Металлургия и время - Том 3

круППовские черти

Проблемы с производительностью имели место и при получении стали – предельная ёмкость тиглей определялась физической силой рабочего, переносившего тигель, и не превышала двух пудов. Наибольшего развития тигельный процесс достиг в первой половине XIX в., когда промышленность потребовала прочного металла для производства машин. Германская фирма Альфреда Круппа купила технологию Хантсмена в 1810 г. Во второй половине XIX в., как раз в то время, когда Бессемер, Сименс и Мартены вели свои опыты по разработке процессов производства литой стали, крупповские специалисты изготовили стальную пушку путём соединения в специальном резервуаре

из десятков тиглей. В 1862 г. сталелитейная фабрика Круппа произвела 5200 т литой стали.

Высококачественная литая сталь использовалась в основном для изготовления относительно небольших изделий, и пример фирмы Круппа – лишь исключение, под-

Глава 3

возможным. Бессемеру было предоставлено место «главного надзирателя за гербовыми марками» с приличным жалованием в 600—800 фунтов стерлингов в год.

Карьера изобретателя пошла в гору, он решил жениться. Невеста Генри, Анна Аллен, наделённая несомненными творческими способностями, предложила ставить на штампованную марку дату её использования. Бессемер имел неосторожность рассказать об этом предложении в департаменте, где его с радостью приняли, поскольку этот способ требовал минимальных изменений существующей технологии. Таким образом, новая должность «главного надзирателя» больше не требовалась, и вопрос о вознаграждении Бессемеру был благополучно забыт. Поскольку изобретение не было запатентовано, Бессемеру оставалось лишь махнуть рукой и поместить воспоминания об этом случае в копилку жизненного опыта.

После женитьбы Бессемер работал в отцовской словолитне, занимался гравировкой, разработкой легкоплавких сплавов, усовершенствованием способов литья, созданием новых инструментов, приборов и механизмов.

Маленькое Эльдорадо Бессемера

В начале 1840-х годов Бессемер открыл для себя «маленькое Эльдорадо», которое упрочило его материальное положение, а в дальнейшее позволило финансировать работы по производству стали. Помог, как это часто случалось в жизни Бессемера, случай. Чтобы сделать по просьбе сестры надпись в её альбоме акварелей, Генри купил два пакетика золотого порошка и был неприятно удивлён его ценой. Сообразив, что она обусловлена ручным способом изготовления порошка, Бессемер взялся создать процесс, который позволил бы производить в больших количествах дешёвый золотой порошок.

Проанализировав существующий способ, при котором кусочки латуни расплющивались в тончайшие листочки,

азатем вручную растирались с гуммиарабиком в ступке, Бессемер приступил к исследованиям (в том числе с применением микроскопа) и экспериментам, которые продолжались почти год.

Разработанная Бессемером машина расплющивала кусочки металла в валках, перетирала их, сортировала по крупности в потоке воздуха, а крупные частицы снова перетирала. Все работы велись в строжайшем секрете, детали будущей машины заказывались на разных заводах,

апомещение для неё не имело окон и освещалось лишь верхним светом через отверстие в крыше. Бессемер мак-

симально механизировал все операции, так что для процесса получения золотого порошка было достаточно трёх человек — братьев жены изобретателя.

Задача получения различных оттенков порошка решалась подбором состава медных сплавов, в чём Бессемер

имел большой опыт. В своей автобиографии он писал, что

на своём веку переплавил не один мешок русских медных копеек. Для этих целей рядом с фабрикой, на Бакстерстрит была устроена металлургическая мастерская.

Около 20 лет, пока в США не был разработан аналогичный способ, фабрика приносила семье Бессемера стабильный доход и позволяла самому Генри без проблем заниматься изобретательством. В период с 1843 по 1853 гг. он взял 27 патентов.

Универсальный изобретатель

Изобретения Бессемера касались различных отраслей промышленности и транспорта. Он получил патенты на соединение железнодорожных вагонов гофрированным рукавом («гармоникой») для безопасного перехода, которое вошло в железнодорожную практику много лет спустя, на систему «гидростатического тормоза» железно-

дорожного состава, когда все колёса поезда тормозятся одновременно давлением воды. Этот способ используется и поныне, только вместо воды применяется воздух.

Наиболее активно Бессемер работал в области сахарного и стекольного производств. Здесь он эффективно применял научный подход, по нескольку лет исследуя свойства материалов и их поведение в производственных процессах. Результатом исследований стали пресс для отжима сока из сахарного тростника, сконструированный таким образом, что не позволял упругому стеблю впитывать сок после снятия давления, и стекольная печь с медленно вращающимися для перемешивания тиглями и «прокатным станом» для производства оконного стекла.

Патент на стекольную печь Бессемер продал за 6 тысяч фунтов стерлингов промышленнику Чансу. Однако лишь в конце XIX в. способ непрерывной разливки оконного

Глава 3

стекла был применён в производственной практике. Сам принцип непрерывной разливки в охлаждаемые валки предлагался Бессемером позднее и для жидкой стали, однако на практике он был осуществлён лишь в наши дни в составе так называемых литейно-прокатных комплексов (ЛПК). Первый и пока единственный в нашей стране ЛПК был недавно построен на Выксунском металлургическом заводе Объединённой металлургической компании.

Артиллерийский капитан в роли оракула

История работы над способом производства литой стали началась в 1854 г., когда Генри Бессемер предложил военному министерству Великобритании идею артиллерийского снаряда особой конструкции, которая позволяла ему вращаться в полёте даже при выстреле из гладкоствольного орудия. Дело в том, что в ходе Крымской войны выявились преимущества продолговатых снарядов с заострённым наконечником, однако для стабилизации траектории полёта таких снарядов требовалось придать им вращательное движение, для чего необходимо было иметь спиральные нарезы в канале ствола. Изобретение Бессемера позволило бы использовать существующий парк гладкоствольной артиллерии, постепенно обновляя его нарезными орудиями.

Мортира Бессемера

и конструкция его

снаряда

Однако военное ведомство отказало изобретателю. Тогда он соорудил у себя на Бакстер-стрит небольшой полигон, где проводил испытания своего снаряда с помощью небольшой мортиры, чтобы траектория полёта

была по возможности более крутой и снаряды падали внутри его участка. Получив обнадёживающие результаты, Бессемер продемонстрировал модель своего изобретения одному из родственников Наполеона III. Принц рассказал об этом императору и тот разрешил Бессемеру

провести опыты на полигоне в Венсенне.

Глава 3

Ферберна (Sir William Fairbairn), которые пытались получить ковкий чугун, сплавляя серый чугун с железными обрезками в вагранке. Однако вагранка не подходила для работы с коксом: в металл переходили примеси, в первую очередь сера. По этой причине Бессемер взял за основной агрегат пудлинговую печь, в которой сначала расплавлялся чугун, а затем вводились куски цементированной стали.

Для расплавления частично обезуглероженного металла была нужна высокая температура, и Бессемер предложил достичь её увеличением ширины колосниковой решетки, на которой сжигался уголь (т.е. увеличением рас-

хода топлива), и сужением поперечного сечения печи у порога и перед боровом. Несмотря на несомненное улучшение конструкции, осталась нерешенной проблема контакта металла с горючими компонентами продуктов горения, что вызывало науглероживание металла. С этой проблемой Бессемер боролся более полугода, пока не разработал пламенную печь - своеобразную комбинацию пудлинговой печи и кричного горна.

Модифицированная

пудлинговая печь

Бессемера

Бессемер представил французскому правительству, на деньги которого производились исследования, отчёт о проделанной работе, после чего последовало распоряжение о строительстве печей новой конструкции на пу- шечно-литейном заводе в г. Рюэль (Ruelle). Однако печи так и не были построены, поскольку направление исследований Бессемера, благодаря случаю, приняло совершенно иное направление.

Направление прорыва

Вернувшись с Рюэльского завода, Бессемер продолжил опыты с пламенной печью и заметил несколько кусков нерасплавившегося чугуна. Увеличив подачу воздуха через пламенный порог, он с удивлением обнаружил, что они так и не расплавились. Коснувшись их ломом, Бессемер понял, что это лишь пустотелые оболочки. Произошло это потому, что чугун на поверхности чушек «обезуглеродился» и превратился в железо, температура плавления которого выше, чем чугуна. Этот факт, хорошо известный пудлинговщикам, не был известен изобретателю.

Наблюдение, которое профессионалы оставляли без внимания, привело изобретателя к мысли о необходимости подвода воздуха к возможно большей поверхности чугуна для его интенсивного обезуглероживания. Как Бессемер от мысли о подаче воздуха на поверхность металла пришёл к идее продувки слоя металла неизвестно. Кстати, необходимо отметить, что Бессемер не первым пришел к мысли о целесообразности продувки чугуна воздухом. Известно, что за семь лет до Бессемера такие опыты успешно проводил в Америке Уильям Келли.

Возможно, идеей Бессемера было получение тигельной стали, но не из дорогой цементированной стали, а из дешёвого чугуна путём его продувки непосредственно

в тигле. При этом металл частично обезуглероживался, а затем, при повышении температуры, образовавшаяся смесь чугуна и железа расплавлялась, превращаясь в тигельную сталь. Именно так Бессемер описывал свои опыты в письме к Нэсмиту. В нём же он писал, что пришёл к мысли: если метал сначала расплавить, а потом продувать, то процесс удаления примесей пойдёт гораздо эффективнее. Тут же был проведён опыт, в ходе которого за полчаса металл был полностью обезуглерожен, однако более половины его было выброшено из тигля. Результатом исследований стал тигель особой конструкции, препятствующей выбросу металла и патент от 17 ок-

тября 1855 г.

Глава 3

Доклад Бессемера, напечатанный на другой день

вTimes (его перевод вскоре был опубликован в российском «Горном журнале»), вызвал огромный интерес и обеспечил изобретению необходимую рекламу.

Бессемер хорошо понимал, что для масштабного промышленного применения нового процесса придётся ещё провести большую работу по борьбе с его «детскими болезнями» и что для этого нужны немалые денежные средства. Для того чтобы обеспечить их поступление и заинтересовать потенциальных пользователей он применил следующий подход. В каждом из пяти промышленных регионов им был выбраны ключевые партнёры – крупные промышленники, обладавшие значительными средствами и весом в деловом сообществе. Они покупали лицензию на новую технологию за 10 тыс. фунтов стерлингов на льготных условиях: вместо положенных по британскому патентному законодательству 14 лет они платили отчисления Бессемеру (10 шиллингов с тонны) только год.

Такая схема имела несомненные преимущества. Вопервых, благодаря «демпингу» обеспечивалась заинтересованность промышленников в использовании нового процесса, экономическая привлекательность которого существенно возрастала. Уже через несколько недель после доклада Бессемер собрал за право использования своего патента около 27 тыс. фунтов стерлингов.

Ксчастью для своего изобретения, Бессемер имел деловую хватку и существенный опыт в продвижении своих разработок, потому что вскоре начались проблемы. Дело

втом, что чугун, используемый им в опытах, был очень чистым по примесям, в первую очередь по фосфору, что обеспечивало высокое качество получаемой стали. Когда же дело дошло до промышленного применения, то обнаружились все недостатки недоведённого до ума процесса. Помимо невозможности удалять примеси к недостаткам относились очень низкая стойкость футеровки

конвертера (не более трёх продувок) и большие потери металла — до 40 %.

От лабораторных опытов к промышленной технологии

Бессемер перешел к решительным действиям. Переведя половину денег на имя жены на случай полного поражения, на остальные он начал всесторонние масштабные технические и научные исследования. Изобретатель организовал собственный завод в Шеффилде, где вместе с единомышленниками занялся совершенствованием нового процесса. Компаньонами Бессемера стали: его товарищ Лонгстон, зять Уильям Аллен и манчестерские машиностроители братья Холлоуэй, обменявшие купленную у Бессемера лицензию на паи предприятия. Изобретатель привлёк к работе известного химика про-

фессора Генри и химика-аналитика завода Даулейс Эду-

арда Райли, которые производили анализы сырья и продуктов процесса на различных стадиях плавки.

Затруднения с выбросами металла были устранены приданием сосуду формы груши.

Сосуд вращался на горизонтальных цапфах, в опрокинутом положении дно оставалось свободным, при этом дутье можно было прекратить, не опасаясь, что жидкий металл польется в воздушные отверстия. Конвертер имел ручной привод поворота, который позднее был заменён гидравлическим. Исследования помогли понять ход процесса, однако проблему фосфора решить не удалось.

Бессемеровский чугун

Обнадёживающие результаты были получены в Швеции на заводе в Эдскене (Edsken) Гёраном Фредериком Гёрансоном, ранее купившим лицензию, была произведена хорошая бессемеровская сталь из шведского чугуна. Позднее, в 1862 г., Гёрансон основал машиностроительную фирму Sandvik, которая в начале своей деятельности за-

нималась производством стали для изготовления буровых свёрл, а в наши дни является одним из ведущих производителей горного и металлургического оборудования. Таким образом, один из вариантов, позволяющих обойти проблему фосфора, заключался в покупке чугуна в Швеции и переработке его в Великобритании – экономически это было оправданно.

Вторым вариантом был поиск малофосфористого чугуна непосредственно на острове. Залежи малофосфористой руды разрабатывались в Камберленде. К удивлению Бессемера и его компаньонов, завод, работающий на этой руде, производил фосфористый чугун. Пообещав руководству завода крупные заказы, Бессемер договорился об ознакомлении с производством. Удалось установить, что в качестве флюса для доменных печей использовался фосфористый пудлинговый шлак другого завода. Оставалось лишь договориться с руководством о производ-