Литая сталь П. П. Аносова

 

«Может быть весьма скоро употребление литой стали распространится в России».

П.П. АНОСОВ

Что же побудило П. П. Аносова столь долго, последовательно и настойчиво заниматься проблемой получения качественной стали? После промышленной революции в Англии, во второй половине XVIII в. и особенно в начале XIX в., когда европейская промышленность переходила на машинную технику, Европа усиленно заговорила о литой стали высокого качества. Повысился интерес к специальным исследованиям. Многие зарубежные ученые и специалисты тщетно искали способы производства отличной стали, безуспешно пытались открыть утерянную в веках тайну восточного булата, почитавшегося за лучшую сталь.

Вопросом о производстве литой стали занимались правительственные и военные круга крепостнической России. Не были безучастны к этому вопросу и общественные круги. Им интересовалась печать. Обращала на него внимание и литература. Кому, например, не известно следующее поэтическое сравнение булата с зблотом в стихотворении великого русского поэта А. С. Пушкина «Золото и булат», написанном им в 1827 г.

«Все мое, сказало злато; Все мое, сказал булат. Все куплю, сказало злато; Все возьму, сказал булат»46.

Сталь нужна была прежде всего для военных нужд, для обороны страны. Первая четверть XIX столетия проходила для России под знаком наполеоновских войн. Россия одержала победу в Отечественной войне 1812 г., потому что эта война была народной, освободительной войной. Война, однако, показала неподготовленность к ней царского правительства: русская армия была слабо вооружена, оружия нехватало. Потребность в оружии для армии все время росла, тем более, что в первой половине XIX в. Россия почта не выходила из полосы войн.

Сталь была необходима также для машин, особенно во второй четверти столетия, когда в России на смену мануфактуре шла фабрика, когда в отдельных отраслях русской промышленности и, в первую очередь, в хлопчатобумажной, ручной труд стал уступать место машинной технике. В России начали возникать первые машиностроительные заводы. Сталь, наконец, была нужна для изготовления разнообразного инструмента, предметов хозяйственного обихода, бытовых вещей.

Способы получения стали были известны нашему народу с древних времен. Работами советских ученых, тщательно и с помощью новейших методов исследования изучающих материалы, найденные при археологических раскопках, установлено, что еще в начале н. э. (I—VIII вв.) древнерусские кузнецы умели делать ножи со стальными лезвиями. Им была известна также технология производства топоров, кос, серпов, ножниц и пр. С успехом древнерусские мастера изготовляли и холодное оружие. Например, в Гнездовских курганах, Смоленской области, обнаружены мечи, изготовленные, как показал спектральный ана-лиз, из местной руды. Мастерам древней Руси были известны такие технологические приемы, как ковка, кварка, цементация, обточка, резка, полировка, пайка, инкрустация. Достигшая уже в X в. высокого уровня, сложная техника сварки железа с углеродистой сталью Давала возможность изготовлять разные инструменты и оружие. В X—XIII вв. отдельные древнерусские кузнецы хорошо владели приемами механической и тепловой обработки железа и стали.

Лучшим представителям народной металлургии древней Руси были, очевидно, известны некоторые способы получения специальных сталей. В Оружейной палате хРанится, например, подъягдташный нож князя Андрея

Ивановича Старицкого— младшего сына князя Ивана III, русской «работы изготовленный в XVI в; лезвие у ножа булатное с золотой насечкой и надписью «князя Андрея Ивановича лета 7024»*. Там же находится сабля Михаила Федоровича работы мастера сабельного дела Нила Просвита, изготовленная им в 1618 г.: полоса у этой сабли булатная с прорезами, украшена насечкой и надписью о времени изготовления. Имеются сведения, что: в начале XVII в., кроме Нила Просвита, булатные клинки делали московские мастера Дмитрий Коновалов и Богдан Ипатьев, а во второй половине XVII в. царь Алексей Михайлович посылал трех учеников «для учения булатных сабельных полос» в Астрахань.

В XVII в. сталь получали в сыродутных печах. Позднее, в XVIII в., ее выплавляли на тульских и уральских заводах. На Екатеринбургском заводе, построенном в петровскую эпоху, сталь вырабатывалась из уклада в особой «стальной фабрике» с тремя горнами, напоминавшими кузнечные, с мехами, приводившимися в движение водяным колесом. Сталь делали на Нижне-Тагильских и других заводах.

В 1783 г. правительство приступило к «заведению стальной фабрики, в России до того невведенной». В следующем году в округе Екатеринбургских заводов горное начальство построило «для, дела плавленной стали» Пышминскую ф,абрику. Пышминская сталь по отзывам тульских специалистов «была «не хуже заморской»50. В 1792 г. Пышминская фабрика сгорела. Между тем Екатеринбургскому монетному двору для изготовления чеканов и матриц потребовалась твердая сталь. Была сделана попытка изготовлять ее способом цементации. Известный горнозаводский деятель А. С. Ярцов, бывший в то время начальником уральских заводов, начал строительство специального завода «для дела стали». При «бездействовавшей Нижне-Исетской плотине, близ самого Екатеринбурга, были устроены мастерские. Изготовлявшаяся мастерскими цементованная сталь, как сообщал А. С. Ярцов в своей «Горной истории», — «весьма строгие пробы выстаивала и многим превосходила не только бывшую проварочную пышминскую или германскую, но и нижне-тагильскую (Демидова)сталь».

Однако, вскоре выделка цементованной исетской стали была по неизвестным причинам «прекращена новым горным начальником; «мастерские были оставлены впусте», затем приспособлены к другим целям.

В первой четверти XIX в. сталь плавили на многих заводах Урала — Каменском, Нижне-Тагильском, Верх-Исетском, Невьянском, Алапаевском, Каслинском, Боткинском, Ижевском, Златоустовском и других. Так, например, Каменский завод в 1801 г. плавил сталь по способу изобретателя С. С. Ярцова — брата А. С. Ярцова. Эта сталь оказалась «довольно хорошею», почему было решено «нижне-тагильской стали на пушечные сверла не покупать».

В двадцатых годах удачные опыты по сплавлению цементованной стали с платиной производились начальником Гороблагодатских заводов Н. Р. Мамышевым. В 1825 г. в письмах президенту Академии художеств А. И. Строганову, путешественнику П. П. Сзиньину и другим Н. Р. Мамышев сообщал, что полученная им сталь «вышла чрезвычайной доброты: маленькое зубиль-цо удобно рассекло жесткий чугун, после еще без поправки резало стекло как лучший алмаз, перочинный ножик резал железо как олово». При этом,— добавлял Мамышев,— «примечена еще особенность, что при закалении вещи эти получали струи совершенно сходные с дамасскими стальными вещами».

Заводы изготовляли преимущественно рафинированную сталь из уклада. Но мастера-сталевары искали и находили оригинальные способы получения стали более высокого качества. Технику производства стали совершенствовали, главным образом, мастера заводов, работавших на военные нужды — Тулы, Сестрорецка, Ижевска, Вот-кинска, Златоуста. Известностью пользовалась сталь казенного Камско-Воткинского завода, где талантливый сталевар, б. крепостной С. И. Бадаев способом цементации изготовлял сталь, близкую по качеству к литой. Бадаевская сталь, обладавшая большой вязкостью и способностью хорошо свариваться, употреблялась для изготовления стойких инструментов, штемпелей для чеканки монеты и для других вещей.

Свои опыты по выплавке качественной стали Бадаев производил еще до приезда на Урал — в Петербурге, в лаборатории Горного корпуса. Газета «Северный мура-

вей» в 1830 г. писала, что «искусный в сем деле» Бадаев показывал «столь отличные образцы литой стали, что она как фигурами дамаскировки своей, так и крепостью едва ли уступит настоящему булату», причем «сталь сия» была «чистая литая сталь без малейшей примеси платины, серебра и хрома».

Опытами по получению литой стали занимались также ножевые мастера — крепостные гр. Шереметьева в селах Ворсме и Павлове, Горбатовского уезда, Нижегородской губернии, ставших впоследствии известными центрами производства стальных изделий в России. В 1835 г. газета «Северная пчела» подробно сообщала об удачных опытах крепостного ножевого мастера И. Г. Завьялова. Завьялов все свободное время посвящал «на приискание средств придать стали более прочности и отделки». «Сбившись деньженками», он «отделился от хозяина, и сам завел собственную мастерскую», где занимался «бесконечными опытами над сталью». «Первая сталь, вышедшая из мастерской его, плод трудов удивительных, могла соперниче-ствовать с дамасскою; первый ножичек не уступал лучшим заграничным ни в прочности, ни в совершенстве клинка». Газета отмечала, что клинки Завьялова «гнутся как китовый ус, упруги, крепости необыкновенной, берут все, даже, подобно дамасским, самое железо&ra quo;. Через два года та же газета обращала внимание «любителей отечественной промышленности» на «отличные изделия» павловского крепостного ножевого мастера Калякина, который «не перестает улучшать своих изделий». Газета сообщала, что Калякии «переучил своему мастерству уже более ста человек».

Однако получение качественной стали не выходило из рамок единичных опытов, причем многие из них носили кустарный характер. Получаемые в результате опытов количества стали не могли удовлетворить все более возраставшую потребность в ней. Качество стали не отвечало всем предъявляемым жизнью требованиям. Ничего еще не было сделано для того, чтобы обобщить громадный опыт технологии производства стали, накопленный отечественной металлургией. Не было сколько-нибудь серьезных попыток подвести под производство стали научную базу. Попытки западноевропейских металлургов в этом направлении оказывались несостоятельными.

Трудную и сложную проблему получения качественной стали решил Павел Петрович Аносов. Она оказалась по плечу выдающемуся русскому исследователю. Лучшая в мире сталь была получена в цехах Златоустовского завода на Урале.

К началу деятельности П. П. Аносова завод имел уже известный опыт приготовления стали. Здесь, на стальной фабрике много лет путем обработки сырых криц получали выварочную сталь, которую затем рафинировали. Сталь эта, известная под названием сырцовой, была довольно хорошего качества; из нее изготовлялись топоры, косы, ножи и инструменты. Русские сталевары, потомки тульских мастеров, привезенных на завод в XVIII в. «во время его постройки тулянином Масоловым. продолжая дело своих отцов, совершенствовали производство металла, искусство сталеварения.

Когда Аносов прибыл в Златоуст, здесь работали десятки крепостных мастеров-сталеваров и среди них такие искусные умельцы, как Николай Швецов и Петр Уткин, имена которых теперь вошли в историю русского сталеварения. С ними у Аносова вскоре установилась производственная дружба. На них Павел Петрович опирался в своих исследованиях, с ними вместе он проводил многочисленные производственные опыты, с их помощью решил задачу получения отличной стали, выполнение кот орой оказалось не под силу иностранным металлургам.

Используя опыт златоустовских сталеваров, Аносов изучал также достижения своих предшественников. Он исследовал, например, бадаевскую литую сталь. В 1828 году Боткинский завод прислал ему «два пуда пузырчатой стали, приготовляемой здешним мастером Бадаевым, для испытания».

Исследования способов приготовления литой стали продолжались восемь лет и велись Аносовым вместе с изысканиями метода производства булатной стали; это был по существу единый исследовательский процесс. Итоги этого многолетнего труда Аносов подвел в 1837 г. в работе «О приготовлении литой стали».

Литую сталь получали в это время и заграницей. Но в Англии и других государствах она изготовлялась способом переплавки цементованной стали. «В Англии,— замечает Аносов,— сплавляют не железо, а цементованную сталь» (так называемый способ Гэнстмана). При этом следует иметь в виду, что англичане выплавляли лучшую сталь из железа, приобретаемого у Нижне-Тагильских заводов.

Аносов открыл иной, более совершенный способ. Способ этот заключался «в сплавлении негодных к употреблению железных и стальных обсечков в глиняных горшках, при помощи возвышенной температуры воздушных печей». Производственный процесс состоял в соединении цементации и плавки в открытом тигле, находившемся в древесноугольном горне.

Для плавки литой стали Аносовым был устроен особый корпус на каменном фундаменте с железными связями, чугунными стойками и перекладами. Над дымовой трубой корпуса была возведена железная крыша.

В корпусе находилось 8 воздушных печей. Каждая печь состояла из пепельника, колосников и горна. Устройство печи: а— пепельник или шесток — чугунный ящик с тремя боковыми стенками, кроме передней; b — отверстие в боку ящика; с — канал, проведенный с наружной стороны к отверстию 6, служивший для притока в печь воздуха из трубы — d, посредством сопла — е; заслонка с дверцами f и скважиной g у переднего отверстия ящика, служившего для наблюдения за целостью тигля во время плавки; k—железные колосники на раме i, устроенной над ящиком; горн, над ним в наружной стене корпуса окно, в нем железная рама с дверью h для установки тигля и засыпки угля и небольшим отверстием т для наблюдения за ходом плавки (фиг. 5). При плавке стали применяли инструмент, показанный на фиг. 6.

Насыщение железа углеродом по способу Аносова происходило в ходе плавки. В Англии и в других странах оно производилось предварительно.

В зарубежных странах металлурги придерживались правила, что для цементации железа необходимо непосредственное соприкосновение угля с железом.

Аносов оказался далеко впереди западноевропейских металлургов. На основе опытов он пришел к заключению, что для цементации совсем не требуется непосредственного прикосновения углерода к железу, что для этого достаточно иметь газовую среду. «Опыты,— писал он,— заставили меня отступить от сего правила (правила иностранцев о необходимости непосредственного прикосновения угля к железу И. Б.), тем более потому» что оно казалось мне не существенно нужным железо при значительной толщине во время цементования бывает проницаемо углеродом до центра, хотя и в меньшем количестве железа при наружных слоях; с другой стороны, способ получения железа показывает, что сплавляемое в горну железо может быть, при известных обстоятельствах, обращаемо в сталь, а не в чугун».

0

Фиг. 5. Чертеж устройства печен для плавки литой стали П. П. Аносова.

 

Фиг. 6. Инструменты, употреблявшиеся при плавке литой стали: n — железная лопатка для засыпки угля; о — железная лопатка для земляной работы; р — железные клещи для извлечения тигля из горна; q — кочерга для загребки углей в печи; u — железный лом для поднятия тигля; V — щипцы или съемы для кладки крыши и крупных углей; w —форма, в которую выливалась сталь; s — ухват, с помощью которого захватывались тигли при переливании стали в форму; f—клещи для закладки длинных отсечков; и — заслонка с трубой для осмотра тигля.

 

Объяснив сущность процесса цементации, Аносов обогатил отечественную металлургию новым открытием величайшего значения — газовой цементацией. О том, насколько западноевропейские ученые отстали в этой области от Аносова, видно хотя бы из того, что через десять лет после его открытия, в 1846 г., француз Гей-Люссак продолжал утверждать, что цементация — результат непосредственного поглощения углерода железом. Открытие Аносова имело большое значение для химикотермической обработки металла.

Отвергнув несостоятельный взгляд зарубежных металлургов на цементацию, Аносов отказался от предварительного науглероживания железа и указал, что для получения стали вместо чугуна достаточно в нужный момент остановить процесс науглероживания. «Для получения литой стали,— указывал он,— плавиленный горшок с крышею есть просто отпираемый ящик. Стоит только знать, когда его открыть и когда закрыть».

Во время опытов Аносов отверг зарубежные способы Бреана и Мушета, состоявшие в сплавлении стали в плавильных горшках с сажей или угольным порошком, установив, что степень твердости получаемой при этом стали «подвержена большой неопределенности».

Лучшим железом для получения литой стали по своему способу Аносов признал железо, получаемое из наиболее чистых руд рудников Нижне-Тагильских заводов и Тесминского рудника Златоустовского округа.

Вместе с открытием способа производства литой стали высокого качества Аносовым была успешно разрешена важная в то время проблема изготовления плавильных горшков или тиглей.

Для плавки стали были нужны тигли, «способные выдерживать самую высокую степень жара». Такие тигли Златоустовский завод выписывал из-за границы, с фабрик немецкого местечка Пассау по весьма дорогой цене — 25 рублей за штуку.

У Аносова возникла мысль о замене зарубежных тиглей местными, иначе «успех был бы безнадежен». Пассауские тигли были огнестойкими благодаря наличию в глине, из которой они приготовлялись, графита. Из-за недостатка графита в Златоусте «надлежало приискать что-либо другое». Опытами Аносов нашел необходимый материал: десять частей огнестойкой челябинской глины, пять частей истолченных в порошок горшков, бывших в употреблении и предварительно очищенных от шлака, и пять частей древесно-угольного мусора, просеянного сквозь сито.

Тигли, изготовляемые местными мастерами из этого состава, оказались более огнестойкими, чем пассауские, вполне пригодными не только для получения литой стали, но и для плавки золота, и обходились всего по 44 копейки.

Для изготовления тиглей (горшков) Аносов устроил специальной пресс и медную форму, описанные им в Работе «О приготовлении литой стали» следующим образом: «в чугунном стане А обращается, посредством рычага железный винт С, в двух медных подшипниках DD.

На конце винта С утвержден медный болван E помощью винтов F. В одной вертикальной линии с винтом С ставится на основании стана медная форма g, с обручем j, утвержденными на ней скобами K, а самая форма укрепляется посредством скоб h. Чтобы дно горшка не приставало к основанию стана и несколько просушивалось при самой работе, то под форму подкла-дывают тонкий войлок. Наполнив массою, обращают посредством рычага винт до тех пор, пока болван до настоящей глубины опустится и выдавит горшок, а излишняя глина вытеснится из формы. Вывертев болван, раскрепляют форму, выносят из стана, ставят на деревянный стержень M дном горшка, и придавляя ее вниз, получают на крышке стержня готовый горшок» (фиг. 7).

Вскоре для изготовления тиглей начали употреблять местный графит. Во время своих геологических исследований Аносов заинтересовался месторождением графита, обнаруженным в 1825 г. около озера Большого Елан-чака, в 15 верстах от Миасса62. Графит этот был испытан и оказался значительно лучше известного в то время кумберландского, который Златоустовский завод приобретал в Англии и которым кичились английские предприниматели. Позднее поисками, предпринятыми по указанию Аносова, в 3латоустовском горном округе были найдены другие месторождения графит.

Таким образом, завод трудами Аносова был освобожден от импорта и тиглей и графита.

Златоустовскими тиглями вскоре заинтересовались многие предприятия, в том числе столичные. Например, Петербургский монетный двор просил «прислать из Златоуста мастера для установа сего дела на монетном дворе»64.

В работе «О приготовлении литой стали» Аносов подробно описал свой способ: процесс плавки, технологию изготовления тиглей, процесс цементации, оборудование, необходимое для производства стали.

Литая сталь, выплавляемая по способу Аносова в отечественных тиглях, отличалась высокими свойствами. Сам Аносов считал, что она отнюдь не уступает лучшей английской литой стали и отказался от использования последней при опытах.

Опыты по сварке литой аносовской стали с железом дали хорошие результаты: «металл, получаемый чрез сварку литой стали с железом, имеет хорошие качества,— отмечал Аносов,— особенно по связи в частях».

Аносовская сталь была послана в Петербург. Здесь она, как сообщал «Горный журнал» в 1836 г., была испытана «известнейшими столичными мастерами стальных изделий» и «мастера сии отозвались, что она имеет все потребные для работы хорошие качества»67. Аносов получил на изобретенную сталь правительственную привилегию.

Златоустовский завод в 1830 г. начал выплавку литой стали для производственных нужд и уже в 1833 г. получил ее 1660 пудов. За первые шесть лет — с 1830 по 1836 гг.— было приготовлено около 4600 пудов литой стали68. Большая часть получаемой стали использовалась самим заводом и оружейной фабрикой: мягкая — преимущественно для выделки холодного оружия, средняя — на косы Артинского завода, инструменты, рапиры, твердая — на слесарные пилы. Литую сталь охотно покупали на Нижегородской ярмарке. Ее приобретал для изготовления чеканов и матриц Екатеринбургский монетный двор.

Изделия Златоустовского завода из аносовской стали вскоре получили широкую известность и создали ему большую славу. По технике сталелитейного дела завод в 30-х годах XIX в. занял одно из первых мест в России.

Научные исследования П. П. Аносова, связанные с получением литой стали, подвели его вплотную к разрешению проблемы булата.

К ОГЛАВЛЕНИЮ