Из прошлой статьи вы узнали, как в начале промышленной революции европейские металлурги заменили древесный уголь в доменных печах новым видом топлива — коксом. Благодаря этому увеличилось производство чугуна, а стоить он стал дешевле.
Чугун использовали, чтобы создавать строительные материалы, детали промышленных механизмов и орудий, художественное литьё. Из-за углерода в составе сплав был слишком хрупким. Для надёжных конструкций требовалось ковкое железо, но получать его было трудно и дорого из-за дефицита нужного топлива для печей.
Поэтому привычный способ производства железа из чугуна устарел, требовались новые методы. Рассказываем, как появилось пудлингование — технология, которая позволила получать железо высокого качества в промышленных масштабах.
До середины 18-го века сварочное железо получали в результате фришевания — технологии, которая возникла в Европе в 1590-х годах. Чтобы перерабатывать чугун, использовали кричные горны. Про их устройство мы рассказывали в статье «Что происходило с чёрным металлом в тёмные века».
Горн заполняли древесным углём, который продували воздухом с помощью фурмы. Чугунные слитки в горне плавились, металл стекал по углю в нижнюю часть печи, а воздух из фурмы окислял примеси в чугуне — углерод, марганец, кремний и фосфор. В результате получали железо с низким содержанием углерода, оно слипалось в крицу — железный ком, к которому приставали шлаки и уголь.
У фришевания были недостатки:
Главная проблема фришевания — для этого способа подходил только дорогостоящий древесный уголь. При этом расход горючего был очень большим: на 1 кг железа приходилось 4 кг угля. Другие виды топлива не могли использовать из-за вредных веществ в их составе, которые ухудшали качество железа.
Из-за дефицита древесины в Европе мастерам приходилось искать способы работать с каменным углем. Металлурги пытались изолировать чугун от топлива во время производства железа, чтобы примеси из горючего не попадали в сплав.
Успешные опыты провели английские рабочие — братья Томас и Джордж Кранеджи. Они соорудили специальную печь — пламя в ней отражалось от свода и нагревало металл, при этом слитки чугуна не контактировали с углём. Из печи доставали раскалённое железо и молотами отбивали его в полосы нужного размера.
Управляющий завода, где трудился Джордж, высоко оценил качество такого металла. В 1766 году он помог братьям запатентовать разработку, но в то время открытие никто не оценил по достоинству.
Технологию признали только спустя годы, когда идею развил предприниматель Генри Корт. Он получил собственный патент в 1784 году. Процесс, который он описал, назвали пудлингованием.
Печь для пудлингования — ванна для металла и топка с горючим, которые разделял каменный порог. Газы от топлива выходили через дымовую трубу, а материалы загружали в рабочее пространство печи через боковое окно. Средняя печь вмещала 200–250 кг чугуна.
Рабочий расплавлял чугунные чушки в ванне до тестообразного состояния и перемешивал их кочергой. Пока выгорал углерод и другие примеси, температура плавления металла повышалась, и масса становилась гуще, а на дне скапливалась крица. Ее набирали на кочергу и скатывали в комки — выходило 4–5 штук массой по 50–80 кг. Их доставали из печи и сразу отправляли под молот, чтобы удалить шлаки и уплотнить металл.
Работа пудлинговщиков была очень тяжелой. Нужно было вручную замешивать густую массу расплавленного металла, а затем поднимать тяжёлую крицу с пода печи. Весь процесс занимал два часа, за это время удавалось переработать до 250 кг чугуна.
Когда Генри Корт изготовил первую партию железа, его технология была ещё далека от идеала. И всё равно металл признали более качественным, чем образцы из Швеции — одного из лучших производителей в то время. Пудлингование постепенно начали применять по всей Англии, и уже в 1804 году страна в 10 раз сократила импорт железа из России.
Разработку Корта продолжили совершенствовать. В 1816 году кирпичную поверхность в печной топке, куда кладётся топливо, заменили чугунной. Так увеличился срок эксплуатации оборудования. В 1818 году на под начали наваривать пудлинговый шлак и железную руду. Это позволяло ещё сильнее уменьшать концентрацию углерода в чугунных слитках. Теперь металл плавился быстрее, выход годного железа вырос с 70 до 90%, а сорт чугуна больше не влиял на качество готовой продукции.
Новый метод сильно отличался от фришевания — это был изнурительный физический труд, который требовал серьёзной подготовки. Но и производительность такой работы была в несколько раз выше. Кричным методом 5 тонн чугуна нужно было бы перерабатывать 3 недели. А с пудлингованием этот процесс занимал полтора дня.
Ещё одно преимущество пудлинговой печи перед кричным горном в том, что она позволяла использовать любой вид топлива, в том числе недорогой каменный уголь. Производство не просто увеличилось в объёме — оно стало обходиться дешевле.
Преимущества нового вида передела были очевидны. Уже в 1791 году в Англии произвели 80 тысяч тонн пудлингового железа — и только 10 тысяч тонн кричного.
В начале 19-го века вслед за Англией пудлингование внедрили другие страны. Одной из первых стала Россия: преобразовать чугун в железо таким же методом попробовали в 1817 году. Опыты проводили на разных металлургических заводах, и в 1837 году одно из предприятий полностью перешло на пудлинговый процесс. Для горючего использовали древесный уголь — в России это было проще.
В 1819 году пудлингование впервые попробовали применить во Франции, а в 1836 году — в Швеции. В 1835 году Австрия использовала пудлинговый процесс, чтобы получить сталь.
Технология стала одним из самых значимых открытий металлургии 18-го века. На протяжении почти всего следующего столетия металл из пудлинговых печей оставался главным материалом строительства и машиностроения. Из пудлингового железа делали мосты, железнодорожные рельсы, строили паровозы и пароходы.
Другой значительный прорыв в металлургии случится в середине 19-го века, когда разработали быстрый и дешёвый метод выплавки стали — конвертерное производство. Подробнее об этой технологии расскажем в следующем материале.
