Избавление от фосфора бессемеровской стали.

 Пятна, как известно, есть даже на Солнце. И бессемеровский процесс, наряду с очевидными достоинствами, имел свои недостатки. Основной из них заключался в том, что в конвертере можно было переделывать в сталь далеко не всякий чугун. Если для его выплавки использовались железные руды, богатые фосфором (а многие страны располагают преимущественно такими рудами), то фосфор переходил в чугун и не желал расставаться с ним в ходе бессемеровского процесса. Сталь при этом оказывалась хрупкой и практически не находила себе применения.
 Конвертеру можно было предъявить упрек и в том, что «пищей» для него служил только расплавленный чугун, а превращать в сталь железный металлолом, скопившийся в мире за долгие века и тысячелетия, ему оказалось не под силу. Когда в 1864 г. был изобретен мартеновский процесс, проблема использования лома была решена: мартеновские печи безропотно принимали его в свое чрево, как, впрочем, и любой по составу чугун. Но с повестки дня не снимался вопрос о конвертерном переделе фосфористых чугунов. Как же избавить металл от фосфора?
 Раскусить этот твердый орешек пытались многие металлурги Англии, Франции, Германии. Немцы были заинтересованы в этом больше других, поскольку при сотворении мира на долю земель, образовавших впоследствии германское государство, достались лишь фосфористые железные руды. Среди немецких металлургов даже ходила грустная шутка: их руда так богата фосфором, что едва ли не светится в темноте. Чистую же по фосфору руду промышленникам Германии приходилось покупать у своих зарубежных конкурентов.
 Казалось бы, жизнь заставит именно немцев первыми найти «лекарство» от фосфорной болезни. Но, видно, фортуне было угодно связать все главные успехи в конвертерном деле с именами англичан. И на этот раз она одарила своим благосклонным взором сына Альбиона.
 Им оказался Сидни Джилкрист Томас, родившийся в 1850 г., то есть за шесть лет до появления нового металлургического агрегата-конвертера. Пройдет немного времени и Томас значительно расширит технологические возможности этого агрегата, а конвертер принесет ему мировую известность.
 Влечение к естественным наукам Сидни проявил еще в юности. Он хотел стать врачом, но его мечте не довелось сбыться: когда ему было 17 лет, умер отец, и на еще не окрепшие плечи юноши легли нелегкие заботы о матери и сестрах. Пришлось устроиться на работу в лондонский полицейский суд. Работая здесь писарем в канцелярии, Томас не расставался с мыслями об образовании.
 Он начал посещать научно-популярные лекции, которые читались в одном из институтов. Особый интерес у молодого человека вызывала химия. Однажды на лекции он услышал слова профессора: "Тот, кому когда-либо удастся удалить фосфор из стали при бессемеровском процессе, станет в один ряд с величайшими изобретателями мира». Разве мог лектор знать, что не пройдет и десяти лет, как задача, над которой бились многие видные ученые разных стран, будет решена тем высоким худым юношей, что внимательно слушает его, боясь пропустить хоть одно слово?
 Идея овладела Томасом. Вскоре он уже ходил по вечерам на занятия в Королевскую горную школу, где в те годы преподавали известные в Англии ученые. Одним их них был профессор химии и металлургии Джон Перси.
 Эта колоритная личность оказала на Томаса большое влияние: благодаря лекциям Перси, он понял, что вся металлургия, все протекающие в печах процессы базируются на законах химии. Именно это - химическая сущность сталеварения - и сыграло, пожалуй, главную роль в успехе Томаса, когда он приступил к решению злободневной в то время металлургической проблемы - избавлению металла от фосфора в ходе конвертерной плавки.
 Первым пристанищем для Сидни в его поисках стал тесный подвал на одной из лондонских улиц. Здесь в 1876 г. он с помощью своего двоюродного брата Перси Джилкриста, работавшего химиком на заводе в Южном Уэльсе, оборудовал немудреную лабораторию и на миниатюрном конвертере, вмещавшем всего шесть фунтов чугуна (примерно 2,5 килограмма), начал производить опыты. Томас знал, что для удаления фосфора из расплавленного металла нужно создать соответствующую химическую обстановку: фосфор только тогда может расстаться с металлом, когда под боком находились основные шлаки (состоящие из основных, а не кислотных оксидов), а это, в свою очередь, требовало, чтобы и огнеупорная футеровка конвертера тоже была в химическом отношений основной, иначе она быстро разъедалась бы шлаком и выходила из строя. Если удовлетворить все требования капризного фосфора, то, окислившись при продувке чугуна, он должен вступить с соединениями шлака в такой прочный союз, что пути назад ему будут заказаны. Казалось, было ясно, что нужно делать, но сделать это оказалось непросто. В чем же была загвоздка?
 Навести основной шлак - дело не хитрое, а вот найти подходящий основной огнеупорный материал для стенок конвертера, способный выдержать все жаркие передряги, происходящие при продувке чугуна воздухом, долгое время никто не мог.
 В бессемеровском конвертере и в мартеновской печи применялась кремнистая (то есть кислая) футеровка. Она выдерживала все тяготы плавки, но для борьбы с фосфором явно не годилась. Можно было рассчитывать, что такие материалы, как магнезит, известь, доломит, состоящие из основных оксидов, помогут разделаться с коварным врагом металла, но проводился опыт за опытом, а проблема оставалась нерешенной. Либо не проявляла нужной стойкости и разрушалась футеровка, либо, напротив, проявлял ненужную стойкость и упрямо не желал расставаться с металлом фосфор.
 Такова была ситуация к тому времени, когда в сумраке лондонского подвала начал вспыхивать фейерверк искр: чаще один, а иногда с братом, Томас снова и снова продувал расплавленный металл. Роль огнеупорной футеровки он доверил извести, смешанной с жидким стеклом. Уже первые результаты обнадеживали, но одно дело крохотный лабораторный сосуд, который и конвертером-то можно было назвать с большой натяжкой, другое - промышленный конвертер, способный вместить тонны чугуна. Братья сумели уговорить владельцев завода, где работал Перси, дать им возможность провести опытные плавки. В их распоряжение поступил хоть и небольшой, всего на 150 килограммов, но зато настоящий заводской конвертер.
 Не обращая внимание на плохое самочувствие и сильный кашель (нелегкие годы работы и учебы, плохое питание, сырой подвал - все это привело к ранней чахотке), Томас буквально не отходил от конвертера. День за днем, плавка за плавкой, анализ за анализом. Наконец пришел долгожданный успех: содержание фосфора в стали удалось снизить до сотых долей процента.
 Почему же десятки других металлургов, которые решали ту же задачу и шли фактически тем же путем, что и Томас, не достигли цели, а успеха добился только он?
 Главная из причин имеет химическую природу. Примеси, содержащиеся в чугуне, при продувке его воздухом, выгорают не когда кому заблагорассудится, а в соответствии со своеобразной табелью о рангах, зависящей от химических свойств элемента и прежде всего от его взаимоотношений с кислородом. Эту строгую очередность ничто не может нарушить. Из всех компонентов чугуна право сгореть первым безоговорочно принадлежит кремнию, затем эта возможность предоставляется марганцу, частично ей может воспользоваться и само железо. Лишь после этого доходит очередь до углерода, и он незамедлительно предается огню.
 Но вот запасы углерода подходили к концу, и конвертерный костер начинал угасать. В этот момент все металлурги обычно прекращали продувку не только при бессемеровском процессе, но и в многочисленных опытах по переработке фосфористых чугунов. Они рассуждали примерно так: раз пламя угасает, значит все, что могло сгореть, уже сгорело и продувать металл дальше смысла нет - будет гореть уже само железо. При бессемеровском процессе и впрямь не нужно продолжать продувку, а вот тем, кто хотел избавить металл от фосфора, торопиться с окончанием плавки не следовало.
 Здесь-то и была собака зарыта. К этому моменту фосфор еще только терпеливо ждал своего часа, но, по милости тех, кто вел плавку, он оставался целым и невредимым. Томас же решил продолжить продувку. Вот тогда, наконец, и пришел черед затаившегося фосфора «подбросить хворосту в костер». Выяснилось, что фосфор не только сгорает, но и делает это с большим жаром (или, точнее говоря, тепловым эффектом), лишь немного уступая в этом отношении кремнию.
 Правда, даже после первых удачных заводских плавок у Томаса вряд ли было полное и ясное представление о всех нюансах процесса, но он стоял на правильном пути. В конце 1877 г. Томас взял патент на один из вариантов технологии, связанной с удалением фосфора, и тут же продал его, поскольку для продолжения опытов ему нужны были деньги. «Дорогая моя, - писал он сестре, - я уступил право эксплуатации своего патента своему знакомому, очень дешево. И из первых денег купил пальто и бутылку шампанского - надо же было отпраздновать такое событие. Твой брат наконец добился успеха. Буду работать дальше, еще много надо сделать. Есть у меня одна идея - но как тяжело биться... Относительно моего здоровья не беспокойся - кашляю меньше...»
 Сидни просто успокаивал сестру: кашель мучил его все сильней и сильней. Тем не менее он продолжил опыты, подбирая наиболее удачный материал для футеровки конвертера. Постепенно Томас пришел к твердому убеждению, что лучше всего для этой цели подходит хорошо («намертво») обожженный доломит. Доломитовые стенки уверенно выдерживали атаки извести, которая была нужна для создания основного шлака, жадно поглощающего фосфор, едва тот успевал расстаться с металлом.
 Подобно тому как при проявлении фотоснимков изображение становится все более четким, так и для Томаса с каждой новой плавкой все яснее становилась картина процесса. Доломитовые стенки, известь в роли шлака и продувка до победного конца - таковы были слагаемые успеха. Томас берет патент на свое изобретение, и 1878 г. входит в историю металлургии как год создания томасовского процесса.
 Об опытах Томаса мало кто знал. Спустя несколько дней после получения им патента британский Институт железа и стали провел свою весеннюю выездную сессию на Всемирной выставке в Париже, в которой участвовали видные металлурги ряда стран. Выступивший там член Лондонского королевского общества известный профессор Лотиан Белл авторитетно заявил, что проблема дефосфорации (то есть удаления фосфора) еще не решена. Возразить ему в прениях пытался приехавший в Париж Томас, но вид худого болезненного человека в поношенном костюме не внушал солидной публике доверия, а его претензии на полемику с самим Беллом одних рассердили, других рассмешили, но почти ни у кого не вызвали одобрения. Томас так и не получил слова.
 Среди участников этого собрания, фактически заткнувшего рот молодому изобретателю, находился и маститый Бессемер. Судьба придумывает порой причудливые ходы и повороты: разве мог создатель конвертера, спасовавший перед фосфором, предположить, что через несколько лет ему придется вручать золотую медаль, носящую его собственное имя, к тому времени уже знаменитому Томасу, избавившему конвертер от существенного недостатка и снабдившему металлургов надежным лекарством от фосфорной болезни?
 Но признание придет к Томасу позже, а пока - снова опыты, теперь уже на крупном конвертере емкостью несколько тонн. Продувка, продувка, еще продувка... Томас тщательно анализирует результаты плавок, вносит необходимые коррективы, уточняет отдельные моменты технологии. Сомнения нет: изобретенный им способ позволяет решить проблему фосфора в промышленных масштабах.
 Томас предпринимает новую попытку доложить об этом светилам металлургии. В сентябре 1878 г. он вновь направляется в Париж на Всемирную выставку. На заседаниях сессии Института железа и стали было зачитано немало докладов и сообщений, в кулуарах велись оживленные обсуждения тех или иных вопросов, но выслушать доклад Томаса, посвященный одной из самых злободневных тем тогдашней металлургии, собравшиеся не смогли: «за поздним временем» доклад Томаса сняли с повестки дня и перенесли на следующую сессию института.
 Что ж, на следующую так на следующую. Природа не пожелала одарить Томаса здоровьем, но не поскупилась для него на ум, терпение, упорство. И он не терял времени даром. Владелец металлургического завода в Эстоне, где были только что сооружены большие бессемеровские конвертеры, проявил вполне понятный интерес к молодому изобретателю, вернее, к его процессу, сулившему немалые выгоды. Томас получил новую возможность шлифовать технологию своей плавки в заводских условиях. Весной 1879 г. он взял патент на усовершенствованный вариант своего процесса. Благодаря тому, что свои последние опыты изобретатель проводил на известном заводе и они получили широкую огласку, его доклад на заседании Института железа и стали теперь уже был встречен с огромным вниманием. В зале, где присутствовали представители многих металлургических фирм Европы, негде было яблоку упасть.
 Свое выступление Томас начинал мало кому известным молодым человеком, заканчивал - знаменитым металлургом. Его ждал триумф. Обращаясь к собранию, председатель сказал: «Я думаю, в этом зале не осталось тех, кого не смогли убедить доводы докладчика. Сегодня открыта новая глава в металлургии стали. Начал этот раздел Генри Бессемер, закончил Сидни Джилкрист Томас. Прошу поддержать мое предложение назвать процесс продувки чугуна в конвертере с основной футеровкой именем его изобретателя - томассовским». Зал ответил бурей аплодисментов.
 Пора безвестности и безденежья осталась позади. Правда, изобретателю пришлось еще отбить немало атак конкурентов, оспаривавших его приоритет, новизну патента, а следовательно, и все экономические права лишь на том основании, что отдельные стороны процесса были прежде освещены в технической литературе и даже нашли применение в заводской практике. Но так же, как даже собрав воедино все осколки, из них не склеить целую вазу, - ее можно лишь изготовить заново, так и способ Томаса, охватывающий все аспекты проблемы дефосфорации металла, существенно отличался от предшествовавших ему частных идей и предложений. Тем не менее изобретателю пришлось давать объяснения Королевскому патентному совету. К счастью, на его стороне была не только истина, но и достаточно сильные покровители - промышленники, приобретшие его патент и благодаря этому успешно приумножавшие свои «трудовые сбережения». Все претензии удалось отмести, и фирмы, желающие внедрять новый процесс, а таковых оказалось хоть отбавляй, вынуждены были приобретать у изобретателя соответствующую лицензию.
 Весь мир заговорил о Томасе, как об избавителе металла от фосфорной болезни. Избавиться же от собственной болезни, увы, он был не в силах. Прожив короткую, но яркую жизнь, Томас скончался в Париже в 1885 г. На его могиле установлен памятник со словами: «Он блестяще выиграл битву».

( По книге С.И. Венецкого "Загадки и тайны мира металлов").