Причина - фосфор
Процесс производства литой стали продолжал активно развиваться и после того, как Генри Бессемер отошел от дел. Увеличивались размеры и производительность конвертеров, совершенствовалась технология, производились исследования процесса. К концуXIX века вместимость конвертера достигла 15 т чугуна. Внутренний объём конвертера был в 10 раз больше объёма жидкого чугуна, у больших конвертеров диаметр доходил до 2,7 м при 5 м высоты. Расход воздуха составлял в среднем 300 м3 на тонну чугуна (150—250 м3/мин.). После открытия в 1860 г. знаменитыми германскими физиками Кирхгофом и Бунзеном спектрального анализа профессор Роско (ученик и друг Бунзена) применил его для наблюдения за процессом продувки на заводе Джона Брауна в Шеффилде. Благодаря работам Роско спектроскопические исследования (с 1864 г.) стали обязательным элементом производственного контроля над ходом плавки.
В 1866 г., после работ австрийского профессора Купельвизера (Franz Kupelwieser), стала понятна картина происходящего в конвертере, был определен порядок выгорания примесей. Процесс продувки стали делить на
три периода, каждый из которых соответствовал выгоранию конкретного элемента: сначала выгорал кремний, затем углерод и на заключительной стадии – марганец; если дутьё продолжали подавать и после третьего
периода («передувка»), начинало окисляться железо.
В 1860-х годах было разработано несколько вариантов технологии бессемерования. Наиболее распространён был английский способ, или «прямое бессемерование», при котором металл доводился практически до полного обезуглероживания, т.е. получалось жидкое малоуглеродистое железо. При этом имело место насыщение металла кислородом, которое требовало добавления зеркального чугуна для раскисления и науглероживания металла с получением стали. При бессемеровании чугунов с высоким содержанием марганца, остающийся в металле после завершения продувки марганец препятствовал образованию оксидов, и в этом случае можно было завершать процесс при желаемом содержании углерода без добавки зеркального чугуна. Этот способ был известен под названием шведского. По этому способу из конвертера по ходу продувки брали пробы металла и шлака, что сильно затрудняло ведение процесса. По немецкому способу чугун с низким содержанием кремния («химически холодный») сильно перегревался в вагранке или отражательной печи («физический нагрев»). Вследствие этого выгорание углерода начиналось с самого начала процесса вместе с кремнием и происходило спокойно, «без извержений». По этому способу после полного обезуглероживания металла требовалась «передувка» для удаления остатков кремния. Этот способ также назывался русским, поскольку уральские сталеплавильщики внедрили его даже раньше немецких. Заслуга Германии заключается в теоретическом исследовании этого способа профессором Мюллером. Триумфальное шествие конвертерного способа производства стали сдерживала практически единственная, но существенная проблема — фосфор. Решить проблему фос-
фора пытались многие выдающиеся металлурги. Айзак Лоутиан Белл (Isaac Lowthian Bell) — химик, промышленник и политик, которого современники называли «первосвященником британской металлургии», в 1870 г. выпустил книгу «Химические явления при выплавке чугунна», в которой подвёл итог своим почти сорокалетним изысканиям преимущественно в области доменного производства чугуна.
Благодаря опытам Белла стало понятно, что использовать для удаления фосфора железистые шлаки в конвертере с кислой футеровкой не удастся, а кроме того, нельзя сделать и футеровку из железистых материалов(как в пудлинговой печи), поскольку она будет разрушаться из-за взаимодействия с углеродом чугуна. Таким образом, успешная борьба с фосфором была возможна лишь в конвертере с основной футеровкой. Проблема удаления фосфора при конвертерной плавке была комплексной – требовалось найти подходящий материал для футеровки, разработать способ её изготовления, подобрать шлакообразующие материалы, а также изменить технологию собственно конвертерной плавки в соответствии с изменениями в химизме процесса.
Самый знаменитый клерк XIX века
Над проблемой удаления фосфора в ходе конвертерного передела чугуна работали яркие и неординарные личности, признанные светила химии и металлургии, но решить её было суждено скромному младшему клерку
лондонского полицейского суда Сидни Томaсу, который благодаря своему изобретению практически мгновенно стал мировой знаменитостью. Сидни прошел обучение в Далвич-колледже (Dulwich College) недалеко от Лондона. Он получил классическое образование с целью в дальнейшем заниматься медициной. Томас готовился поступать в Лондонский университет с перспективой получения учёной степени, однако ранняя смерть отца поставила крест на его академической карьере. Несколько месяцев Томас работал помощником учителя в школе Эссекс, а затем в возрасте 17 лет поступил на гражданскую службу, которую оставил только в 1879 г. Томас служил на низкооплачиваемой должности клерка в одном из полицейских судов Лондона, это позволяло хоть как-то содержать мать и сестру. Впрочем, Томас вовсе не планировал посвящать этой работе всю жизнь. Поскольку он всегда проявлял интерес к науке, свободное время он посвящал изучению химии и металлургии. Он регулярно посещал вечерние занятия в Институте Биркбека (Birkbeck Literary and Scientific Institution) и в лондонской
лаборатории мистера Вашe (Vacher). На одной из лекций по химии, которую читал доктор Джордж Чалонер (George Chaloner), Сидни услышал
слова, которые глубоко запали ему в душу и определили ход всей его жизни: «Тот, кому удастся удалить фосфор в конвертере Бессемера, сделает себе состояние». Получив базовые знания по металлургии, Сидни занялся подготовкой к выпускным экзаменам в Горной Школе (School of Mines). Учебный план предполагал трёхгодичное обучение, однако Томас по понятным причинам не мог регулярно посещать лекции, несмотря на то, что
читал их знаменитость того времени Джон Перси. Тем не менее, он успешно сдал все экзамены кроме экзамена по курсу металлургии, к которому допускались только те, кто присутствовал на лекциях. Сидни находил время и средства даже для создания небольшой лаборатории и посещения металлургических заводов, в том числе в континентальной Европе. Начиная с 1874 г. он регулярно публиковал статьи в журнале «Железо». Дальнейшие успешные эксперименты Сидни Томаса были бы невозможны без помощи его двоюродного брата Перси Джилкриста (Percy Carlyle Gilchrist). В 1875 г.
Джилкрист устроился на работу химиком-аналитиком на завод Бленавон (Blaenavon). Здесь братья и начали эксперименты.
Проведя около полусотни плавок, Томас и Джилкрист поняли, что для почти полного удаления фосфора — до сотых долей процента – необходимо продолжать продувку металла ещё некоторое время после окончания
второго периода (обезуглероживания). Именно в этот момент, когда в металле остается не более 0,4 % углерода, начинается выгорание фосфора. При содержании в чугуне 0,88—1,46% фосфора братьям удалось получить сталь с содержанием фосфора 0,04—0,07 %. Изобретение Томаса и его компаньонов произвело настоящую революцию в металлургии континентальной Европы, обладавшей существенными запасами руд, которые не использовались из-за высокого содержания фосфора. К 1882 г. 14 металлургических заводов Франции, Бельгии, Германии, Великобритании и России купили права на новый процесс. Началось массовое строительство новых предприятий, и уже в 1884 г. в мире новым способом было произведено 865 тыс.т стали, а в 1889 г. выплавка составила 2 млн. 275 тыс.т.
Эндрю Карнеги, американский промышленник родом из Шотландии, инвестировавший около 250 тыс. долларов за право использовать этот процесс в Соединенных Штатах, заметил: «Эти два молодых человека, Томас и Джилкрист из Бленавона, сделали для величия Британии больше, чем все короли и королевы, вместе взятые. Моисей ударил в скалу, и из неё потекла вода. Они ударили в залежи бесполезной фосфористой руды и превратили её
в сталь... и это гораздо большее чудо». В 1882 г. Томаса избрали членом президиума Института Чугуна и Стали, а 9 мая 1883 г. ему была присуждена Золотая медаль Бессемера в знак признания ценности его изобретения для мировой металлургической промышленности.
Когда Томасу улыбнулась слава, его здоровье уже было безвозвратно подорвано развивающимся туберкулезом. В 1883 г. Сидни совершил длительное кругосветное путешествие. Первую половину 1884 г. он провёл в Алжире в тщетных попытках побороть болезнь. Здесь он также проводил ряд исследований, в частности, эксперименты по использованию фосфористых шлаков своего процесса в качестве сельскохозяйственного удобрения. Летом 1884 г. Томас возвратился в Европу и вместе с матерью и сестрой поселился в Париже, где и умер 1 февраля 1885 г. в возрасте 34 лет.
Практическое осуществление томасовского процесса в разных странах имело существенные особенности. В Великобритании и США томасирование развивалось слабо. Английский Ллойд (страховое общество) повысил стои-
мость страховки судов, изготовлявшихся из томасовской стали. Заводы США и в начале XX века испытывали затруднения в сбыте томасовской стали.
Наибольшее распространение томасовский процесс получил в Германии, обладавшей большими запасами высокофосфористых руд (лотарингская руда «минет» (Minette) и «бобовая» руда, добываемая близ Пейне). Немецкая руда, по словам одного автора, была так насыщена фосфором, что почти светилась в темноте. Менее чем за год все заводы перешли на томасирование. В 1883 г.
в стране работало более 40 конвертеров, производивших четверть миллиона тонн стали.
Объединение в 1870 г. крупных месторождений Лотарингии и каменного угля Рура в результате военных успехов Германии в войне против Франции в значительной степени послужило основой индустриализации Deutsches
Reich («Германское государство» – самоназвание Германской империи, образовавшейся при объединении германских государств в 1871 г.). Но только с освоением томасовского процесса черная металлургия Германии стала бурно развиваться и опередила Англию. В конце XIX в. на Германию приходилось 2/3 общемирового производства томасовской стали (2,013 из 3,203 млн. т).
Томасшлак
Помимо стали процесс давал ещё один продукт – томасшлак, хорошее фосфорное удобрение. Это весьма выгодно сказалось на экономике томасовского процесса. Содержание фосфористого ангидрида в шлаке составляло 14—20 % (в лучших сортах суперфосфата содержалось 15—17 % Р2О5). Выход томасшлака достигал 18-20 % от массы металла. Сам Томас незадолго до смерти писал, что новый способ «будет вскоре применяться не только в производстве сталей, но и для получения высокофосфористых шлаков для целей удобрения». Возможность использования томасшлака для кондиционирования почвы и стимулирования роста растений впервые была исследована и продемонстрирована практически в 1884 г. в Англии агрономом Дж. Райтсоном. В 1890 г. томасшлаки в качестве удобрений начали применять в Шотландии. Эта практика быстро распространилась по всей Европе.
Сименсы и Мартены
Борьба литого металла со сварочным железом продолжалась около 30 лет. Несмотря на быстрое развитие бессемеровского и томасовского процессов, строительство пудлинговых печей продолжалось: в 1860 г. в Англии их было около 4 тыс., а через пятнадцать лет стало почти в два раза больше - 7,5 тыс.
В 1870 г., когда истекал срок действия патента Бессемера, мировое производство литой стали не составляло одной десятой от количества полученного сварочного железа (673 против 6749 тыс.т). Но дни пудлинговой печи всё же были сочтены. Мировое производство сварочного железа в1882г. превысило 9 млн. т, чтобы никогда уже больше этой величины не достигнуть. Через пять лет, в 1887 г. впервые пудлингового железа было выработано
меньше, чем литой стали (8 и 9,2 млн т). Изделием, на изготовление которого пошла главная масса бессемеровского металла, стал рельс. За тридцатилетие с 1855 по 1885 г. протяженность европейской железнодорожной сети увеличилась больше чем в пять раз, с 34 до 195 тыс. км. Особенно бурно строительство железных дорог шло с 1870 по 1875 гг. Англия в этот период экспортировала почти по миллиону тонн рельсов в год, и доля бессемеровского металла в этом вывозе постоянно возрастала.
По своим технологическим свойствам бессемеровский металл не всегда мог заменить собой сварочное железо, бессемерованием выгодно было получать сорта стали с высоким содержанием углерода. Решительный удар по производству сварочного железа был нанесен внедрением томасовского способа, которым легко получался мягкий, малоуглеродистый продукт. Металлофонд индустриальных держав быстро возрастал, но срок эксплуатации изделий даже самого лучшего качества быстро завершался и возникал вопрос: каким образом эффективно перерабатывать все увеличивающееся количество металлолома? Ни бессемеровский, ни томасовский процесс для переработки вторичного сырья не предназначались. Нужна была новая, универсальная технология.
Уникальная семья Сименс (точнее, Зименс, поскольку фамилия эта немецкая) дала миру величайших учёных, изобретения которых значительно ускорили промышленное развитие человечества. Однако выдающийся вклад Сименсов в создание индустриальной цивилизации гораздо больше. Братья создали промышленную компанию, которая является примером успешного ведения бизнеса в течение более полутора веков. Пережив две войны и множество финансовых кризисов, компания занимается как производством бытовых товаров (в первую очередь - электрических и электронных), так и реализацией крупных проектов в энергетике и на транспорте. История семьи Сименс тесно связана с зарождением и развитием способа выплавки стали на поду пламенной печи, известного в ряде стран под названием мартеновского, а в других – сименс-мартеновского (в английском языке используется термин «open hearth furnace» (OHF) – дословно «печь с открытым подом»). «Металлургическая закалка» до сих пор остается эффективным способом воспитания выдающихся предпринимателей и бизнесменов, ученых и педагогов, писателей и журналистов — гениев индустриальной цивилизации.