Технологические проблемы производства чугуна и литейного дела на Каменском заводе в XVIII–XIX вв.
В становлении Урала как крупнейшего промышленного региона России решающую роль сыграла горно-металлургическая промышленность. Этим определяется важность выяснения процессов инноваций и технологической модернизации уральской металлургии и связанной с этим объективной и всесторонней оценки качества и особенностей продукции уральской металлургии. Каменский чугуноплавильный и железоделательный завод является первенцем уральской доменной металлургии. С пуском в октябре 1701 г. первой доменной печи на Каменском заводе началась эпоха бурного роста горно-металлургической промышленности Урала.
В основе развития уральской металлургии с этого времени лежал современный двухстадийный процесс получения черного металла: выплавка чугуна в доменных печах и его передел в железо и сталь. Преимуществом нового технологического подхода перед бытовавшим на Урале до того времени в XVII в. сыродутным способом получения металла (при котором железо получалось путем прямого восстановления железной руды в кричной печи, «домнице») было значительное повышение производительности, расширение ассортимента продукции за счет литейного производства и передела чугуна в железо и сталь (улад), и, в целом, более высокое качество продукции.
Если кричная печь, давала за один технологический цикл единицы пудов металла, то доменная печь могла выдавать за одну плавку сотни пудов чугуна. В том же 1701 г., но на месяц позднее была задута доменная печь на Невьянском заводе, ставшем одним из символов уральской горно-металлургической промышленности. Этому заводу посвящена обширная литература, в том числе имеются публикации в области исторического материаловедения.
Насколько нам известно, подобные работы о каменском металле XVIII–XX вв. отсутствуют. Между тем, значение Каменского завода для Российского государства весьма высоко. Более полутора веков он являлся одним из основных поставщиков чугунных пушек для армии и флота и оставался казенным предприятием на всем протяжении своей истории. Модернизация уральской горно-металлургической промышленности на основе доменного производства поставила целый ряд масштабных проблем как в организационном, социальном плане, так, естественно, и в технологическом. Перед уральской металлургией стояла задача не только быстрого наращивания объемов производства, но и достижение требуемого качества продукции.
Каменский и Невьянский заводы предназначались в первую очередь для производства орудий и артиллерийских припасов, однако качество чугуна далеко не всегда отвечало этим задачам. Очевидными причинами многочисленного брака, которые могли выявить мастера того времени, были раковины и засоры – «не от чистого металла…». Однако далеко не все причины низкого качества чугунолитейной продукции могли быть выявлены простым осмотром. Даже после удаления явно бракованных стволов пушки при огневых испытаниях продолжали разрываться.
Металловедческие исследования исторического металла позволяют на современном научном уровне раскрыть причины технологических трудностей и брака в литейном производстве, объективно охарактеризовать качество металла, выявить некоторые особенности технологии того времени. Исследования микроструктуры чугуна каменской пушки 1733 г. и ядра показали наличие шлаковых засоров и газовых раковин, что свидетельствует о низком уровне литейного дела. Составы формовочных смесей были не отработаны, литейные формы не отличались совершенством. В XIX в. с переходом на разъемные чугунные опоки качество литья заметно повысилось. Более фундаментальные причины технологических проблем того времени заключались в несоответствии некоторых важных характеристик, касающихся состава и структуры получаемого в то время чугуна, параметрам серого литейного чугуна, нужного для литья пушек и ответственных изделий.
Микроструктура каменского чугуна XVIII в., в целом, соответствует микроструктуре современного серого чугуна, однако, металло- графические исследования выявили в каменском чугуне присутствие так называемой фосфидной эвтектики, а также ледебурита, содержащего Fe3 C. Эти составляющие являются вредными для литейной продукции, так как приводят к охрупчиванию металла и снижают стойкость орудийных стволов. Причины образования указанных выше вредных составляющих заключаются в высокой концентрации фосфора (≈ 0.4%) и углерода (≈ 4%) и в температурном режиме плавки. Такое высокое содержание фосфора и углерода в современном литейном чугуне является не допустимым. В чугуне XIX в. содержание этих элементов заметно меньше, качество литейной продукции улучшилось.
Каким путем мастера того времени пришли к улучшению состава и структуры чугуна, для современного металловеда остается не ясным. Располагая данными о составе чугуна Невьянского заводе (памятная плита 1725 г.), можно сравнить его с составом каменского чугуна. Невьянский чугун относится к белым чугунам с высоким содержанием углерода ~4.3%. Такой чугун мало пригоден для литья и обычно предназначается для дальнейшего передела в железо.
Действительно, Невьянский завод за исключением первых лет деятельности не выпускал пушки, его продукцию составляли в основном товарное железо и морские принадлежности. Отметим, что литейщики в XVIII в. различали белый (буквально белый на изломе) и серый чугун и понимали непригодность первого для литья пушек, однако регулировать содержание и структурную форму углерода в чугуне, что в первую очередь отличает белый и серый чугуны, должным образом не умели. Фосфор оказывает двоякую роль на свойства чугуна.
Во-первых, он охрупчивает металл и приводит к хладноломкости; во‑вторых, фосфор улучшает жидкотекучесть чугуна, облегчает заполнение литейных форм. Фосфор из руды при плавке почти целиком переходит в чугун. Обращая внимание на наглядное полезное качество жидкотекучести, каменские мастера упускали из виду, что оно сопровождается охрупчиванием. Это можно было понять, только обратившись к химическому анализу и металлографии. Первая химическая лаборатория появилась на Каменском заводе только в 1899 г.
На Каменском заводе, как и на других уральских чугунолитейных заводах, отливались чугунные художественные изделия. Химический анализ металла этих изделий показал в них повышенное содержание фосфора. Концентрация фосфора в каменском художественном литье превышает концентрацию этого элемента в обычном каменском сером чугуне того времени. Это, скорее всего, означает, что художественное литье в конце XIX в. производилось из специально приготовленного серого литейного чугуна и изготовление художественных и бытовых изделий на Каменском заводе не было случайным производством.
Следует отметить, что металл всех исследованных изделий, произведенных на Каменском чугунолитейном и железоделательном заводе, содержит весьма малое даже по современным стандартам количество загрязняющих элементов, в частности, серы. Это свидетельствует о хорошем качестве используемой руды с большим содержанием железа и высококачественном топливе – древесном угле. Помимо объективной оценки качества металла, произведенного на Каменском заводе, металловедческие исследования его продукции отражают сложный путь совершенствования производства в течение всего времени существования предприятия. Наглядно видно, что повышение качества металла было настоятельным требованием и безусловной составляющей модернизации уральской металлургии XVIII–XIX вв.