Металлургия
9 постов
«Эффект бабочки»: как производитель кастрюль повлиял на индустриальную революцию
Люди давно привыкли к благам цивилизации: покупают готовую одежду, а не ткут и прядут самостоятельно; используют моторчики, где только можно; быстро перемещаются на большие расстояния на разных видах транспорта и т.д. А все это стало возможным благодаря Первой промышленной революции, которая началась в Англии в XVIII веке и стояла на трех главных инновациях: запуске текстильной промышленности, изобретении парового двигателя и… замене древесного угля на каменноугольный кокс при выплавке чугуна. О последнем мы и расскажем поподробнее.
Во второй половине XVI в. возрастающий спрос на металл стимулировал неуклонное увеличение размеров доменных печей для выплавки чугуна. От 4,5 м в XVI веке печи «выросли» до 9 м в XVII в., но их производительность была всего 5-7 т чугуна в сутки. На 1 т чугуна расходовалось, в среднем, 1,6 т древесного угля, но с учётом кузнечных доп. работ, общий расход твёрдого топлива превышал 3 т. В сутки требовалось около 100 м3 древесины, то есть более 50 стволов среднего размера (50-70 см в диаметре). Леса вырубали в огромных масштабах (не только из-за этого, конечно, надо было еще строить корабли и выделять место под пастбища, но всё же). К XVII в. в Европе, особенно в Великобритании, это превратилось в серьёзную проблему. Требовалось найти новое, более эффективное топливо.
Речной ландшафт с доменными печами. Иоахим Патиниер. XVI в.
Каменный уголь (в небольших хозяйствах) использовался в Англии на протяжении всего средневековья. Но с ним была проблема — много серы, которая, попадая в чугун, делала его ломким и непригодным для дальнейшей работы, ну и пахла ужасно. С применением угля в доменной плавке дела обстояли ещё сложнее. Требовалось, во-первых, превратить уголь в прочное кусковое топливо, а во-вторых — что-то решать с серой. Первым, кому удалось достичь успехов в этом деле, был Дад Дадли (Dud Dudley), внебрачный сын Эдварда Саттона, пятого барона Дадли. Ещё в юности Дад начал работать на металлургическом заводе своего отца, где проводил опыты с углём. Позднее он писал: «Дрова и древесный уголь становились редкими, а между тем в непосредственной близости от доменной печи находили в большом количестве каменный уголь. Это обстоятельство побудило меня видоизменить устройство горна, чтобы попробовать положить туда каменный уголь... Успех, достигнутый мною при первом же опыте, поощрил меня. После второго опыта я убедился, что металл, получаемый по моему новому способу, был хорошего качества». Он сообщил о результатах отцу, который и взял патент на своё имя. Его доменная печь в Аскью-Бридж (Askew-Bridge) давала в 1635 г. приблизительно 7 т чугуна в неделю, себестоимостью в 4 фунта стерлингов за т, при обычной величине 6-7 фунтов стерлингов. Одного этого было достаточно, чтобы вызвать настоящую революцию в металлургической промышленности, но наступила черная полоса: доменные печи были разрушены «Великим майским наводнением», потом конкуренты науськали рабочих разгромить завод, затем долги, тюрьма, переворот Кромвеля в стране, разорение. После реставрации монархии Дадли попытался вернуть себе свои права, однако его ходатайства были приняты довольно холодно. В 1665 г. он написал книгу с посвящением «почтенному Большому совету его Величества», озаглавленную Metallum Martis или «Изготовление железа с использованием земляного и морского угля». Несмотря на это все просьбы Дадли были отклонены. Умер он в 1684 г., забытый всеми, а вместе с ним ушёл в могилу и его секрет.
После смерти Дада Дадли разные товарищи предпринимали безуспешные попытки по коксованию угля. Стремление сделать угольное топливо приемлемым для использования в промышленности привело к логичному выводу: чтобы вывести «сернистые соединения» из угля, надо его нагреть без доступа воздуха, аналогично тому, как обугливали дерево. Однако оказалось, что большая часть серы, связанная с нелетучим углеродом или находящаяся в золе, в условиях, характерных для коксования, остается в нелетучем остатке и только малая доля удаляется с газами.
Решить проблему использования высокосернистого коксующегося угля при выплавке чугуна в промышленных масштабах удалось родственнику Дада — Абрахаму I Дарби (его прабабка была сестрой Дадли), и потом его сыну Абрахаму II.
В юности Абрахам учился в Бирмингеме у мастера Джонатана Фрита, который занимался строительством солодовых мельниц. Английские пивовары в то время уже использовали каменный уголь в работе, но его предварительно подготавливали, чтобы удалить серу, которая могла испортить запах. Предполагается, что Дарби кое-что точно подсмотрел у пивоваров.
Получив знания и в выплавке металлов, и в работе с углём, Дарби переехал в Бристоль, куда его в 1702 г. пригласили в состав учредителей Бристольской компании латунного литья, производившей преимущественно кухонную утварь. Абрахам сначала разработал и внедрил новую технологию отливки котелков и кастрюль в песчаные формы, а не в глиняные (которые деформировались и трескались при заливке в них металла), на чем отлично заработал. В 1704 г. он организовал литейное предприятие Cheese Lane Foundry, которое первоначально производило посуду из латуни, а позже перешло на использование чугуна.
Вид на Верхние заводы Коалбрукдейла (в правом нижнем углу – кучи для выжига угля). Художники Дж. Перри и Т. Смит. 1758 г.
В 1705 г. Абрахам I взял в аренду разрушенную печь в Коулбрукдейле (она впоследствии получила название «Старая домна») и начал проводить опыты по приготовлению угля «без серы» и отливке чугуна.
«Старая домна», ныне часть Музея железа Коулбрукдейла, где Дарби-старший проводил опыты
Неоспоримым является тот факт, что с самого начала работы Дарби использовал специально подготовленный каменный уголь. Возможно, ему помогло то обстоятельство, что угли Шропшира крупнокусковые и относительно малосернистые. Сохранилась его книга для записей, в январе 1709 г. в ней упоминается «обугленный» («charked») уголь. В тот год внезапно объемы производства на его заводе резко взлетают, Дарби продал тогда 81 тонну чугунных изделий. И дело вроде отлично шло, бизнес расширялся, но в 1717 году, в 39 лет Абрахам умирает после долгой болезни. Его старшему сыну на тот момент было 6 лет. Компаньоны и нерадивые родственники чуть не разрушили всё дело. Но благодаря усилиям дяди-опекуна, который не бросил племянника и купил для него акции, Абрахам-младший смог участвовать в управлении предприятием, в 17 лет. 17, Карл!
За прошедшее с момента смерти Абрахама-старшего время округ обезлесился — возник серьезный риск, что завод в скором времени останется без древесного угля, который все еще был основным топливом. Для решения проблемы нужно было закончить работу начатую отцом и Абрахам II стал долго и упорно экспериментировать. Он установил, что кокс более плотный по сравнению с древесным углём и из-за этого хуже горит. Кроме того, в нём всё ещё содержалось много серы, а после сгорания оставалось много золы, которую надо было удалять со шлаком. Для решения этих проблем он увеличивал мощность воздуходувок, для связывания серы в шлак придумал подмешивать к руде негашёную известь, внес в технологию плавки изменения, обусловленные различием в физических свойствах древесного угля и каменноугольного кокса.
В 1735 г. Абрахам II достиг цели. Несмотря на явный успех и пользу для отрасли, новый способ стал общеупотребительным только в 1780-е гг. Новая технология сняла проблему нехватки топлива для производства чугуна и позволила производить его в больших количествах. Но проблема топлива оставалась на следующем этапе — при переделе чугуна в железо. Для этого тоже требовалось много топлива, а использование сернистого угля приводило к «порче» металла. Как мы сейчас знаем, «дешёвыми» методами серу из угля удалить невозможно, остаётся только один способ — использовать тепло сжигаемого топлива, изолировав при этом металл от контакта с углем. По этому пути, кстати, и пошли братья Кранедж, получив патент в 1766 г. на процесс пудлингования. Идея была в том, что чугун помещался в отражательную печь, свод которой нагревался продуктами горения угля. Таким образом металл почти не контактировал с продуктами горения и не насыщался серой.
Что же было после? Промышленная революция! Одни изобретения влекли за собой другие: возросшую массу товаров уже невозможно было перевозить на лошадях и парусниках. Совершенствовался транспорт: появились пароход, паровоз, строились мосты из металлоконструкций. К слову, первый чугунный арочный мост в мире построил Абрахам Дарби III — внук Дарби старшего.
Чугунный мост через реку Северн в графстве Шропшир в Англии, построенный Абрахамом Дарби III, был открыт в 1781 г.
Завершением промышленного переворота можно считать производство машин с помощью машин. Стали строиться заводы современного типа. Индустриализация Англии вызвала бурный рост промышленных центров. В частности, мощное развитие чёрной металлургии России в XVIII в. было обеспечено не в последнюю очередь английскими специалистами и технологиями.
Текст подготовлен на основе материалов из энциклопедии «Металлургия и время», созданной учеными НИТУ МИСИС.
Показать полностью
5
