В развитии металлургии можно выделить три ключевых момента, которые радикально изменили ход истории. Первый связан с древними временами и появлением первых доменных печей; второй произошел в средневековье с внедрением процесса переплавки; третий эпохальный этап пришелся на вторую половину 19-го века, когда началось производство стальных отливок.
Сталь всегда ценилась за ее прочность и твердость, необходимые для создания инструментов, оружия и машиностроительных компонентов. Однако перед тем, как железо становилось сталью, оно проходило через множество сложных этапов: сначала из руды добывали чугун, затем превращали его в мягкое железо, и, наконец, через продолжительную ковку из железной крицы изготавливали стальные детали или заготовки для дальнейшей обработки.
Процесс производства мягкого железа и особенно ковка были самыми трудоемкими и времязатратными этапами, и не всегда результаты были удовлетворительными. В 19-м веке, с ростом спроса на доступную сталь, возникла необходимость в новом методе получения металла. Многие ученые и изобретатели, включая Бессемера, задавались вопросом: как получить металл с характеристиками железа и стали в жидком состоянии для литья?
Решение этой задачи потребовало десятилетий работы и привело к ряду значимых открытий, каждое из которых стало вехой в истории металлургии. До 18-го века чугун превращали в мягкое железо только в кричных печах, что было неэффективным и требовало больших усилий. Металл получался неоднородным, а высокие требования к углю из-за его контакта с железом и большой расход топлива делали процесс неэкономичным.
В ответ на растущий спрос на рынке, необходимо было найти более продвинутый метод переработки чугуна. В 1784 году англичанин Корт предложил процесс пудлингования, который стал значительным прогрессом в этом направлении.
Конструкция пудлинговой печи была устроена таким образом, что в её топке происходило сгорание топлива, а продукты горения перетекали через каменный барьер в рабочую зону. Здесь, на поде, находился чугун, смешанный с железосодержащими шлаками. Под влиянием огня шлаки приобретали пастообразную консистенцию и частично плавились.
При повышении температуры чугун начинал расплавляться, а его примеси окислялись благодаря кислороду из шлаков, что приводило к обезуглероживанию и превращению в пористое железо. Отличие пудлинговой печи от кричного горна заключалось в возможности использования любого вида топлива, включая экономичный каменный уголь, и в её большем объеме.
Это сделало железо более доступным и способствовало распространению печей по всему миру. Однако недостатком было то, что воздух обдувал только верхнюю часть чугуна, требуя регулярного перемешивания для равномерного восстановления, что представляло собой трудоемкий процесс. К середине 19-го века пудлинговые печи уже не соответствовали потребностям промышленности, что привело к необходимости строить несколько печей для каждой домны, усложняя и удорожая производство.
Изобретатели искали способы усовершенствовать процесс, и одним из первых решений стал метод, разработанный инженером Бессемером. После многих лет работы в артиллерии, он стремился создать метод производства качественной стали для литья орудий. Его наблюдения за процессом плавки чугуна привели к идее усиленной продувки расплавленного чугуна воздухом для получения стали.
Первые эксперименты в закрытом тигле показали, что за час можно получить высококачественную сталь без внешнего источника тепла, так как чугун содержит достаточно горючих примесей для поддержания процесса плавки. В 1856 году Генри Бессемер представил миру своё новаторское изобретение — стационарный конвертер.
Это устройство представляло собой вертикальную печь средней высоты с куполообразным верхом, имеющим отверстие для отвода газов. Сбоку в печи находилось отверстие для ввода чугуна, а готовую сталь выпускали через специальное отверстие в нижней части, которое во время работы затыкали глиной. Воздуходувные трубы были размещены у основания печи. Поскольку конвертер был неподвижен, продувку начинали до введения чугуна, чтобы избежать его попадания в трубы. Процесс продувки продолжался до полного выпуска металла и занимал не более 20 минут, при этом любая задержка приводила к браку.
Эти и другие недостатки стационарного конвертера побудили Бессемера к созданию вращающейся печи, на которую он получил патент в 1860 году. Этот метод стал революционным прорывом в металлургии, позволяя за 8-10 минут преобразовать 10-15 тонн чугуна в ковкое железо или сталь — процесс, который ранее занимал несколько дней или даже месяцев. Однако, когда метод Бессемера начали применять на практике, качество стали оказалось ниже ожидаемого.
Бессемер потратил два года на решение этой проблемы и выяснил, что причиной служило высокое содержание фосфора в английском чугуне, в отличие от того, который использовался в его экспериментах. Фосфор и сера, не выгорая полностью, переходили из чугуна в сталь, снижая её качество. Высокая стоимость конвертера также способствовала медленному внедрению метода в производство, и спустя 15 лет в Англии большинство чугуна всё ещё переплавлялось в пудлинговых печах.
В то же время конвертеры нашли широкое применение в Германии и США.
Параллельно с бессемеровским методом, значительное влияние на производство стали оказал мартеновский способ. Он заключался в плавке чугуна с железным ломом в особой регенеративной печи, разработанной немецкими инженерами Фридрихом и Вильямом Сименсами в 1861 году первоначально для стекольной промышленности, но наибольшее применение нашедшей в металлургии.
Печь состояла из газогенераторов, самой печи с регенераторами для предварительного нагрева газа и воздуха, и литейного двора. Газогенераторы и регенераторы были соединены сложной системой каналов, обеспечивающих циркуляцию газа, воздуха и продуктов сгорания, которые затем уходили через высокую дымовую трубу. Газ и воздух нагревались в отдельных камерах, после чего поступали в плавильное пространство, где и происходило горение. Продукты горения, проходя над подом, направлялись в регенераторы, отдавая им тепло, а затем выводились в трубу. Благодаря этому теплообмену температура в печи достигала 1600°C, что превышало температуру плавления чистого железа.
Создание таких высокотемпературных печей значительно расширило возможности металлургии. К середине 19-го века в промышленно развитых странах накопилось большое количество железного лома, который теперь мог быть использован в производстве благодаря новым технологиям. Эмиль и Пьер Мартены, французские инженеры, отец и сын, предложили новаторский метод получения стали — плавку железного лома с чугуном в регенеративной печи. Их первая успешная плавка прошла в 1864 году на заводе Сирейль под руководством Сименса, после чего метод быстро распространился.
Мартеновские печи, более экономичные по сравнению с конвертерами, стали широко использоваться. Тем не менее, как бессемеровский, так и мартеновский процессы не позволяли получать качественную сталь из руд с высоким содержанием серы и фосфора.
Эта проблема оставалась актуальной до 1878 года, когда английский металлург Сидней Томас внедрил использование извести в конвертере, что позволило связывать фосфор в стабильные химические соединения. Благодаря этому открытию стало возможным производство высококачественной стали из фосфоросодержащих руд, обильно встречающихся в Европе.
Введение бессемеровского и мартеновского процессов привело к революции в производстве стали, позволяя выпускать её в неограниченных объемах. Литая сталь быстро заняла своё место в промышленности, и к 70-м годам XIX века сварочное железо практически исчезло из использования. В первые пять лет после внедрения этих процессов производство стали в мире возросло на 60%
