Прогресс угольного топлива - замена древесного угля на каменный - осуществлялся одновременно с совершенствованием конструкций металлургических печей - домен. Внутренняя конструкция домны превратилась в вертикальную удлиненную полость, высота которой была значительно больше диаметра поперечного сечения. Верхнюю часть печи завершал колошник, через который засыпали слои руды и топлива (древесного угля или кокса), а в нижнюю часть домны вдувался необходимый для горения воздух.

Газообразные продукты горения (оксиды углерода) поднимались навстречу столбу плавильных материалов, отдавали им свое тепло и вступали в химические реакции восстановления железа. Чугун и шлак - жидкие продукты доменного плавления - собирались ниже и распределялись по удельному весу. Более легкий шлак накапливался над растопленным чугуном и выпускался из печи через особые устройства. Чтобы предотвратить потери тепла домну окружали толстым слоем каменной стены (так называемым «кожухом»). С увеличением размеров печей постепенно испытывала уменьшение толщина внешней стены. В Шотландии в первой половине ХIХ в. перешли на металлический кожух, который в дальнейшем применялся почти повсеместно.

  • Развитие размеров и профиля доменных печей.
  • Развитие металлургии во время промышленной революции

    Доменная печь XVIII века. Печь еще относительно небольшого размера. Для загрузки такой печи было достаточно лишь миски.

  • Развитие металлургии во время промышленной революции

    Доменная печь второй половины XIX века. Размеры печи значительно увеличились. Для загрузки печи нужны уже большие емкости.

Увеличение объемов домен и ускорения времени плавления были обусловлены эффективностью новых способов подачи воздуха в печь, что стало возможным с применением паровых машин. Впервые ввел машину Уатта для доменного производства английский инженер Дж. Уилкинсон 1775 Дальнейший рост производительности домен связан с подогревом воздуха, подаваемого в печь. Первый доменный воздухонагреватель был применен на шотландском металлургическом заводе Клайд (патент Дж. Нилсона, 1828 г.). Эксплуатация аппарата показала, что подогрева воздуха до 150 - 300 0 С позволяет значительно (до 40%) снизить расход топлива и поразительно повысить производительность печи. В дальнейшем начали практиковать воздухонагреватели, которые использовали высокотемпературные отходящие газы доменной печи (Э. Каупер 1857 г.).

Прогресс в доменном производстве привел к резкому увеличению выплавки чугуна, который начал применяться как новый конструктивный материал для строительных конструкций, труб, художественного литья, деталей машин, орудий. Но для удовлетворения других потребностей производства, которые с развитием промышленной революции непрерывно увеличивались, были необходимы качественное железо и сталь. Для получения железа была разработана технология пудлингования чугуна, а для производства стали - процессы цементации сварного железа и тигельного плавления.

Для увеличения производительности производства металла и повышение его качества во второй половине ХVIII в. в Англии был разработан метод пудлингования (патенты братьев Кранеджи, 1766 и Г. Корта 1784 г.). Метод предполагал перемешивания жидкого чугуна со шлаком в пламенных печи и обеспечивал сочетание углерода чугуна с кислородом (то есть уменьшал содержание углерода в металле, приближая его к уровню качественного железа). Однако производительность пудлинговых печей, которая достигала около 600 т в год, не соответствовала мощности домен (в первой половине ХIХ в. производительность доменных печей часто не превышала 30 тыс. т чугуна в год), то есть объемы чугуна значительно перевешивали металлургические возможности его вторичной переработки. Это привело к ситуации, когда вокруг домны располагались длинные ряды из десятков (иногда из сотен) пудлинговых печей, что тормозило технологичность процесса получения железа. Следует отметить, что на выходе из пудлинговой печи по-прежнему получали не расплавленный металл, а тестообразную железную сталь. Совершенствование ее кузнечной обработки и даже технология вальцовки по методу Г. Корта уже не могли обеспечивать потребности бурного развития промышленности: необходимы были новые технологические прорывы.

Проблема массового производства стали была решена только в 50-х годах ХIХ в. английским «изобретателем широкого профиля» Бессемером. Разработанный им артиллерийский снаряд нуждался в более качественном металле пушечного ствола, и Бессемер на 41 году жизни погрузился в проблемы производства железа. Сам изобретатель так описывал свой творческий метод: «Мои знания в металлургии железа были в то время очень ограничены и заключались в том, что при необходимости наблюдает инженер в литейной или кузнице. Но для меня это давало преимущество ... Я мог вполне справедливо вглядываться в суть каждого вопроса, мог по всем пунктам взвесить "за" и "против" без предвзятости и без давления господствующих мнений, а в случае необходимости не боялся идти совсем другим путем ».

Исходным пунктом поисков Г. Бессемера были опыты Г. Реомюра. Но вместо вагранки, где перетапливалися чугун и куски железа, была взята пудлинговый печь. Ее модернизация, которая позволила более интенсивно подавать струи воздуха на поверхность ванны с жидким металлом, повысила качество железа, произведенного из чугуна и металлолома. Проблема технологии была в недостаточно высокой температуре в печи, увеличить которую Бессемера не удавалось (позже это удастся немецком инженеру В. Сименсу, что откроет путь сименс-мартеновской технологии). Поэтому Г. Бессемер пошел принципиально другим путем: для более полного удаления углерода из металла, расплав чугуна начали продувать сжатым воздухом не с поверхности, а изнутри, сквозь металл. Процесс превращения чугуна в сталь осуществлялся благодаря окислению углерода и примесей (кремния, марганца) кислородом воздуха. Продували сначала в тигле, а позже в разработанном изобретателем грушевидном резервуаре (конвертере), что начало конвертерный или бессемеровский способ производства стали (патент 1856).

Несмотря на преимущества бессемеровского способа, его широкое применение началось только через 20 лет после изобретения. Это было обусловлено как широким распространением пудлинговых печей, отказаться от которых не могли инвесторы, вложившие в них большие деньги, так и некоторыми недостатками новой технологии. Для того, чтобы убедить производителей металла в перспективности своего образа, Бессемер вместе с единомышленниками строят металлургический завод в Шеффилде. За несколько лет значительно совершенствуется конструкция конвертера, а добавлением марганца решается проблема повышения качества стали.

Не понимая химизма конвертерных процессов, изобретатели объясняли недостатки стали вредным воздействием серы, на самом деле, часть кислорода воздушного дутья растворялась в металле, делая его некачественным. Парадоксально то, что если бы было настоящее понимание проблемы, бессемеровский способ не имел бы никакой перспективы: производство стали не "взорвалось" бы увеличением в десятки раз, процессы индустриализации заметно бы притормозились. Добавляя марганец, чтобы нейтрализовать серу, блокировали растворение кислорода, до конца не осознавая важности этой реакции. Таким образом Бессемер невольно решил самую большую проблему своей технологии. В дальнейшем проблемы с примесями фосфора и с футеровкой были устранены изобретениями С. Томаса, который использовал в качестве флюса обожженную известь, а для внутренней облицовки конвертера применил огнестойкий доломит. Продолжительность бессемеровского процесса составляла не более 15 минут, за которые 10 - 15 т чугуна в конвертере превращались в железо или сталь. Ранее для получения такого количества железа необходимо было несколько суток работы пудлинговой печи или две недели эксплуатации старого кузнечногогорна. Благодаря технологиям британских инженеров (в первую очередь - изобретениям Г. Бессемера) в 70-80-х годах ХIХ в. Англия производила стали больше, чем все остальные страны мира вместе взятые.

Бессемеровская сталь, благодаря эффективности производства и высокому качеству, быстро получила универсальное применение. Одновременно в металлургической промышленности оставались многочисленные заводы, которые производили пудлинговане железо, нереализованные запасы которого быстро росли. Возникла острая необходимость переработки большого количества железа в сталь.

Идея получения стали расплавлением железного лома вместе с чугуном на отражательной печи впервые была предложена французскими металлургами братьями Мартен. Но осуществить ее не удавалось, поскольку не было возможности получить температуры, необходимые для поддержания значительных масс металла в жидком состоянии. После изобретения немецкими инженерами Ф. Сименсом регенеративной газовой печи (сначала для нужд стекольной промышленности) удалось повысить температуру печного пространства почти на 10 000 С. Это позволило П. Мартену разработать технологию окислительного плавления железосодержащих материалов в пламенных печах (1864 г.). Мартеновский способ позволял утилизировать разный железный лом и обеспечивал высокое качество полученной стали благодаря контролю и регулированию металлургического процесса.

Таким образом, прогресс в металлургическом производстве отвечал резкому росту потребностей качественного железа и обеспечивал бурное развитие железнодорожного и водного парового транспорта, машиностроения, военной техники, строительных конструкций, формировало основы индустриальной эпохи. Вместе с тем это потребовало резкого роста и структурной перестройки горных отраслей. В конце ХIХ в. наблюдается 30-кратное преимущество железа над общим количеством всех других металлов, которые добывались в мире. Это привело к принципиально новой ситуации всеобъемлющего господства железа в мире техники - начиналась «новая железная эра». Связанная с ней добыча угля, до второй половины ХVIII в. в общей структуре добычи полезных ископаемых занимало одно из последних мест, но характеризуется высокими темпами роста. В середине ХIХ в. формируется угольная промышленность, которая постепенно становится основной добывающей отраслью (по Э. Синклеру, уголь становится «королем» среди других ископаемых).