Металлургия и время - Том 3

Страница в дорево-

люционном издании

энциклопедического словаря Брокгауза и

Эфрона, посвящен-

ная видам паровых

машин

Глава 2

41

линдр был сварен кузнецом, с которым работал Уатт, из листа железа; для герметизации была применена ртуть, но и она не помогла. По-видимому, прочие мастера были ещё хуже, поскольку Уатт в отчаянии писал Робаку: «Мой старик-кузнец умер! Считаю его потерю почти невозвратимой».

Отлитый и высверленный на Карронском заводе цилиндр имел такую погрешность изготовления, что не помогли ни промасленная бумага, ни пробка, ни войлок. Даже на лучшем во всей Великобритании заводе Болтона дела обстояли таким образом, что Смитон, наблюдавший за процессом изготовления деталей машины, заметил, что вряд ли удастся осуществить её массовое производство по причине того, что детали плохо подходят друг к другу из-за низкой точности изготовления. Например, диаметр цилиндра на концах мог отличаться на несколько миллиметров, что существенно снижало эффективность машины и приводило в уныние её изобретателя.

В отсутствие автоматического инструмента, который был изобретён несколько позднее, единственным способом повышения точности изготовления было совершенствование мастерства рабочих. Именно в эту сторону

направил свои усилия Уатт, введя на заводе Сохо специализацию, когда каждый мастер занимался ограниченным числом операций, доводя своё искусство до совершенства и передавая затем опыт своим детям. Нередки были случаи, когда три поколения рабочей семьи специализировались на одних и тех же операциях.

Однако ещё 50 лет, пока в металлообработке не появились станки, невозможно было обеспечить необходимое качество изготовления. Бывало, что машину, построенную опытными рабочими, так и не удавалось запустить. В этом случае приезжал смотритель работ с за- вода-изготовителя, который мог жить при машине месяц и более, меняя и подгоняя отдельные части, пока она, наконец, не начинала работать.

Несколько улучшило ситуацию изобретение Джона Уилкинсона (John Wilkinson) – знаменитого железопромышленника, популяризатора чугуна в качестве конструкционного материала, получившего прозвище Iron Mad. В 1744 г. он запатентовал способ сверления ружейных стволов, при котором вращался ствол, а не сверло, что увеличило точность сверления и уменьшило количество брака. Этот способ успешно применялся для

42

производства цилиндров паровых машин, которые вы-	связаны не только «производственными» отношениями.
пускал завод Сохо.	Уатт, Робак, Блэк, Болтон, Дарвин, Смитон, Смолл, Уил-
В России паровые машины Уатта впервые стали из-	кинсон были единомышленниками, членами знамени-
готовляться на одном из олонецких заводов (Алексан-	того «Лунного общества Бирмингема» (Lunar Society of
дровском), находившихся под управлением шотландца	Birmingham). Лунное общество представляло собой клуб
Карла Карловича Гаскойна. Там же была построена уста-	и неофициальное учёное сообщество видных деятелей
новленная в 1820 г. Кларком на Санкт-Петербургском мо-	британского Просвещения. Заседания клуба проводились
нетном дворе знаменитая большая машина Уатта «силой	с 1765 по 1813 гг. в домах Мэтью Болтона, Эразма Дарви-
против 60 лошадей».	на и Сохо Хаус.
К середине 1780-х годов конструкция паровой машины	Сначала общество именовалось «Лунный круг» (Lunar
двойного действия была окончательно разработана, и она	Circle), название «Лунное общество» стало официальным
превратилась в универсальный тепловой двигатель стре-	с 1775 г. Оно возникло из-за того, что единомышленники
мительно развивающейся промышленности, а позднее и	собирались во время полнолуний, так как в отсутствие
транспорта. Конечно, паровая машина постоянно под-	уличного освещения дополнительный свет делал возвра-
вергалась усовершенствованиям, находила всё новые	щение домой после ужина комфортнее и безопасней.
сферы применения, и вскоре уже немногое в ней напо-	Так что не стоит удивляться «счастливым случайно-
минало изобретение Уатта и его коллег, но это было уже	стям» в жизни Уатта: люди, которые ему помогали, были
позже.	прекрасно осведомлены о значимости его работы. Как
	видно, такая форма взаимодействия учёных, инженеров
«Лунное общество»	и предпринимателей оказался весьма действенным, обе-
В заключение стоит отметить, что практически все упо-	спечив к всеобщей выгоде создание универсального дви-
мянутые учёные, инженеры и промышленники были	гателя для всех отраслей промышленности.

Глава 2

Горизонтальная стационарная двухцилиндровая паровая машина для привода заводских трансмиссий. Конец XIX в. Экспонат Нюрнбергского Музея Индустриальной Культуры

43

Глава 3

Прорыв

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.

В. Е. Грум-Гржимайло, из неопубликованной статьи

44

Глава 3

Генрих Клей (Heinrich Kley) в 1913 г.

изобразил тигельный цех круппов-

ского завода в Эссене как пристани-

ще чертей

45

Почему это актуально сегодня?

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, безус-

ловно, поможет сравнение бессемеровского, томасовского и мартеновского процессов получения стали.

			Прорывные инновации для Промышленных
			революций
	«Подрывные иннова-	1997 г. профессор Гарвардской	Типичным примером поддерживающих инноваций при-
	ции» — это иннова-	Вшколы бизнеса Клейтон М. Кристенсен в	менительно к чёрной металлургии является эволюция
	ции, которые изме-	книге «Дилемма инноватора», получившей все-	примитивной «волчьей ямы» в сыродутные горны раз-
	няют соотношение	мирную известность, предложил концепцию	личных конструкций, вплоть до каталонского горна и до-
	ценностей на рынке.	«поддерживающих» (sustaining) и «подрывных»	мницы. А вот переход к производству чугуна в доменных
	При этом старые	(disruptive) инноваций. Термины «поддержива-	печах, произошедший в период Малой промышлен-
	продукты становятся	ющая» и «подрывная» определяют воздействие	ной революции, стал инновацией прорывной, посколь-
		инновации на существующий технологический	ку следствием быстрого широкого внедрения доменной
	неконкурентоспо-
		уклад. Поддерживающие инновации направ-	плавки стало формирование принципиально новой тех-
	собными просто
		лены на улучшение и развитие существующих	нологической схемы получения чёрных металлов. В на-
	потому, что параме-
		технологических процессов, подрывные полно-	чале XVII в. она включала доменную плавку, продуктом
	тры, на основе кото-
		стью меняют технологический уклад и открыва-	которой был чугун, обезуглероживание (фришевание)
	рых раньше проходи-	ют новый технологический цикл.	чугуна в кричных горнах с получением сварочного желе-
	ла конкуренция, ста-	Авторы полагают, что в русскоязычном	за и цементацию мягкого сварочного железа с получени-
	новятся не важными переводе вполне корректно заменить термин		ем твёрдой стали.
		«подрывной» на «прорывной», поскольку ин-	К сожалению, все этапы производства требовали
	новации этого типа не только подрывают существующий		огромного расхода древесного угля, в результате чего уже
	технологический уклад, но и осуществляют «прорыв» в		во второй половине XVII столетия в Западной Европе
	новый технологический цикл.		разразился энергетический кризис и металлургическое
	Прорывные технологии, которые в истории любых от-		производство «переместилось» в страны, богатые лесами
	раслей индустрии можно сосчитать на пальцах, позво-		– Швецию и Россию. Эти страны оставались лидерами в
	ляют революционным образом изменить, казалось бы,		производстве чугуна и железа более века, пока в Англии
	незыблемые технологические принципы и кардинально		во второй половине XVIII в. не была создана «каменноу-
	преобразовать сложившиеся рыночные отношения.		гольная» чёрная металлургия.
	Самой масштабной прорывной инновацией в истории		Прорывной инновацией эпохи начала Промышленной
	чёрной металлургии стало изобретение технологии про-		революции стало изобретение технологии коксования
	мышленного производства литой стали, благодаря чему		каменного угля, благодаря чему уже во второй половине
	современная цивилизация приобрела привычные для		XVIII в. процесс извлечения железа из руд представлял
	нас «стальные» черты. Внедрение этого способа передела		собой доменную плавку на каменноугольном коксе, как
	чугуна в сталь в течение всего лишь нескольких десяти-		это имеет место и в настоящее время. Объём произ-
	летий изменило облик планеты, опоясав её миллионами		водства чугуна резко возрос. Он превратился в новый
	километров железных дорог, дав возможность строить		конструкционный материал цивилизации, стал приме-
	небоскрёбы, океанские лайнеры, мощные броненосцы и		няться для изготовления строительных конструкций,
	дальнобойные орудия.		труб, малых архитектурных форм, деталей машин, ар-

46

– послуШайте, клЭй, мне очень хочется, чтобы вы поШли сеГоД-

ня утром на засеДание оДной из секций – там буДет наД чем посмеяться.

– очень жаль, но я уже приГлаШён на сеГоДняШнее утро, а то я с уДовольствием поШёл бы с вами.

– вам непременно наДо туДа пойти. знаете ли вы, из лонДона приехал какой-то чуДак читать ДоклаД, как Делать железо без применения топлива. ха, ха, ха…

из разГовора межДу Директором ливерпульских завоДов мёрси

(merSey) уильямом клЭем и влаДельцем завоДов в южном

уЭльсе Джеймсом палмером буДДом на съезДе британской

ассоциации соДействия научным исслеДованиям. 13 авГуста

1856 Г. в Этот День Генри бессемер впервые преДставил обще-

ственности результаты своих исслеДований по произвоДству литой стали с помощью проДувки возДухом.

Глава 3

Генри бессемер

47

тиллерийских 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

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.

Необходимо подчеркнуть, что в сыродутном горне железо находилось в твёрдом (точнее тестообразном) состоянии. Поэтому даже в ходе длительной термоме-

Ковка железа в Мер-	ханической обработки добиться высокого ка-
	чества (равномерности химического состава
тир-Тидвиле	и физических свойств) кричного металла
(Merthyr Tydfil).	было невозможно. После того как основным

Юлиус Цезарь Иббет- продуктом плавки железных руд стал чугун, сон, 1789 г. были разработаны технологии его обезугле-

роживания (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 принци-

пиальных технических изменений.

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

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.

Генри Бессемер был «профессиональным» изобрета- телем-инноватором, автором гениальных разработок, часть из которых опередила своё время и была реализована лишь спустя многие десятилетия, а остальные, бла-

годаря 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.

Представители знаменитого клана промышленниковпредпринимателей 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.

Отец и сын Мартены представляют собой пример производственников-практиков, которые не только находились в курсе передовых разработок в отрасли, но

48

	Кричный жом	и стремились эффективно применить их и усовер-
	«аллигатор»	шенствовать. Дав человечеству важнейшее изо-
		бретение, они практически не воспользовались его
	плодами, проиграв «патентную войну». Причина этого
	заключается в том, что в их предложениях не было но-
	визны, они сумели реализовать давнюю идею с помощью
	новейших разработок, что дало повод профессиональ-
	ному сообществу отказать им в признании.
		Сидни Томáс является примером увлечённого изобре-
	тателя, творческий порыв которого сдерживается отсут-
	ствием средств на его реализацию.
		История изобретения литой стали наглядно показы-
	вает, что в тени «победителей», тех, чьи имена на слуху,
	всегда скрываются полузабытые или даже практически
	неизвестные ученые, экспериментаторы и предпринима-
	тели, без помощи которых, возможно, даже и не было бы
	сделано само изобретение. Научные открытия и инно-
	вации являются результатом коллективного творчества,		тались компенсировать количеством – на	Интерьер пудлинго-
	в котором кроме инноватора участвуют его конкуренты,		крупных заводах работали десятки и сотни	вого цеха завода
	единомышленники, контрагенты и многие другие члены		печей.	Круппа в Эссене
	общества.		Общая продолжительность пудлингового	(на заднем плане –
			процесса составляла около двух часов. За это
				проковка крицы
	Железное кольцо на горле прогресса		время перерабатывалось максимум 250 кг чу-
				с помощью парового
	К середине XIX в. малопроизводительные и высокоза-		гуна. Суточная производительность одной
				молота)
	тратные процессы получения стали уже не удовлетво-		печи при непрерывной работе не превышала,
	ряли требованиям отраслей промышленности, которые		таким образом, 2,5 т. Но не меньших затрат
	получили мощный импульс к развитию благодаря вне-		и времени требовал и дальнейший передел. После полу-
	дрению паровой машины (в первую очередь это касалось		чения железной крицы следовало «выжать» из неё шлак
	железнодорожного строительства и военно-промышлен-		и превратить в плотный металл. Генри Корт прокатывал
	ного комплекса).		крицы в валках или проковывал их под молотом. Отжим
		Пудлинговые печи были гениальным изобретением в	шлака под молотом и в 1850-х гг. считался наилучшим
	конце XVIII в., действительно открывшим широкие го-		способом, но применялся далеко не везде. На заводах
	ризонты в то время, когда железо требовалось тоннами.		Южного Уэльса, в том числе в Даулейсе (Dowlais), крица
	Пудлинговое железо и изготавливаемая из него сталь		отжималась в особых прессах, по форме напоминающих
	были основными материалами, используемыми в маши-		пасть крокодила (американцы прозвали их «аллигато-
	ностроении на протяжении почти всего XIX столетия,		рами»). Пресс делал около 90 движений в минуту и тре-
	из него строили мосты и бурно разраставшуюся желез-		бовал машины мощностью в 10—12 л.с. Один пресс об-
	нодорожную сеть. Но пудлинговая печь стала тормозом		служивал 10—16 пудлинговых печей. Существовали и
	дальнейшего развития, когда железо стало потребляться		другие конструкции механизмов для отжима шлака из
	сотнями и тысячами тонн. Несовершенство агрегата пы-		крицы (кричные жомы).

Глава 3

49

50

изготовлен-

Различные виды сва-

рочных пакетов: A, B – комбиниро-

ванные пакеты ква-

дратного и прямоу-

гольного сечения; С – пакет под балку таврового сечения

или рельс; D – пакет под балку двутавро-

вого сечения; E –

пакет из железных отходов с «оболоч-

кой» из миль-барса; F – пакет с исполь-

зованием рельсовых обрезков

Кричные технологии индустриальной эпохи

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».

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.

Впечатляющим примером кузнечной сварки является 25-тонная пушка, отко-

	ванная в Ливерпуле на заводе Мёрси под ру-	Новейшие циклопы
	ководством Уильяма Клэя (William Clay) –	(железопрокатный
	одного из участников памятного разговора,	завод)
	приведённого в начале главы. Орудие это	Адольф Фридрих
	было выковано из семи слоёв железа. Сначала	Эрдман фон Мен-
	был сварен и вытянут центральный стержень
		цель (Menzel). 1872-
	необходимой длины, поверх стержня были
		1875 гг.
	наварены несколько слоёв трапециевидных
	заготовок. На заключительной стадии по-
	перёк были наварены два слоя обручевидных полос, ко-
	торые обеспечили плавное увеличение толщины пушки
	к казённой части.
	Изготовление орудия заняло семь недель, после сборки
	каждого слоя изделие подвергалось нагреву, центральная
	часть была высверлена. Можно	Разрез 25-тонной
	представить, с какими затра-
		пушки,
	тами времени и материалов
	приходилось сталкиваться при	ной методом кузнеч-
	изготовлении любого более-	ной сварки на заво-
	менее крупного изделия.	де Мёрси