании своих патентов. Почти сверхъестественная синхронность обоих изобретений как будто бы подтверждает точку зрения Гилфиллана (Gilfillan, 1935) о том, что личность изобретателя не имеет особого значения, – изобретение все равно будет сделано, когда для него настанет время. Неясно, насколько обоснован такой вывод. В данном случае, как и во многих других, имелась «проблема», совместно задававшаяся осознанной рыночной потребностью и состоянием ремесла, которое определялось прежними изобретениями и суммой накопленных знаний. Эта «проблема» подвигла изобретательных людей к изучению различных способов ее решения. Оба пути могли быть не настолько независимыми, как обычно считается, и хотя нам не удается доказать, что между ними не существовало каких-то скрытых, косвенных контактов при посредничестве третьих или четвертых сторон, независимость обоих изобретений будет оставаться под сомнением[58].

РИС. 33. Ранняя разновидность бессемеровского конвертера (1860). Дутье осуществляется через отверстия в днище. После дутья в положении C сталь выливается в ковш E. Источник: Sir Henry Bessemer. As Autobiography, PI. XV. Fig. 43. London, Offices of Engineering, 1905.

Другой путь избрали металлурги на материке, совместно разработавшие процесс Сименса – Мартена, который сводится к совместной переплавке железа с низким содержанием углерода и чугуна с высоким содержанием углерода. При этом для предварительного нагрева топлива и воздуха используются горячие печные газы, а сталь нужного состава получается благодаря сочетанию чугуна с железом в соответствующих пропорциях. Изнутри мартеновская печь выкладывается специальным огнеупорным кирпичом для поддержания высокой температуры. Мартеновский процесс позволяет использовать железный лом и низкокачественное топливо, благодаря чему в долгосрочном плане он более выгоден, чем бессемеровский. Для выплавки стали по мартеновскому процессу требуется больше времени, чем по бессемеровскому, но зато имеется возможность тщательнее контролировать качество продукции. Кроме того, бессемеровская сталь иногда по неизвестным причинам ломалась под нагрузкой – в конце концов выяснилось, что виной тому были мелкие включения азота. В 1900 г. американский стальной король Эндрю Карнеги заявил, что будущее отрасли – за мартеновскими печами. Для процесса Сименса – Мартена, как и для бессемеровского, не годилась железная руда с большим содержанием фосфора, добывавшаяся на европейском материке. Ученые и металлурги делали все, что в их силах, чтобы преодолеть это затруднение, но решение нашли в 1878 г. два британских изобретателя-любителя Перси Гилкрист и Сидни Томас. Они предложили нейтрализовать вредную примесь, добавляя в огнеупорный кирпич известняк, который связывал фосфор, образуя шлак. Вероятно, мы не слишком ошибемся, если скажем, что без этого открытия не состоялась бы прославленная германская стальная индустрия. Оно не только обеспечило колоссальную экономию; помимо этого, немцы (немедленно освоившие «базовый» процесс) стали перерабатывать фосфорный шлак в полезное удобрение. В то время как бессемеровский и мартеновский процессы позволяли производить все больше стали по все более низким ценам, высококачественную сталь еще долго варили в Шеффилде по старой тигельной технологии (Tweedale, 1986).

Из всех отраслей металлургии производство стали претерпело самые драматические изменения, но яркие успехи в этой области после 1860 г. не должны заслонять от нас важных достижений на других этапах железоплавильного производства. К 1850 г. стандартным топливом для доменных печей, в которых из железной руды выплавлялся чугун, уже давно являлся кокс. Большинство доменных печей того времени имело высоту около 40–50 футов, а руда нагревалась в них примерно до 600°F (около 315°C). После открытия в округе Кливленд (Северный Йоркшир) залежей железной руды в конструкции доменных печей был сделан ряд усовершенствований, резко повысивших их эффективность. Высота печей постепенно достигла отметки в 80 футов и превысила ее, температура в печи возросла примерно до 1000°F (около 540°C), новые печи предусматривали утилизацию печных газов и оснащались машинами для дутья. Американские изобретатели добавили ряд других новшеств, таких как продувка печи большими дозами воздуха под высоким давлением и непосредственная отливка готовых изделий из чугуна (Allen, 1977, 1981; Temin, 1964).