Глава 3Прорыв в индустриальную цивилизацию
Обыкновенно говорят, что достижения наших предков есть дело случая и опыта. Это верно только отчасти. Слепой случай научает только лиц, подготовленных своей предыдущей работой к его восприятию, для лиц неподготовленных он проходит незамеченным и потому ничему научить не может.,,,,
Генрих Клей (Heinrich Kley) в 1913 Г. изобразил тигельный цех крупповского завода в Эссене как пристанище чертей.
1.В 1997 г. профессор Гарвардской школы бизнеса Клейтон М. Кристенсен в книге «Дилемма инноватора», получившей всемирную известность, предложил концепцию «поддерживающих» (sustaining) и «подрывных» (disruptive) инноваций. Термины «поддерживающая» и «подрывная» определяют воздействие инновации на существующий технологический уклад. Поддерживающие инновации направлены на улучшение и развитие существующих технологических процессов, подрывные полностью меняют технологический уклад и открывают новый технологический цикл.
2.Авторы полагают, что в русскоязычном переводе вполне корректно заменить термин «подрывной» на «прорывной», поскольку инновации этого типа не только подрывают существующий технологический уклад, но и осуществляют «прорыв» в новый технологический цикл.
3.Прорывные технологии, которые в истории любых отраслей индустрии можно сосчитать на пальцах, позволяют революционным образом изменить, казалось бы, незыблемые технологические принципы и кардинально преобразовать сложившиеся рыночные отношения. Самой масштабной прорывной инновацией в истории чёрной металлургии стало изобретение технологии промышленного производства литой стали, благодаря чему современная цивилизация приобрела привычные для нас «стальные» черты. Внедрение этого способа передела чугуна в сталь в течение всего лишь нескольких десятилетий изменило облик планеты, опоясав её миллионами километров железных дорог, дав возможность строить небоскрёбы, океанские лайнеры, мощные броненосцы и дальнобойные орудия.
Почему это актуально сегодня?
4.Так же как над возможностью использования каменного угля для производства чугуна и железа в XVII и XVIII вв., над проблемой получения литой стали в XIX в. работало большое количество исследователей. При этом уникальным является тот факт, что успеха в разработке новых способов производства литой стали достигли люди, представлявшие принципиально разные подходы к разработке и внедрению новых технологий. Анализ их творческого пути наглядно демонстрирует, какие качества и черты характера необходимы для карьеры изобретателя в эпоху научно-технической революции. Не менее важно знать, как грамотно с инженерной точки зрения оценить перспективы конкурирующих технологий, в чём, безусловно, поможет сравнение бессемеровского, томасовского и мартеновского процессов получения стали.
Прорывные инновации для Промышленных революций
5.Типичным примером поддерживающих инноваций применительно к чёрной металлургии является эволюция примитивной «волчьей ямы» в сыродутные горны различных конструкций, вплоть до каталонского горна и домницы. А вот переход к производству чугуна в доменных печах, произошедший в период Малой промышленной революции, стал инновацией прорывной, поскольку следствием быстрого широкого внедрения доменной плавки стало формирование принципиально новой технологической схемы получения чёрных металлов. В начале XVII в. она включала доменную плавку, продуктом которой был чугун, обезуглероживание (фришевание) чугуна в кричных горнах с получением сварочного железа и цементацию мягкого сварочного железа с получением твёрдой стали.
6.К сожалению, все этапы производства требовали огромного расхода древесного угля, в результате чего уже во второй половине XVII столетия в Западной Европе разразился энергетический кризис и металлургическое производство «переместилось» в страны, богатые лесами – Швецию и Россию. Эти страны оставались лидерами в производстве чугуна и железа более века, пока в Англии во второй половине XVIII в. не была создана «каменноугольная» чёрная металлургия.
7.Прорывной инновацией эпохи начала Промышленной революции стало изобретение технологии коксования каменного угля, благодаря чему уже во второй половине XVIII в. процесс извлечения железа из руд представлял собой доменную плавку на каменноугольном коксе, как это имеет место и в настоящее время. Объём производства чугуна резко возрос. Он превратился в новый конструкционный материал цивилизации, стал применяться для изготовления строительных конструкций, труб, малых архитектурных форм, деталей машин, артиллерийских орудий, художественного литья и других крупных изделий. Для удовлетворения прочих потребностей в рабочем материале, которые непрерывно возрастали по мере развития Промышленной революции, было необходимо железо, а в ряде случаев – сталь.
Металлургия железа накануне прорыва
8.До появления доменной печи продуктом восстановления железных руд в горнах различных конструкций была крица – губчатая масса восстановленного железа, пропитанная шлаком c включениями несгоревшего угля. Для удаления шлаковых включений, повышения плотности и придания железу формы, пригодной для дальнейшего передела, крицу несколько раз проковывали с получением железной заготовки – полуфабриката для дальнейшего передела в готовые изделия.
9.Необходимо подчеркнуть, что в сыродутном горне железо находилось в твёрдом (точнее тестообразном) состоянии. Поэтому даже в ходе длительной термомеханической обработки добиться высокого качества (равномерности химического состава и физических свойств) кричного металла было невозможно. После того как основным продуктом плавки железных руд стал чугун, были разработаны технологии его обезуглероживания (в кричном горне и пудлинговой печи) с получением железных криц более равномерного состава и высокого качества. Тем не менее, заключительная часть технологии производства железа не претерпела принципиальных технических изменений.
10.Ещё одной проблемой была необходимость производства стали со специальными свойствами, обусловленная стремительным развитием промышленности. Используемый для её производства метод цементации не позволял достигать требуемой однородности, а разработанный в 1740 г. Бенджаменом Хантсманом тигельный способ производства литой стали не обеспечивал необходимой производительности и был высокозатратным. Это было обусловлено многостадийностью процесса: производство чугуна – обезуглероживание с получением крицы – проковка крицы – науглероживание (цементация) железных заготовок – расплавление стали в тигле – разливка стали. При этом на каждой стадии расходовалось топливо и происходило окисление железа.
Такие разные инноваторы
11.Итак, в первой половине XIX в. возникла насущная необходимость в процессе массового производства литой стали из чугуна. Над решением этой проблемы работали лучшие умы промышленности и науки, однако лишь спустя несколько десятилетий, в середине XIX в., успеха достиг англичанин Генри Бессемер. Позднее предложенный им процесс был усовершенствован его соотечественниками Сидни Томáсом и Перси Джилкристом. Затем выходцы из Германии, работавшие в Великобритании, братья Уильям (Вильгельм) и Фридрих Сименсы, разработали принципиально новый процесс производства стали, в совершенствовании и распространении которого важную роль сыграли французы — отец и сын Мартены. При этом подходы и к разработке, и к продвижению на рынок новых технологий разных инноваторов существенно различались.
12.Генри Бессемер был «профессиональным» изобретателем-инноватором, автором гениальных разработок, часть из которых опередила своё время и была реализована лишь спустя многие десятилетия, а остальные, благодаря умению их автора не только разрабатывать и внедрять принципиально новые технологии, но и с успехом защищать и продвигать плоды своего интеллекта, принесли ему славу и благосостояние.
13.Представители знаменитого клана промышленников-предпринимателей и учёных Сименсов организовали транснациональную компанию современного нам типа, которая обладала научно-исследовательскими (R&D — Research and Development) отделениями, проводила дальновидную кадровую и социальную политику, осуществляла техническое сопровождение своих разработок и продукции. Благодаря этому компания Siemens благополучно дожила до наших дней, существенно расширив сферу своей деятельности.
14.Отец и сын Мартены представляют собой пример производственников-практиков, которые не только находились в курсе передовых разработок в отрасли, но и стремились эффективно применить их и усовершенствовать. Дав человечеству важнейшее изобретение, они практически не воспользовались его плодами, проиграв «патентную войну». Причина этого заключается в том, что в их предложениях не было новизны, они сумели реализовать давнюю идею с помощью новейших разработок, что дало повод профессиональному сообществу отказать им в признании.
15.Сидни Томáс является примером увлечённого изобретателя, творческий порыв которого сдерживается отсутствием средств на его реализацию.История изобретения литой стали наглядно показывает, что в тени «победителей», тех, чьи имена на слуху, всегда скрываются полузабытые или даже практически неизвестные ученые, экспериментаторы и предприниматели, без помощи которых, возможно, даже и не было бы сделано само изобретение. Научные открытия и инновации являются результатом коллективного творчества, в котором кроме инноватора участвуют его конкуренты, единомышленники, контрагенты и многие другие члены общества.
Железное кольцо на горле прогресса
16.К середине XIX в. малопроизводительные и высокозатратные процессы получения стали уже не удовлетворяли требованиям отраслей промышленности, которые получили мощный импульс к развитию благодаря внедрению паровой машины (в первую очередь это касалось железнодорожного строительства и военно-промышленного комплекса).Пудлинговые печи были гениальным изобретением в конце XVIII в., действительно открывшим широкие горизонты в то время, когда железо требовалось тоннами.
17.Пудлинговое железо и изготавливаемая из него сталь были основными материалами, используемыми в машиностроении на протяжении почти всего XIX столетия, из него строили мосты и бурно разраставшуюся железнодорожную сеть. Но пудлинговая печь стала тормозом дальнейшего развития, когда железо стало потребляться сотнями и тысячами тонн. Несовершенство агрегата пытались компенсировать количеством – на крупных заводах работали десятки и сотни печей.
18.Общая продолжительность пудлингового процесса составляла около двух часов. За это время перерабатывалось максимум 250 кг чугуна. Суточная производительность одной печи при непрерывной работе не превышала, таким образом, 2,5 т. Но не меньших затрат и времени требовал и дальнейший передел. После получения железной крицы следовало «выжать» из неё шлак и превратить в плотный металл. Генри Корт прокатывал крицы в валках или проковывал их под молотом. Отжим шлака под молотом и в 1850-х гг. считался наилучшим способом, но применялся далеко не везде. На заводах Южного Уэльса, в том числе в Даулейсе (Dowlais), крица отжималась в особых прессах, по форме напоминающих пасть крокодила (американцы прозвали их «аллигаторами»). Пресс делал около 90 движений в минуту и требовал машины мощностью в 10—12 л.с. Один пресс обслуживал 10—16 пудлинговых печей. Существовали и другие конструкции механизмов для отжима шлака из крицы (кричные жомы).
Кричные технологии индустриальной эпохи
19.Обжатые крицы направлялись на обработку в прокатных валках, в которых они прокатывались в пудлинговую болванку размером 4×1 дюйм – так называемый пудль-барс. «Такая болванка содержит много шлака, с поверхности имеет рвани и пластинки, – писал после поездки в Южный Уэльс майор Корпуса горных инженеров Гурьев. – Пудлинговая болванка или пудль-барс разрезывается на куски по два, по три фута длиною. Куски складываются в пакеты, провариваются (то есть нагреваются до белого каления) в сварочной печи и прокатываются в болванки тех же размеров под валками, делающими в минуту 80—100 оборотов. Это односварочное железо шлаковато и называется миль-барс. Для получения полосового железа миль-барс разрезают, сваривают пакетами и прокатывают в разные сорта. Это двусварочное железо, называемое бар-айрон. Сортовое железо прокатывается в валках, делающих до 150 оборотов в минуту».
Различные виды сварочных пакетов.
Комбинированные пакеты квадратного и прямоугольного сечения.
Различные виды сварочных пакетов.
Пакет под балку таврового сечения или рельс.
Различные виды сварочных пакетов.
Пакет под балку двутаврового сечения.
Различные виды сварочных пакетов.
Пакет из железных отходов с «оболочкой» из миль-барса.
Различные виды сварочных пакетов.
Пакет с использованием рельсовых обрезков
20.Полосовое железо (bar-iron) было лишь полуфабрикатом. Если размера полосы было недостаточно для получения конечного изделия, применяли технологию кузнечной сварки – необходимое количество полос складывали вместе в пакет, при необходимости обвязывали железной проволокой, нагревали в сварочной печи и сваривали под молотом или в валках аналогично тому, как из пудль-барса получали миль-барс. Таким же способом получали крупные заготовки из стали либо комбинированные заготовки из полуфабрикатов с разными свойствами.
21.Впечатляющим примером кузнечной сварки является 25-тонная пушка, откованная в Ливерпуле на заводе Мёрси под руководством Уильяма Клэя (William Clay) – одного из участников памятного разговора, приведённого в начале главы. Орудие это было выковано из семи слоёв железа. Сначала был сварен и вытянут центральный стержень необходимой длины, поверх стержня были наварены несколько слоёв трапециевидных заготовок. На заключительной стадии поперёк были наварены два слоя обручевидных полос, которые обеспечили плавное увеличение толщины пушки к казённой части.
22.Изготовление орудия заняло семь недель, после сборки каждого слоя изделие подвергалось нагреву, центральная часть была высверлена. Можно представить, с какими затратами времени и материалов приходилось сталкиваться при изготовлении любого более-менее крупного изделия.
Крупповские черти
23.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 металла из десятков тиглей. В 1862 г. сталелитейная фабрика Круппа произвела 5200 т литой стали.
24.Высококачественная литая сталь использовалась в основном для изготовления относительно небольших изделий, и пример фирмы Круппа – лишь исключение, подтверждающее правило. Недаром известный художник и карикатурист Генрих Клей (Heinrich Kley) изобразил тигельный цех крупповского завода в Эссене как пристанище чертей.
Генри Бессемер – «британский самородок»
25.В жизни Бессемера замечательно то, что он, став автором одного из крупнейших изобретений в истории металлургии, занялся сталелитейным делом только на 41-м году жизни. Обладая недюжинными способностями к изобретательству, он не многие из своих замечательных разработок смог довести до стадии коммерческого внедрения. Некоторые изобретения Бессемера значительно опередили своё время, и нашли применение спустя многие годы после его смерти.
26.С ранней молодости, когда 17-летним юношей он переехал в Лондон, Бессемер искал свою «золотую жилу» – то изобретение, которое принесёт ему богатство и славу. И он нашёл её — недаром Джеймс Нэсмит (James Nasmyth), знаменитый изобретатель парового молота, держа в руке слиток первого бессемеровского металла, после окончания доклада Бессемера о своём процессе, восторженно восклицал: «Господа, вот это настоящий британский самородок!».
27.Генри Бессемер (Henry Bessemer) появился на свет 13 января 1813 г. Его отец, Энтони Бессемер, родился в Лондоне, но ещё в детстве уехал с родителями в Голландию, где обучался на инженера. В 21 год он перебрался в Париж; в столице Франции он занимался оптикой и механикой и некоторое время работал в Академии наук.
28.В 1795 или 1796 г. Энтони Бессемер с семьёй переезжает в Лондон, спасаясь от революции. Здесь он организовал производство золотых цепочек и, сколотив небольшой капитал, купил поместье в деревне Чарлтон в 50 км от Лондона, в котором и родился его младший сын – Генри.
Техническое образование
29.В Чарлтоне Энтони Бессемер организовал производство стальных пуансонов для отливки типографских шрифтов, а через несколько лет устроил собственную словолитню. Именно эта словолитня, а также деревенская водяная мельница стали первой «технической школой» маленького Генри. По окончании начальной школы он объявил, что хочет практически изучать технику. Отец согласился, тем более что в то время ученичество было единственным способом приобрести технические знания. Бессемер несколько лет обучался под руководством отца работе на специально купленном токарном станке, а также отливал из типографского металла детали первых сконструированных им механизмов. В 1830 г. семья переехала в Лондон. Здесь молодой Бессемер начал заниматься художественным литьём. Его отливки представляли некоторую художественную ценность, они выставлялись в музеях и помогли Бессемеру завязать полезные знакомства.
Первые изобретения и жизненный опыт
30.Первым «коммерчески успешным» изобретением Бессемера стал способ тиснения картона – он получил заказ на 500 листов картона для книжных обложек и на вырученные деньги пытался создать предприятие по его производству. Однако из этой затеи ничего не вышло. Затем Бессемер обратил внимание на то, что гербовые марки легко подделываются, что наносит большой убыток казне. Изобретатель разработал штемпель, который пробивал бумагу, создавая перфорированный рисунок, после чего дальнейшее использование марки становилось невозможным. Бессемеру было предоставлено место «главного надзирателя за гербовыми марками» с приличным жалованием в 600—800 фунтов стерлингов в год.
31.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.
32.После женитьбы Бессемер работал в отцовской словолитне, занимался гравировкой, разработкой легкоплавких сплавов, усовершенствованием способов литья, созданием новых инструментов, приборов и механизмов.
Маленькое Эльдорадо Бессемера
33.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.
34.Проанализировав существующий способ, при котором кусочки латуни расплющивались в тончайшие листочки, а затем вручную растирались с гуммиарабиком в ступке, Бессемер приступил к исследованиям (в том числе с применением микроскопа) и экспериментам, которые продолжались почти год.
35.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, а помещение для неё не имело окон и освещалось лишь верхним светом через отверстие в крыше. Бессемер максимально механизировал все операции, так что для процесса получения золотого порошка было достаточно трёх человек — братьев жены изобретателя.
36.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 Бакстер-стрит была устроена металлургическая мастерская.
37.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
38.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» железнодорожного состава, когда все колёса поезда тормозятся одновременно давлением воды. Этот способ используется и поныне, только вместо воды применяется воздух.
39.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.
40.Патент на стекольную печь Бессемер продал за 6 тысяч фунтов стерлингов промышленнику Чансу. Однако лишь в конце XIX в. способ непрерывной разливки оконного 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
41.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.
42.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.
43.Пробные стрельбы прошли удачно. Однако 12-фунтовая пушка (т.е. пушка, рассчитанная на стрельбу 12-фунтовыми ядрами), стреляющая 24- и 30-фунтовыми снарядами вызвала у капитана Минье – видного французского артиллерийского специалиста – сомнения в безопасности применения тяжёлых снарядов. «Главный вопрос, – писал он, – заключается в следующем: можно ли изготовить пушку, которая выдерживала бы стрельбу такими тяжёлыми снарядами».
Свежий взгляд гениального «дилетанта»
44.Замечание Минье направило внимание Бессемера на проблему качества оружейной стали. Опытные стрельбы были произведены 22 декабря 1854 г., а 10 января 1855 г., через три недели, Бессемер уже заявил свой первый патент на «усовершенствования в получении железа и стали».
45.Чрезвычайно характерными для воззрений и метода работы Бессемера являются следующие его слова: «Мои познания в металлургии железа были в это время очень ограничены и состояли только из того, что по необходимости наблюдает инженер в литейной или кузнице. Но для меня это было выгодно в том отношении, что мне не приходилось разучиваться… Я был способен воспринять всякое новое наблюдение, так как мне не приходилось бороться с предвзятыми мнениями, которым неизбежно подвержен в большей или меньшей степени каждый, кто в своей жизни долгое время провёл в рутине служебной работы».
46.Какое значение придавал Бессемер свежему подходу к проблеме видно из того, что он неоднократно возвращается к этой мысли в своей автобиографии. По поводу удачи с сахарным прессом, он писал: «Как часто мне приходило на мысль и как часто я говорил, что имею огромное преимущество перед другими в том, что у меня не укоренилось благодаря долговременной служебной деятельности определенное направление мыслей, которое влияло бы на меня и могло бы сбивать с толку; что я никогда не имел столь распространенной наклонности – все существующее считать уже непременно и хорошим. Поэтому я мог совершенно беспристрастно смотреть всякому вопросу прямо в лицо, мог по всем пунктам взвесить за и против без предубеждения и без предвзятых мнений и в случае надобности не пугался идти по совершенно новому пути».
Отталкиваясь от Реомюра
47.Исходной точкой были приняты опыты Реомюра и более поздние изыскания английского инженера Уильяма 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.
48.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 расхода 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.
49.Бессемер представил французскому правительству, на деньги которого производились исследования, отчёт о проделанной работе, после чего последовало распоряжение о строительстве печей новой конструкции на пушечно-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
50.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.
51.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.
52.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 октября 1855 г.
Основополагающие патенты
53.В следующие месяцы Бессемер взял ряд патентов на различные способы обезуглероживания чугуна подачей дутья как в слой, так и на поверхность металла. Некоторые из них были совершенно нелепы, другие вполне разумны, в них уже присутствовали отдельные элементы, положенные позднее в основу конструкции конвертера — вращающегося яйцеобразного сосуда, с подачей воздуха через полую ось, подводом дутья через днище. Упоминалось также название нового агрегата — конвертер, то есть сосуд, в котором происходит превращение чугуна в сталь.
54.Через полгода была построена первая крупная установка на 340 кг металла, сделанная из листового железа и выложенная изнутри огнеупорной футеровкой. Воздух в конвертер подавался через шесть сопел, расположенных в нижней части по окружности.
55.Основной принцип в заявке на патент, поданной 12 февраля 1856 г. (выдан 8 августа), Бессемер сформулировал так: «Я открыл, что, если атмосферный воздух или кислород вводится в металл в достаточном количестве, то он вызывает сильное сгорание частиц жидкого металла и поддерживает или повышает температуру до такой степени, что металл остаётся в жидком состоянии во время перехода его из состояния чугуна до состояния стали или ковкого железа без применения топлива».
Вулкан в лаборатории
56.Поскольку Бессемер не представлял себе, насколько бурно идет реакция обезуглероживания, первый же опыт едва не уничтожил мастерскую, поскольку конвертер, подобно вулкану, выбрасывал раскалённый металл и шлак. Во время следующего опыта Бессемер повесил над отверстием чугунную крышку, однако она через несколько минут расплавилась и «извержение» повторилось.
57.В это время Бессемер вообще плохо представлял себе сущность происходящего в конверторе. В частности, он полагал, что тепло выделяется в результате окисления только углерода (на самом деле первым выгорал кремний) и что сера окисляется кислородом и переходит в газ.
58.В случаях, когда по какой-либо причине подача дутья снижалась, металл в конверторе застывал. Поскольку снизить интенсивность реакций не представлялось возможным, Бессемер сконструировал новый агрегат со специальной камерой-уловителем в верхней части. Эта система была запатентована в мае 1856 г. вместе с изложницей для отливки металла, дно которой представляло собой поршень гидравлического пресса, который выталкивал слиток поле его застывания.
Триумф, демпинг и детские болезни
59.Для экспертной оценки нового способа Бессемер пригласил в мастерскую на Бакстер-стрит инженера-конструктора Джорджа Ренни (George Rennie). Несмотря на то, что процесс был несовершенен, Ренни уговорил Бессемера выступить с докладом на съезде Британской Ассоциации содействия научным исследованиям в Челтэнхеме (Cheltenham). Настроение слушателей в начале доклада можно себе представить из эпиграфа, в конце доклада зал аплодировал.Доклад Бессемера показывает, что о многих проблемах он ещё не подозревал, о некоторых благоразумно умалчивал, в целом же доклад был составлен таким образом, что произвёл благоприятное впечатление на слушателей.
60.Доклад Бессемера, напечатанный на другой день в Times (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.
61.Такая схема имела несомненные преимущества. Во-первых, 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.
62.К счастью для своего изобретения, Бессемер имел деловую хватку и существенный опыт в продвижении своих разработок, потому что вскоре начались проблемы. Дело в том, 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
63.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 профессора Генри и химика-аналитика завода Даулейс Эдуарда Райли, которые производили анализы сырья и продуктов процесса на различных стадиях плавки.
64.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
65.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 занималась 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.
66.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 производстве чистого по фосфору «бессемеровского чугуна». Этот термин стал в дальнейшем общепринятым для обозначения чугуна, пригодного для бессемерования.
Раскисление стали
67.В том же 1857 г. была решена проблема красноломкости бессемеровской стали. Удалось выяснить, что она была вызвана присутствием не серы, а кислорода. Металлурги середины XIX в. знали как бороться с красноломкостью: для этого в металл в каком-либо виде добавляли марганец. К счастью, марганец, успешно связывавший в металле серу, точно также связывал и её химический аналог — кислород. Именно «раскисление» металла марганцем вдохнуло новую жизнь в бессемеровский процесс, который без этого вряд ли получил бы широкое распространение.
68.Сроки действия большинства патентов на применение в металлургии марганца (многие из которых принадлежали известному английскому металлургу Дэвиду Мюшету) к 1850-м годам истекли. Однако 22 сентября 1856 г. (спустя немногим более месяца после доклада Бессемера) Роберт Мюшет (Robert Forester Mushet), сын Дэвида Мюшета, взял четыре патента на применение марганца, расширенное толкование которых могло бы создать большую опасность для Бессемера.
69.Переговоры с Мюшетом окончились безрезультатно. Единственный способ защиты для Бессемера заключался в доказательстве отсутствия новизны в этой идее. Этой линии Бессемер и придерживался всю жизнь. В дальнейшем он, однако, когда в прессе началась кампания против его патентов, счёл более выгодным выплачивать Мюшету ежегодную пенсию (фактически – лицензионные отчисления), чем тратить силы и средства на борьбу с газетами.
Шлифовка технологии
70.Летом 1858 г. ворота Шеффилдского завода распахнулись для всех желающих, поскольку предприятие должно было являться рекламой нового процесса. Первым на бессемеровскую сталь серьёзное внимание обратил полковник Уилмот (Eardley Wilmot) – начальник артиллерийских заводов Вулвичского арсенала. Благодаря его протекции знаменитый сталепромышленник Джон Браун установил на своём заводе два 3-тонных конвертера и первым применил способ разливки стали в изложницы, поставленные на вагонетки.
71.Основные проблемы конверторной плавки были решены (точнее, одну из них пришлось обойти, что существенно сужало область применения процесса) и изобретатель мог перейти к «шлифовке» технологии. Дальнейшие усовершенствования касались главным образом оборудования. Бессемер закрепил их в своём патенте от 1 марта 1860 г. Оборудование было настолько продумано и совершенно, что практически без изменений применялось в течение ста лет.
72.Конвертер в виде огромного яйцевидного сосуда (реторты) или, точнее, гигантской асимметричной груши, с обращённым в сторону верхним выходным отверстием (горловиной) был склёпан из толстых железных листов и выложен (футерован) изнутри слоем огнеупорных материалов. Внизу реторты была приделана так называемая воздушная камера, куда нагнетался сжатый воздух, поступающий в конвертер через сопла в днище. Эта камера обеспечивала равномерность подачи воздуха и делалась съёмной.
73.Остроумно был сконструирован гидравлический механизм для поворачивания конвертера. На его оси была укреплена шестерня, сцепляющаяся с зубчатой рейкой, которая являлась продолжением штока поршня гидравлического цилиндра. Передвижение поршня под давлением воды наклоняло конвертер в ту или иную сторону.
74.Разливочный ковш, в который из конвертера выпускался готовый металл и откуда он разливался по изложницам, был укреплён на одном конце рычага гидравлического крана, на другом конце был установлен подвижный противовес. При помощи такого устройства ковш мог двигаться по окружности и устанавливаться на различной высоте. Схема, с двумя расположенными друг против друга конвертерами и разливочным ковшом, вращающимся над круглой литейной ямой и расставленными по её окружности изложницами, долго оставалась «классической».
75.В начале 1860-х годов Бессемером был предложен ещё ряд усовершенствований. Большое развитие в дальнейшем получила идея делать днища конвертеров съёмными. Патент на это изобретение Бессемер взял 13 января 1863 г. Дело в том, что во время процесса быстрее всего прогорали именно днища (они выдерживали 12—16 плавок), и их футеровку особенно часто приходилось менять. Бессемер предложил воздушную камеру вместе с днищем ставить на опускаемую и поднимаемую гидравлическим прессом тележку так, чтобы их легко можно было бы увозить и на место прогоревшего днища ставить новое. Эта идея была впоследствии использована американскими инженерами, и именно благодаря этому усовершенствованию стал технически возможен так называемый «непрерывный» процесс.
Ферромарганец
76.В эти же годы Бессемер организует в производственном масштабе введение в металл марганца. Зеркальный чугун (другие названия — марганцовистый чугун, или шпигель, от нем. Spiegeleisen) с содержанием марганца 12—20 %, предложенный Мюшетом и применявшийся Бессемером для «раскисления» металла, обладал крупным недостатком. Он содержал слишком много углерода. Когда дело шло о выработке твёрдых углеродистых сортов стали, в этом не было большой проблемы, но когда надо было производить мягкий низкоуглеродистый металл, например для котельных листов, то тут зеркальный чугун совершенно не годился: вводя при его помощи достаточное количество марганца, одновременно вводили слишком много углерода.
77.Как только выяснилось значение марганца для процесса, Бессемер поставил себе «задачей получить искусственную железо-марганцовую руду». В 1862 г. Бессемер узнал, что большое количество марганца образовывалось на химическом заводе Тэнннатов в Шотландии в составе отходов производства хлора и белильной извести. Посетив предприятие, Бессемер изложил свою идею химику Хендерсону и договорился с ним, что тот разработает соответствующий процесс. В 1863 г. Хендерсон взял патент на производство «ферромангана» с содержанием марганца 20—25 % (масс.).
Сталь завоёвывает мир
78.Бессемеровская сталь завоёвывала новые позиции. Завод в Шеффилде был завален заказами и работал полным ходом. Всемирная выставка в Лондоне в 1862 г. позволила ему показать товар лицом. Был представлен огромный спектр изделий из нового материала, сочетавшего в себе вязкость, гибкость и тягучесть сварочного железа с однородностью тигельной стали. Особый интерес представляла коллекция «истерзанных образцов», которая должна была наглядно продемонстрировать посетителям свойства литой стали.
79.Через пять лет после Лондонской выставки, где был достигнут теоретический успех, на Парижской выставке 1867 г. был продемонстрирован практический успех нового процесса. Российский корреспондент И. Мещерин в отчёте «О процессе бессемерования на Парижской всемирной выставке 1867 года» писал: «...Нет почти ни одной страны в свете, хотя бы с весьма незначительным горнозаводским промыслом, где бы бессемеровский способ не получил большего или меньшего развития. Принимая во внимание ещё относительную новизну его, нельзя не согласиться, что участь этого изобретения почти беспримерна по блестящим результатам как для промышленности, получающей в своё обращение до 20 млн. пудов в год ценного металла, так и для изобретателя, собирающего ныне ежегодно до 2 млн. рублей за свою привилегию».
Рельсовая война
80.Полную и безоговорочную победу сталь Бессемера одержала на фронте рельсового производства – за 21 год она полностью вытеснила железо. На долгие годы железные дороги стали основным потребителем бессемеровского металла. Первые стальные рельсы производил уже упоминавшийся Джон Браун (1861 г.), но окончательный успех был обеспечен, когда этим производством стала заниматься Лондонская и Северо-Западная железная дорога.
81.Бессемер не без юмора вспоминал, как на его предложение — заменить железные рельсы стальными — главный инженер, мистер Рамсботтом (John Ramsbottom) посмотрел на него с удивлением и ответил: «Мистер Бессемер, Вы, должно быть, хотите, чтобы меня отдали под суд за смертоубийство».
82.Но Рамсботтом недаром считался одним из лучших инженеров Англии – он живо схватывал технические новинки. Бессемеру удалось убедить его, что предлагаемый стальной рельс имеет мало общего с твёрдой, но хрупкой тигельной сталью. «Пришлите мне, пожалуйста, тонн десять этого материала, чтобы я мог его вволю потерзать», – попросил Рамсботтом. И действительно, Рамсботтом, получив пробные рельсы, на совесть занялся их «терзанием». Рельс в холодном состоянии был закручен штопором и лопнул только после того, как наружные стороны вытянулись больше чем в полтора раза против первоначальной длины. Затем стальной квадратный брус (сечением 10×10 см) в горячем состоянии закручивали вдоль продольной оси до тех пор, пока он не лопнул. Это случилось после того, как брус принял форму цилиндра с винтовой нарезкой, образованной его рёбрами, которые при этом вытянулись в двадцать шесть раз. Это убедило Рамсботтома. Лондонская и Северо-Западная железная дорога стала производить бессемеровские рельсы в своих мастерских.
83.Железный рельс не сразу сдал свои позиции. Ещё в начале 1870-х годов на рельсы перерабатывали большую часть сварочного железа, но судьба железного рельса была уже решена. Последний британский железный рельс был прокатан в Южном Уэльсе в 1882 г.
Бои тяжеловесов
84.За свою «стальную» карьеру Бессемер потерпел лишь одно крупное поражение. Ему так и не удалось стать поставщиком стали для королевского Арсенала. Дело в том, что в 1860 г. место во главе Арсенала вместо Уилмота занял сэр Уильям Армстронг. Крупный промышленник и талантливый изобретатель, он в 1854 г. поставил военному ведомству несколько удачных пушек, а в 1858 г. предложил орудие, оригинальное как по конструкции, так и по способу производства. Оно было изготовлено из сварочного железа и превзошло все ожидания. Желая сохранить за собой монополию на производство артиллерии для Вулвичского арсенала, Армстронг на пушечный выстрел (такой вот каламбур) не подпускал к нему Бессемера.
Большое Эльдорадо Бессемера
85.Литой металл всё шире входил в промышленность. В начале 1870-х годов в Швеции на 14 заводах работало более 80 конвертеров, в Англии около 40, во Франции 31. В Германии только на одном заводе Круппа (в Эссене) действовали 22 конвертера.
86.К концу 1860-х годов общество Шеффилдского завода было ликвидировано, а его пайщики получили долю, которая в 24 раза превышала первоначальный вклад. Дивиденды в 57 раз превосходили сумму основного капитала. К моменту прекращения действия патентов Бессемер получил по ним около миллиона фунтов стерлингов. Таким образом, основная цель его жизни была достигнута. Бессемер вносит последние усовершенствования в процесс и постепенно отходит от металлургии.
87.В 1871 г. изобретатель был избран президентом только что образованного Института Чугуна и Стали, в 1879 г. стал членом Королевского научного общества. Он получил множество титулов:почётный гражданин Лондона, почётный мастер цеха токарей, почётный мастер ножовщиков и многие другие.
88.Стоит упомянуть ещё об одной работе Бессемера, которая лишний раз подчёркивает, что многие из его разработок значительно опережали своё время. При разливке стали он столкнулся с проблемой выделения большого количества газов. Для решения этой проблемы Бессемер предложил помещать ёмкость с металлом в вакуум-камеру, удаляя таким образом растворённые в металле газы. В промышленности эта разработка получила распространение лишь спустя столетие, так же как ещё одно важнейшее усовершенствование в чёрной металлургии – обогащение дутья доменных печей кислородом, первый патент на которое принадлежит Генри Бессемеру.
Бессемер после стали
89.В середине 1860-х годов Бессемер приобрёл особняк Денмарк-хилл. Он сам руководил его отделкой, рисовал эскизы, проектировал мастерскую и отдельные помещения.
90.После того, как Бессемер отошёл от дел на своём заводе, он поселился в Денмарк-хилл и вернулся к любимому занятию – свободному изобретательству. Теперь для него это был просто способ занять время. Большая часть его разработок этого периода оказалась неудачной, например, пароход с каютами, в которых не ощущалась качка, огромный телескоп, солнечная печь. Успешным стал проект алмазно-гранильной фабрики, который Бессемер сделал для своего внука.
91.Последним серьёзным делом, предпринятым Бессемером, стало написание автобиографии. В ней он подробно рассказал о своём жизненном пути и, конечно, более всего – об истории создания и совершенствования процесса производства литой стали.
92.Умер изобретатель 15 марта 1898 г. в возрасте 85 лет.
Различные виды сварочных пакетов.
Комбинированные пакеты квадратного и прямоугольного сечения;