Главная О компании Статьи Доменное производство, как основа промышленной революции.

Доменное производство, как основа промышленной революции.

С железом, как материалом для изготовления орудий труда, человечество знакомо давно - более 3-х тысяч лет. Однако "эрой железа" или точнее "эрой стали" можно назвать лишь последние 150-200 лет. Когда железо и особенно сталь наиболее широко начали использоваться в нашей повседневной жизни. Подсчитано, что за свою жизнь каждый житель индустриально развитого общества "потребляет" в том или ином виде около 50 тонн чугуна и стали. Но так было не всегда. Двести лет назад стальные изделия были редки и дороги, поскольку отсутствовали технологии массового их производства. "Эра стали", стартовавшая в середине XIX века, стала возможна благодаря изобретению английскими металлургами технологии массового производства чугуна в ходе доменного процесса, что коренным образом изменило жизнь человечества.

Первый процесс получения железа зародился в недрах первобытно-общинного строя. Существовал он в течение многих веков, оставаясь жизнеспособным в Средневековье, перекочевав оттуда в Новое время, когда и ушел в небытие. А назывался этот процесс сырое дутье. Для получения мягкого железа (фактически стали) повсеместно применялись сыродутные горны небольших размеров, с дутьем от ручных мехов, позднее ручной труд был заменен водяным колесом. В качестве топлива применялся древесный уголь. В результате трехчасовой плавки в подобном примитивном горне выплавлялась загрязненная шлаком и другими примесями крица, после многократной проковки, которой получалась стальная чушка весом несколько килограммов. За сутки на одном горне удавалось получить около 500 килограммов железа, при этом до 70-75% руды уходило в отходы. Такой метод был чрезвычайно трудоемким и непроизводительным. Со времени потребность в металле возрастала, задувались все новые и новые горны, увеличивались их размеры. Но увеличение размеров горнов и силы дутья привело к тому, что в железе начало повышаться содержание углерода - критически важного компонента, сильно влияющего на свойства получаемого материала. Вместо привычной густой массы крицы на дне горна стал появляться жидкий металл, который после застывания становился хрупким, не поддавался ковке и ломался при ударе. Вначале этот металл, который позже назовут чугуном, считали непригодным и браковали, именуя его грязным, сорным камнем или даже "свинским железом" (pig iron). Но вскоре было замечено, что чугун хорошо заполняет формы и из него можно получать качественные отливки, не хуже чем из меди и бронзы, но существенно дешевле. Так зародилось чугунное литье, которое в наши дни основным видом литья в машиностроении. Горны, выросшие в высоту и превратившиеся в шахтные печи, стали называть домницами, а потом доменными печами, или просто домнами (слово "домна" образовано от старославянского "дмение" - дутьё). К концу XIX века мощности крупнейших домен начали достигать уже приличных по сегодняшним меркам величин - 1-1,5 тыс. тонн чугуна в сутки. Но поскольку промышленность требовала больше изделий из стали, а не из чугуна, то металлурги, освоив получение в большом количестве чугуна, естественно, попытались с минимальными затратами превратить его в сталь. Был найден новый способ переработки чугуна в чистое железо. Давно было замечено, что если в горн загружать чугун в смеси с древесным углем, то при горении последнего происходит расплавление чугуна и окисление его примесей и углерода. После изобретения доменных печей этот процесс был выделен в отдельное производство - в пудлинговых печах. Но сталь, в сравнении с чугуном, получалась гораздо дороже. Только к концу XIX века были изобретены технологии превращения чугуна в сталь массовым и довольно дешевым способом. Скажем еще, что перспектив замены домен на более совершенные устройства пока никаких нет. Еще в XIX веке были замечены основные недостатки доменного процесса: неэкологичность (значительные выбросы в атмосферу продуктов горения), дискретность (хотя плавка идет непрерывно, чугун можно сливать лишь время от времени - несколько раз в сутки) и двустадийность (чугун требуется переплавлять еще раз - в сталь). Многочисленные усилия металлургов, ученых и частных компаний во второй половине XX века, направленные на преодоление этих недостатков, вроде бы увенчались успехом. Были построены заводы по прямому восстановлению железа, в них сталь получалась прямо из железной руды. Они были одностадийны, непрерывны, более экологичны, чем домны. Однако существенно более дороги - как по линии капитальных вложений, так и по текущему обслуживанию. В частности, они многократно энергозатратнее - потребляют значительно больше энергии и природного газа. Поэтому до сих пор подавляющее большинство вводимых в мире новых мощностей по выплавке чугуна и стали, основаны на доменном процессе.

Английским металлургам принадлежит и другое важное технологическое открытие, на этот раз в области выплавки стали. В конце XVIII века Генри Корт запатентовал пудлинговую печь, на поду которой осуществлялось пудлингование (от английского puddle - ванна расплавленного металла), которое окончательно вытеснило кричной передел. Пудлингование - это переплавка чугуна в сталь в пламени пудлинговой печи, в которой топливо сгорает в топке, отделенной порогом от загруженного в нее чугуна. В 1864 году в устройствах француза Пьера Мартена, по имени которого названы сталеплавильные печи, эта технология была доведена до совершенства. В некоторых странах (в том числе в Украине) эти печи используются и по сей день. В 1855 году для получения стали англичанин Генри Бессемер предложил продувать чугун воздухом, а в 1878 году англичанин Сидней Томас догадался использовать для этого кислород. Так появились кислородные конвертеры для выплавки стали.

Поэтому не кажется удивительным, что Англия быстро вышла на первое место в мире по выплавке железа. Если в 1768 году в стране выплавлялось 62 тыс. тонн чугуна, то уже в 1796 году - 125 тыс. тонн, а в 1806?м - 250 тыс. тонн (первое место в мире). К середине XIX века Англия давала больше половины мирового производства. К концу XIX века мировой лидер выплавлял в год 8 млн тонн чугуна. Но это была уже не Британия, а США.

Взрывной рост потребления чугуна пришелся на 1830-е годы, когда сначала в Англии, а потом и в других развитых странах (США, Франция, Германия) началось стремительное строительство железных дорог. В период с 1840?х по 1880?е годы от 25 до 40% производившегося в мире чугуна уходило на возведение железнодорожного полотна. Среднегодовой прирост железнодорожной сети за этот период составил 17%! Англия довольно быстро - за два десятилетия - обзавелась собственной железной дорогой. Это дало возможность английским металлургам занять лидирующие позиции по экспорту рельсов и чугуна в мире. В основном они обслуживали потребности быстрорастущей американской экономики. Строительство железных дорог началось в США всего на несколько лет позже, чем в Англии, но первое рельсопрокатное производство возникло только в 1845 году. В 1850 году импорт чугуна в США составил 409 тыс. тонн - это сравнимо с внутренним производством. На тот момент железнодорожное строительство стало одним из самых выгодных вложений капиталов. От него инвестиционные потоки распространились и на металлургию, бывшую в то время в США еще в зачаточном состоянии. Буквально за десять лет, с 1847?го по 1857?й, в Соединенных Штатах было построено более 100 домен. Американские металлурги не могли упустить крупнейший в мире рынок - собственный, - ведь уже в 1860 году на США приходилась половина железнодорожной сети мира, насчитывавшей 100 тыс. километров. Разогнавший американскую экономику железнодорожный бум продолжался до конца столетия. Неудивительно, что только благодаря этому американцы в 1890 году обогнали англичан по выплавке чугуна, выйдя на первое место в мире. Потом разрыв продолжал увеличиваться: железные дороги становились все более скоростными, и чугунные рельсы нужно было заменять на стальные. Затем начали возводиться первые высотные здания, требовавшие большого количества строительной арматуры, появились первые автомобили - почти целиком из железа и т. д.

Сталь переняла эстафету у чугуна по массовому использованию с конца XIX века. В предыдущие десятилетия она также довольно широко использовалась, но была гораздо более дорогим металлом, чем чугун. Только после изобретения бессемеровского (1855), мартеновского (1864) и томасовского (1878) процессов себестоимость производства стали резко снизилась, что с учетом ее лучших прочностных характеристик позволило стать стали материалом номер один в мире. Анализируя развитие мировой экономики, можем сказать, что век стали закончится еще не скоро. В отличие от углеводородов ресурсов железных руд человечеству хватит на многие сотни лет. А ближайшие конкуренты стали, как главного конструкционного и строительного материала, сплавы на основе алюминия, магния и титана, более легкие и прочные и вдобавок нержавеющие - еще десятки лет будут оставаться в разы дороже и поэтому в разы менее востребованными.

Источник: журнал "Эксперт" №29 (667), июль 2009