Глава 8«Черный» фундамент Промышленной революции, или Что же изобрели Дарби?
У пивоваров есть способ прокаливать каменный уголь совершенно так, как обугливают дерево... Приготовленный таким образом уголь называют коксом: он даёт почти столько же тепла, как древесный уголь, и может заменять его почти во всех случаях, кроме того, однако, случая, когда требуется выплавлять и фришевать железо.,,,,
1.В результате формирования во второй половине XVI в. двухстадийной технологии производства железа «руда – чугун – железо» и быстрого расширения области применения чугуна доминирующим агрегатом для выплавки железа из руд стала доменная печь. Возрастающий спрос на металл стимулировал неуклонное увеличение размеров агрегатов. При этом, по весьма поэтичному описанию одного автора, «чтобы поддерживать огонь железоделательного завода, вокруг совершались настоящие жертвоприношения деревьев». К XVII в. в Европе, и в первую очередь в Великобритании, это превратилось в серьезную проблему, тормозя развитие зарождавшейся Промышленной революции и ставя под угрозу безопасность страны. Требовалось найти новое, более эффективное в использовании топливо. И этим топливом стал каменноугольный кокс (от англ. coаk, в наст. время cokе). Однако его путь в металлургию оказался очень непростым.
Почему это актуально?
2.Если спросить у современного отечественного специалиста в области черной металлургии, что изобрели английские металлурги отец и сын Дарби, он наверняка ответит: коксование каменного угля. И будет не прав. Удивительно, но о сущности изобретения, определившего структуру современной индустрии, знают немногие. Попробуем приблизиться к истине (что всегда сложно сделать по прошествии столь значительного периода времени) и проведем научное расследование. Итак, данный очерк представляет собой детектив, разыгрывающийся на фоне столь популярной в наше время темы – экологической катастрофы, а восстановление исторической справедливости представляет собой увлекательное интеллектуальное занятие, которое никогда не потеряет актуальности.
Развитие доменного производства в Новое время
3.Если высота доменных печей в XVI в. составляла около 4,5 м, то доменные печи XVII в. были почти в два раза выше и достигали 9 м в высоту. Для обеспечения таких домен воздушным дутьем применяли мощные водяные колеса и специальные деревянные мехи (наиболее удачная конструкция воздуходувного комплекса была разработана в 1620 г. на заводах промышленного региона Гарц в Германии). В результате металлургическое производство переместилось с вершин холмов и скрещения долин, где оно было обеспечено постоянными ветрами, к новым источникам энергии – рекам и быстрым ручьям. Фактически металлургическое предприятие стало представлять собой комплекс, состоящий из искусственного водоема с плотиной, рудника, доменных печей и близлежащего леса, которые снабжали чугуном расположенные поблизости (как правило, вдоль реки) железоделательные заводы.
4.Производительность доменной печи составляла к концу XVI в. 5–7 т чугуна в сутки и продолжала расти. При этом на производство тонны чугуна расходовалось в среднем 1,6 т древесного угля, а с учетом передела чугуна в железо и кузнечной обработки общий расход древесного угля превышал 3 т на тонну железа. Таким образом, при выходе древесного угля 0,25 т на тонну древесины на производство и переработку чугуна одной доменной печи в сутки требовалось около 100 м3 древесины, т.е. более 50 древесных стволов среднего размера (50…70 см в диаметре).
Проблема обезлесения
5.На протяжении более чем столетнего периода Британия была одной из ведущих металлургических держав. Она также являлась лидером в технологическом отношении, в частности, мощное развитие черной металлургии России при Петре I было обеспечено, не в последнюю очередь английскими специалистами и технологиями. В эпоху расцвета металлургической промышленности в Британии сформировались основные промышленные регионы, привязанные к обширным лесным массивам (зачастую бывало так, что богатые рудой районы совершенно не разрабатывались из-за отсутствия поблизости леса).
6.Одним из основных металлургических регионов стало графство Сассекс на юге Англии, о котором современник писал: «Сассекс изобилует рудой; для обработки этой руды были повсеместно построены в крае доменные печи, где ежегодно потребляется огромное количество дров. Сплошь и рядом несколько ручьев соединяли в один, и большие лесные площади превращали в пруды, чтобы искусственно образовать водопады для приведения в действие мельниц; эти мельницы приводят в движение молоты для ковки железа, которые день и ночь наполняют своим стуком всю окрестность».
7.Однако в период Малой промышленной революции (XVI–XVII вв.) ситуация принципиально изменилась: лес – главный поставщик топлива для металлургии и прочих нужд – становился все менее доступен. Англия, которая раньше других стран вступила в «гонку вооружений» в металлургии, соответственно, быстрее всех истощила лесные ресурсы вблизи металлургических заводов. Проблема нехватки древесины дамокловым мечом висела над британской промышленностью уже с конца XVI в.
8.Несмотря на то, что в целом по стране гораздо больший урон лесам наносило расширение сельскохозяйственных угодий и пастбищ для овец, в умах большинства жителей острова эта проблема была связана с железной и стекольной промышленностью. При этом основную тревогу вызывало истребление корабельного леса, что могло повредить гордости Британии – флоту. Дад Дадли, о котором мы еще будем говорить далее, писал по этому поводу в 1665 г.: «Если леса будут и впредь уменьшаться и, в конце концов, исчезнут, то для нас потеряно будет то, что составляет самую главную силу Англии: ее суда, ее матросы, ее торговля, ее рыболовство, военный флот Ее Величества, наше наступательное и оборонительное оружие. Именно это и побудило предшественников Ее Величества, до и после 1588 г., ...издать законы об охране лесов, подвергающихся столь великой опасности из-за железоделательных и литейных заводов».
9.«Ее Величество» – королева Елизавета I Английская – также озаботилась этой проблемой сразу после восшествия на престол. В 1558 г. ею был издан ряд указов, согласно которым запрещалось всем без исключения, под страхом штрафа в 40 шиллингов, рубить деревья для нужд железоделательных заводов на всей территории страны, за исключением графств Сассекс, Сюррей и Кент. Спустя четверть века, в 1584 г., последовал еще один указ, призванный спасти остатки лесного богатства страны. Закон гласил: «Усматривая, что по причине крайнего нерадения, или по причине страшного множества железных заводов, которые существовали и существуют еще в лесах графств Сассекс и Сюррей, и Кент, строевые леса этих местностей претерпевают страшные повреждения, и в самое короткое время могут быть окончательно истреблены, если не принять против того меры, Мы повелеваем, чтобы с будущего праздника Пасхи, не было воздвигаемо в вышепоименованных графствах ни одного горна, ни одной кузницы, ни одного завода для выделки железа». В качестве наказания служил все тот же штраф в 40 шиллингов.
10.В целях охраны лесов в царствование Елизаветы I были изданы еще несколько указов, в частности указ, запрещавший строительство металлургических заводов в радиусе 22 миль вокруг столицы (аналогичный указ был издан и в России в царствование Екатерины II, что, в частности, стало причиной строительства Выксунских заводов). Однако эти законы не затрагивали проблему других причин обезлесения – вырубки под пашни, овцеводства, использования древесного угля и дров в быту.
«Всепожирающие заводы»
11.Проблема эта серьезно беспокоила все слои британского общества: простолюдины шутили, что если бы Иуда жил в Англии, то не нашел бы осины, чтобы повеситься, а парламент регулярно рассматривал этот вопрос на своих заседаниях. Так, в 1651 г., на одном из заседаний лорд Эвелин выступил с речью, названной им «О всепожирающих железных и стекольных заводах». В ней он упоминал некоего углежога из города Дархема, срубившего к тому времени «уже более 20 тысяч дубов». «Если он [углежог] еще немного проживет, – отмечал лорд, – то может оказаться, что во всей стране скоро не найдется и пары стволов на ремонт даже одной церкви». «Кто видел в былое время леса Сассекса, Сюррея и Кента, – говорилось в тексте 1607 г., – этот большой питомник дубов и буков, тот найдет в них за менее чем 30-летний промежуток необычайную перемену; еще несколько таких бедственных лет, как предшествующие, и очень немногие из этих прекрасных деревьев уцелеют». Спустя чуть более века та же судьба постигла дубовые рощи Ирландии – тамошние кожевенники были вынуждены закупать кору для дубления в Норвегии и Англии (впрочем, кожевенники самой Англии в это время ратовали за сохранение железоделательной промышленности как основного поставщика дубовой коры). Дошло до того, что многие начинали сомневаться, а правомерно ли вообще относить запасы железных руд к богатствам Британии.
12.Лишь немногие, в частности Эндрю Яррантон – знаменитый инженер и авантюрист, известный также трудами по политэкономии, – выступали в защиту металлургического производства, справедливо указывая, что заводы никоим образом не могут быть «ответственны» за расширение пастбищ и полей. К этому можно добавить лишь то, что «радиус воздействия» железоделательного, да и стекольного, завода относительно невелик – при дальней транспортировке сырья без железных дорог либо водных путей производство становится просто невыгодным. По этой причине заводы истребляли леса, в основном, в регионах своего размещения, однако картина опустошения при этом была гораздо более впечатляющей, чем поля или пасущиеся на месте бывших лесов овцы.
13.Так или иначе – это уже не имело принципиального значения – но ситуация становилась угрожающей. К 1720-м гг. количество доменных печей в Сассексе уменьшилось до 10, причем каждая производила в среднем 140 т чугуна в год, так что, когда потребовалось отлить решетку (весом около 200 т), окружающую лондонский собор св. Петра, с этой работой едва справились два завода. В дальнейшем от них остались лишь географические названия.
14.В другом металлургическом регионе – Дин-Форест (Dean-Forest) в графстве Глостер, богатом железными рудами, месторождения которых разрабатывались со времен римлян, также имелось к 1720 г. не более 10 доменных печей, на которых вместо руды использовали шлаки римских кузниц. В похожем состоянии находились предприятия Южного Уэльса, долины реки Северн и других мест. Несколько доменных печей обслуживали знаменитые мастерские Шеффилда и Бирмингема, однако объем их производства был недостаточным, чтобы снабдить железом всех ремесленников этих крупных металлообрабатывающих центров.
15.В 1720 г. во всей Англии работало всего около 60 доменных печей, разбросанных по 20 графствам, суммарным производством 17 тыс. т чугуна в год. Объем ввозимой железной заготовки составлял около 22 тыс. т, экспортировалось же всего 4 тыс. т. В дальнейшем импорт непрерывно рос до начала 1760-х гг., а собственное производство оставалось примерно на том же уровне. Проблему пытались решить путем ввоза железа из Ирландии и североамериканских колоний, однако запасы железных руд Ирландии быстро иссякли, а активно развивающиеся колонии не горели желанием снабжать железом ненавистную метрополию.
Новые лидеры
16.В XVIII в. проблема нехватки леса затронула континентальную Европу, в частности Францию: «Многочисленные заводы, разбросанные по всем углам Франции и едва справляющиеся с удовлетворением разнообразных потребностей в железе нашего сельского хозяйства, наших фабрик и наших арсеналов, поглощают ежегодно такое количество древесного угля, которое, будучи подсчитано, кажется поистине ужасающим, и, к несчастью, не вызывает сомнений, что в нескольких частях империи это потребление древесного угля слишком не соответствует нынешнему состоянию большинства наших гибнущих лесов». В результате этого во Франции и Германии, как и в Британии, стала активно развиваться железообрабатывающая отрасль, использующая импортное сырье, а основными поставщиками железа в страны Западной Европы стали Швеция и Россия. Швеция превратилась в самого крупного поставщика железа на европейский рынок еще в XVII в. В начале XVIII в. из страны вывозилось около 30 тыс. т железа в год, причем основным потребителем была Британия.
17.Первая поставка русского железа в Англию (и вообще в Европу) составила, по некоторым сведениям, 13 т и была осуществлена в 1714 г. В 1715 г. 45,5 т пруткового железа отправили из Архангельска за границу голландцы Меллеры, а в 1716 г. в Англию поступило 74 т российского железа. Небольшой по объему российский экспорт лидирующему положению Швеции на британском рынке первоначально ничем не угрожал. Из всего объема импортируемого Британией железа на долю шведского приходилось 76 %, а российского – всего 2 %. Решающим фактором, обеспечивавшим ведущую позицию шведского железа на европейском рынке, стало наличие в Швеции всех условий для его производства: крупных месторождений железной руды, обширных лесов, многочисленных рек и озер. Богатые природные ресурсы позволяли Швеции расширять производство и экспорт железа, в то время как быстрое сокращение лесов в Западной Европе приводило к росту цен на древесный уголь, ограничивало выплавку железа и повышало его стоимость.
18.Шведское железо, производимое из знаменитых руд месторождения Даннемура, отличалось от уральского более высоким качеством. Однако последнее, даже несмотря на необходимость его транспортировки с Урала, было более дешевым. Весь XVIII в. прошел под знаком торгово-металлургических войн между Россией и Швецией: в отдельные годы до половины производства уральского железа уходило в Британию.
Предыстория использования каменного угля
19.Итак, в первой половине XVIII в. черная металлургия Великобритании стала фактически тормозом зарождающейся Промышленной революции. Как и столетие спустя, когда изобретение способа производства жидкой (литой) стали было настолько необходимо промышленности, что оно просто не могло не произойти, переход на новый вид топлива для доменной печи был той самой «прорывной» инновацией, которую все ждали и которая должна была дать выход накопленным к тому времени производительным силам.
20.Решение проблемы, на первый взгляд, было очевидным – Британские острова были сказочно богаты углем. Да и историю использования уголь к тому времени имел солидную. Об угле как о «фракийском камне», который «при сгорании издает настолько неприятный резкий запах, что ни одна рептилия не в состоянии оставаться на месте», впервые упоминает древнегреческий философ Аристотель (384–322 гг. до н. э.) в сочинении Теофраста «О камнях», появившемся приблизительно в 300 г. до н. э., дается следующее описание: «Среди хрупких камней имеются такие, которые, если положить их в огонь, воспламеняются подобно древесному углю и долго горят... Их находят в Лигурии и в Элиде, расположенных в тех горах, что лежат на пути в Олимпию. Камни эти используют кузнецы».
На фото рабочий вывозит породу из угольной шахты.
Существуют два основных вида добычи угля – подземный и открытый. Подземный способ добычи в шахтах – более трудоёмкий и дорогой. Но основные запасы угля находятся на большой Глубине, и поэтому подземный способ наиболее распространён. Для того чтобы добраться до глубоко залегающих угольных пластов, пробивают вертикальные и наклонные шахты. Диаметр их обычно равен нескольким метрам, а глубина может достигать 1 км. и более.
21.В домашнем хозяйстве, по свидетельству венецианского купца и путешественника Марко Поло, каменный уголь уже издавна применяли китайцы. Марко Поло, долгое время живший при дворе монгольского хана Хубилая и изучавший Китай с 1275 по 1295 г., в своем знаменитом отчете о путешествии упоминает о горючих «черных камнях», которые добываются в горах Северного Китая. Их используют для отопления жилищ, нагревания воды в банях. Они встречаются там очень часто и дешевле дров. Этот камень помогает улучшить условия жизни. «Почти нет никого, – пишет Марко Поло, – кто бы не купался в теплой воде, по крайней мере, три раза в неделю, а зимой даже ежедневно, если позволяют средства. Каждый состоятельный человек имеет в своем доме комнату для купания».
22.С достоверностью можно сказать, что добыча каменного угля в Европе началась после Великого переселения народов. Согласно документам и хроникам XI–XIV вв., уголь добывали в Германии в том «месте, где поклонялись славянскому богу огня Цвичу» (сейчас г. Цвиккау), под г. Люттихом; на реках Рур и Саар.
«Морской уголь»
23.Первое письменное упоминание об использовании угля в Великобритании относится к 852 г. (некто Вульфред обязывался доставлять его монахам аббатства Медхемстед в числе прочего топлива). Употребление каменного угля было довольно распространено в Англии на протяжении всего средневековья. Его привозили с каменноугольных месторождений, расположенных у морского побережья или недалеко от него – отсюда несколько странное название «морской уголь» («sea coal»), часто встречающееся в текстах до XVIII в. К этому времени уголь составлял весьма важную статью внутренней и внешней торговли.
24.Помимо отопления каменный уголь употребляли во многих отраслях промышленности. Известна петиция 1738 г., которая требовала от парламента, чтобы тот принял меры против чрезмерно высоких цен на уголь. Она подписана «стекольщиками, пивоварами, винокурами, мыловарами, кузнецами, красильщиками, кирпичниками, обжигальщиками извести, литейщиками». Большинство упомянутых отраслей перешло на каменный уголь на рубеже XVII в. Об этом в 1612 г. упоминает в своем труде «A Treatise of Metallica» Симон Стюртевант: «В кирпичном производстве, в пивоварнях, в красильнях, при плавке меди лишь несколько лет назад единственными употреблявшимися видами топлива были дрова и древесный уголь, но теперь их заменяют ископаемым углем, дающим столь же хорошие результаты… Когда-то кузнецы ковали железо на огне древесного угля (и в некоторых местностях, где древесный уголь дешев, они продолжают еще пользоваться им), но уже в течение многих лет вместо него употребляли и употребляют сейчас раздробленный на мелкие куски каменный уголь».
25.Известно, что уже в 1528 г. кардинал Волси, епископ Дархема, пытался реализовать проект выплавки свинца из руд принадлежавших ему шахт, а в 1614 г. вице-адмирал Роберт Манселл взял патент на производство стекла с использованием каменного угля и к 1619 г. производил стекло без применения древесного угля. Таким образом, с начала XVII в. все отрасли промышленности, включая металлообработку, постепенно перешли на использование каменного угля, воспользоваться им не могли лишь в железоделательном производстве.
Специфика металлургического топлива
26.Основная трудность состояла в том, что проблема была комплексной, и для ее решения нельзя было придумать простой способ. При использовании угля в кричном переделе чугуна проблемой было присутствие в нем большого количества серы – капли чугуна, стекая по раскаленному углю, растворяли ее в себе, что придавало получаемому железу свойство красноломкости, из-за которого оно растрескивалось при кузнечной обработке. Известно, что экономически эффективными методами серу из угля удалить невозможно, остается только один способ – использовать тепло сжигаемого угля, изолировав при этом металл от контакта с углем и продуктами его горения. По этому пути и пошли изобретатели, разработав в конечном итоге пудлинговую печь.
27.С использованием угля в доменной плавке дело обстояло еще сложнее – требовалось, во-первых, превратить уголь в прочное кусковое топливо, необходимое для доменной плавки, а во-вторых – решить проблему удаления серы. Дело в том, что газовые угли с высоким содержанием летучих веществ в доменной печи разрушаются при выделении этих газов, а «жирные» угли, обладающие способностью спекаться, образуют сплошную монолитную массу. С учетом относительно небольшой в то время высоты печи, можно было использовать в доменной плавке угли с низким содержанием летучих веществ и антрацит, что частично и осуществлялось.
Первые патенты
28.Первые известные попытки замены древесного угля каменным при выплавке железа относятся к концу XVI в. Патент на производство железа и выплавку свинца «с использованием земляного угля, морского угля и торфа» получили в 1589 г. Томас Проктор и Виллиам Петерсон. По их словам, им удалось произвести на заводе в Йоркшире 7 т хорошего ковкого железа, однако коммерческого успеха они не добились. В их патенте есть намеки на некий процесс подготовки угля, сходный с коксованием. Сразу после этого, в 1590 г., настоятелю собора в Йорке была выдана привилегия на способ «очистки ископаемого угля от его отвратительного запаха» (это также была весьма важная проблема – король Эдуард I (1239–1307 гг.) даже пытался ввести запрет на употребление каменного угля в Лондоне).
29.Чем дороже становился древесный уголь, тем чаще появлялись патенты на использование минерального топлива. Следующий патент на «выделку кричного железа и стали с использованием каменного угля, морского угля, ямного угля и торфяного угля» получил в 1607 г. Роберт Чантерлей, однако достичь положительного результата ему не удалось.
Симон Стюртевант – философ и изобретатель
30.В 1612 г. патент на производство железа с применением каменного угля был выдан Симону Стюртеванту (Simon Sturtevant), по происхождению немцу. Стюртевант родился в 1570 г. в графстве Линкольн-шир, в 1586 г. поступил в Колледж Христа (Christ’s College) в Кембридже, в 1590 г. получил степень бакалавра искусств, а в 1593 г. – магистра искусств. После этого в течение 20 лет он служил приходским священником в небольших городках. По- видимому, учеба в колледже «отравила» его ядом любви к познанию, поскольку своим обязанностям приходского священника он уделял столь мало времени, что в 1613 г. был изгнан из прихода (за весь XVII в. таких случаев в Британии было лишь четыре). Зато в другого рода деятельности он был весьма успешен: в 1602 г. им был опубликован «Этимолог басен Эзопа», в том же году он издал словарь иврита, в 1604 г. получил лицензию на преподавание латыни. Еще более несвойственной его сану деятельностью он стал заниматься позднее – в 1608 г. король Джеймс I выдал ему патент на изобретение способа изготовления глиняных труб.
31.В 1612 г. Стюртевант опубликовал «Руководство по новым изобретениям в металлургии» («A Treatise of New Metallic Inventions»). Это весьма любопытный труд, и его стоит рассмотреть подробнее. Помимо конкретных описаний, он содержал размышления автора на тему изобретений, которые в наши дни не менее актуальны, чем 400 лет назад, когда была написана книга. В изобретениях Стюртевант различал две части – «научную» и «механическую»: «Научной является та, что предписывает общие правила для всех свободных искусств, имеющих конечной целью науку, независимо от всякого видимого результата и от всякого материального объекта... Механическая часть предписывает общие правила для всех несвободных искусств, направляемых на видимый результат и материальный объект.Изобретение последнего сорта называется механическим изобретением». Как тут не вспомнить ставшее привычным в наше время разделение наук на фундаментальные и прикладные?!
32.Изобретения по Стюртеванту делятся на «смешанные» и «чистые»: первые дают возможность нового применения уже известного принципа (например, ветряная мельница, изобретенная после водяной), вторые основаны на новом принципе (например, книгопечатание). Это, конечно, не в чистом виде упомянутое выше разделение инноваций на «поддерживающие» и «прорывные», но подход очень близкий. Всякий новый технический прием, по мнению Стюртеванта, должен удовлетворять трем минимальным условиям по сравнению с тем приемом, который он заменяет: он должен обеспечивать производство продукции, по меньшей мере, тех же количества, качества и цены, что и до его внедрения. Польза от его внедрения возможна лишь в том случае, если этот минимум превзойден, т.е., если продукция производится в большем количестве, если она более совершенна или более дешева. Как видно, подход, используемый в наше время при оценке перспектив внедрения инноваций, был сформулирован еще 400 лет назад.Если верить Стюртеванту, то сделанное им изобретение имело как минимум два из вышеперечисленных преимуществ. Прежде всего, оно давало возможность осуществить значительную экономию в производстве: затраты на топливо сокращались с 500 фунтов стерлингов в год до одной десятой доли этой суммы. Кроме того, ничто уже не сдерживало бы развитие отраслей металлургической промышленности. В то же время сохранялись бы леса – соображение, не только не второстепенное, но производившее, возможно, наибольшее впечатление на современников. Таким образом, Стюртевант впервые четко сформулировал то, что интуитивно было понятно и ранее – необходимость выгоды от замены древесного угля каменным.
33.К сожалению, о технической стороне его изобретения известно гораздо меньше. Он, несомненно, отказался от мысли использовать каменный уголь в сыром виде, поскольку писал о подготовительной работе, «имеющей целью извлечь из него все то, что могло бы испортить или изменить металл». Как бы то ни было, Стюртевант не сумел извлечь пользу из этого своего изобретения, поскольку менее чем через год он был лишен привилегии как «сам бросивший свое предприятие». Права его были переданы одному протеже принца Уэльского, Джону Ровензону, который, наобещав золотые горы, также не смог добиться успеха.
Дад Дадли
34.Первым, кому, по-видимому, удалось достичь определенных успехов в доменной плавке на каменном угле, был Дад Дадли (Dudd, или Dud Dudley) – незаурядный человек и инженер, проживший полную приключений жизнь, которую позднее описал в книге «Metallum Martis». Дад был внебрачным сыном Эдварда Саттона, пятого барона Дадли, и Элизабет Томлисон. Всего у лорда Дадли было одиннадцать детей, из которых Дад был четвертым. Эдвард Дадли принимал участие в воспитании Дада, в том числе дал ему образование.
35.Еще в юности Дад начал работать на металлургическом заводе своего отца. Воодушевленный успехами сына в улучшении производства, отец отправил его для дальнейшего обучения в колледж Баллиоль (Balliol College) в Оксфорде, который тот окончил в 1618 г. в возрасте 20 лет. После этого лорд Дадли направил его заведовать металлургическими заводами в Пенснетском лесу (Pensnett Chase) в Вустершире. Там в 1619 г. Дад Дадли приступил к своим опытам, о чем позднее 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 (следует иметь в виду, что речь здесь идет не о «первом переделе» – доменном производстве чугуна, а о следующем – обезуглероживании чугуна в кричном (рафинировочном, фришевальном) горне с получением железа), 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. Количество оставляло кое-чего желать, так как не превосходило 3 т в неделю, но я не сомневался, что мне удастся усовершенствовать свое изобретение...» Он сообщил о результатах своему отцу, который и взял патент на свое имя, так как упомянутая выше привилегия Ровензона к тому времени потеряла силу.
36.Дад приступил к производству на заводах в Пенснете и Крэдли в графстве Стаффордшир и спустя год был в состоянии произвести достаточное количество железа для испытаний в королевском арсенале. По результатам испытаний железо было признано «хорошим железом для торговли». Однако дальше началась черная полоса: доменные печи, построенные им близ Стоурбриджа, в районе Бирмингема, были разрушены «Великим майским наводнением». Обосновавшись затем в Седжлее, в графстве Стаффордшир, Дадли благодаря низкой себестоимости своего чугуна составил серьезную конкуренцию другим заводчикам, которые «натравили» на него своих рабочих. В результате завод Дадли подвергся нападению и был разгромлен, а сам Дадли, якобы за долги, был посажен в тюрьму. Тем не менее, король Карл I согласился возобновить в 1638 г. его привилегию. К несчастью, почти тотчас же вспыхнула гражданская война. Дадли, убежденный роялист, бросил свои заводы и вступил в кавалерию принца Руперта, где благодаря своей храбрости дослужился до чина полковника.
37.Когда война закончилась поражением и казнью короля, Дад Дадли оказался разоренным, одиноким и неблагонадежным для новых властей. О том, чтобы защищать свою привилегию, не могло идти и речи – Дадли даже согласился помочь (не выдавая, однако, своего секрета) некоторым из тех, кто пытался получить результаты при помощи методов, более или менее сходных с его способом. К их числу принадлежал некий капитан Бак (Buck), который в компании с Эдвардом Дегнеем, «изобретательным стеклоделом», устроил завод в Дин-Форесте. Их способ предполагал изолирование руды от каменного угля путем помещения ее в горных из огнеупорной глины. Но во время плавки горны треснули, и опыты, которыми заинтересовался Кромвель, были прерваны.
«Metallum Martis»
38.После реставрации монархии Дадли попытался вернуть себе свои права, однако ходатайства его были приняты довольно холодно. Тогда он и написал книгу с посвящением «почтенному Большому совету Его Величества», озаглавленную «Metallum Martis», или «Изготовление железа с использованием земляного угля и морского угля» .Сочинение это представляет собой одновременно и автобиографию и «защиту» изобретения: «Поверь мне, читатель, – говорилось во вступлении к нему, – не частный или политический интерес руководит мною, а одно лишь пламенное желание быть полезным patriae, parentibus et amicis (отечеству, родным и друзьям), как оно подобает честному человеку». Тем не менее все просьбы Дадли были оставлены неудовлетворенными и, удрученный этим последним разочарованием, он отказался навсегда от дальнейшего продвижения своего изобретения. Дад Дадли умер, забытый всеми, в 1684 г., а вместе с ним «сошел в могилу» и его секрет.
39.Хотя нет однозначных свидетельств того, что изыскания Дадли были успешны, можно считать установленным тот факт, что он действительно добился получения чугуна и ковкого железа удовлетворительного качества. Большого количества металла он никогда в один прием не производил – его доменная печь в Аскью-Бридж (Askew-Bridge) давала около 1635 г. приблизительно 7 т чугуна в неделю. Но себестоимость этого чугуна была очень низка: всего 4 фунта стерлингов за тонну против обычных 6–7 фунтов. Одного этого было достаточно, чтобы вызвать настоящую революцию в металлургической промышленности.
40.О применявшихся Дадли технических приемах можно только строить догадки. Весьма вероятно, что, подобно Стюртеванту, он пользовался не сырым углем, а подготовленным одному ему известным способом. Известно, что он несколько видоизменил устройство горнов и мехов; возможно, построил также отражательные печи (в замене топлива нуждались не только доменные печи, но и кричные горны для передела чугуна в железо – пудлинговая печь была изобретена только в 1766 г.).
Безуспешные попытки
41.После Дадли возобновилась серия безуспешных попыток. Так, немец по фамилии Блауенштейн (Блюстон) соорудил в 1677 г. близ Венсбери печь, «столь остроумно построенную, что многие предсказывали ему успех». Это была отражательная печь, «где пламя, изгибаясь, лизало руду, помещенную вне очага». Однако насыщенное соединениями серы пламя портило чугун почти так же, как и непосредственный контакт с каменным углем. Блауенштейн использовал каменный уголь, не подвергая его предварительно никакой подготовке.
42.Масштабные опыты по применению кокса в различных металлургических агрегатах производились между 1726 и 1731 гг. Вильямом Вудом. Кроме собственных металлургических заводов и мастерских по производству мелких металлических изделий, этот предприниматель взял в аренду еще и рудники из королевских владений. Привыкнув к грандиозным проектам, он мечтал путем обновления техники железоделательной промышленности создать гигантскую монополию. В 1726 г. известный авантюрист Вуд обосновался в г. Уайтхевене, графство Кумберленд, и попытался производить чугун, смешивая размельченную в порошок руду и кокс в отражательной печи. Результаты, по свидетельству Сведенборга, были неудовлетворительны, тем не менее Вуд уверял, что скоро будет в состоянии производить превосходное ковкое железо в неограниченном количестве. В 1728 г. он заключил договор, по которому обязался поставить Королевской горной компании 30 тыс. т полосового железа по цене от 11 до 12 фунтов стерлингов за тонну.
43.Когда в 1729 г. им было возбуждено ходатайство о получении грамоты на монополию, от него потребовали, чтобы он немедленно представил доказательства своего изобретения. Его обвиняли в мошенничестве – утверждали, что железо, которое он показывал экспертам, было выплавлено на древесном угле, а то, которое он получил при помощи своего «чудесного» способа, на самом деле было грубым и ломким чугуном. Испытавшие его кузнецы заявляли в один голос, что не стали бы употреблять его, если бы даже им дали его даром. Испытание перед свидетелями, проведению которого принужден был покориться Вуд в 1731 г., довершило его фиаско.
Остов Старой Домны завода в Коалбрукдейле (над отверстием для выпуска чугуна видна надпись с годом постройки)
44.В том же 1731 г. об аналогичном изобретении шумно возвестил некий Вильям Фаллоуфильд, но и его технология выплавки чугуна с использованием кокса оказалась блефом. В то время общее желание найти решение проблемы, от которого зависело само существование английской металлургии, было настолько велико, что не проходило месяца, чтобы кто-нибудь из прожектеров всех мастей не объявлял себя спасителем отечественной металлургии.
Коалбрукдейл
45.Именно в это время в небольшом селении Коалбрукдейл (Coalbrookdale) на своем металлургическом заводе работал вместе с компаньонами скромный молодой квакер Абрахам II Дарби (Darby) – второй представитель самой известной металлургической династии, которому было суждено войти в историю как человеку, сделавшему возможным использование каменного угля в черной металлургии.
46.Завод располагался в долине ручья Кальдебрук (Caldebroke), небольшого левого притока реки Северн, недалеко от Волверхемптона, в графстве Шропшир. Эта область издавна была облюбована владельцами металлургических производств, однако в рассматриваемое время была почти заброшена, несмотря на то что была еще довольно лесиста. Кроме того, поблизости находились значительные залежи каменного угля, а река Северн, впадающая в море рядом с портовым Бристолем, представляла собой отличную транспортную артерию.
47.Промышленная история Коалбрукдейла началась с завода по производству железной заготовки «Кальдебрукская кузница» (Caldebroke Smithy), о котором известно, что он существовал в 1572 г. на момент «роспуска монастырей» в правление Генриха VIII. После роспуска эта местность, принадлежавшая монастырю Венлок, была передана Джону Бруку, организовавшему там добычу угля. Его сын, Базил Брук, был уже промышленником значительного масштаба. В 1615 г. он получил патент на производство цементированной стали, которую производил до начала гражданской войны, когда его имущество было конфисковано.
48.С 1651 г. «Кальдебрукской кузницей» управляли Френсис Вулф и его сын, которые арендовали завод у наследников Брука. К этому времени относятся возведение в Коалбрукдейле первой доменной печи и начало производства чугуна. С 1688 г. заводом управлял Л. Веллингтон, а затем он был взят в аренду Шадрахом Фоксом. По некоторым данным, Фокс производил чугун с применением каменного угля, однако эта версия остается спорной. Фокс занимался в том числе производством чугунного литья и поставлял артиллерийские боеприпасы для Палаты вооружений. В 1703 г. доменная печь была серьезно повреждена взрывом и не функционировала до прибытия в Коалбрукдейл Абрахама Дарби.
Абрахам I Дарби
49.Основатель одного из самых известных кланов промышленников металлургов – Абрахам Дарби – родился 14 апреля 1678 г. в местечке Ренснест (Wrens Nest) в графстве Стаффордшир в семье йомена (мелкого землевладельца) Джона Дарби и Энн Бэйлис. Интересный факт: прабабушка Абрахама Дарби со стороны отца, Джейн Саттон, была дочерью Эдварда Саттона, лорда Дадли, и Элизабет Томлисон, т.е. приходилась родной сестрой, а сам Абрахам, таким образом – двоюродным племянником Даду Дадли.
50.В юности Абрахам был отправлен для обучения в Бирмингем к Джонатану Фриту, который занимался строительством солодовых мельниц. Под влиянием Фрита, члена общины квакеров, Абрахам проникся их идеями и на всю жизнь стал активным членом общины. После окончания обучения, в 1699 г., он женился на Мэри Сержант и уехал в Бристоль, чтобы начать карьеру строителя мельниц.
51.Проработав некоторое время в Бристоле, Абрахам приобрел среди членов местной общины квакеров репутацию человека умелого и предприимчивого и в 1702 г. был приглашен ими в состав учредителей Бристольской компании латунного литья, которой принадлежал литейный завод Baptist Mills в Бристоле. Компания производила преимущественно кухонную утварь, в частности горшки. Для ознакомления с литейным мастерством Абрахам в 1704 г. предпринял поездку в Голландию.
52.Бристольская компания столкнулась с проблемой низкой стойкости глиняных форм, которые деформировались и трескались при заливке в них металла. Для решения этой проблемы Дарби разработал и внедрил новую технологию отливки в песчаные формы. Это позволило сделать горшки продукцией массового производства, улучшить их качество и снизить издержки за счет уменьшения толщины стенки. Для производства литой посуды по новой технологии Дарби в 1704 г. организовал литейное предприятие Cheese Lane Foundry. Первоначально оно производило посуду из латуни, однако уже в 1705 г. перешло на использование чугуна. Для этого молодой подмастерье Джон Томас предложил новую конструкцию песчаной формы, что позволило максимально снизить толщину стенки и массу горшков. Дарби взял патент на этот метод чугунного литья в 1707 г., его преемники продавали такие горшки в Уэльсе и Англии и были практически монопольными поставщиками.
53.Бристольские квакеры активно обсуждали планы расширения латунолитейного производства в других частях Британии, однако Абрахам Дарби принял решение продолжать свои изыскания в области чугунолитейного дела. С этой целью он с семьей и Джоном Томасом, который стал его компаньоном, перебрался в Коалбрукдейл.
54.В сентябре 1708 г. Абрахам Дарби взял в аренду доменную печь, разрушенную взрывом в 1703 г. (позднее она стала носить название «Старая домна»), и начал работы по ее восстановлению и задувке. Сохранилась книга его записей за период с 20 октября 1708 г. по 4 января 1710 г. В ней упоминается о производстве «обугленного» («charked») угля в январе 1709 г. Печь была задута 10 января. Часть чугуна разливалась в чушки и сплавлялась на баржах по реке Северн для продажи в литейные мастерские Бристоля, однако большая часть шла на производство литой продукции. В тот год Абрахам Дарби продал 81 т чугунных изделий.
55.Неоспоримым является тот факт, что с самого начала работы доменной печи в Коалбрукдейле Дарби использовал специально подготовленный каменный уголь. Возможно, ему помогло то обстоятельство, что угли Шропшира крупнокусковые и относительно малосернистые. Тем не менее он продолжил эксперименты с различными видами угля, в частности получал грузы угля из Бристоля и Нита.
56.Абрахам Дарби непрерывно продолжал свои опыты; одна из его записей, относящаяся к 1713 г., говорит об использовании в доменной печи смеси из кокса, торфа и угольной мелочи. Кроме того, важной заботой были финансовые вопросы и расширение производства. Предприятие финансировалось за счет кредита, взятого у видного бристольского квакера и предпринимателя Томаса Голдни, а также за счет партнеров Дарби: Г. Пранкарда, Дж. Петерса и Д. Чемберлена. В 1714 г. Дарби и его партнеры продлили аренду предприятия до 1717 г. и приступили к постройке второй доменной печи, которая была запущена около 1718 г. Осуществлялось несколько проектов по организации производства в других областях Британии, однако все они не были завершены к моменту смерти Абрахама Дарби. Умер он 8 марта 1717 г. в своем доме в Медели Корт после 18 месяцев болезни. Было ему всего 39 лет. Похоронен Абрахам I Дарби на квакерском кладбище в Брозли в графстве Шропшир. Спустя несколько месяцев скончалась его жена.
Успешные опыты Абрахама II Дарби
57.Смерть Абрахама Дарби, бывшего душой предприятия, привела дела в беспорядок. Его собственная доля была заложена Томасу Голдни, который оставался «мажоритарным акционером» до своей смерти в 1731 г. Ричард Форд, женатый на дочери Абрахама Мэри, стал управляющим, однако после смерти жены Абрахама Дарби ее брат Томас Бэйлис выступил как кредитор и попытался продать завод. Старшему сыну – Абрахаму II – было на тот момент всего 6 лет, два его брата были еще младше. Их дядя и опекун Джошуа Сержант выкупил несколько долей предприятия от имени детей, а самих братьев устроил в школу. Абрахам II начал участвовать в управлении предприятием с 1728 г., когда ему было 17 лет; только в 1738 г. он стал полноправным партнером, а в 1745 г. – управляющим.
58.За прошедшее с момента смерти Абрахама I время округ обезлесился, и реальной стала опасность оставить завод в скором времени без топлива. Для решения проблемы необходимо было закончить начатую отцом работу, и Абрахам II принялся за дело со всей возможной энергией. Сначала он пытался смешивать каменный уголь с древесным, но вынужден был отказаться от этого. Тогда он занялся усовершенствованием приемов приготовления кокса, увеличением мощности воздуходувок, а для связывания серы в шлак придумал подмешивать к руде негашеную известь.
59.Наконец в 1735 г. Абрахам II достиг цели – получения чугуна только на каменноугольном коксе. Согласно преданию, «он оставался сам возле доменной печи в продолжение шести дней и шести ночей, почти без сна, принимая пищу тут же, рядом с колошником. Вечером шестого дня, после более чем одного разочарования, опыт удался и выпуск металла произошел как нельзя лучше. Тогда Дарби уснул тут же, у порога топливника так крепко, что рабочие не могли его добудиться и отнесли его домой, за четверть мили от завода». С этого момента «неразрывный отныне союз между каменным углем и железом» открыл для английской металлургии блестящую будущность.
60.Однако нововведение не было внедрено повсеместно и сразу. Первое публичное сообщение об этом изобретении было сделано только в 1747 г. в Королевском обществе профессором Мазоном из Кембриджского университета: «Несколько раз пытались употребить каменный уголь для плавки железной руды, и я не верю, чтобы когда-либо добились при этом успеха... Следует сделать исключение для мистера Форда из Коалбрукдейла в Шропшире: из местной железной руды и местного каменного угля он производит, по желанию, ломкий чугун и чугун ковкий. Пушки, изготовленные с помощью этого метода, оказались из такого ковкого металла, что его можно сверлить и обрабатывать на токарном станке, как ковкое железо».
61.Новый способ стал общеупотребительным только около 1780 г., однако жалобы на недостаток горючего продолжали раздаваться еще долго после того, как изобретение сделало их беспочвенными. В континентальной Европе первая доменная плавка с использованием в качестве топлива только кокса была проведена на заводе во французском департаменте Ле-Крезо в 1785 г.
Сущность изобретения Дарби
62.Завершая наше «расследование» по проблеме использования каменного угля при производстве чугуна и его переделе в железо, можно предположить следующую последовательность шагов, предпринятых для ее решения.
63.Первые опыты коксования каменного угля были сделаны в Англии в начале XVII в. по аналогии с обугливанием древесины. Пригодные для этой цели угли «переугливались» в тиглях, закрывавшихся глиняными крышками, за счет доставляемой извне теплоты. К середине XVII в. этот процесс был уже настолько хорошо разработан, что применялся в промышленном масштабе. Например, пивовары отдавали предпочтение коксу по сравнению с древесным углем. Об этом упоминается в отрывке из книги XVII в., приведенном в качестве эпиграфа к этому очерку. Итак, проблема получения из угля прочного кускового материала, который можно было без опаски загружать в доменную печь, была решена задолго до опытов Дадли. Оставалось решить проблему серы, которая при коксовании удалялась в недостаточных количествах.
64.Изыскания в этом направлении в начале XVIII в. велись очень активно. Согласно представлениям того времени, именно «сера» отвечала за отвратительный запах горящего угля, т.е. «сернистыми соединениями» считали не только соединения серы в современном понимании, но и в целом летучие вещества, выделяющиеся из угля при его нагревании. Под «серой» в средневековье и в начале Нового времени вообще понимали широкий спектр веществ, что в дальнейшем привело к значительной путанице. Достаточно вспомнить «сернисто-солевую материю» Реомюра, под которой он подразумевал углерод.
65.Стремление сделать угольное топливо более удобным для использования в быту и в многочисленных производствах привело к вполне логичному выводу – для того чтобы вывести «сернистые соединения» из угля, его надо нагреть без доступа воздуха, аналогично тому, как обугливали дерево. Однако, как мы сейчас знаем, большая часть серы, связанная с нелетучим углеродом или находящаяся в составе золы, в условиях, характерных для коксования, остается в нелетучем остатке и лишь небольшая часть удаляется с газами.
66.Именно проблему использования высокосернистого (в сравнении с древесным углем) каменноугольного кокса при выплавке чугуна и удалось решить отцу и сыну Дарби. Они вовсе не разработали технологию коксования, как можно прочитать во многих российских источниках, а научились использовать большое количество кокса в доменной плавке, обеспечив переход серы в шлак и внеся в технологию плавки изменения, обусловленные различием в физических свойствах древесного угля и каменноугольного кокса.
Речной ландшафт с доменными печа- ми. Иоахим Патиниер. XVI в.