Металлургия железа
Переворот в металлургии, происшедший в XV в. и выразившийся в переходе к доменному производству, чугунолитейному делу и переделочному процессу, явился исходным пунктом для расцвета железоделательной промышленности в XVI—XVIII вв. Не производя радикальных перемен в техническом базисе металлургии, мануфактурный период, однако, развивает дальше, значительно совершенствует и детализирует технические достижения конца ремесленного периода, превращая их из исключительных моментов в характерные (по их социально-экономическому значению и количественному распространению) черты всей системы общественной техники. Главным стимулом и постоянной предпосылкой роста металлургии в эту эпоху еще в большей мере, чем в предыдущую, является все возрастающий спрос на металл со стороны военной промышленности ведущих европейских государств — Нидерландов, Франции, Англии, Швеции, Пруссии, Австрии. Изобретение книгопечатания, появление научной литературы и рост централизованных форм капиталистического производства также оказывают существенное влияние на прогресс металлургической техники. Как уже указывалось, в 1540 г. в Венеции выходит сочинение итальянского металлурга Вануччио Бирингуччио «Pirotechnia», а в 1556 г. в Базеле работа немецкого металлурга Агриколы «De Remetallica». Обе эти книги представляют собой первые попытки систематизировать все накопленные в практике производства знания и работы в области горнозаводского дела. Труд Агриколы остается классическим и для XVII в. Это столетие оставило нам мало оригинальной металлургической литературы. Можно указать только на работу Дода Додлея «Metallum Martis», изданную в 1665 г. Зато в XVI11 в. мы имеем большое количество металлургических трактатов, по которым можно изучать национальные особенности металлургии разных европейских стран. Таким трактатом для России является рукописный труд В. Генина, содержащий подробное описание уральских маталлургических заводов 20— 30-х годов XVIII в.; для Швеции — работа Сведенборга, вышедшая в 1734 г.; для Франции — соответствующие разделы «Энциклопедии», начавшей издаваться при участии крупнейших французских ученых в 50-х годах XVIII в. и т. д.
Из работ Бирингуччио и Агриколы явствует, что к началу мануфактурного периода, т. е. к середине XVI в., доменная плавка руды на чугун и передел последнего в железо не были еще известны ни в Италии,1 ни в основных областях Германии и оставались, повидимому, лишь достижениями французской и фландрской металлургии, где эти новые технические способы зародились. В Штирии, считавшейся лучшей в мире производительницей железа, доменные печи в течение XVI в. не зарегистрированы источниками. В Каринтии, в г. Вейме, имелась лишь одна чугуноплавильная печь, но оригинальной конструкции с закрытой грудью. В Тюрингии строились лишь полудоменные печи — блауофены, что объяснялось легкоплавкостью местных руд, не требовавших высоких печей и значительной температуры.
Кроме перечисленных выше, из немецких районов для развития металлургического производства в XVI в. наибольшее значение имели Саксония, Силезия, Бранденбург. Классическими центрами доменного и чугунолитейного производства еще с XV в. становятся западногерманские области, занимающие территорию будущих Вестфальской и Рейнской провинций. Во Франции металлургическая промышленность постепенно концентрируется в руках государственного аппарата и обнаруживает широкий количественный размах. Английская металлургия развивается довольно медленно вследствие недостатка древес-
:ного топлива в стране, и до середины XVIII в. Англия вынуждена импортировать железо и чугун из Швеции, Голландии, России. Швеция, первоначально вывозившая в Англию и центрально-европейские области полусырую крицу (так наз. осмунд), вы-.делывавшуюся в деревенских горнах, с конца XVI в. начинает развивать собственное железоделательное производство и в следующем столетии достигает в этой области значительных успехов.
Несмотря на то, что в XVII в. переделочный способ и доменный процесс становятся общим достоянием всех европейских стран, непосредственная переделка руды в железо не вытесняется, а продолжает повсюду параллельно существовать. Дело в том, что новые формы металлургии находят свое выражение в организации крупных капиталистических мануфактур, тогда как старые печи — открытые горны и штукофены — сохраняются в сфере мелкого ремесленно-кустарного производства. Напр., в России во второй половине XVII в. образцовые металлургические заводы с большой концентрацией рабочей силы и технических средств производства возникают в связи с военно-бюрократическими потребностями государства и, не работая на широкий рынок, тем самым оставляют последний в распоряжении мелкотоварного производства. Вообще характерным для развития мануфактурной металлургии в XVI—XVIII вв. является то, что она изготовляет материал главным образом для нужд военной техники; производство предметов гражданского назначения играет почти всегда лишь второстепенную роль.
Эволюция доменных печей не сопровождается в XVI— XVII вв. большими изменениями в их конструкции. Большей частью сохраняется та первоначальная форма домен, в которой они возникли из блауофенов. Лишь в Англии и Швеции намечается переход от пирамидальных печей к эллипсоидальным. На рис. 19 изображена старейшая английская домна такого типа.
Главным отличием отдельных домен друг от друга было устройство в них открытой или закрытой груди. Печи первой конструкции были распространены в Швеции, Франции, России, Англии, западной и центральной Германии, второй — в южной Германии и Италии. Наиболее значительным усовершенствованием в домнах XVII в. явилось введение в 90-х годах этого столетия железных фурм, заменивших старые — медные. В устройстве воздуходувных мехов самым важным достижениеммануфактурного периода следует признать замену кожи деревом. Деревянные мехи появляются впервые на Гарцских заводах в 20-х годах XVII в. и в следующие десятилетия распространяются по всей Европе. Причина перехода к деревянным мехам — дороговизна шкур, их ограниченные размеры, а главное непрочность при значительной силе дутья, развиваемой гидравлическим двигателем. Введение мехов из дерева, с одной стороны, вызы-
вает организацию системы заводских прудов и плотин, позволяющих увеличить силу водяных напоров и удлинить рабочий период, для домен, с другой — способствует значительному увеличению давления и количества вдуваемого воздуха и вследствие этого существенным образом влияет на самый металлургический процесс, температуру плавки и усовершенствования в конструкции доменных печей. С переходом к деревянным мехам усложнился и передаточный механизм воздуходувного аппарата. Кожаные мехи приводились в действие следующими наиболее известными способами, описание которых дает Бирингуччио: 1) крышки мехов соединялись веревками с горизонтальным, подвешенным на
потолочном канате, брусом, за который держался рабочий, нажимавший попеременно то на одну, то на другую крышку мехов; 2) человек при помощи рычага поворачивал вправо и влево горизонтальный вал, поперечный брус которого, так же как и в первом случае, соединялся с крышками мехов; 3) мехи, соединенные с коромыслом, приводятся при помощи рычага в движение человеческим топчаком; 4) водяное колесо при помощи кривошипа поднимает штангу коромысла, а вместе с ним, попеременно, крышки двух пар мехов; 5) вал водяного колеса поднимает кулаками нижнюю крышку мехов; 6) ряд мехов приводится в действие сложной рычажной передачей от гидравлического, двигателя (об этой первой трансмиссии мы упоминали в гл. I, стр. 373). В деревянных мехах передаточный механизм разрастается в огромный аппарат длиною в 5—б м, состоящий из железного коромысла, висящего на крюке, двух штанг, нескольких кулаков и вала водяного колеса. На ряду с такой воздуходувкой, построенной на старом принципе кулачно-подъемного механизма, в XVII в. появляются деревянные мехи, к крышке которых прикреплен противовес; последний служит для удержания крышки в поднятом состоянии, в то время как кулак, падающий наподобие молота, стремится сильным ударом опустить ее. Благодаря этому достигается значительно большая интенсивность дутья.
Главным образом под влиянием реконструкции воздуходувного аппарата производительность домен XVII в. значительно увеличивается по сравнению с XVI в. Так, напр., Вейтская домна в Германии давала в 9 выпусках в сутки чугунную массу весом в 2000 кг. Другой немецкий завод близ Метца, считавшийся в то время образцовым, производил каждой своей домной в среднем 25 000 кг чугуна в сутки.
Если мы перейдем от доменного производства к способам получения кричного железа, то должны будем констатировать, что в области переделочного процесса мануфактура ничего принципиально-нового с собой не приносит. Для нас представляет интерес только развитие техники горячей обработки железа, т. е. его ковки молотами. Применение механических вододействующих молотов началось на железоделательных заводах уже в XIV в. Однако расцвет молотового дела относится лишь к XVI—XVII вв. Основным типом большого молота является в нашу эпоху так наз. среднебойный молот, расположенный параллельно валу водяного колеса и поднимающийся вверх ударом кулака снизу — около головки молота (см. рис. 28, стр. 429). В некоторых случаях, хотя повидимому редко, применялись молота, падавшие отвесно. Таков, напр., молот, описываемый Агриколой и употреблявшийся для измельчания необработанной меди (рис. 20). Принцип его действия аналогичен толчейному аппарату. Кулак вала, снабженный антифрикционными роликами, поднимает при помощи двух зубов пест, который может быть, в случае необходимости, остановлен специальным болтом, вставленным в отверстие песта. Идея падения головки молота по вертикальной прямой линии является предвосхищением идеи парового молота XIX в. Наконец, третий тип представляет собой так наз. хвостовой молот, подъем и падение головки которого осуществляется ударом кулака по хвостовой части и последующим соскальзыванием его. Для проковки и отделки индивидуальными приемами небольших масс металла в мануфактурный период применяются старые ручные (или в лучшем случае приводимые в движение ножной педалью) молоты, форма которых становится крайне разнообразной в зависимости от выполняемой специальной операции (см. гл. I,, стр. 360).
Развитие металлургии железа в XVII—XVIII вв. и, в особенности, доменного производства тормозилось в ряде стран отсутствием или недостаточностью топливной базы. Тот огромный размах, который приняла горнозаводская деятельность в XVI в., имел своим_ ближайшим результатом быстрое истощение лесов—единственного известного тогда в металлургии источника топлива. В Германии, Швеции, Англии нерациональное использование древесных масс, как в кустарном, так и в мануфактурном производстве, вызвало к жизни уже на грани XVI—XVII вв.. ряд правительственных законов,1 ограничивающих потребление древесного угля и направленных к предотвращению надвигающейся угрозы обезлесения крупных металлургических районов. Естественно, что в такой обстановке имеют место различные попытки и возникают проекты перехода к другим видам топлива. Наиболее важным по своей распространенности и дешевизне добычи является каменный уголь. Но прямое применение его в доменном процессе, вследствие выделения во время плавки сернистых соединений, отрицательно влияло на качество получаемого чугуна, становившегося очень хрупким и ломким. Вследствие этого необходимо было предварительно обработать уголь, удалив из него вредные для металла элементы. Над проблемой такого «облагораживания» угля и работало в XVII в. большое количество металлургов. Первое место в этом отношении принадлежало Англии, обладавшей огромными запасами лежавшего втуне каменного угля и не могущей эксплоатировать обширные рудные районы из-за отсутствия там лесов. В 1589, 1607, 1611 гг. здесь выдаются патенты на способы утилизации каменноугольного топлива в доменном производстве, но все попытки практической реализации изобретений оканчиваются крахом. Ближе всего подойти к разрешению задачи удалось, повидимому, лишь английскому металлургу, владельцу доменных заводов в графстве Стаффордшир Доду Додлей. Однако ввести в широкую практику свой способ Додлей не смог. В период Великой английской революции (1642—1666) он вынужден был, как роялист, эмигрировать во Францию, а после реставрации монархии в Англии, вернувшись обратно, изобретатель не сумел добиться материальной поддержки со стороны нового правительства и торгово-промышленных кругов. В своем сочинении по металлургии «Metallum Martis», вышедшем в 1665 г., он не описывает своего способа применения каменного угля при плавке руды на чугун. В 1684 г. Додлей умирает, унося секрет изобретения с собой в могилу. Полное разрешение проблемы и промышленное использование каменного угля для металлургических целей началось только в эпоху технической революции XVIII в. Мануфактурная металлургия продолжала, таким образом, до конца своего существования покоиться на древесном топливе, несмотря на попытки перехода к каменноугольному, точно так же как мануфактурная энергетика опиралась на применение гидравлического двигателя, хотя и развила в своих недрах первые технические элементы паровой машины.