Как становятся в металлургами

Вышел он из самых низов, из мелкого нищего чиновничества — и дослужился до губернатора Томска. Отец его был секретарем казенной палаты сперва в Твери, затем в Петербурге и умер в 1809 году, оставив сиротами четырех детей, в том числе и 13-летнего Павла. Их — двух мальчиков и двух девочек — перевезли к деду по матери, Льву Федоровичу Сабакину, довольно известному механику и изобретателю. Сабакин был лично знаком с Екатериной II и по ее указанию обучался часовому делу в Англии, после чего конструировал часы, строил станки, весы, измерительные машины — в общем, отличный был дедушка для мальчика Павла, имевшего технические склонности.

Вскоре Лев Федорович отправил Павла и его брата Петра учиться в Горный кадетский корпус (ныне Санкт-Петербургский горный университет), но Петр был слаб здоровьем и умер в студенческие годы. После умер и дед, а Павел в 1817 году корпус все-таки окончил унтер-офицером и получил назначение в Златоустовский горный округ на самую младшую должность — простым практикантом. В соответствии с табелью о рангах Аносов был шихтмейстером (13-я строка по горному делу), что соответствовало военному чину прапорщика.

Кстати, тут отвлекусь на занимательный факт: вплоть до 1999 года точные место и дата рождения Аносова были неизвестны, потому что в документах фигурировала в лучшем случае формулировка «Павел Аносов, 45 лет». Но в 1999-м исследователи нашли в Тверском архиве метрическую запись Симеоновской церкви о рождении будущего металлурга — 29 июня 1796 года. Еще интересный факт: в Петербурге Аносов оказался однокашником Ильи Чайковского, тоже известного впоследствии горного инженера и отца великого композитора Петра Чайковского.

На Златоустовских горных заводах Павел Петрович Аносов проработал почти тридцать лет, причем шестнадцать из них — горным начальником и директором оружейной фабрики. За эти годы Аносов ввел в работу заводов такое количество разнообразных усовершенствований, какое не вводил никто ни до него, ни после.

Но в первую очередь он, конечно, занимался металлургией. По этому предмету после Аносова осталось столько заметок, статей, книг, служебных записок и информационных листков, что хватило на собрание сочинений — его издали в 1954 году. Он постоянно вел исследования, описывал влияние на сталь различных присадок, экспериментировал с добавками марганца, золота, алюминия и пр., применял микроскопы для исследования макроструктуры стали, разрабатывал новые плавильные тигли и т. д. Возьмите любую книгу об Аносове и просто прочитайте список его достижений.

Мы же сейчас остановимся всего на двух направлениях, имевших наибольшее значение среди прочих разработок Павла Аносова. Во-первых, это получение качественной литой стали, во-вторых, восстановление технологии булата.

Немного о стали

Сталь во все времена получалась одним и тем же способом — переделкой чугуна. Чугун — сплав железа с углеродом и другими элементами (кремнием, марганцем, серой), причем доля углерода в чугуне должна превышать 2,14 %. Если меньше, то это уже сталь. Чугун выплавляют непосредственно из руды в доменных печах, и 80–90 % получаемого сырья идет не на производство изделий, а на переделку в сталь (такой чугун так и называется: передельный).

Задача металлургов — снизить количество углерода и примесей для получения качественной стали. Исторически для этого существовало всего два способа: пудлингование и выплавка в сыродутной печи. Они были схожи по общему принципу и появились задолго до нашей эры: сыродутные печи применяли племена Урарту в XIV–XIII веках до н. э. Железо в таких печах восстанавливалось из его окиси путем нагрева руды, смешанной с древесным углем. На выходе получалась крица — комки железа с примесями, которые подвергали ковке, «выколачивая» шлаки. Потом железо науглероживали (в прямом смысле, как губку, пропитывая углеродом при определенной температуре) и сваривали слои полученной стали с железом, чтобы получить оружие достаточной прочности и твердости. Дальнейшим развитием сыродутных печей стали штукофены и доменные печи с предварительным подогревом воздуха и непрерывным процессом.

Революцию совершили в середине XIX века два человека: английский инженер Генри Бессемер (бессемеровский процесс) и французский металлург Пьер-Эмиль Мартен (мартеновский процесс); последний основывался на более раннем патенте Карла Вильгельма Сименса. Мартеновская печь, впервые продемонстрированная в 1865 году, позволяла выплавлять сталь при очень высоких температурах, до того времени недоступных, и вплоть до середины XX века она доминировала в производстве стали. Бессемеровский процесс подразумевал продувку сжатого воздуха через чугун, которая способствовала окислению примесей и образованию качественной стали. Интересно, что на первых порах этот процесс проиграл мартеновскому, но после Второй мировой войны в усовершенствованном, более скоростном виде начал активно развиваться и сейчас (в форме кислородно-конвертерного процесса) преобладает в черной металлургии.

Но все это произошло после. Когда Павел Аносов понял, что производство стали нужно как-то совершенствовать, никакого Мартена и Бессемера еще не было.

Литая сталь

На Златоустовском заводе сталь получали по-дедовски — в горнах (дальнейшее развитие сыродутных печей) — с последующей обработкой крицы ковкой. Такая технология к тому времени устарела даже по российским меркам: на прогрессивных производствах и тем более в Европе использовали так называемый тигельный метод, причем в Англии он был известен с середины XVIII века. По классической технологии в тигли — специальные емкости — закладывалась шихта (совокупность материалов, при переплавке дающая сталь требуемых качеств) довольно сложного состава, включающая чистое железо, пудлинговую сталь, чугун, уголь и пр. Сам тигель тоже был сделан из материала, способного влиять на качество выходящей стали.

Аносов разработал метод русской литой стали, опираясь как на известные зарубежные образцы, завезенные на некоторые российские заводы, так и на собственные знания. По его проекту было построено восемь печей на восемь тиглей каждая, причем с последними возникла проблема. В России делались только глиняные тигли для цветных металлов, для стали же требовались емкости («плавильные горшки», как говорили тогда) с меньшей осадкой — глиняно-графитовые. Аносов организовал поиск месторождений графита, а после и его добычу. Прежде в России этот материал ни для чего не использовался в промышленных масштабах.

А вот все, что происходило дальше, — уже личный вклад российского металлурга. В Европе литую сталь получали в небольших количествах, в частности из-за примитивных методов насыщения углеродом (чтобы не было расхождения в терминах: оно же науглероживание, оно же цементация). Для получения нужного процента углерода железо сплавляли с углеродосодержащими материалами — это называется цементацией в твердом карбюризаторе. Болванки закладывали в печь в контакте, скажем, с древесным углем, и качество стали зависело от чутья металлурга: процент углерода был напрямую связан с тем, как проводилась закладка.

Аносов же придумал цементацию в газовом карбюризаторе. Опытным путем он пришел к выводу, что плавка стали в закрытом древесно-угольном горне приводит к цементации стали благодаря атмосфере, насыщенной окисью и двуокисью углерода. При этом открытие задвижек замедляет процесс науглероживания, поскольку количество углеродосодержащего газа снижается.

В общем и целом Аносов наладил в Златоусте полный цикл производства литой стали без использования импортных компонентов. В 1837 году он опубликовал в «Горном журнале» одну из своих самых известных работ — «О приготовлении литой стали». Это издание печатало русские и переводные статьи о рудном деле и металловедении и поступало в Петербургскую и зарубежные академии наук. Интересно, что достижение Аносова вывело Россию в лидеры мирового сталелитейного дела, а потом оно же отбросило ее назад. Когда спустя почти 30 лет по миру начал распространяться более прогрессивный мартеновский процесс, русское правительство на первых порах отказалось покупать на него привилегию, руководствуясь тем, что литая сталь на заводах и так неплохо производится. Догадываюсь, что если бы к тому моменту Аносов был еще жив, он бы первым потребовал внедрения мартеновского процесса на своем заводе.

Сразу же после разработки технологии литой стали Павел Аносов сделал свое самое известное открытие.

От стали к булату

Исторически булатную сталь производили в Азии — Индии, Персии, Монгольской Империи. Завозили ее и на Русь, но исключительно в виде готовых изделий, так что секрет производства оставался неизвестным. Характерная особенность булатных изделий, и в частности мечей, — узорчатый металл — так выглядит выходящая на поверхность дендритная решетка. Технически булат — это не совсем сталь и не совсем чугун, а нечто промежуточное. С одной стороны, углерода в нем больше, чем 2,14 %, с другой — он ковкий, как сталь, но после закалки становится тверже нее. В общем, булат — это состояние углеродистого сплава с железом, обусловленное не количеством углерода, а специфической структурой металла.

Но в древности всего этого не знали и до получения булата дошли опытным путем. Более того, так называли любой «узорчатый» металл, так что некоторые исторические свидетельства (в том числе упоминания, что булат делали на Руси) нужно делить на сто. Само слово «булат» пришло из персидского и означает просто «сталь». При этом у подобной стали с прожилками и слоями в разное время и в разных языках были десятки названий, наиболее известные из которых: вутц, хорасан, фаранд.

Так или иначе, к XVIII веку секрет булата оказался утрачен. Даже в Индии не сохранилось традиционных производств, которые могли бы помочь возродить технологию. И целый ряд крупных ученых и металлургов бились над тем, чтобы получить булат — узорчатый и при этом прочный. И — важно понимать — многие из них, а не только один Аносов, добились успеха.

Причем методы были совершенно разными. Например, задолго до Аносова возрождением индийского вутца занимался знаменитый британский физик Майкл Фарадей. В 1819, 1820 и 1822 годах он последовательно опубликовал три статьи о своих исследованиях в этой области. Фарадей ошибочно полагал, что булатный узор обусловлен механическими примесями алюминия, серебра или платины. Собственно, Фарадей получил в своей лаборатории ряд «сплавных» образцов, внешне соответствующих булатной стали. Аналогичных результатов добивались известные европейские металлурги: немец Вильгельм фон Фабер дю Фор, француз Пьер Бертье и др. Но в целом в 1800-е годы булат, он же вутц, был идеей фикс металлургов всего мира. Они тщательно исследовали образцы старых узорчатых клинков, но не могли воспроизвести технологию их производства.

Коленчатый узор булатного клинка

И хотя предположение о том, что узоры в булате связаны не с примесями, а со структурой самой стали, высказывалось и ранее, первым практически это доказал именно Павел Аносов. Он заинтересовался темой в конце 1820-х и посвятил исследованию булатов очень много времени. Он выписывал из Европы и читал все доступные исследования, повторял опыты Фарадея и других ученых по сплавлению железа с разными металлами, тщательно изучал булатные клинки из различных коллекций (в России их было предостаточно) и сам собрал приличное количество образцов — в основном индийского вутца. Аносов одним из первых провел химический анализ вутца и доказал, что в нем нет ничего, кроме железа и углерода. Мало того, примеси ухудшали свойства стали, а булат превосходил обычные сплавы, так что логика тут была абсолютно железная. Или булатная.

Павел Аносов имел преимущества перед конкурентами: доступ к технологическому оборудованию, неограниченный запас материалов для опытов, множество подчиненных. Поэтому он пошел не исследовательским, а сугубо экспериментальным путем. Первым верным выводом стало понимание того, что сталь нужно не охлаждать мгновенной закалкой, а оставлять медленно остывать. К 1839 году Аносов методом проб и ошибок полностью отработал технологию производства булатов. Не буду ее описывать — это просто технические данные о составе шихты, количестве флюса, времени плавки и т. д. В 1841 году он опубликовал свою наиболее часто цитируемую работу «О булатах», где подробно описал технологию, классифицировал булаты по величине, форме и цвету узора и утвердил нормы в этой области на много лет вперед.

Клинки из булата Аносова экспонировались на Всемирной выставке в Лондоне в 1851 году, имели успех в России и за границей, удостаивались различных наград и расходились по частным коллекциям.

И здесь стоит отметить важнейшее «но». Булатный клинок имел великолепные оружейные качества, но стоил по сравнению с обычной саблей очень дорого, да и массовое производство его для армейских нужд наладить было невозможно. Вот почему клинки Аносова оставались выставочными и подарочными экземплярами. Одна оригинальная сабля есть в Эрмитаже — это принадлежавший великому князю Михаилу Павловичу клинок из булата сорта кара-табан (еще Аносов выделял сорта табан и хорасан).

Павел Петрович и сам прекрасно понимал, что булат — это его хобби и предмет гордости, а не технология для сталелитейного производства. Так что он никогда не пытался поставить изготовление булатных клинков на поток, уделяя больше внимания обычной литой стали.

В 1847 году он ушел со Златоустовского завода, получив повышение и став начальником Алтайских горных заводов и губернатором Томска. Булатное оружие без его контроля продолжали делать до начала XX века, но производство снизилось: за полвека было изготовлено всего несколько десятков клинков. В 1851 году Аносов скоропостижно скончался от тяжелого простудного заболевания. Но сталелитейные технологии уже разошлись по России и миру.

Важно понимать, что почти все современные узорчатые кинжалы — это не литой булат, а сварочный дамаск. Узоры на нем формируются не дендритными свойствами кристаллической решетки, а искусственной комбинацией сварных заготовок. Булатную сталь по технологии, разработанной Аносовым, делает относительно небольшое количество фирм. И стоит заметить, что эту технологию пришлось возрождать повторно — в основном по работам Аносова и его труду «О булатах». Тем не менее даже малая сфера применения и специфичность булатных клинков не отменяет гениальности металлурга, разгадавшего секрет мастеров прошлого.

Глава 14