До эпохи промышленной революции металлургия представляла собой эмпирическое и экспериментальное ремесло, в рамках которого одаренные любители и полупрофессионалы пытались решить сложные химические и физические проблемы, озадачивавшие тех, кто занимался повседневной выплавкой металлов. Успешное решение этих проблем остается свидетельством решимости создавать материалы, лучше и дешевле удовлетворяющие людские потребности. Виднейшее место среди этих материалов занимало железо. Его было нечем заменить в смысле долговечности, универсальности и легкости обработки. Мы уже видели, что в позднее Средневековье появился чугун, отличавшийся относительно высоким содержанием углерода и низкой температурой плавления. Он был твердым и хрупким, и потому чугунным изделиям не удавалось придавать нужную форму с помощью традиционных кузнечных инструментов, но из него можно было отливать котлы, печи и пушки. Большинство металлических предметов, включая детали машин, гвозди, замки и инструменты, выковывалось, и потому для них требовался более пластичный материал. Процесс переделки чугуна, производившегося в доменных печах, в ковкое железо оставался главным узким местом в металлургии. В течение XVIII в. поиски путей к решению этой проблемы активно велись в Великобритании. Братья Вуд первыми стали применять так называемый поттинговый процесс, используя тигли, или «горшки», для нагрева чугуна (Hyde, 1977, p. 83–88). Окончательное решение проблемы, найденное в 1784 г. Генри Кортом, представляло собой умелое сочетание нескольких элементов – таких, как отражательная печь на угле, долгое время применявшаяся в стекольной промышленности, и прокатка нагретого металла в рифленых валках. Разработанный Кортом процесс пудлингования и прокатки можно назвать типичным великим изобретением промышленной революции в том смысле, что он увенчал собой разрозненные и длительные попытки решить сложную, но экономически чрезвычайно важную проблему. После нескольких усовершенствований, внесенных в конце 1780-х гг., процесс Корта штурмом взял британскую металлургию. Мелкие самостоятельные печи, прежде являвшиеся единственным источником ковкого железа, исчезли, вытесненные крупными пудлинговыми печами. Производство высококачественного и дешевого железа резко возросло, сделав его строительным материалом промышленной революции.

XVIII век стал свидетелем еще одного не менее знаменитого достижения: использования кокса – очищенного битуминозного угля – при выплавке железа. Кокс как компонент этого процесса первым освоил Абрахам Дерби. Кокс и раньше применялся в металлургии, но его использование в доменных печах началось около 1709 г. Новые исследования по истории металлургии опровергли распространенный миф о том, что переход на кокс был вызван дефицитом древесного угля и что распространению новой технологии препятствовала семья металлурга, державшая ее в секрете (Flinn, 1978; Hyde, 1977, p. 25–29). В реальности проблема состояла в том, что из железа, выплавленного с применением кокса, долгое время не удавалось удалить кремний, что затрудняло переделку чугуна в ковкое железо (Fylecote, 1976, p. 108–109). Распространение кокса в металлургии после 1750 г. объясняется дальнейшим техническим прогрессом и, в первую очередь, успехами сына Дерби, разработавшего процесс переплавки чугуна в так называемых плавильных печах с целью удаления кремния. Другие усовершенствования включали производство кокса в закрытых печах, имевших форму ульев, и замену старомодных мехов новыми цилиндрами для дутья с приводом от водяного колеса, изобретенными около 1760 г. многогранным Джоном Смитоном. В 1760–1790 гг. кокс вытеснил древесный уголь в британской железоплавильной отрасли, постепенно проникая и на материк. Доменные печи становились все крупнее и эффективнее, позволяя производить более качественное и более дешевое железо. Еще один важный прорыв осуществил шотландец Джеймс Нейлсон, выступивший с идеей использовать газы самой доменной печи для предварительного нагрева поступающего в нее воздуха (1829). Метод горячего дутья не требовал больших затрат, в то же время втрое снижая расход топлива. При этом в печи создавалась достаточно высокая температура для того, чтобы использовать не только коксованный битуминозный уголь, но и другие виды топлива – например, антрацит. В 1828–1840 гг. шотландским производителям железа удалось сократить издержки почти на две трети, однако по мере распространения этой технологии по Великобритании цены на чугун падали, а вместе с ними – и прибыли (Hyde, 1977, p. 151–152). Именно этот процесс сделал возможной разработку железорудных месторождений шотландского «черного пояса» и позволил Шотландии стать конкурентом «Черной страны» (английского Мидленда) и Уэльса в производстве чугуна.

РИС. 26. Пудлинговая печь Корта для производства ковкого железа (в разрезе). Источник: Archibald Clow and Nan L. Clow, The Chemical Revolution, Batchworth Press.

Материалом, наиболее упорно сопротивлявшимся инновациям, являлась сталь. С точки зрения химии сталь представляет собой промежуточный продукт между практически чистым от углерода ковким железом и чугуном с высоким содержанием углерода. Сталь можно производить из ковкого железа методом его науглероживания (цементации), либо из чугуна путем удаления углерода (обезуглероживание), либо путем переплавки железного скрапа с высоким и низким содержанием углерода. Также сталь можно выплавлять непосредственно из руды, помещая ее в тигли вместе с брусками специально обработанного дерева. Такую сталь, известную как булат (вуц), впервые начали производить в Хайдарабаде (Индия). Желательные физические свойства стали (упругость, прочность, гибкость) делали ее идеальным материалом для изготовления лезвий, оружия, ножниц, пружин и деталей машин, но она имела запредельно высокую стоимость. На Западе сталь производилась методом цементации – этот процесс применялся еще в Малой Азии около 1000 г. до н. э. Производство такой «томленой стали» включало «выпечку» ковкого железа путем его нагрева при непосредственном контакте с древесным углем и последующую длительную проковку для равномерного распространения частиц углерода в металле. Доменная печь создала новые возможности для изготовления стали путем переделки высокоуглеродистого чугуна или растворения ковкого железа в расплавленном чугуне. Более того, руды с высоким содержанием марганца обеспечивали более строгий контроль над распространением углерода, позволяя оставить в железе небольшую долю этого элемента. К XVII в. европейцы узнали, что качество стали можно повысить путем переплавки и проковки небольших кусков металла при очень высокой температуре – этот метод обеспечивал более равномерное распределение углерода. Производство высококачественной стали около 1740 г. усовершенствовал Бенджамин Хантсмен, использовавший кокс и отражательные печи для создания достаточно высоких температур, позволявших нагревать томленую сталь до температуры плавления. Таким способом он изготовлял тигельную, или литую, сталь, которая вскоре стала пользоваться большим спросом у изготовителей инструментов и часовщиков. Значение тигельной стали состоит в том, что из нее можно делать отливки, а одновременная плавка в большом числе тиглей со временем дала возможность производить крупные слитки. Германский сталепромышленник Альфред Крупп первым начал применять эти технологии при литье стальных пушек. Его шестифунтовка стала одной из главных сенсаций выставки 1851 г. в Хрустальном дворце, как и гигантская стальная отливка весом в 4300 фунтов. И все же сталь оставалась слишком дорогой для массового использования в решающие годы промышленной революции. Вплоть до 1860 г. основным материалом была не сталь, а ковкое железо.