Великая индустриальная революция, начавшаяся в XVIII веке, состоялась во многом благодаря прорыву в металлургии. Был найден способ получения качественного и дешевого железа. Из которого и делали поезда, корабли, станки, мосты, фонари, машины, паровые двигатели, железные дороги, пароходы, печи, телеграф, пушки и так далее и так далее. Что же подарили нам металлурги?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №7(35). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Железо входит в состав гемоглобина — это придаёт крови столь эффектный цвет и попутно обеспечивает все окислительно-восстановительные реакции в организме. Данный факт был установлен по историческим меркам совсем недавно. Ещё во второй половине XIX века обыватели искренне изумлялись, узнав, что у железных метеоритов, компаса Колумба и рабочего-пудлинговщика есть нечто общее! Этим объединяющим началом было железо, которого на Земле вообще немало: оно занимает треть объёма планеты, превосходя другие элементы как по массе, так и по числу атомов. Правда, подавляющая его часть сосредоточена в ядре и порождает такое загадочное явление, как геомагнетизм.

Внимательный читатель наверняка обратил внимание на странную профессию, упомянутую выше: пудлинговщик (или пудлингёр). Её появлению способствовал энергетический кризис, поразивший металлургию в середине XVIII века. Индустриально развитые страны столкнулись с массовым уничтожением лесов, интенсивно пережигаемых на древесный уголь. Дело в том, что каменный уголь для простых сыродутных печей, в которых выплавлялось железо, не подходил, так как содержал большое количество серы, заметно ухудшавшей качество металла.

Вспомним, как получали железо наши предки на протяжении по крайней мере полутора тысяч лет. Железная руда — сложная смесь окисей железа с глиной, кремнезёмом и известняком. Добытую руду первым делом очищали и дробили в порошок. Затем подготовленный концентрат смешивали с древесным углём и закладывали в печь. При высокой температуре углерод из угля захватывает кислород, причём не только атмосферный, но и тот, что связан с атомами железа. Когда уголь выгорал, в печи оставалась крица — комок пористого железа с большой долей вредных шлаков. Эту крицу затем оковывали, устраняя поры и получая в конце концов монолитную кричную болванку. Обычно одна печь выдавала до 40 кг крицы.

Металлургический завод в древнем Папулонии (Тоскана, Италия) © James M. Gurney / National Geographic

Растущая промышленность в целом и металлургия в частности требовали всё больше и больше древесного угля. Своих природных богатств не хватало, поэтому Англия, главная индустриальная держава того времени, превратилась в крупнейшего импортёра леса (три четверти которого немедленно пережигалось на древесный уголь).

Превращение Туманного Альбиона в песчаные пустоши остановил Дад Дадли, незаконнорождённый сын лорда Дадли, потомок знаменитого фаворита Елизаветы I графа Лестера.

Путь ко двору бастарду был закрыт, поэтому молодой человек решил заняться чем-нибудь сугубо практическим и перспективным: годы обучения в Оксфорде стали для него ещё и временем овладения нелёгким, но весьма престижным кузнечным ремеслом. Зная проблему изнутри и имея основательную научную подготовку, юноша понял, что в каменном угле есть вредные примеси (сера и фосфор), которые сильно портят выплавляемое железо и которых нет в древесном угле. После ряда экспериментов родовитый кузнец пришёл к выводу: каменный уголь надо пережигать по образцу древесного, без доступа атмосферного кислорода (то есть подвергать пиролизу — термическому разложению). В результате из каменного угля получался кокс. Технология выплавки железа на пережжённом каменном угле (коксе) была запатентована 22 февраля 1622 года.

Впрочем, богачом и железным магнатом Дад Дадли не стал. Лесов в Англии ещё хватало, поэтому об инновации благополучно забыли на сто лет. Только в 1735 году на нескольких заводах кокс занял место основного топлива в плавильных печах — тогда же появилась технология производства передельного чугуна (сплав железа с углеродом со сравнительно низкой температурой плавления, ранее рассматривавшийся как производственный брак). Однако последний шаг к технологической революции сделал не профессиональный металлург, а бывший чиновник морского ведомства Генри Корт.

Ещё будучи на службе и отвечая за поставки металла на британские верфи, Корт обратил внимание на низкое качество английского железа, уступавшего как шведскому, так и русскому. Дело доходило до того, что адмиралтейство запрещало использовать отечественный металл при строительстве кораблей! Выйдя в отставку, Корт заинтересовался проблемой всерьёз — он полагал, что производство конкурентоспособной продукции позволит ему перехватить часть сверхприбылей экспортёров высококачественного ковкого железа. В поисках решения он объездил десятки металлургических заводов по всей Англии, вникая в тонкости выплавки железа,— к тому времени этот процесс уже состоял из двух этапов. Сначала железных дел мастера выплавляли из руды чугун, а затем вторичной плавкой выжигали из него лишний углерод, получая чистое железо с небольшой долей примесей. Выход железа повысился в несколько раз!

Ужаснувшись гигантским объёмам поглощаемого металлургией древесного угля, Корт сделал ставку на кокс и перестроил в 1784 году плавильные печи. Впервые железная руда и уголь были разделены — теперь в топку можно было загружать дешёвый и доступный каменный уголь. Доработка печи заключалась в разделении её объёма на горновой и плавильный отделы, а также обустройстве пода, служившего горновым сводом.

Под был устроен просто: чугунная доска, на которой утрамбовывался чистый песок, разделяла печь на два независимых объёма, горновой и плавильный. Площадь пода обычно составляла 0,5 м2 на центнер садки: стандартная пудлинговая (от английского puddling — уплотнение, утрамбовывание) печь располагала квадратным подом 1,5 × 1,5 м с высотой свода 0,6–0,8 м. За двухчасовой цикл металлурги обрабатывали до 300 кг передельного чугуна.

Главная особенность пудлингового процесса — вымораживание! Именно вымораживание, хотя, казалось бы, о каком холоде можно говорить при температуре в несколько сотен градусов? Тем не менее, если понимать под вымораживанием процесс кристаллизации (например, превращение переохлаждённого водяного пара в льдинки), аналогия довольно точная, тем более что очищенное железо и чугун имеют разные температуры плавления.

Литейное производство в городе Уй (Франция)

Процесс начинался с подготовки пода (после очистки в него насыпали смесь песка с чугунной крошкой и окалиной) и предварительного прогрева печи. Чугунные чушки общей массой более 3 центнеров укладывали рядами и нагревали до плавления. И когда чугун разливался по поду слоем в дюйм, в дело вступали пудлинговщики. Длинными железными штангами-ломами они перемешивали металл с песком и окалиной до тех пор, пока он не становился тестообразным и не начинал свариваться в комки. Эти комки накатывались в крицы.

В процессе пудлингования расплавленный чугун активно реа­ги­­ровал с подовым материалом, и железо очищалось от лишнего углерода, серы и фосфора. Масса крицы составляла в среднем 60–70 килограмм, и можно себе представить, каких усилий стоило переворачивать такие комки железа! Известный английский металлург Д. Перси писал: «Нет производства, где бы мускульная сила человека была подвержена таким тяжёлым испытаниям и притом в столь изнуряющей обстановке».

Жар от печи, 12‑часовая смена и отсутствие средств защиты делали работу пудлинговщика не только физический тяжёлой, но и опасной

Но игра стоила свеч! В 1787 году адмиралтейство по результатам испытаний объявило, что качество сварочного железа, полученного новым методом, выше, чем у эталонного Oregrounds iron (образца из шведского Эрегрунда). Королевская контрольная комиссия рекомендовала применять железо Генри Корта вместо шведского для якорей и «всех железных изделий», используемых в морском деле. Содержание углерода в типичных образцах пудлингового железа не превышало 0,2%, фосфора — 0,01%, а серы оставалось всего 0,004%. До 1% составляли шлаковые включения, удалявшиеся позже в ходе проковки или вальцевания. Всё остальное — чистое железо!

К началу XIX века производство пудлингового железа достигло 80 тыс. тонн (выпуск «старого» кричного упал до 10 тыс. тонн), причём большую часть продукции заводы поставляли в виде готового к употреблению профиля. Успехи местной металлургии позволили в 10 раз сократить импорт русского железа (в 1780‑х годах он составлял более 3 млн пудов).

Скульптора пудлинговщика, Константин Менье

Большую часть XIX века пудлинговое железо верой и правдой служило человечеству. Например, строительство и развитие железных дорог было бы просто невозможно без дешёвого высококачественного железа. Усовершенствованная технология быстро и надолго завоевала место под солнцем. К 1840 году ведущие металлургические страны — Франция, Швеция, Австрия и Россия — перешли на пудлинговый процесс и придерживались его вплоть до начала XX века.

Однако при всех достоинствах пудлингования у него был принципиальный недостаток — невозможность получить плотную литую сталь. Для этого нужна более высокая температура, чем могли обеспечить кричные и пудлинговые печи.