Аносов окончил его [Горный кадетский корпус. — А. К.] в 1817 году с Большой золотой медалью. В конце этого же года молодой шихтмейстер прибыл на Златоустовские заводы в качестве практиканта. Вряд ли он знал тогда, что пройдет путь от практиканта до горного начальника Златоустовских заводов и директора Оружейной фабрики, что здесь, в Златоусте, он создаст свою теорию производства литой стали и овладеет вековой тайной получения булата. Начал же он с того, что в 1819 году представил дипломную работу «Систематическое описание горного и заводского производства Златоустовского завода».
В то время Златоустовский завод, хотя и имел уже устаревшее оборудование, но являлся металлургическим предприятием с полным циклом. Чугун выплавляли в доменной печи с двумя горнами, воздух в которые подавался цилиндрическими мехами, приводящимися в действие водяными колесами. Кроме передела на железо и сталь, чугун использовали для литья как в песчаные или глиняные формы, так и в металлические. Отливали кричные молоты, наковальни, колеса, ядра, бомбы, а также гири, горшки, сковородки и другую хозяйственную утварь. В те годы говорили, что «вся Россия печет блины на уральских чугунах» (сковородах).
Для переработки чугуна в кричное железо и «уклад» (сырцовую сталь) на заводе действовали две кричные фабрики с 12-ю горнами. Каждый горн имел свой особый кричный молот, приводимый в действие водяным колесом. Для изготовления сортового железа работала специальная передельная фабрика с прокатными и резными станами для получения мерной полосы. Сравнительно небольшое количество стали, шедшее на инструменты и холодное оружие, готовилось из «уклада», который подвергали цементации (науглероживанию). Процесс цементации железа производился в специальных томильных печах при температуре около 1000°С и длился 7 — 8 суток. Завод изготовлял 11 сортов железа и стали.
Оружейная фабрика, работающая на заводе, славилась уже не только в России, но и далеко за ее пределами. Златоустовские мастера изготовляли холодное оружие высокого качества: шашки, сабли, палаши, саперные и охотничьи ножи. Эти изделия успешно конкурировали с европейскими образцами.
В то же время инструментальная сталь по своему качеству уступала английской. Это главным образом объясняется тем, что, когда Аносов приехал на Златоустовский завод, там литой стали еще не изготовляли.
Секрет получения литой стали в России первой четверти XIX века являлся достоянием отдельных мастеров. Серьезных успехов в этом деле, как уже было отмечено, добился С. И. Бадаев (Камско-Воткинский завод). Он сконструировал специальную печь, имеющую два отделения — цементационное и тигельное. Кричное полосовое железо подвергалось цементации и после этого расплавлялось в тиглях. Затем производилась вторичная цементация полученной стали при помощи карбюризатора, состоящего из различных сортов угля, перемешанного с белой глиной, мелом и минеральными добавками. «Энциклопедический лексикон» Плюшара за 1835 год об инструментальной бадаевской стали говорил, что она лучше знаменитой «гунцмановской» (английской).
Литую цементованную сталь высокого качества получал также Нижегородский заводчик Полюхов. По заключению монетного двора сталь Полюхова «… оказалась на дело инструмента годная и прочную сыпь имеет мелкую и ровную». Оригинальный способ производства литой стали разработал управитель Велетминского завода Пономарев. Тигельные процессы производства стали появлялись на Верхне-Исетском, Невьянском, Каслинском и других заводах. Этому способствовало распространение отражательных (пламенных) печей, в которые помещали тигли со сплавляемыми материалами. Путем сжигания дров, а потом кокса в струе подогретого воздуха в таких печах удавалось получать температуру до 1500°С.
Однако, как и все новое, литая сталь часто встречала недоверие со стороны многих металлургов. Объяснялось это тем, что способы ее выплавки и разливки были недостаточно совершенны, и иногда металл получался либо низкого качества, либо очень высокой стоимости. Так, например, мастер из Золингена Петр Кляймер пытался ввести на Златоустовском заводе литую сталь. Он обставлял свою работу большой таинственностью, к плавкам готовился долго и за два года работы выдал всего 9 пудов относительно годной стали. А обошлась его сталь в 10—15 раз дороже цементованной. По этим и другим причинам государственный департамент часто отказывался выдавать привилегии на способы производства тигельного металла. Между тем многие поступающие изобретения имели, очевидно, немалую ценность. Это подтверждает недавно установленный факт, что из всех русских архивов бесследно исчезли описания различных приемов получения стали, применявшихся в то время на заводах страны.
Проанализировав имеющийся опыт различных способов выплавки стали для оружия и инструмента, П. П. Аносов пришел к выводу, что только литая сталь может обладать необходимыми свойствами. «Литая сталь, — писал он, — имеет преимущество перед выварною и цементного из тех же первых материалов, полученных как по равномерному, так и более тесному или химическому соединению частей углерода с железом». Так, П. П. Аносов, исходя из чисто научных соображений, обосновал целесообразность тигельного производства. Предварительные опыты по получению литой стали окончательно убеждают его: только организация тигельного производства коренным образом улучшит качество стального оружия и инструмента на Златоустовском заводе.
Аносов хорошо себе представлял, что производство литой стали складывается из следующих операций: «Устройство печей, приготовление плавильных горшков, плавка, отливка в формы и ковка». Поэтому он начал с устройства пламенных печей. Им был спроектирован отапливаемый углем горн для печи с подогревом восьми тиглей одновременно и сооружен корпус с восемью такими печами. Печи для выплавки тигельной стали эксплуатировались на Златоустовском заводе до начала XX века, то есть чуть ли не 100 лет!
Одной из самых трудных задач во времена Аносова являлась организация производства тиглей — «плавиленных горшков», как их называли. Производство глиняных тиглей было хорошо известно, так как они применялись для литья цветных металлов, а позднее — для переплавки чугуна. Мастер Воткинского завода Фёдор Мезенцев даже придумал ручной винтовой штамп для приготовления «плавиленных горшков». Но для приготовления литой стали требовались тигли очень высокой огнеупорности. Такие тигли выписывались из-за границы, из города Пассау в Баварии, около которого находились залежи высокоогнеупорной глины. Цена их была очень высокой. Поэтому 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».
А горшки из челябинской глины как будто и обладали достаточно большой огнеупорностью, но постоянно трескались при высоких температурах. Исследование причин образования трещин показало, что они получались вследствие расширения частиц глины: при высоких температурах одни частицы «давили» на другие. Аносов понял, что трещины в горшках являются результатом большой усадки, которую давала глина при нагревании. Для предупреждения трещин было необходимо добавить к глине «тело, которое бы уменьшило… способность сжимания». Аносов делает анализ заграничной глины и находит, что этим «телом» являлся графит. В пассауских горшках сама природа позаботилась соединить глину с графитом. Итак, для предупреждения трещин тигля в челябинскую глину надо добавить графит. Но где его взять?
Один из секретов производства литой стали в Англии состоял в материале, из которого были сделаны «плавиленные горшки». Б. Гентсман удачно выбрал весьма огнеупорный материал для своих тиглей — обожженную смесь графита с огнеупорной глиной.
Аносов разгадал секрет высокой огнеупорности тиглей, теперь надо было только найти графит. Мощные запасы уральского графита были найдены на берегу и дне озера Большой Еланчик, и Аносов получает тигли необходимой огнеупорности. Эти тигли оказываются более чем в 50 раз дешевле заграничных. Теперь все готово для получения литой стали. Попутно можно делать и карандаши.
На южном берегу Златоустовского пруда, на склоне горы еще и сегодня видны старые выработки белой глины со следами графита. Это заброшенные разработки, начатые во времена Аносова. Теперь этот участок природного парка является любимым местом отдыха златоустовцев. Местные жители до сих пор называют его «Карандаш». Дело в том, что с октября 1842 года П. П. Аносов организовал на заводе производство карандашей. Графит для карандашей добывали на берегу пруда.
Златоустовские карандаши охотно покупали предприятия Урала и даже Санкт-Петербургская рисовальная школа.
Но вернемся к литой стали. Аносов знал, что в Англии и в других странах Западной Европы литую сталь получали в небольших количествах путем переплавки цементованного (науглероженного) железа. Известный западноевропейский металлург Фабр дю Фор, перевод работы которого был напечатан в «Горном журнале» за 1839 год, рекомендовал для получения литой инструментальной стали «к сырой стали, содержащей мало углерода», прибавлять «3 лота сажи на 5 фунтов стали», а к чистому полосовому железу «прибавлять 1/4 чугуна против веса железа». Аналогичные рецепты предлагали и другие известные металлурги Запада — Р. Мюшетт и Г. Бреан. Таким образом, так же как и в более ранних работах Р. А. Реомюра (1683-1757), Ж. Л. Гей-Люссака (1778-1850) и Ринмана, металлурги Западной Европы считали, что для науглероживания железа необходим его непосредственный контакт с углеродсодержащим материалом. При этом в качестве шихты использовалось железо высокого качества.
Экспериментально изучив получение стали таким методом, Аносов показывает его большой недостаток. Заключался он в том, что при этом методе не удавалось управлять процессом науглероживания: «Положив угля более, опасаться должно, что она (сталь) выйдет слишком твердою, а положив недостаточно, она будет трудно плавиться, особенно потому, что часть углерода улетучивается».
После серии опытов он убеждается, что процесс цементации (науглероживания) железа хорошо протекает в газовой среде печной атмосферы. Когда он наполнил тигель железными обсечками без примеси угольного порошка, не покрывая его ни флюсом, ни крышкою, го после расплавления шихты получил чугун. Когда же он накрыл тигель крышкою прежде, чем все железо расплавилось, то получил «удобно ковкий металл — литую сталь».
«Таким образом, — заключает Аносов, — для получения литой стали плавиленный горшок с крышкою 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». На основании этого открытия автор разрабатывает совершенно новый способ получения литой стали, который заключается «в сплавлении негодных к употреблению железных и стальных обсечков в глиняных горшках, при помощи возвышенной температуры воздушных печей».
Таким образом, Аносов открыл газовую цементацию и использовал ее для получения литой стали методом «переплава отходов». Разработанный метод газовой цементации был опубликован им в 1837 году, в то время как в Европе первая печатная работа, посвященная этому методу, появилась лишь спустя несколько десятков лет. Но этого мало. Теперь все знают, что процессы науглероживания и обезуглероживания играют первостепенную роль при производстве стали. П. П. Аносов впервые связывает эти процессы с температурой и привлекает их для предвидения качества получаемой литой стали: получится ли она «мягкая», «средняя» или «твердая». Это и есть начало научного подхода к процессу получения литой стали.
В 1833 году Аносов провел серию опытов, которыми показал, что вполне возможно получать доброкачественную сталь путем сплавления чугуна и железа с прибавлением флюса и окалины. Это значит, что передел отходов и чугуна в сталь, широко известный теперь под названием скрап-процесса, был открыт Аносовым задолго до мартеновского метода. Совершенно естественно, что когда в середине XIX века Эмиль и Пьер Мартены обратились к русскому правительству с ходатайством о выдаче пятилетней привилегии на производство литой стали в России, им было отказано. Отказ мотивировался тем, что «литая сталь путем сплавления чугуна и железа производилась у нас на Урале в тиглях» (работы Аносова и Обухова).
Дальнейшее развитие науки позволило более обстоятельно проанализировать особенности предложенной Аносовым технологии тигельной плавки стали. Незначительное развитие при тигельном процессе окислительных реакций и отсутствие твердых восстановителей, таких, как марганец и алюминий, резко снижает степень загрязнения стали неметаллическими включениями, представляющими собой оксиды этих элементов. Оксиды в тигельной стали «самовосстанавливались» только кремнием, который был в огнеупорном материале тигля. Такой процесс «самораскисления» обеспечивал чистоту стали по неметаллическим включениям, чем и объясняется ее высокое качество.
В процессе тигельной плавки различают три периода: плавление, кипение и успокоение. В процессе кипения происходит частичное растворение в шлаке глинозема из стенок тигля. Поэтому конечный шлак высокоглиноземистый, содержащий 25 — 30 % окиси алюминия. В последнем периоде жидкая сталь «отстаивается» с целью более полного удаления газов и неметаллических включений. В период успокоения происходит также раскисление (удаление кислорода) шлака и стали восстановительной газовой фазой и твердым углеродом из стенок тигля. Все это обусловливает получение глиноземистых шлаков, содержащих весьма небольшое количество окислов железа, обеспечивающих удаление кислорода из стали.
Аносов тщательно разрабатывает технологию производства тигельной стали, придавая большое значение ее разливке. Он создает соразмерные с величиной тигля специальные чугунные формы (изложницы) и применяет их предварительный прогрев и смазку салом: «Каждая форма по граням составлена из двух бокованок, которые скреплялись обручем с клином. Формы предварительно прогреваются так, чтобы в них расплавилось сало, которым оне пред самою отливкою смазываются: отделяющиеся от горения сала газы предохраняют сталь от доступа воздуха».
Сталь рекомендовалось разливать медленно и так, чтобы струя не касалась боков формы. Эти рекомендации актуальны и сегодня.
Будучи внимательным наблюдателем, П. П. Аносов замечает, что по цвету струи стали, форме отделяющихся от нее искр и поведению металла в изложнице можно безошибочно определять содержание углерода в стали. «… Мягкая сталь при застывании увеличивается в объеме или вспучивается; средняя остается в том же положении, как вылита, а крепкая уменьшается в объеме».
Благодаря тому, что П. П. Аносов исключил процесс предварительной цементации, а получил инструментальную сталь непосредственно переплавом шихты в тигле, ему удалось добиться значительной для того времени производительности и резко снизить стоимость литой стали.
Литая сталь, выплавленная но способу Аносова, имела высокие механические и технологические свойства, и это позволило Златоустовскому заводу отказаться от дорогостоящей английской стали, используемой для изготовления наиболее ответственных изделий. Если в 1830 году на заводе по этому способу было выплавлено 1660 пудов, то в 1836-м завод уже выплавлял 4600 пудов тигельной стали, в том числе впервые в истории артиллерии была отлита стальная 35-пудовая пушка. В этом же году П. П. Аносов получил привилегию на изобретение литой стали, а в 1837 году в «Горном журнале» была опубликована его работа «О приготовлении литой стали». Секрета производства литой тигельной инструментальной стали больше не существовало, но существовал еще главный секрет, который мечтал раскрыть уральский металлург, — секрет получения булата.
Ю. Г. Гуревич, доктор технических наук, профессор, почётный гражданин Златоуста
