[Перевод] Триумвират угля, железа и пара
<< До этого: Паровой насос
Паровой двигатель вряд ли бы развился во что-то стоящее, если бы не два его помощника — уголь и железо. Все вместе они сформировали триумвират, взошедший на трон промышленной империи. Возможно, тут больше подойдёт экологическая метафора — возник симбиоз трёх видов, каждый из которых взращивал другого, формируя ядро новой механической экосистемы, жизнь в которой активно тряслась и клацала. Или, возможно, это были три вида тканей единого организма — кости и сухожилия из железа; лёгкие и сердце из угля;, а духом, или жизненной силой, был пар. Но что-то я отдаляюсь от темы.
И всё равно невозможно отрицать тесные узы, связывающие три этих материала. Паровые двигатели впервые набрали популярность как средство откачки воды из угольных шахт, и использовали при этом тот же самый продукт, что добывали в шахтах. Позднее двигатели задували свежий воздух в шахты и поднимали на поверхность руду — во всех шахтах, включая и железные. Затем уголь, добытый из шахт, начали использовать в качестве топлива для плавления железа, а специальные паровые двигатели при этом раздували кузнечные мехи. Часть полученного железа пошла на создание новых паровых двигателей. И так по кругу. Анаксагор, предшественник Сократа, утверждал, что трансформация материалов — например, превращение еды в плоть и кровь — возможна потому, что в каждой субстанции содержатся части всех остальных субстанций. На такие мысли наводит и история взаимного преобразования угля, пара и железа на заре промышленной эры.
Морской уголь
Несмотря на значительное усложнение машины Ньюкомена по сравнению с её предшественницами, она была далеко не самой эффективной. Она прожирала топливо для постоянного нагрева цилиндра в каждом цикле для того, чтобы он мог удерживать пар, а потом сразу же охлаждала цилиндр, впрыскивая холодную воду на следующий рабочий ход. Для её работы требовались горы угля.
На протяжении большей части истории по всему миру основным источником топлива для домашнего и промышленного разогрева было дерево — напрямую, или же в виде предварительно запечённого древесного угля (а не ископаемый уголь). Вацлав Смил [Energy and Civilization: A History, 2017] оценил, что в XIX веке 98% всей энергии люди добывали из растений. Однако к тому времени Британия добывала девять десятых энергии из угля, добытого в земле. Такая интенсивная добыча угля была характерна только для британского острова, а не для всей Западной Европы. Ближайший сосед и соперник Британии, Франция, во времена Наполеона получала из угля только десятую часть всей потребляемой энергии.
В Британии уголь использовали в качестве топлива ещё в античности. Археологи находили уголь и угольный пепел в поселениях, датируемых временами Римской империи. Однако в Британии не было найдено никаких свидетельств регулярного использования угля с тех пор и вплоть до тринадцатого века. В этот момент упоминания о нём начинают появляться в записях, где его называют «морским углём» — carbo maris. Почему морским? В то время «углём» называли то, что сейчас мы называем «древесным углём», отличая от «ископаемого угля».
Историки придумали два объяснения тому, почему считалось, что чёрные куски топлива, добываемые в земле, приходили с моря. Несомненно, уголь часто находили выкинутым на берег — это были последствия эрозии прибрежных угольных пластов. К примеру, в дарственную на полосу земли, переданную монахам Ньюминстерского аббатства в Нортумберленде в 1236 году, входило право собирать морские водоросли и морской уголь на берегу моря (последний, вероятно, шёл на топливо для солеварен). Однако есть и другое объяснение — его называли морским углём потому, что в Лондон его привозили по морю с севера страны. Документальное свидетельство этой морской торговли датируется почти тем же самым временем — 1228 годом. В документе упоминается улица Сиколс (Sea Coals) в пригороде Лондона, также известная, как улица Сжигателей известняка [Limeburner«s Lane] — вероятно, в честь главных потребителей морского топлива. Причин предпочесть одно объяснение другому я не нашёл — выбирайте сами.
На большей части острова залежи угля подходили к поверхности — особенно в поясе длиной около 500 км, шедшем посередине, от Бирмингема в Эдинбург. Неуёмное потребление угля в Британии возникло из-за комбинации легко доступного угля с демографическим взрывом, происходившем в Лондоне. В XVI веке его популяция больше чем удвоилась, а затем два столетия подряд увеличивалось в четыре раза каждые сто лет. К началу XIX века там жил уже миллион человек. Поскольку для обеспечения всех этих новых жителей топливом требовалось добывать древесину всё выше и выше по течению (а по реке доставлять грузы было гораздо дешевле, чем по земле), стоимость леса постоянно росла. В результате стоимость древесного топлива в Лондоне с 1550 до 1700 года выросла в три раза (в натуральном исчислении). Промышленные предприятия можно было открывать где-то ещё, но горожане никак не могли прожить без топлива, отапливавшего их дома в зимние месяцы — в особенности во время т.н. малого ледникового периода XVI и XVII веков.
Уголь, концентрированные останки древних папоротников, лепидодендронов и других разложившихся растительных веществ каменноугольного периода эпохи, давал больше энергии на фунт (как на единицу веса, так и на денежную единицу) чем дерево. Однако средневековые дома невозможно было отапливать углём — открытые очаги заполняли дома дымом, а сернистый угольный дым чрезвычайно вреден для здоровья. Поэтому для перехода с дерева на более дешёвый уголь необходимо было изменить архитектуру английских городов, построив в домах дымоходы. Это не случайно произошло в XVI веке — как раз, когда население Лондона начало быстро расти, вследствие чего росла и стоимость древесины.
В своём «Описании Англии» от 1577 года Уильям Харрисон обвиняет дымоходы в ухудшении здоровья молодого поколения, страдавшего от «насморков и катара» гораздо сильнее старших. С его точки зрения, раз уж дым закаляет дерево, то наполнявший более старые дома дым закалял и их жильцов.
Без изобретения домов с дымоходами лондонского демографического взрыва просто не было бы — сельские бедняки оставались бы дома, вместо того, чтобы тянуться в города и замерзать там до смерти, не имея возможности отапливать дома. Но вместо этого дешёвый северный уголь поступал в лондонские очаги во всё возрастающем количестве. К XVIII веку британцы добывали почти 3 миллиона тон угля ежегодно, более чем в 13 раз больше, чем в 1560 году — хотя к тому времени население острова не выросло даже в два раза.
Хотя этот поток угля тёк в город, чтобы согревать жителей Лондона, его предприимчивые граждане нашли углю множество других применений вне пределов своих жилищ. Мы уже видели свидетельства того, что его использовали для варки соли и получения негашёной извести ещё в 13 веке. Производители кирпичей, черепицы и стекла скармливали уголь своим печам для обжига. Однако, как мы вскоре увидим, некоторые промышленные предприятия — в особенности, производство железа — пока не могли его использовать.
Как владельцам шахт, так и спускавшимся в них людям приходилось смотреть в лицо множеству опасностей, чтобы извлекать этот странный минерал. В труде De re metallica Георгия Агриколы перечислено множество причин для закрытия шахты — выработка жилы, затопление, обрушение, пагубный воздух, и так далее. Среди всех этих неприятностей он запросто перечисляет и такие вещи, как «яростные убийцы-демоны, которых невозможно изгнать и от которых невозможно сбежать». Выдыхаемый демонами воздух был известен как «дымка» [damp], от немецкого Dampf, что означает «газы» или «испарения». Удушающая дымка и белая дымка (известные нам, как диоксид углерода и монооксид углерода) способны были задушить человека или небольшую группу, попавшую в «карман». Однако самой опасной была огненная дымка (метан), способная от единой искры разнести всю шахту в щепки.
Тем не менее, люди рыли шахты всё глубже в поисках топлива для согревания британских граждан. К концу XVII века максимальная глубина угольных шахт Британии достигала 50 метров, к началу XVIII века — 100 метров, а к 1765 году — 200. Как мы видели, такое заглубление создавало спрос на увеличение мощности насосов, что и порождало первые паровые двигатели. Оглядываясь назад, мы можем счесть паровой двигатель устройством для экономии сил, но самые первые его варианты наоборот создавали больше возможностей для труда. Они выкачивали воду, оголяя угольные пласты, для извлечения которых требовался изнурительный труд. Причём женщины и дети трудились наравне с мужчинами. Роберт Болд, описывая угольную торговлю в Шотландии 1808 года, подробно рассказывал о тяжёлом труде женщин, которым постоянно приходилось подниматься по лестницам, вынося на своей спине из шахт уголь в корзинах. Каждая женщина за рабочий день поднимала на поверхность около 1800 кг.
Гравюра, изображающая женщин, переносящих уголь; 1830.
Некоторые историки заявляют, что слишком прожроливый двигатель Ньюкомена было экономически оправдано использовать только в надшахтных зданиях, выкачивая воду из той самой шахты, что поставляла для него топливо. Они утверждают, что добавление стоимости транспортировки топлива сделало бы такой двигатель убыточным. Если это было бы так, это бы неплохо объяснило, почему двигатели придумали исключительно в Британии — нигде более так интенсивно не использовали уголь в качестве топлива, и нигде больше не было доступа к такому дешёвому топливу, сделавшему использование первых паровых двигателей выгодным. Однако это больше похоже на преувеличение. Существуют фрагментарные свидетельства того, что двигатели Ньюкомена работали в Корнуолле в начале XVIII векаs, выкачивая воду из оловянных шахт. В этом регионе было много металлосодержащих шахт, но мало угля. Судя по всему, экономический смысл эти шахты потеряли, после чего закрылись, только вследствие того, что консерваторы увеличили акцизы на прибрежную торговлю углём. Ведь уголь поступал в Корнуолл с севера через Бристольский залив, точно так же, как в Лондон он поступал по эстуарию Темзы.
Если двигатели Ньюкомена и правда могли работать в отдалении от месторождений каменного угля, всё равно кажется разумным, что лёгкий доступ к дешёвому топливу был необходим для зарождения и успешного развития в Британии паровых двигателей. Согласно каноничной истории британской угольной индустрии, владельцы шахты Грифф близ Ковентри ежегодно тратили по £900 на откачку из неё воды при помощи гужевой силы. После приобретения двигателя Ньюкомена ежегодные траты (без учёта вложений в машину) снизились до £150.
Однако для распространения пара критически важным был ещё один элемент, извлекаемый из земных недр. Хотя первые двигатели Ньюкомена использовали латунные цилиндры, владельцы быстро перешли на более дешёвое железо, и паровые двигатели стали зависеть от этого капризнейшего из металлов.
Доменная печь
Среди небольшого количества металлов, с которыми люди имели дело до промышленной революции, в природе в чистом виде часто можно было найти лишь золото. Все остальные (к примеру, свинец, олово, цинк) можно было извлечь из других материалов, связанных с ними, разогревая руду до тех пор, пока они не расплавятся. Для меди требуется почти 1100 °С, для других металлов — гораздо меньше. После этого чистый металл вытекал из печи в жидком виде.
С железом же всё было гораздо сложнее. В древности никакого огня не хватило бы для того, чтобы довести его до температуры плавления в 1538 °С. Однако примерно к 1000 году до н.э. ремесленники нащупали двухэтапный процесс, позволявший обойти это ограничение. Сначала руду, как обычно, запекали в печи. Она не плавилась, но превращалась в «крицу» — комковатую горячую светящуюся массу железа, смешанную с бесполезным шлаком. Затем металлург многократно ударял по железу молотом, вымещая из него шлак одновременным воздействием жары и физической силы. В результате получалось «кованое» железо — твёрдый, но достаточно пластичный материал, подходящий для гвоздей, замков, цепей, а также серпов и молотов. ☭ Можно было проводить и дальнейшее улучшение качества железа, до стали, запеканием его в присутствии углеродистого материала. Но это было сложной задачей, и сталь получалось производить в небольших количествах — достаточно для лезвия, которое оборачивали вокруг железного сердечника, чтобы сделать меч или топор.
Сыродутная печь для получения железной крицы из руды. Раздробленная железная руда (а) сбрасывается на горящие угли, раздуваемые мехами
Кричный горн XVIII века для преобразования крицы (позднее — чугуна) в кованое железо
Однако для плавки железа обычной древесины было недостаточно. Горняки получали древесный уголь, складывая поленницу вокруг шеста, замазывая её глиной и поджигая. Такая предварительно запечённая разновидность топлива, очень сухая и почти целиком состоявшая из угля, почти не давала дыма, мешавшего плавке. Она выдавала в полтора раза больше энергии, чем обычная древесина того же веса, а при горении могла достигать температур в 870 °С.
К концу средних веков европейцы всё шире использовали железо, поэтому они постоянно искали новые источники руды, некоторые из которых оказалось ещё сложнее плавить, чем обычно. В результате металлурги строили печи всё большего размера. В какой-то момент XV века количественное развитие перешло в качественное, и появились доменные печи, выдававшие новый вид железа — чугун. Подобная технология была известна в Китае больше тысячи лет, но, судя по всему, её независимо переизобрели на Западе.
В доменную печь непрерывно подавали смесь руды, древесного угля и флюс (обычно известняк). Мехи раздували огонь до температур, значительно превышавших те, что достигаются в процессе горения древесного угля, и железо полностью расплавлялось, поглощая при этом углерод из угля. Флюс поглощал все примеси из руды и они всплывали к верхней части печи. Жидкий металл стекал вниз, откуда его можно было сливать, как пиво из бочки. Из-за высокого содержания углерода (1,5% к массе металла или более, по сравнению с 0,6% или менее у кованого железа) чугун был хрупким и не подходил для изготовления большинства инструментов или изделий. Однако, как и в случае с крицей, когда из остывшего чугуна делали «чушки», их можно было затем разогреть и при помощи молота превратить в слитки кованого железа.
Доменная печь XVIII века. Внизу показаны меха, работающие от водяного колеса.
Доменные печи позволили производить железо в гораздо больших количествах, и вскоре они полностью заменили сыродутные печи. Однако для их огня, раздуваемого мехами, как и двигателю Ньюкомена, требовалось огромное количество топлива. Типична доменная печь в Британии XVIII века выдавала 300 тонн железа в рабочий сезон с октября по май, когда можно было рассчитывать на то, что текущая вода будет вращать водяное колесо и приводить в движение мехи. Чтобы печи работали весь этот период без перерывов, на каждую из них требовалось порядка 15 квадратных километров леса (на такой площади деревья успевали вырастать ежегодно для бесперебойного снабжения печи).
Очевидным решением этой топливной проблемы было сжигание «морского» угля вместо древесного. Иронично, что это топливо, ископаемое и невозобновляемое, состоящее из давно погибших растений, было дешевле, чем свежее, только что выращенное дерево их далёких потомков. Однако это решение не работало. Примеси, находившиеся в угле, типа серы и фосфора, испортили бы железо. Способ обойти эту проблему открыли в деревне Коалбрукдейл, стоявшей на берегу реки Северн на западе центральной Англии. Происходившие в Коалбрукдейле в первой половине XVIII века процессы дают прекрасную иллюстрацию переплетённой взаимозависимости угля, железа и пара.
Коалбрукдейл
В 1708 году Абрахам Дэрби взял в аренду заброшенную домну в Коалбрукдейле. Дэрби принадлежал к группе раскольников-диссентеров, не согласных с вероучениями Англиканской церкви, которых называли квакерами (quake — дрожание, а квакеры должны были «трепетать» перед Богом). Первоначальный капитал он заработал в Бристоле, центре квакерского сообщества, будучи одним из партнёров в латунном производстве, которое держало несколько его соратников по религии.
Дэрби заново развёл огонь в старой печи не при помощи древесного угля, а использовав кокс. Кокс так же относится к углю, как древесный уголь — к дереву (и, к счастью, никак не связан с «Кока-колой» [жаргонное название колы в США — «coke» / прим. пер.]). Оба этих вещества представляют собой высокоуглеродистый остаток от запекания изначального топлива в среде с низким содержанием кислорода. В коксе было меньше примесей, чем в угле, что уменьшало вероятность загрязнения руды в печи. Более того, поскольку он являлся побочным продуктом работы недалеко расположенного Шропширских угольного бассейна, он был гораздо дешевле древесного угля. Впоследствии другие производители железа взяли инновацию Дэрби на вооружение, и к 1750-м годам она распространилась по всей Британии. Кокс стал предпочтительным топливом для плавки британского железа.
Есть и ещё один претендент на звание первого человека, начавшего использовать уголь для плавки железа — Дад Дадли утверждал, что начал делать это ещё в 1620 году. Однако его заявление подтвердить сложнее, и он ни словом не упоминает критически важный ингредиент этого процесса — кокс. Есть небольшая вероятность, что некоторые секреты этого процесса перешли от Дадли к Дэрби ввиду их семейного родства.
В принципе, для осознания общей картины достаточно и этих голых дат начала применения кокса в плавке железа. Однако в истории существуют два загадочных разрыва длительностью в полвека, требующих объяснения. Первый разрыв — от первого промышленного применения угля до того, как Дэрби начал использовать его в Коалбрукдейле. Сырой уголь не стали бы использовать для высушивания солода по той же причине, по которой его нельзя было использовать для плавки железа — примеси испортили бы продукт. Изготовители солода использовали для этой цели кокс ещё с 1640-х годов. Так почему же этой идее потребовалось столько времени, чтобы проникнуть в железоплавильную промышленность?
На самом деле, использовать уголь в домнах до этого пытались, и несколько раз. Объяснений тому, что первым успеха добился именно Дэрби, можно предложить три. Во-первых, Дэрби до того, как стать партнёром в производстве латуни, работал учеником у производителя солода. Поэтому он на собственном опыте познакомился с использованием кокса в качестве топлива, что в то время для работника доменной печи было маловероятно. Во-вторых, Дэрби повезло, что у него поблизости был угольный бассейн, в котором был уголь с относительно низким содержанием серы. Запекание не всегда удаляет подобные химические вещества из сырого угля, поэтому вполне вероятно, что предыдущие попытки плавки железа при помощи кокса у предшественников Дэрби из-за этого проваливались.
Но самым важным различием между Дэрби и другими операторами доменных печей было то, что Дэрби собирался сам использовать полученный чугун. Один из его работников на производстве латуни, Джон Томас, разработал метод отливки чугунных горшков в песчаных формах, и Дэрби запатентовал его в 1707 году. Именно для использования этого патента Дэрби и взял в аренду заброшенную домну в Коалбрукдейле в следующем году. Полученный им при помощи кокса чугун не годился для использования в кричных горнах для изготовления кованого железа, поскольку в нём содержалось много кремния. Однако он идеально подошёл для чугунных продуктов, им изготовляемых — кремний даже облегчил процесс перетекания расплавленного железа в формы.
Одновременно Дэрби всячески развивал квакерскую религиозную общину в этом регионе, став её преуспевающим местным лидером. Он снимал поместье Тюдоров, а также начал строительство собственного дома, где затем провели по меньшей мере одну встречу квакеров. Однако к тому времени сам Дэрби был уже слишком слаб, и вскоре, в мае 1717 года, умер. Производство железа продолжало работать под присмотром его партнёров (его собственный сын Абрахам Дэрби II был ещё слишком юн для этого), и вскоре там начали делать запчасти для паровых двигателей, откачивавших воду из угольных шахт в Уорвикшире, в 80 километрах к востоку оттуда. К 1722 году в Коалбрукдейле изготавливали уже цилиндры двигателей целиком, и к концу десятилетия продали их десять штук. К тому времени младший Дэрби уже начал активно участвовать в работе предприятия. Он установил собственную машину Ньюкомена в начале 1740-х годов, заменив гужевой насос. Машина накачивала воду выше по течению, благодаря чему домна смогла работать круглый год, включая всё лето, когда на естественный поток воды полагаться было нельзя. Круг угля, железа и пара затянулся ещё сильнее.
Гравюра с изображением предприятия в Коалбрукдейле от 1758 года
И вот мы подошли ко второму временному разрыву в истории кокса — четырём десятилетиям между инновацией Дэрби и широким распространением доменных печей, работающих на коксе. Что такого происходило в этот период, сделавшего этот процесс подходящим для изготовления железа любого типа, а не только чугуна? Свидетельства каких-либо серьёзных инноваций за этот период отсутствуют. Объяснения этой перемене прежде всего социальные и политические.
Во-первых, в железной промышленности с подозрением относились к идее использования угля в качестве горючего — ведь многие пробовали это ещё до Дэрби и всегда неудачно. Во-вторых, в тот период на рынке железа в Британии наблюдалось падение цен, поскольку тогда пошла волна импорта железа из Швеции и России. Особых стимулов вкладываться в рискованные инновации в такой ситуации не было. Всё поменялось в 1747 году, когда в Швеции ограничили экспорт железа. Цены в Британии внезапно начали расти, пошли новые инвестиции, начали строить новые чугунолитейные предприятия. Эти новые домны начали использовать кокс (в том числе и новая домна Абрахама II в Хорсхее, построенная в 1754 году), и к 1790-м уже только 10% британского железа выплавляли при помощи древесного угля.
Железо выходит на волю
Замена древесного угля коксом привлекла к производству железа дешёвое топливо. Это также напрямую повлияло на конструкции доменных печей. Из-за ломкости древесного угля домны не получалось делать слишком большие, поскольку тогда топливо просто крошилось бы в прах под собственным весом. А кокс куда как лучше выдерживал давление. В результате масштабы производства железа освободились сразу от нескольких ограничений — стоимости угля, необходимости строить домны вблизи лесов и ограничений масштабов печей.
Оставалось лишь одно ограничение — для работы кричных горнов, превращавших чугун в кованое железо, всё ещё требовался древесный уголь и очень много человеческих усилий. Изобретённый в 1780-х в Британии процесс пудлингования устранил и это, последнее узкое место. Пудлинговая печь превращала чугун в кованое железо просто подогревая и перемешивая его. Это позволило массово производить кованое железо с помощью угля в качестве топлива (поскольку железо уже не требовалось разогревать напрямую). Это, в свою очередь, помогло решить металлургические проблемы, не позволявшие ранее иметь дело с паром высокого давления, из-за которых взрывались паровые насосы Севери.
Однако мы забегаем вперёд. Сейчас нам нужно вернуться к непосредственной истории парового двигателя, отойдя от материалов и источников энергии. Продолжим мы, рассказав о жизни самой известной и важной фигуры в этой истории — Джеймса Уатта.
