Доменная революция

«Эксперт» №29 (667)/27 июля 2009

Дмитрий Сиваков, редактор отдела промышленности журнала «Эксперт»
Василий Лебедев, автор «Эксперт»

Современная домна — огромное технологическое сооружение. Фото 1986 года: крупнейшая в мире на тот момент домна Череповецкого металлургического комбината

По учебникам древней истории мы помним, что был когда-то железный век — давным-давно, больше трех тысяч лет назад. Люди тогда открыли для себя новый металл. Однако «эрой железа», «эрой стали» можно назвать лишь последние 150–200 лет. Только в эти столетия железо вошло в нашу жизнь мощно и всеобъемлюще. Присмотритесь, оно есть везде: мы в нем живем (многоэтажки буквально пронизаны стальной арматурой и балками), мы по нему ходим (мосты), ездим (автомобили и железные дороги), на нем едим (посуда), даже компьютер, детище современных технологий, по массе в основном состоит из железа. Трудно поверить, но за свою жизнь каждый гражданин индустриально развитого общества «потребляет» в том или ином виде примерно 50 тонн этого металла. Железо доступно не только жителям городов, но и кочевникам и африканским племенам. Потому что его много. Потому что оно дешево.

Но так было не всегда. Двести лет назад стальные изделия были редки и дороги. Не было технологий их производства в большом количестве. «Эра стали», стартовавшая где-то в середине XIX века, была бы невозможна без изобретения массового производства чугуна английскими металлургами в ходе доменного процесса — технологии, до неузнаваемости изменившей жизнь человечества.

Случайно рожденный

Первый процесс получения железа зародился в недрах первобытно-общинного строя. Существовал он в течение многих веков, оставаясь жизнеспособным в Средневековье, перекочевав оттуда в Новое время, когда и ушел в небытие. А назывался этот процесс сырое дутье. Для получения мягкого железа (фактически стали) повсеместно применялись сыродутные горны (см. рис. «Гравюры из книги Агриколы») небольших размеров, с дутьем от ручных мехов, позднее ручной труд был заменен водяным колесом. В качестве топлива применялся древесный уголь. В результате трехчасовой плавки в подобном примитивном горне выплавлялась загрязненная шлаком и другими примесями крица, после пяти-шестикратной проковки которой получалась стальная чушка весом несколько килограммов. За сутки на одном горне удавалось получить около 500 килограммов железа, при этом до 70–75% руды уходило в отходы. Такой метод был чрезвычайно трудоемким и непроизводительным.С течением времени потребность в металле возрастала, задувались все новые и новые горны, увеличивались их размеры. Но увеличение размеров горнов и силы дутья привело к тому, что в железе начало повышаться содержание углерода — критически важного компонента, сильно влияющего на свойства получаемого материала. Вместо привычной густой массы крицы на дне горна стал появляться жидкий металл, который после застывания становился хрупким, не поддавался ковке и ломался при ударе. Вначале этот металл, позднее названный чугуном, считали просто непригодным и браковали, именуя его грязным, сорным камнем или даже «свинским железом» (pig iron). Но вскоре было замечено, что чугун хорошо заполняет формы и из него можно получать качественные отливки, не хуже чем из меди и бронзы, но существенно дешевле. Тогда чугун начали выпускать через пробитые в основании горна отверстия и разливать в формы. Так зародилось чугунное литье, которое в усовершенствованном виде стало в наши дни основным видом литья в машиностроении.Горны, выросшие в высоту и превратившиеся в шахтные печи, стали называть домницами, а потом доменными печами, или просто домнами (слово «домна» образовано от старославянского «дмение» — дутьё). Металлурги быстро взяли на вооружение основные преимущества домны: масштаб, простоту строения и технологического процесса, некритические температуры работы — и начали планомерно их совершенствовать.К концу XIX века мощности крупнейших домен начали достигать уже приличных по сегодняшним меркам величин — 1–1,5 тыс. тонн чугуна в сутки. Для сравнения: крупнейшая в России и Европе доменная печь № 5 «Северянка» на «Северстали» может выдавать по 11 тыс. тонн чугуна в сутки (более 4 млн тонн в год). Только одна эта домна-гигант способна за один цикл выплавлять около 6 тыс. тонн металла — по массе это железнодорожный состав из 100 вагонов.Но так ведь это чугун, а как же сталь? Ведь сейчас наиболее распространены изделия из стали, а не из чугуна. Когда металлурги научились получать в большом количестве чугун, они, естественно, попытались с минимальными затратами превратить его в сталь. Новый способ переработки чугуна в чистое железо был найден довольно быстро. Уже давно было замечено, что если в кричной горн загружать чугун в смеси с древесным углем, то при горении последнего происходит расплавление чугуна и окисление его примесей и углерода. После изобретения доменных печей этот процесс был выделен в отдельное производство — в пудлинговых печах. Но сталь, в сравнении с чугуном, получалась гораздо дороже. Только к концу XIX века были изобретены технологии превращения чугуна в сталь массовым и довольно дешевым способом.Скажем еще, что перспектив замены домен на более совершенные устройства пока никаких нет. Еще в XIX веке были замечены основные недостатки доменного процесса: неэкологичность (значительные выбросы в атмосферу продуктов горения), дискретность (хотя плавка идет непрерывно, чугун можно сливать лишь время от времени — несколько раз в сутки) и двустадийность (чугун требуется переплавлять еще раз — в сталь).Многочисленные усилия металлургов, ученых и частных компаний во второй половине XX века, направленные на преодоление этих недостатков, вроде бы увенчались успехом. Были построены заводы по прямому восстановлению железа, в них сталь получалась прямо из железной руды. Они были одностадийны, непрерывны, более экологичны, чем домны. Однако существенно более дороги — как по линии капитальных вложений, так и по текущему обслуживанию. В частности, они многократно энергозатратнее — потребляют значительно больше энергии и газа (единственный в России завод такого типа — Оскольский электрометаллургический комбинат — построен по импортной технологии и эффективен только благодаря особым отношениям с «Газпромом»).Так что до сих пор подавляющее большинство вводимых в мире новых мощностей по выплавке чугуна и стали основаны на доменном процессе.

Кому сказать спасибо

А началось все с промышленного переворота в Англии в середине XVIII века. Строительство текстильных фабрик было весьма капитало— и материалоемким делом. Переход от мануфактуры к фабрике, от ручного труда к машинному потребовал огромного количества металла.

Несколько десятилетий англичане интенсивно использовали древесный уголь в качестве топлива для домен и не знали горя, пока не начали ощущать его все нарастающую нехватку. Но местные изобретатели еще в середине века стали заменять в плавке древесный уголь каменноугольным коксом. На картах Урала в местах старых крупных железоделательных заводов (Невьянский, Нижнетагильский) даже сейчас видны огромные пустые прогалины — без леса. А все потому, что переход на кокс в российской металлургии прошел на столетие позже.

Кокс, как топливо, крайне важен для доменного производства. Его использование, помимо того что бережет лес, дает возможность плавить железную руду одномоментно тысячами тонн. Кокс не только служит эффективным топливом во время плавки, но и из-за своей твердости разбивает рудные куски, не позволяя руде спечься в один комок и «запороть» плавку.

Английские металлурги решили еще одну важную проблему — как использовать горячие колошниковые газы, образующиеся в доменной печи. Сначала их просто выбрасывали в атмосферу. Но в середине XIX века англичанин Эдуард Каупер изобрел способ подогрева воздуха в печи отходящими газами в устройствах, названных его именем, — кауперах. С этого времени кауперы стали постоянными спутниками доменных печей.

В течение многих столетий для получения мягкого железа (фактически стали) повсеместно применялись сыродутные горны

Английским металлургам принадлежит и другое важное технологическое открытие, на этот раз в области выплавки стали. В конце XVIII века Генри Корт запатентовал пудлинговую печь, на поду которой осуществлялось пудлингование (от англ. puddle — ванна расплавленного металла), которое окончательно вытеснило кричной передел. Пудлингование — это плавка чугуна в сталь в пламени пудлинговой печи, в которой топливо сгорает в топке, отделенной от загруженного в нее чугуна порогом.

Впоследствии эта технология была доведена до совершенства — в 1864 году в устройствах француза Пьера Мартена, по имени которого названы сталеплавильные печи, используемые в некоторых странах (в том числе в России) и по сей день. В 1855 году для получения стали англичанин Генри Бессемер придумал продувать чугун воздухом, а в 1878 году англичанин Сидней Томас догадался использовать для этого кислород. Так появились кислородные конвертеры для выплавки стали.

В общем, теперь, наверно, уже не кажется удивительным, что Англия быстро вышла на первое место в мире по выплавке железа. Если в 1768 году в стране выплавлялось 62 тыс. тонн чугуна, то уже в 1796−м — 125 тыс. тонн (немногим меньше, чем у тогдашнего лидера — Российской империи), а в 1806−м — 250 тыс. тонн (первое место в мире). За последующие полвека среднегодовые темпы роста выплавки чугуна в Англии превышали 10% (см. график 1), и к середине XIX века Англия давала больше половины мирового производства.

К концу XIX века мировой лидер выплавлял в год 8 млн тонн чугуна. Но это была уже не Британия, а США.

Новый лидер

Взрывной рост потребления чугуна пришелся на 1830−е, когда сначала в Англии, а потом и в других развитых странах (США, Франция, Германия) началось стремительное строительство железных дорог. В период с 1840−х по 1880−е годы от 25 до 40% производившегося в мире чугуна уходило на возведение железнодорожного полотна. Среднегодовой прирост железнодорожной сети за этот период составил 17%!

Англия довольно быстро — за два десятилетия — обзавелась собственной железной дорогой. Это дало возможность английским металлургам занять лидирующие позиции по экспорту рельсов и чугуна в мире. В основном они обслуживали потребности быстрорастущей американской экономики. Строительство железных дорог началось в США всего на несколько лет позже, чем в Англии, но первое рельсопрокатное производство возникло только в 1845 году.

В 1850 году импорт чугуна в США составил 409 тыс. тонн — это сравнимо с внутренним производством. На тот момент железнодорожное строительство стало одним из самых выгодных вложений капиталов. От него инвестиционные потоки распространились и на металлургию, бывшую в то время в США еще в зачаточном состоянии. Буквально за десять лет, с 1847−го по 1857−й, в Соединенных Штатах было построено более 100 домен. Американские металлурги не могли упустить крупнейший в мире рынок — собственный, — ведь уже в 1860 году на США приходилась половина железнодорожной сети мира, насчитывавшей 100 тыс. километров.

Попробуем прикинуть потребность строителей железных дорог в металле. Вес одного рельса длиной 25 метров — около 2 тонн. На 25 метров пути нужно два рельса, или 4 тонны металла. Значит, на 100 метров потребуется 16 тонн, а на километр — 160 тонн. Построенные к 1860 году 50 тыс. километров железных дорог в США «съели» 8–10 млн тонн металла. Разогнавший американскую экономику железнодорожный бум продолжался до конца столетия (см. график 2). Неудивительно, что только благодаря этому американцы в 1890 году обогнали англичан по выплавке чугуна, выйдя на первое место в мире. Потом разрыв продолжал увеличиваться: железные дороги становились все более скоростными, и чугунные рельсы нужно было заменять на стальные, начали возводиться первые высотные здания, требовавшие большого количества строительной арматуры, появились первые автомобили — почти целиком из железа и т. д.

Эра стали не закончилась

Сталь переняла эстафету у чугуна по массовому обустройству человечества лишь с конца XIX века. В предыдущие десятилетия она также довольно широко использовалась, но была гораздо более дорогим металлом, чем чугун. Только после изобретения бессемеровского (1855), мартеновского (1864) и томасовского (1878) процессов себестоимость производства стали резко снизилась, что вкупе с лучшими прочностными характеристиками позволило ей за считаные десятилетия стать незаменимым материалом номер один в мире.

В XX веке сталь и чугун уже применялись повсеместно. Активно развивающиеся экономики США, СССР, Германии тратили огромное количество металла — десятки миллионов тонн в год уходили на строительство дорог, мостов, домов; на производство автомобилей и продукцию ВПК. Сейчас в подобном положении находится Китай, за 20 лет доведший выплавку стали до казавшихся совсем недавно нереальными 500 млн тонн — около 40% мирового производства. Нечто похожее ждет и Индию.

Так что век стали закончится еще не скоро. В этом можно не сомневаться: в отличие от углеводородов ресурсов железных руд человечеству хватит на многие сотни лет. А ближайшие конкуренты стали как главного конструкционного и строительного материала — сплавы на основе алюминия, магния и титана, более легкие и прочные и вдобавок нержавеющие — еще десятки лет будут оставаться в разы дороже и поэтому в разы менее востребованными.