Когда было замечено, что чугун образуется там, где железо долго соприкасается с углем, его начали считать негодным продуктом, получающимся из-за расстроенного хода плавки. Поэтому чугуну дали нелестные названия — «вода», «чугунная свинка», «чушка». В Англии чугун до сих пор называют «свинским железом» («pig iron»).
Вскоре люди научились использовать чугун как хороший литейный материал. Появились чугунные изделия. Потребность в них способствовала созданию специального горна. Было обнаружено, что если сыродутную печь сделать достаточно высокой, загружать в нее слоями железную руду и древесный уголь и обеспечить вдувание большого количества воздуха, то можно получать только жидкий чугун. Печи для получения чугуна имели высокую шахту (средняя часть печи). Они обладали значительно большей производительностью чем сыродутные, и позволяли в большей степени извлекать из руды железо. Изготовление чугуна оказалось более выгодным процессом. Так техника подошла вплотную к доменному производству.
Свойства чугуна не давали возможности его широко применять для промышленных изделий. Вот если бы из чугуна удалось сделать углеродистую сталь! Эта проблема тоже была решена металлургами. Установили, что при нагревании чугуна в контакте с железной рудой и струёй воздуха в специальных горнах можно получать железную крицу. В процессе нагрева чугун размягчался, плавился и взаимодействовал с кислородом руды и воздуха. В результате происходило окисление примесей чугуна и в первую очередь углерода. По мере окисления углерода температура плавления повышалась, и в конце концов получалась крица сварочного железа. Так в XIII–XIV веках возник в Европе кричный способ передела чугуна в сталь. Распространение кричного производства железа и стали привело к широкому развитии доменного производства.
В России первые доменные печи были построены в 1632 году на речке Тулице, в 15 км от Тулы. Применение нового способа получения стали привело не только к значительному увеличению объема ее производства, но и к повышению качества металла. Стало возможным делать сталь для инструмента и оружия с содержанием углерода до 1,0 %. Заметим, что такое содержание угле рода все еще ниже, чем в булатной стали. Следовательно, булат и его свойства и на этом этапе развития металлургии оставались недосягаемыми.
Появление доменного процесса и кричного передела Чугуна не явилось революцией в металлургии. Первый технический переворот в металлургии, как и во всей промышленности, произошел позднее, в конце XVIII — начале XIX века и вот при каких обстоятельствах.
В середине XVII века в Англии свершилась буржуазная революция, которая устранила препятствия для роста капиталистических отношений и открыла путь бурному развитию производительных сил. Это привело к промышленному перевороту, который вскоре захватил и другие европейские страны. В это время быстро развивается наука. В Лондоне в 1649 году основывается Королевское общество, играющее до сих пор роль английской академии наук. В 1666 году открывается Парижская академия наук, в 1700-Берлинская, в 1725 — Петербургская.
Одной из важных предпосылок промышленного переворота явилось открытие нового мощного источника механической энергии — паровой машины Джеймса Уатта. Появление парового двигателя имело следствием огромный рост промышленного производства и увеличение числа машин. Это вызвало повышенную потребность в металле и послужило толчком к развитию металлургии.
В те времена прогрессу в металлургии препятствовали в основном два обстоятельства: не было научной теории окисления и восстановления металлов и не был найден заменитель древесного угля, который применялся в доменном и кричном процессах. Древесный уголь был дорог, а запасы древесины ограничены, и это сдерживало увеличение объема производства железа и стали. В то же время запасы каменного угля огромны, и при горении он дает даже больше тепла, чем древесный. Однако при первых попытках применения каменного угля металлурги встретились с непреодолимой трудностью — высокой температурой его воспламенения.
Английский экономист Уильям Вуд писал: «Железо после шерсти — важнейшая индустриальная основа Англии. Англия потребляла ежегодно около 30 тысяч тонн железа, из которого, вследствие нехватки в древесном угле, около 20 тысяч тонн мы должны были покупать у наших соседей…» Еще в 1558 году в Англии королева Елизавета издает указ о запрещении использования в стране леса для производства угля. Было время, когда даже в России местные и столичные власти всячески ограничивали постройку любых печей, потребляющих древесное топливо, во избежание истребления лесов.
Известно: техническая потребность является движущей силой науки. Революция в химии в конце XVIII века целиком и полностью связана с потребностями металлургии.
В начале XVIII века в химии господствовала теории горения немецкого химика Г. Э. Шталя, согласно которой все горючие вещества, в том числе и металлы, содержат «огненную материю» (флогистон). Горение (окисление вещества) связывалось с выделением флогистона. Горит — значит, уходит флогистон!
Интересно, что несоответствие теории флогистона металлургической практике не осталось незамеченным ещё в XVII веке. Так, известный французский физик Жан Рэй, наблюдая металлургические процессы на железоделательной фабрике, сделал вывод о несостоятельности роли флогистона, поскольку во всех случаях он фиксировал увеличение веса металла при прокаливании. В своем трактате о «смешивании» металла с воздухом Рэй указывал, что «воздух как бы пристает к металлу и делает окалину плотнее». Но во времена Рэя развитию металлургии теория флогистона еще не мешала. Поэтому труды Рэя были забыты, и о них вспомнили лишь через много лет.
В 1777 году во Франции строится первый завод для переливания старых чугунных пушек. Наблюдая процесс расплавления чугуна, французский металлург К. Вендель нашел, что в результате взаимодействия чугуна с ржавчиной (окалиной) на его поверхности появляется ковкое железо. Чугун превращается в очень хорошее железо «под действием тепла и собственной флогистона»! Это было непостижимо. Здесь уже история явно стучалась в двери невозмутимого Антуана Лавуазье, который в 1780 году наконец-то решается громогласно объявить о своем открытии: горение и окисление суть соединения металлов с «чистым воздухом» (кислородом), открытым Д. Присли и К. Шееле в 1774 году.
Блестящим экспериментом — пропусканием водяного пара через ствол ружья, наполненный железными опилками, — Лавуазье показывает, что вода состоит из горючего воздуха (водорода) я чистого воздуха (кислорода). Следовательно, железо ржавеет потому, что оно соединяется с кислородом… Теперь металлурги знают, что получение хорошей стали зависит от соотношения углерода и кислорода в процессе восстановления руды.
Несколько раньше, в 1748 году, Михаил Васильевич Ломоносов организовал первую в России химическую лабораторию, открыл закон сохранения материи и заложил основы физической химии. Он еще до Лавуазье высказывал свои взгляды об окислении металлов: «… нет никакого сомнения, что частички воздуха, текущего постоянно над обжигаемым телом, с ним соединяются и увеличивают его вес».
Ломоносов тщательно исследует состояние металлургии в России, изучает опубликованные в 1550 году труды Георга Агриколы, посвященные рудному делу и металлургии. В течение двух веков они были единственным произведением о производстве металлов и представляли собой описание ряда приемов горного и кузнечного ремесла. Стараниями Ломоносова значение работ Агриколы было оценено в России значительно раньше, чем в Западной Европе. Ломоносов обобщает достижения в деле извлечения металлов из руд за 200 лет в своей известной книге «Металлургия». Изданная в 1753 году, она явилась первой монографией, описывающей процессы добычи руд, выплавки и обработки металлов, характеристики их свойств.
Отметим, что в Западной Европе подобная монография вышла в свет только в 1788 году: К. П. Бертолле, А. Вандермонд и Г. Монж опубликовали коллективный «Мемуар», в котором также анализировались достижения в области производства стали и ее механической обработки.
