Угольное топливо в металлургии XVII - XVIII вв.

Угольное топливо в металлургии XVII - XVIII вв.


 

В результате расширения области применения чугуна и формирования во второй половине XVI в двухстадийной технологии производства железа «руда – чугун – железо», доминирующим агрегатом для выплавки железа из руд стала доменная печь.

  • Дополнительная информация


    • Авторы:
    • Город:Москва

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 серьёзную проблему, тормозящую развитие зарождавшейся Промышленной революции и ставящую под угрозу безопасность страны.

Если высота доменных печей в XVI в. составляла около 4,5 м, то доменные печи века XVII были почти в два раза выше и достигали 9 м [1] . Для обеспечения таких домен воздушным дутьём применяли мощные водяные колёса и специальные деревянные меха (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 водоёма с плотиной, рудника, доменных печей и близлежащего леса, которые снабжали чугуном расположенные поблизости (как правило, вдоль реки) железоделательные заводы.

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 учётом 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/т древесины на производство и переработку чугуна одной доменной печи в сутки требовалось около 100 м3 древесины, то есть более 50 древесных стволов среднего размера (50 – 70 см в диаметре).

На протяжении более чем столетнего периода Британия была одной из ведущих металлургических держав. Она также являлась лидером в технологическом отношении, в частности, мощное развитие чёрной металлургии России при Петре I было обеспечено, не в последнюю очередь, английскими специалистами и технологиями. В эпоху благоденствия металлургической промышленности в Британии сформировались основные промышленные регионы, приуроченные к обширным лесным массивам (зачастую бывало так, что богатые рудой районы совершенно не разрабатывались из-за отсутствия поблизости леса).

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 ручьёв 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».

Однако в период Малой промышленной революции (XVIXVII вв.) ситуация принципиально изменилась: лес – главный поставщик топлива для металлургии и прочих нужд – становился всё 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.

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 ещё 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: её суда, её матросы, её торговля, её рыболовство, военный флот Её величества, наше наступательное и оборонительное оружие. Именно это и побудило предшественников Её величества, до и после 1588 года, ... издать законы об охране лесов, подвергающихся столь великой опасности из-за железоделательных и литейных заводов».

«Её 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 ещё 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 ещё 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 всё тот же штраф в 40 шиллингов.

В целях охраны лесов в царствование Елизаветы I были изданы ещё 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.

Проблема эта серьёзно беспокоила все слои британского общества: простолюдины шутили, что если бы Иуда жил в Англии, то не нашёл 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 проживёт, – 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, Суррея 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; ещё 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.

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 овцы на месте бывших лесов.

Так или иначе, но это уже не имело принципиального значения – ситуация становилась угрожающей. К 1720-м гг. количество доменных печей в Сассексе упало до 10, причём 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.

Другой металлургический регион – Дин-Форест (Dean-Forest) в графстве Глостер, богатый железными рудами, месторождения которых разрабатывались со времён римлян, также имел к 1720 г. не более 10 доменных печей, которые 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 их производства не хватало, чтобы снабдить железом всех ремесленников этих крупных металлообрабатывающих центров.

В 1720 г. во всей Англии работало всего около 60 доменных печей, разбросанных по 20 графствам, суммарным производством 17 тыс. т чугуна в год. Ввоз 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 [2] .Проблему пытались решить путём 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.

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 сырьё, 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, причём основным потребителем была Британия.

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 объёму русский экспорт положению Швеции на британском рынке первоначально ничем не угрожал. Из всего объема импортируемого Британией железа на долю шведского приходилось 76 %, а русского – всего 2 % [3] . 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.

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 дешёвым. Весь XVIII в. прошёл под знаком торгово-металлургических войн между Россией и Швецией: в отдельные годы до половины производства уральского железа уходило в Британию.

Итак, в первой половине XVIII в. чёрная 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 (о чём было подробно рассказано в первом томе), переход на новый вид топлива для доменной печи был той самой «прорывной» инновацией [4] , которую все ждали, и которая должна была дать выход накопленным к тому времени производительным силам.

Решение проблемы, на первый взгляд, было очевидным – остров был сказочно богат углём. 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 уже упоминавшемся выше сочинении Теофраста «О камнях», появившемся приблизительно в 300 г. до н.э., даётся следующее описание [5] : «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».

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 гг., в своём знаменитом отчёте о путешествии упоминает о горючих «чёрных камнях», которые добывают в горах Северного Китая. Их использовали для отопления жилищ, нагревания воды в банях, поскольку они имелись в изобилии и были дешевле дров [6] . «Почти нет никого, – пишет Марко Поло, – кто бы не купался в тёплой воде, по крайней мере, три раза в неделю, а зимой даже ежедневно, если позволяют средства. Каждый состоятельный человек имеет в своём доме комнату для купания».

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.

Первое письменное средневековое 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 из каменноугольных месторождений, расположенных у морского побережья или недалеко от него – отсюда несколько странное название «морской уголь» (seacoal), часто встречающееся в текстах до XVIII в. К этому времени уголь составлял весьма важную статью внутренней и внешней торговли.

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 из упомянутых отраслей перешли на каменный уголь на рубеже XVII в. Об этом в 1612 г. упоминает в своём труде «A Treatise of Metallica» Симон Стюртевант. Он писал: «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».

Известно, что уже в 1528 г. кардинал Волси, епископ Дархема, пытался реализовать проект выплавки свинца из руд принадлежащих 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 могло лишь железоделательное производство.

Основная трудность состояла в том, что проблема была комплексной, и для её решения нельзя было придумать простой способ. При использовании угля в кричном переделе чугуна проблемой было присутствие в нём большого количества серы – капли чугуна, стекая по раскалённому углю, растворяли её в себе, что придавало получаемому железу свойство красноломкости, из-за которого оно растрескивалось при кузнечной обработке. Поскольку, как мы сейчас знаем, экономически эффективными методами серу из угля удалить невозможно, остаётся 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.

С использованием же угля в доменной плавке дело обстояло ещё сложнее – здесь требовалось, во-первых, превратить уголь в прочное кусковое топливо, необходимое для доменной плавки, а во-вторых – опять же решить проблему 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 учётом относительно небольшой в то время высоты печи, можно было использовать в доменной плавке угли с низким содержанием летучих веществ и антрацит, что частично и делалось.

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 2 т хорошего ковкого железа, однако коммерческого успеха они не добились. В их патенте есть намёки 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 – Эдуард I (1239 – 1307 гг.) даже пытался ввести запрет на употребление каменного угля в Лондоне).

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.

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 Линкольншир, в 1586 г. поступил в Колледж Христа (Christ's College) в Кембридже, в 1590 г. получил степень бакалавра искусств, а в 1593 – магистра искусств. После этого в течение 20 лет он служил приходским священником в небольших городках.

По-видимому, учёба 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. Ещё более несвойственной его сану деятельностью он стал заниматься позднее – в 1608 г. король Джеймс I выдал ему патент на изобретение способа изготовления глиняных труб.

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 [7] .

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?!

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 приём, по мнению Стюртеванта, должен удовлетворять трём минимальным условиям, по сравнению с тем приёмом, 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 превзойдён, 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 ещё 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 50. 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 чётко сформулировал то, что интуитивно было понятно и ранее – необходимость и выгоды от замены древесного угля каменным.

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 всё то, что могло бы испортить или изменить металл». Как бы то ни было, он не сумел извлечь пользу из этого своего изобретения, поскольку менее чем через год он был лишён привилегии, как сам бросивший свое предприятие. Права его были переданы одному протеже принца Уэльского, Джону Ровензону, который также не смог добиться успеха.

Первым, кому, по-видимому, удалось достичь определённых успехов 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 Дадбыл четвёртым. Эдвард Дадли принимал участие в воспитании Дада, в том числе дал ему образование.

Ещё в юности Дад начал работать на металлургическом заводе своего отца. Воодушевлённый его успехами 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 поставил его заведовать металлургическими заводами в Пенснетском лесу (Pensnett Chase) в Вустершире. Там в 1619 г. Дад Дадли приступил к своим опытам, о чём 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 [8] , 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 своё имя, так как привилегия Ровензона к тому времени потеряла силу.

После этого Дад приступил к производству на заводах в Пенснет и Крэдли в графстве Стаффордшир и спустя год был в состоянии произвести достаточное количество железа для испытаний в королевском арсенале, по результатам которого оно было признано «хорошим товарным железом». Однако дальше началась чёрная 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 металла, составил серьёзную 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, убеждённый роялист, бросил свои заводы и вступил в кавалерию принца Руперта, где, благодаря своей храбрости, дослужился до чина полковника.

Когда война закончилась поражением и казнью короля, Дад Дадли оказался разорённым, одиноким и неблагонадёжным для новых властей. О том, чтобы защищать свою привилегию не шло 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. Способ их состоял в изолировании руды от каменного угля путем помещения её в горнах из огнеупорной глины. Но горны треснули, и опыты, которыми заинтересовался Кромвель, были прерваны. Столь же безуспешна была аналогичная попытка, сделанная в 1656 г. Коплеем в окрестностях Бристоля.

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 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, parentibuse tamicis [9] , как оно подобает честному человеку».

Несмотря на это, все просьбы Дадли были оставлены неудовлетворёнными 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 сошёл в могилу и его секрет. Хотя нет однозначных свидетельств того, что изыскания Дадли были успешны, можно считать установленным, что он действительно добился выделки 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 при обычной величине 6 – 7 фунтов стерлингов. Одного этого было достаточно, чтобы вызвать настоящую революцию в металлургической промышленности.

О применявшихся Дадли технических приёмах можно только строить догадки. Весьма вероятно, что, подобно Стюртеванту, он пользовался не сырым углем, а каким-то образом подготовленным. Известно, что он ввёл некоторые видоизменения в устройство горнов и мехов; возможно, построил также отражательные печи (напомним, что 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.).

После Дадли возобновилась серия безуспешных попыток. 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 углём. Блауенштейн использовал каменный уголь, не подвергая его предварительно никакой подготовке.

Масштабные опыты по применению кокса в различных металлургических агрегатах производились между 1726 и 1731 гг. Вильямом Вудом. Кроме собственных металлургических заводов и мастерских мелких металлических изделий, этот предприниматель взял в аренду ещё и рудники из королевских владений. Привыкши к грандиозным проектам, он мечтал путем обновления техники железоделательной промышленности создать гигантскую монополию.

В 1726 г. известный авантюрист Вуд обосновался в Уайтхевене, в графстве Кумберленд и попытался производить чугун, смешивая размельченную в порошок руду и кокс в отражательной печи. Результаты, по свидетельству Сведенборга, были не особенно удовлетворительны, тем не менее, Вуд уверял, что может или 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.

Когда в 1729 г. им было возбуждено ходатайство о грамоте на монополию, то 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, 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, которому принужден был покориться Вуд в 1731 г., довершило его фиаско.

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 это время общее желание найти решение проблемы, от которого зависело самое существование английской металлургии, было настолько велико, что не проходило месяца, в котором кто-нибудь из прожектёров всех мастей не объявлял себя спасителем отечественной металлургии.

Именно в это время, на металлургическом заводе в небольшом селении Коалбрукдейл (Coalbrookdale) проводил начатые его отцом опыты молодой квакер [10] Абрахам IIДарби (Darby) – второй представитель самой известной металлургической династии, которому было суждено войти в историю как человеку, сделавшему возможным использование каменного угля в чёрной металлургии.

Коалбрукдейл располагался в долине ручья Кальдебрук (Caldebroke), небольшого левого притока реки Северн, недалеко от Волверхемптона, в графстве Шропшир. Эта область издавна была облюбована металлургическим производством, однако в рассматриваемое время была почти заброшена, несмотря на то, что была ещё довольно лесиста. Кроме того, поблизости находились значительные залежи каменного угля, а река Северн, впадающая в море рядом с портовым Бристолем, представлял собой отличную транспортную артерию.

Промышленная история Коалбрукдейла началась с завода по производству железной заготовки «Кальдебрукская кузница» (Caldebroke Smithy), о котором известно, что он существовал в 1572 г. в правление Генриха VIII. После роспуска монастырей 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. С 1651 г. «Кальдебрукской кузницей» управляли Френсис Вулф и его сын, которые арендовали завод у наследников Брука. К этому времени относится возведение в Коалбрукдейле первой доменной печи и начало производства чугуна.

С 1688 г. завод управлялся Л. Веллингтоном, а затем был взят в аренду Шадрахом Фоксом. По некоторым данным Фокс производил чугун с применением каменного угля, однако эта версия остаётся спорной. Фокс занимался, в том числе производством чугунного литья и поставлял артиллерийские боеприпасы для Палаты вооружений. В 1703 г. доменная печь была серьёзно повреждена взрывом и не функционировала до прибытия в Коалбрукдейл Абрахама Дабри.

Основатель одного из самых известных кланов промышленников-металлургов – Абрахам Дарби – родился 14 апреля 1678 г. в местечке Ренснест (WrensNest) в графстве Стаффордшир в семье йомена Джона Дарби и Энн Бэйлис [11] .

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 Общества квакеров. После окончания обучения, в 1699 г. он женился на Мэри Сержант и уехал в Бристоль, чтобы начать карьеру строителя мельниц.

Проработав некоторое время в Бристоле, Абрахам приобрёл среди членов местной общины квакеров репутацию человека умелого и предприимчивого, и в 1702 г. был приглашён ими в состав учредителей Бристольской компании латунного литья, которой принадлежал литейный завод Baptist Mills в Бристоле. Компания производила, преимущественно, кухонную утварь. Для ознакомления с литейным мастерством Абрахам в 1704 г. предпринял поездку в Голландию.

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.

Бристольские квакеры активно обсуждали планы расширения латунелитейного производства в других частях Британии, однако Абрахам Дарби принял решение продолжать свои изыскания в области чугунолитейного дела. С этой целью он с семьёй и Джоном Томасом, который стал его компаньоном, перебрался в Коалбрукдейл.

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 её восстановлению и задувке. Сохранилась книга его записей за период с 20 октября 1708 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 в 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.

Таким образом, 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 углей, в частности получал грузы угля из Бристоля и Нита.

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 счёт кредита, взятого у видного бристольского предпринимателя Томаса Голдни, а также за счёт партнёров Дарби: Г.Пранкарда, Дж.Петерса и Д. Чемберлена.

В 1714 г. Дарби и его партнёры 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 на момент смерти Абрахама Дарби. Умер он 8 марта 1717 г. в своём доме в Медели Корт после 18 месяцев болезни. Было ему всего 39 лет.

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, её брат Томас Бейлис выступил как кредитор и попытался продать завод. Старшему сыну – Абрахаму II, было на тот момент всего 6 лет, два его брата были ещё младше. Их дядя и опекун Джошуа Сержант выкупил несколько долей от имени детей. Абрахам II начал участвовать в управлении предприятием с 1728 г. (с 17 лет), только в1738 г. он стал полноправным партнёром, а в 1745 г. – управляющим.

За прошедшее с момента смерти Абрахама I время округ обезлесился, и надвигалась опасность остаться 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 приёмов приготовления кокса, увеличением мощности воздуходувок, а для связывания серы в шлак придумал подмешивать к руде негашёную известь.

Наконец, в 1735 г. он достиг цели – выплавки 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 произошёл 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.

Однако нововведение не было внедрено повсеместно и сразу. Первое публичное упоминание об этом изобретении было сделано только в 1747 г. в Королевском обществе в сообщении профессора Мазона 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».

Новый способ стал общеупотребительным только около 1780г., однако жалобы на недостаток горючего продолжали раздаваться ещё 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.

Таким образом, можно предположить следующую последовательность шагов, предпринятых для её решения проблемы использования каменного угля для производства железа. Первые опыты коксования каменного угля были сделаны в Англии в начале XVII столетия по аналогии с обугливанием древесины. Пригодные для этой цели угли «переугливались» в тиглях, закрывающихся глиняными крышками, за счёт доставляемой извне теплоты. К середине XVII в. этот процесс был уже настолько хорошо разработан, что применялся в промышленном масштабе. Например, пивовары отдавали предпочтение коксу перед древесным углем. Об этом упоминается в отрывке из книги XVII в., приведённом в качестве эпиграфа.

Таким образом, 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.

Изыскания в этом направлении в начале XVIII в. велись очень активно. Как известно, согласно представлениям того времени, именно «сера» отвечала за отвратительный запах горящего угля. То есть «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, обуславливающую свойства сплавов железа, под которой он подразумевал углерод.

Стремление сделать угольное топливо более комфортным 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.

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 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.


[1] Зворыкин А.А., Осьмова Н.И. и др. История техники. М., 1962.
[2] П. Манту. Промышленная революция XVIII столетия в Англии (опыт исследования). М.: Государственное социально-экономическое издательство, 1937.
[3] Минаева Т.С. Проблема конкуренции российского и шведского металла на европейском рынке XVIII века // Вестник Тюменского государственного университета. 2009. №1.
[4] Согласно подходу проф. КлейтонуКристенсену, инновации делятся на «поддерживающие» (sustainable), которые повышают эффективность существующего технологического уклада, и «прорывные» (disruptive), которые приводят к переходу к новому технологическому укладу. Хотя автор использует термин «disruptive» (дословно – «подрывной»), подчёркивая тем самым, что такие инновации подрывают существующий уклад, мы предпочли использовать термин «прорывной», поскольку, на наш взгляд, более важным является тот факт, что эти инновации приводят к прорыву к новому технологическому укладу.
[5] Теофраст. О камнях. Пер. с англ. - М.: ИД МСП, 2004
[6] Бакс К. Богатства земных недр: Пер. с нем. /Общ. ред. и предисл. Г.И. Немкова. – М.: Прогресс, 1986, 384 с.
[7] Впрочем, известный учёный-металлург XIX в. Джон Перси находил их «преисполненными педантизма, и заключающими в себе до крайности смешную терминологию». Также Перси ошибочно утверждает, что перу Стюртеванта принадлежит книга под названием Metallica, а книгу A Treatise of Metallica написал Джон Ровензон. На самом деле это одна и та же книга, изданная Стюртевантом. Не исключено, однако, что эта неточность возникла при переводе книги Джона Перси на русский язык.
[8] Следует иметь в виду, что речь здесь идёт не о «первом переделе» – доменном производстве чугуна, а о следующем – обезуглероживании чугуна в кричном (рафинировочном, фришевальном) горне с получением железа.
[9] Отечеству, родным и друзьям
[10] Ква́керы (англ. Quakers, от глагола toquake – трястись, трепетать, содрогаться; официальное название – Религиозное Общество Друзей (квакеров) – конфессия, возникшая в среде радикальных пуритан (диссентеров или нонконформистов) в годы Английской революции в середине XVII в. Квакеры отвергают институт священников и церковные таинства, известны неприятием насилия в любой форме, а также широкой социальной деятельностью, направленной на утверждение в обществе идеалов гуманизма и пацифизма.
[11] Dud Dudley and Abraham Darby: Forging New Links by Carl Higgs

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий