Бессемеровский процесс

Почему сталь была дорогой

В первой половине XIX века промышленность широко использовала чугун и ковкое железо. Чугун удобно отливался в формы, но из-за высокого содержания углерода был сравнительно хрупким. Ковкое железо лучше переносило ударные и растягивающие нагрузки, однако его производство требовало значительной обработки. Сталь сочетала полезные свойства обоих материалов: при подходящем составе она была прочной и могла использоваться для деталей машин, инструментов и рельсов. Но получать большие объёмы стали одинакового качества было трудно и дорого.

Промышленной революции требовался металл не только для небольших высококачественных изделий, но и для массового строительства. Железные дороги нуждались в износостойких рельсах, заводы — в валах, колёсах и других деталях, города — в металлических конструкциях. Поэтому способ быстро превращать дешёвый чугун в пригодную для обработки сталь имел большое хозяйственное значение.

Изобретение и принцип действия

Генри Бессемер начал эксперименты в 1850-х годах, в том числе в связи с поисками более прочного металла для военных нужд. В 1855–1856 годах он оформил патентные заявки на обработку расплавленного чугуна воздушной струёй, а в 1856 году публично изложил основные положения метода. В Соединённых Штатах сходные опыты проводил Уильям Келли; вопрос о первенстве стал предметом патентных споров. Поэтому появление конвертерного производства нельзя рассматривать как результат работы только одного изобретателя.

Расплавленный чугун заливали в большой поворотный сосуд, облицованный огнеупорным материалом. Через отверстия в нижней части в металл под давлением подавали воздух. Кислород воздуха вступал в реакцию с углеродом, кремнием и другими составляющими чугуна. Выделявшееся при окислении тепло поддерживало расплав в жидком состоянии: в ходе самой продувки не требовалось дополнительно сжигать топливо для нагрева металла. После завершения обработки сосуд наклоняли, и металл выпускали в ковши и формы.

Весь этап продувки занимал сравнительно немного времени — обычно минуты, а не многие часы. Это отличало новый метод от ряда прежних способов выплавки и передела металла. При этом качественную сталь нельзя было получить простым «выжиганием всего углерода»: требовалось контролировать конечный состав расплава.

Первые неудачи и доработки

Ранние демонстрации Бессемера вызвали большой интерес, но попытки воспроизвести результаты на разных заводах нередко заканчивались неудачей. Состав чугуна различался, а готовый металл мог оказаться ломким и непригодным для требовательных изделий. Особенно мешали фосфор и другие примеси, содержание которых первоначальная технология уменьшала недостаточно.

Важный вклад внёс британский металлург Роберт Мюшет. Он показал практическую ценность добавления к обработанному металлу железомарганцевого сплава, известного как шпигельэйзен. Это помогало восстановить нужное содержание углерода и улучшить свойства стали. Сам Бессемер совершенствовал оборудование и организацию производства. К концу 1850-х годов процесс стал гораздо надёжнее, хотя заводам по-прежнему требовался чугун определённого качества.

В Швеции промышленник Йоран Фредрик Йоранссон сумел добиться успешного промышленного применения метода при использовании подходящего сырья. Развитие производства в Великобритании, Швеции и затем США продемонстрировало, что конвертерный способ может работать в заводском масштабе, а не только в опытной мастерской.

Сталь для железных дорог и промышленности

Бессемеровская технология изменила экономику металлургии. Она позволяла выпускать значительные партии стали сравнительно быстро и снизила стоимость материала, который прежде применялся гораздо более ограниченно. Стальные рельсы постепенно вытесняли железные, поскольку дольше служили при возрастающих нагрузках и интенсивности движения. Сталь всё шире использовали в машиностроении, строительстве мостов, изготовлении оборудования и других отраслях.

Особенно заметными изменения стали во второй половине XIX века, когда расширялись железнодорожные сети, росли крупные заводы и возникали новые способы организации массового производства. В США конвертерная металлургия стала одной из основ быстрого роста сталелитейной промышленности. Однако индустриализация зависела также от транспорта, угольной добычи, капитала, квалификации рабочих и многих иных технологий. Бессемеровский процесс был важным участником этих перемен, а не их единственной причиной.

Проблема фосфора и томасовский процесс

Классический, или «кислый», бессемеровский процесс использовал футеровку из кремнезёмистых материалов. Он не позволял эффективно удалять фосфор из жидкого металла. Между тем во многих месторождениях железная руда содержала примеси, из-за которых получаемый чугун был неподходящим для такого передела. Это ограничивало распространение технологии.

В 1870-х годах Сидни Гилкрист Томас и Перси Гилкрист разработали разновидность конвертерного процесса с основной футеровкой и известковым шлаком. В 1878 году опыты дали успешные результаты. Новый способ позволил связывать фосфор в шлаке и использовать сырьё, прежде считавшееся проблемным. Его называют томасовским процессом, или основным бессемеровским процессом. Он расширил географию конвертерной металлургии, особенно в районах с фосфористыми рудами.

Дальнейшая судьба технологии

Во второй половине XIX и в XX веке бессемеровские конвертеры конкурировали с мартеновскими печами и позднее с кислородно-конвертерными способами. Более новые технологии позволяли точнее управлять составом стали, использовать разное сырьё и получать металл с заданными свойствами. Постепенно классическая продувка воздухом утратила ведущую роль в сталелитейной промышленности.

Тем не менее историческое значение бессемеровского процесса сохраняется. Он показал, что массовое производство стали можно организовать как быстрый потоковый передел расплавленного чугуна. Вместе с другими металлургическими новшествами этот принцип помог превратить сталь из сравнительно дорогого материала в одну из основ индустриального общества.

Главное

Бессемеровский процесс сделал возможным быстрое и сравнительно дешёвое получение больших объёмов стали. Но его промышленный успех был итогом нескольких изобретений и доработок: первоначальная идея продувки воздуха потребовала контроля состава металла и решения проблемы примесей. Технология стала важным рубежом истории металлургии и индустриализации XIX века.