Изобретено в России: История русской изобретательской мысли от Петра I до Николая II

Задача металлургов — снизить количество углерода и примесей для получения качественной стали. Исторически для этого существовало всего два способа: пудлингование и выплавка в сыродутной печи. Они были схожи по общему принципу и появились задолго до нашей эры: сыродутные печи применяли племена Урарту в XIV–XIII веках до н. э. Железо в таких печах восстанавливалось из его окиси путем нагрева руды, смешанной с древесным углем. На выходе получалась крица — комки железа с примесями, которые подвергали ковке, «выколачивая» шлаки. Потом железо науглероживали (в прямом смысле, как губку, пропитывая углеродом при определенной температуре) и сваривали слои полученной стали с железом, чтобы получить оружие достаточной прочности и твердости. Дальнейшим развитием сыродутных печей стали штукофены и доменные печи с предварительным подогревом воздуха и непрерывным процессом.

Революцию совершили в середине XIX века два человека: английский инженер Генри Бессемер (бессемеровский процесс) и французский металлург Пьер-Эмиль Мартен (мартеновский процесс); последний основывался на более раннем патенте Карла Вильгельма Сименса. Мартеновская печь, впервые продемонстрированная в 1865 году, позволяла выплавлять сталь при очень высоких температурах, до того времени недоступных, и вплоть до середины XX века она доминировала в производстве стали. Бессемеровский процесс подразумевал продувку сжатого воздуха через чугун, которая способствовала окислению примесей и образованию качественной стали. Интересно, что на первых порах этот процесс проиграл мартеновскому, но после Второй мировой войны в усовершенствованном, более скоростном виде начал активно развиваться и сейчас (в форме кислородно-конвертерного процесса) преобладает в черной металлургии.

Но все это произошло после. Когда Павел Аносов понял, что производство стали нужно как-то совершенствовать, никакого Мартена и Бессемера еще не было.

Литая сталь

На Златоустовском заводе сталь получали по-дедовски — в горнах (дальнейшее развитие сыродутных печей) — с последующей обработкой крицы ковкой. Такая технология к тому времени устарела даже по российским меркам: на прогрессивных производствах и тем более в Европе использовали так называемый тигельный метод, причем в Англии он был известен с середины XVIII века. По классической технологии в тигли — специальные емкости — закладывалась шихта (совокупность материалов, при переплавке дающая сталь требуемых качеств) довольно сложного состава, включающая чистое железо, пудлинговую сталь, чугун, уголь и пр. Сам тигель тоже был сделан из материала, способного влиять на качество выходящей стали.

Аносов разработал метод русской литой стали, опираясь как на известные зарубежные образцы, завезенные на некоторые российские заводы, так и на собственные знания. По его проекту было построено восемь печей на восемь тиглей каждая, причем с последними возникла проблема. В России делались только глиняные тигли для цветных металлов, для стали же требовались емкости («плавильные горшки», как говорили тогда) с меньшей осадкой — глиняно-графитовые. Аносов организовал поиск месторождений графита, а после и его добычу. Прежде в России этот материал ни для чего не использовался в промышленных масштабах.

А вот все, что происходило дальше, — уже личный вклад российского металлурга. В Европе литую сталь получали в небольших количествах, в частности из-за примитивных методов насыщения углеродом (чтобы не было расхождения в терминах: оно же науглероживание, оно же цементация). Для получения нужного процента углерода железо сплавляли с углеродосодержащими материалами — это называется цементацией в твердом карбюризаторе. Болванки закладывали в печь в контакте, скажем, с древесным углем, и качество стали зависело от чутья металлурга: процент углерода был напрямую связан с тем, как проводилась закладка.

Аносов же придумал цементацию в газовом карбюризаторе. Опытным путем он пришел к выводу, что плавка стали в закрытом древесно-угольном горне приводит к цементации стали благодаря атмосфере, насыщенной окисью и двуокисью углерода. При этом открытие задвижек замедляет процесс науглероживания, поскольку количество углеродосодержащего газа снижается.