Применявшийся на Златоустовской оружейной фабрике метод производства стали мало чем отличался от приемов работы на других предприятиях Урала. В основе всего процесса лежал кричный горн с последующей обработкой криц под молотами.
Иностранные мастера ничего нового, более прогрессивного в это дело не внесли. Попытки золингенца Петра Каймера ввести на фабрике производство литой стали провалились. Он обставил свою работу с наивозможнейшей таинственностью, к плавке готовился долго, разговоров и обещаний было много, но вышло по пословице: «хвалилась синица море зажечь». За два года Каймер выдал относительно годной едва… 9 пудов стали, а обошлась она больше чем по 169 рублей за пуд, то-есть примерно в десять-пятнадцать раз дороже существовавшей тогда цены на сталь. Ввиду дороговизны и низкого качества литой стали дальнейшее производство ее было приостановлено.
Аносов располагал замечательной базой для широкого развертывания опытов — в его распоряжении была специальная фабрика стали. Правда, Аносов не мог рассчитывать и не рассчитывал на помощь начальства: его в этом убедил разговор с Татариновым. Но он был уверен, что и мешать начальник горного округа не будет.
На Златоустовскую фабрику было возложено производство всего требовавшегося русской армии холодного оружия. Военное ведомство и Горный департамент все настойчивее напоминали о необходимости улучшить качество и снизить стоимость оружия.
А как это сделать, если нет никакой уверенности в качестве стали: сегодня сталь выходит хорошая, а завтра — негодная.
При таких условиях Татаринов не будет мешать опытам, хотя он в них и не верит.
Но неужели ему, Аносову, надо будет пройти весь путь исканий в одиночестве?
У Аносова был такой помощник — мастер по стали Николай Швецов. Что из того, что он неграмотен, что он крепостной человек? Это не мешает ему «чувствовать» сталь, видеть ее «насквозь». Дайте ему кусок стали, и он вам расскажет, как и при каких условиях она была откована, протянута.
— Эта сталь плоха потому, что полосы были неодинаково нагреты; если сделать из нее клинки, они будут непрочными, — говорил он, только взглянув на металл.
Сколько раз наблюдал Аносов за тем, как Швецов складывал «пучок» полос, как аккуратно посыпал полосы песком и бурой, а потом проковывал металл, рассматривал его излом, сравнивал размеры зерен.
— Неровно нагрели полосы, — сокрушенно качал Швецов головой. — Посмотрел бы на это Антроп Демидович, задал бы он им…
Антроп Демидович был учителем Швецова, мастером рафинированной стали на заводе в Тагиле. Оттуда и прибыл в Златоуст Швецов.
Аносов учился у Швецова узнавать качество стали по зернам, следил за тем, как меняется размер зерен в зависимости от нагрева.
Долгое время держалось мнение, что П. П. Аносов был чистым эмпириком, что все его успехи не более чем результат удачи, случайных опытов. Это была глубокая ошибка.
Напечатанная в «Горном журнале» № 1 за 1837 год статья П. П. Аносова «О приготовлении литой стали», как предупреждал автор, не носила научного или теоретического характера. «Не историческое повествование о времени, когда литая сталь сделалась известной, когда она совершенствовалась, когда терялась и снова появлялась; не подробное исследование состава и свойств ее, основанное на новейших успехах химии, составляют предмет сего сочинения, — писал Аносов, — но краткое и верное описание всех существенных правил и приемов, наблюдаемых при деле литой стали в Златоусте, с предназначенною начальством целию, чтобы всякий, хотя несколько знакомый с железным производством, мог иметь в нем руководство».
Тем не менее и в этом сочинении, которое как будто имеет чисто практическое предназначение, Аносов не остается на позициях эмпиризма. Смелый новатор не только излагает, как он совершает те или иные операции. В различных местах этого относительно небольшого труда он подробно касается и теории вопроса, объясняет, почему надо делать так, а не иначе.
Аносова прежде всего интересовало, при каких условиях углерод лучше и быстрее станет проникать в массу железа.
«С тех пор, как появились сочинения Ринмана в Швеции и Реомюра во Франции, — пишет в своем сочинении П. П. Аносов, — способы цементования сделались в Металлургии подробно известными, а вместе с тем сохранилось и правило, что для цементования железа необходимо непосредственное прикосновение угля к железу. Опыты заставили меня отступить от сего правила».
Из дальнейшего описания становится понятным, почему Аносов отбросил рекомендованный западноевропейскими учеными метод получения стали, основанный на соприкосновении угля с железом.
Аносов помещает железо в тигельный горшок, то-есть непосредственного контакта угля и железа уже нет. Но он отлично понимает, что это только кажущаяся изоляция. Тигель стоит в горне, насыщенном продуктами горения угля, углерод перешел в газообразное состояние. И пока тигель остается открытым, частицы углерода настойчивее атакуют железо, чем даже тогда, когда с ним непосредственно соприкасается твердый уголь.
На основании многочисленных опытов и наблюдений Аносов нашел средство (пусть еще примитивное) регулировать степень насыщения железа углеродом.
«Когда я, — писал он в сочинении «О приготовлении литой стали», — наполнил горшок железными обсечками без примеси угольного порошка, не покрывая их ни флюсом, ни крышкою, то вскоре заметил понижение обсечков, а потом и самое расплавление; но получил не ковкий металл, а чугун. Заключив из сего, что железо в излишестве насытилось углеродом, я накрыл горшок крышкой прежде, нежели все железо расплавилось, оставив в ней небольшую скважину для наблюдения за ходом работы, и спустя несколько времени удостоверился, что металл совершенно расплавился. Тогда, вылив в форму, я получил удобно ковкий металл — литую сталь.
Таким образом, для получения литой стали плавиленный горшок с крышею есть просто отпираемый ящик. Стоит только знать, когда его открыть и когда закрыть. Цементование железа, находящегося в горшке, совершается точно так же, как в ящике с угольным порошком, токмо тем скорее, чем возвышеннее температура».
Отсюда Аносов вывел одно из основных правил ведения плавки:
«Сплавление стали с угольным порошком или сажею в определенной пропорции в закрытом горшке, как предлагают Мушет и Бреан, хотя может дать сталь, но степень твердости ея подвержена большей неопределительности, нежели при описанном мною способе: ибо, положив угля более, опасаться должно, что она выйдет слишком твердою; а положив недостаточно, она будет трудно плавиться, особенно потому, что часть углерода улетучивается».
Аносов научился управлять «механизмом» насышения железа углем. Тигель он уподобляет «просто отпираемому ящику». Сталь плавится в том же тигле, но уже с закрытой крышкой.
Аносов разработал новый способ приготовления литой стали, который заключался «в сплавлении негодных к употреблению железных и стальных обсечков в глиняных горшках, при помощи возвышенной температуры воздушных печей».
Это открытие Аносова имело исключительно важное значение и для научной разработки процессов химико-термической обработки железа и стали, в частности для процесса газовой цементации.
Для плавки стали по новому способу Аносов сконструировал и построил специальную камерную воздушную печь, в которой удалось достигнуть необходимой для расплавления металла температуры. Он же исследовал огнеупорные материалы, из которых делаются тигли, и, наконец, детально разработал весь технологический процесс плавки и разливки стали.
Все это является несомненным свидетельством того, что Аносов был не эмпириком, а крупным ученым-мыслителем. Но одновременно он был инженером-производственником и свои научные открытия неуклонно претворял в жизнь.
По проекту Аносова был построен особый корпус с семью печами. Не останавливаясь подробно на конструкции печей, приведем лишь следующее замечание Аносова:
«Величина и вид их (печей) определены опытами, соображенными с возвышенностью температуры, необходимою для расплавления стали, с равномерностью какой должен быть по всем сторонам горна, и для сохранения плавиленных горшков и для успеха самой работы, с возможным сбережением горючего материала при наибольшем и удобнейшем получении металла».
Если считать это техническим заданием, то мы должны прийти к выводу, что автор задания — человек широких горизонтов, он стоит на государственных позициях. Получение литой стали для него не самоцель. В техническом задании предусмотрено все: и равномерный нагрев печи (чтобы она дольше простояла), и сохранение горшков, и экономия горючего, и высокая производительность, и удобства при получении металла.
Ни одной мелочи Аносов не упустил из виду при разработке проекта новой сталеплавильной печи. Он приложил к своему сочинению подробное описание и чертежи инструментов, которыми пользовались рабочие, обслуживавшие печи. Аносов уже тогда хорошо понимал, что сталь — материал капризный и чистота — первое условие успешной работы. Поэтому он ввел лопатки — одной формы для насыпания обсечек металла в тигель, а другой — для земли, флюсов.
Аносову много пришлось поработать, чтобы научиться приготовлять тигли. По поводу этой работы Аносов в своем сочинении пишет: «…предмет сей, ничтожный по названию и весьма важный для металлурга».
Может показаться странным, что даже такие изделия, как тигли, Россия в те времена выписывала из-за границы. Монопольным поставщиком их был тогда городок Пассау, вокруг которого находились залежи особого сорта высокоогнеупорной глины.
Аносов пришел к выводу, что «иностранные горшки особенно в столь отдаленном месте, как Златоуст, были бы слишком дороги для стального производства, и, не заменив их своими, успех был бы безнадежен».
Выход напрашивался сам собой: научиться делать горшки из местных материалов.
Это было вызовом всей сложившейся практике. До тех пор твердо придерживались мнения, «что одно токмо местечко Пассау может доставлять горшки, способные выдерживать самую высокую степень жара».
Аносов начал поиски сырья, чтобы делать свои тигли.
Прежде всего Аносов занялся исследованием причин образования трещин в горшках, сделанных из местной, челябинской глины. Многочисленные наблюдения привели его к выводу, что трещины в горшках получались вследствие расширения частиц глины от того, что одни частицы «давили» на другие. Это натолкнуло Аносова на мысль, что для предупреждения трещин необходимо в состав глины ввести «тело, которое бы уменьшило… способность сжимания».
Какое же «тело» для этого требуется? Аносов сделал анализ пассауской глины и нашел ответ на интересовавший его вопрос.
«В пассауских горшках сама природа позаботилась соединить глину с графитом».
Тогда Аносов решил изменить природу челябинской глины, он прибавил к ней угольный порошок. Так был найден рецепт массы для производства горшков: десять частей челябинской огнепостоянной глины, пять частей толченых, бывших в употреблении горшков и пять частей просеянного сквозь сито угольного мусора. Позднее угольный мусор заменили графитом, найденным на Южном Урале, у озера Еланчик.
Из этой массы Аносов при помощи пресса и медной формы стал приготовлять горшки. Конструкцию пресса он разработал сам.
Тигли Аносова оказались весьма огнестойкими и обходились «всеми расходами в 44 копейки» вместо 25 рублей, которые приходилось платить за заграничные.
«Разность в употреблении, — писал Аносов, — заключается единственно в том, что здешние горшки требуют соблюдения большей осторожности в прогреве, а вместе с тем, и более времени для начатия самой плавки, но в огнестойкости имеют положительное преимущество, которое, впрочем, дознано токмо на месте».
Последнее замечание сделано не случайно. Россия тогда была наводнена иностранными агентами, которые всячески стремились держать страну в экономической зависимости. Переход на производство отечественных горшков был серьезным уроном для промышленников Пассау, и через своих представителей они старались дискредитировать работу Аносова. Против них-то и направлены следующие строки сочинения о литой стали:
«В ученом мире иногда вкрадывается как бы некое предубеждение против простых средств, между тем, как многия из них, одетыя в систематическия выражения, занимают почетный места в науках. Еще недавно случилось мне видеть сему доказательство: один из известных химиков, получив для сплавки золота Златоустовские горшки, уведомил меня, что они никуда не годятся, и что он открыл в них вредную примесь — уголь, от которого они горят синим пламенем и разрушаются; тогда как в Златоусте, не говоря о стали, более трех лет сплавляется золото в сих горшках, и не было еще примера не токмо подобному разрушению, но не случалось, чтобы горшок, наполненный уже золотом, получил трещину. Напротив того, опытом дознано, что в одном горшке можно плавить золото до 6 и более раз, не останавливая работы» 28.
Аносов видел и перспективы развития русской огнеупорной промышленности, он высказал такую мысль: «может быть весьма скоро употребление литой стали распространится в России и вызовет предприимчивых людей к заведению сего производства», то-есть производства плавильных горшков.
Как видим, подготовка к выплавке стали новым способом потребовала решения ряда серьезных проблем и заняла много времени. Аносов не останавливался ни перед какими трудностями.
Чтобы создать пресс, он занялся механикой. Ему немало пришлось поработать над конструкцией печи. Наконец все приготовления были сделаны, и Аносов начал плавить сталь по новому методу.
Процесс плавки шел так.
После подготовки горшка, которая отнимала довольно много времени — около четырех часов, — в него по железному жолобу засыпали железные или стальные обсечки, «сколько поместиться может с верхом (в среднем около пуда)». Затем горн наполнялся углем, дверцы замазывали глиной и пускали мехи… Скоро в горне являлась «степень жара, потребная для расплавления стали, продолжающаяся до окончания работы…», «…закладываемое в горшки железо составляет особенность способа, — писал Аносов, — ибо в Англии сплавляют не железо, а цементованную сталь».
Нагревание и цементование проходило относительно быстро, эта операция отнимала от двух до двух с половиной часов.
Однако Аносов замечает, что если. «предварительно довесть железные обсечки под крышей до степени температуры, равной с самой печью, тогда достаточно 5 минут для процементирования без крыши»[18].
Когда железо нацементовывалось, горшок накрывали, и происходила окончательная доводка, продолжавшаяся от полутора до двух часов. Регулирование температуры производилось по цвету выходящего из горшка пламени и по величине выбрасываемых из него искр.
Искусство мастера состояло в том, указывал Аносов, «чтобы остановить работу в то мгновение, когда последний кусочек обсечков начинает расплавляться».
Аносов придавал большое значение разливке стали и создал соразмерные с величиной горшка специальные чугунные формы (изложницы). Они имели вид четырехгранника с усеченными боковыми плоскостями. «Каждая форма по граням составлена из двух боковинок, которые скреплялись обручем с клином. Формы предварительно прогреваются так, чтобы в них расплавлялось сало, которым оне пред самою отливкою смазываются: отделяющиеся от горения сала газы предохраняют сталь от доступа воздуха».
«В горну, где сталь поспевает, — писал в своем сочинении Аносов, — дают углям спуститься до половины высоты горшка, и тогда останавливают дутье. Горшок пошевеливают слегка кочергою около поддонника, и если он сдвигается, то приступают к вынутию, в противном случае двигают ломом, если же шлаку очень много, то вынимают с поддоном, а если и поддон прикипит к колосникам, то стараются прежде отделить его от колосников помощью лома.
Горшок вынимают большими клещами, мастер захватывает его в клещи, а рабочие подхватывают их ломом, поднимают из горна, и все вместе выносят из печи, поставляя осторожно на землю, где, обдув крышку мехом, мастер захватывает в ухват и медленно выливает сталь в форму через отверстие, находящееся в горшке под крышею. По вылитии, ее немедленно покрывают крышкою с железным стержнем, входящею в форму. Когда форма прокалится до красна, то снимают обруч и вынимают брусок стали, почти одинакового веса с количеством заложенных обсечков. При отливке мастер должен наблюдать, чтобы струя стали не касалась боков формы, в противном случае впоследствии окажутся в ней спаи; также он не должен торопиться выливкою, ибо скоро вылитая сталь делает большую усадку и может в самой форме получить поперечные трещины».
В свете современного учения о стальном слитке эта предусмотрительность делает Аносову большую честь.
Аносов еще не знал законов кристаллизации стали и условий удаления из металла газов, но все его инструктивные указания говорят о том, что он был близок к разгадке и этих явлений.
Очень ценными являются и данные Аносовым характеристики различным сортам стали.
«…При плавке стали, — писал он, — обнаруживаются некоторые явления, служащие признаками ее различных свойств. Главнейший из них суть: цвет струи стали и отделяющихся от нея искр… мягкая сталь при застывании увеличивается в объеме или вспучивается; средняя остается в том положении, как вылита, а крепкая уменьшается в объеме или садится, образуя в штыке впадину.
Первые два сорта поступают прямо в проковку, а последний должен быть предварительно отжигаем в калильной печи, нагреваемой дровами, где сталь в продолжение 12 часов получает почти одинаковую мягкость со вторым сортом».
Весь процесс получения стали, считая и прогрев горшков, длился около девяти-десяти часов, вместо недель, которые уходили на производство цементованной стали.
Аносов объединил два процесса, которые всеми металлургами его времени во всех странах осуществлялись раздельно: цементацию (томление) и расплавление. Благодаря этому удалось добиться довольно высокой производительности: артель, состоявшая из мастера, двух подмастерьев, двух подсобных работников, приготовляла в день до 9 пудов литой стали, употребляя до 9,5 пуда железных и стальных обсечков и до 8 коробов угля.
Аносов подробно описал в своем сочинении и методы ковки полученной стали в полосы. Особое внимание он обращал на качество сырых материалов: «пригодность железа на сталь находится в большей зависимости от качества руд, нежели от способа приготовления Железа. Таким образом, железо, получаемое в Златоусте из руды Тесминского рудника, предпочитается железу всех других рудников, а железо Тагильских заводов дает сталь высшего достоинства, нежели железо Златоустовских». И в примечании он добавляет: «…из сего следует, что если производство литой стали водворено будет на Тагильских г. Демидова заводах, то оно возьмет перевес против Златоустовских заводов».
Аносов получал литую сталь из обсечков железа с прибавлением даже некоторого количества стальных обсечков. Обезуглероживание чугуна и превращение его в железо попрежнему производилось в кричных горнах. Но так было только на первых порах.
Освоив процесс получения литой стали из железа, Аносов постепенно стал менять состав шихты[19], которую клал в тигли.
В 1833 году Аносов провел серию опытов и убедился, что вполне возможно получать доброкачественную сталь путем сплавления чугуна с железом с прибавлением флюса с окалиной[20].
А еще через несколько лет — в 1837 году — Аносову удалось тем же путем переделать чугун в сталь уже без прибавления железа.
Так была решена проблема, в которую упиралось развитие машинного способа производства.
Методы изготовления стали, применявшиеся до Аносова, могли обеспечить самые ограниченные потребности в этом материале. Аносов заложил начало новой эры стали.
«По материалу, из которого люди создавали основные орудия производства, — пишет академик И. П. Бардин, — принято разграничивать эпохи истории человечества: каменный век, бронзовый век, железный век. Качеством материалов во многом определялись характер орудия производства и пути развития техники.
«Дайте мне точку опоры, и я поверну земной шар», — говорил Архимед, подчеркивая значение рычага.
Как точка опоры для рычага, так материал для строителя определяет его производственные возможности» 29.
Такой универсальный материал дал миру великий сын русского народа Павел Петрович Аносов.
Мировое производство стали в настоящее время превышает 200 миллионов тонн в год. В основе большинства применяемых и поныне методов производства стали лежат способы окисления чугуна, которые открыл и разработал П. П. Аносов.
На лекциях, которые великий русский ученый Дмитрий Константинович Чернов читал в 1898 году слушателям Михайловской артиллерийской академии, он говорил: «Раньше чем установился процесс получения стали в тиглях по способу Ухациуса или Круппа, русским горным инженером Аносовым (имя которого известно всякому, знакомому с историей стального дела) в начале 30-х годов настоящего столетия был введен на Златоустовском заводе комбинированный тигельный способ цементования и плавки стали, при чем в тигель закладывается чистое кричное железо и ничего больше» 30.
Возвращаясь к вопросу о приоритете в разработке новых, передовых методов получения стали, Д. К. Чернов в одной из следующих лекций заявил:
«Собственно нет никакого особенного мартеновского способа как металлургического процесса; эти инженеры приспособили газовую регенеративную печь для ведения в больших размерах и на открытом поду тех же процессов, которые до того производились в тиглях или даже в пудлинговых печах» 31.
Вот авторитетное свидетельство того, что Аносов, а никто другой, заложил основы массового производства литой стали.
Совершенно естественным было, что Эмилю и Петру Мартенам отказали в выдаче пятилетней привилегии на производство литой стали в России. В мотивах отклонения ходатайства Мартенов указывалось, что «литая сталь путем сплавления чугуна и железа производилась у нас на Урале в тиглях (работы Аносова и Обухова)» 32.