ПРИКЛЮЧЕНИЯ (СТАТЬИ И ЛИТЕРАТУРА) (последнее)
НЕВЬЯНСКАЯ БАШНЯ: РЕАЛИИ ПРОШЛОГО
Приключения: статьи, романы, фельетоны, воспоминания.
Академик Вадим СЧАСТЛИВЦЕВ, главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук Дмитрий РОДИОНОВ, главный научный сотрудник,
кандидат технических наук Юлия ХЛЕБНИКОВА, старший научный сотрудник Институт физики металлов УрО РАН, (г. Екатеринбург)
Когда подъезжаешь к Невьянску - одному из старейших городов Среднего Урала, то на горизонте, кроме характерных для этой местности заводских труб, замечаешь два удивительных строения, расположенных на берегу большого пруда - ровесника местного чугуноплавильного и железоделательного завода: колокольню церковного собора и наклонную башню - древний памятник каменной архитектуры России. Старше ее, пожалуй, только кремль (1700 г.) и Троицкий собор (1703 - 1704 гг.) в г. Верхотурье (Свердловская область). И хотя она почти на пять веков моложе Пизанской падающей башни-компанилы (1174 - 1372 гг.) и Римского собора Нотр-Дам (1211 - 1311 гг.), однако знаменита не меньше как свидетель бурной поры, когда Средний Урал из захолустья превращался в "опорный край державы", становился ее основной металлургической базой.
стр. 97
Появление постоянных славянских поселений на Среднем Урале, как ни странно, произошло позднее образования русских городов в Сибири, где уже через 5 лет после первого похода Ермака (1581 г.) был основан Тюменский острог*, положивший начало одноименному городу. Через год севернее возник Тобольск (1587 г.), долгое время служивший столицей этого края, ее главным военно-административным, политическим и церковным центром. Позже, в 1593 г., в узле древних путей рек Оби, Казым, Северной Сосьвы появился г. Березов, ставший вскоре местом ссылки "государственных преступников". Для осуществления регулярной и надежной связи между старинными городами европейской части России - Чердынью, Соликамском, Усольем - и новыми сибирскими нужны были постоянные населенные пункты.
Возникший на Среднем Урале в районе современного г. Ивдель поселок Лозьвинский (1589 г.) вряд ли мог выполнять эту роль, так как сухопутный путь к нему по Чердынской дороге был трудным и не связанным с водными артериями, по которым далее можно легко попасть в Тюмень. Открытие же в 1597 г. Бабиновской дороги, названной в честь первопроходца Артемия Бабинова, решало эту проблему. Она доходила до поселения Нером-Кар, расположенного в верховье реки Туры, где недалеко от ее впадения в Тобол и стояла Тюмень. Годом позже на этом месте начали строить город Верхотурье, ставший вскоре важным административным и перевалочным пунктом на востоке нашей страны. А в 1600 г. заложили Туринский острог - второй по старшинству в Свердловской области, что повысило надежность связи европейской части России с Сибирью и защиту территории Среднего Урала от набегов кочевых племен. Вслед за Турином был основан Томск (1604 г.), затем Туруханск (1607 г.), Енисейский острог (1618 г.), Красноярск (1628 г.), Якутск (1632 г.), а севернее его - города Жиганск (1632 г.), Верхоянск (1638 г.), Иркутск (1638 г.), Охотск (1648 г.) и Анадырь (1649 г.). Всего за 50 лет русские служилые люди и казаки вышли на берега Охотского моря и Тихого океана.
В XVII в. Средний Урал быстро заселялся. Наряду с небольшими деревнями из 3 - 5 дворов появлялись более крупные населенные пункты - слободы, перераставшие впоследствии в города. Именно так возникли Ирбит (1631 г.), где с 1633 г. стали проводить ярмарки, Шадринск (1644 г.), Царев Курган (1662 г.), Камышлов (1668 г.), Каменск-Уральский (1682 г.). В это же время сформировалась и Невьянская слобода.
К 1678 г., по данным писцовых книг**, только в упомянутом Верхотурском уезде насчитывалось более 360 населенных пунктов, в том числе 12 слобод, жители которых занимались в основном сельским хозяйством, торговлей и охотой. Для строительства домов, заготовки дров и сена требовалось большое количество железных орудий труда: топоров, кос, а также скоб, гвоздей. Но их приходилось завозить из далекой Центральной России. Это приводило к дефициту изделий такого рода и, как следствие, к их дороговизне.
Именно поэтому возникла острая необходимость производить железо на месте. На Урале стали появляться многочисленные "мужицкие" заводы, где в "малых печах" плавили руду, а крицы*** проковывали в кузницах. Местные мастера выплавляли до 550 пудов металла в год. А в 1629 г. на берегах реки Ница возник "государев" железоделательный завод. Он один вырабатывал за год немногим меньше: около 400 пудов чистого железа.
Однако становление настоящей металлургической промышленности, принесшей Уралу всемирную славу, началось на рубеже XVII-XVIII вв., что было связано со строительством и пуском в конце 1701 г. двух мощных чугуноплавильных и железоделательных заводов - Каменского и Невьянского. В первом чугун из домны выдали 15 октября, во втором - 15 декабря 1701 г. Именно с этих дат ведет отсчет история местной металлургии.
Однако следует заметить, работа Невьянского завода поначалу шла вяло, и в 1702 г. указом Петра I его передали в частную собственность известному поставщику оружия для войска во время Северной войны (1700 - 1721 гг.) Никите Демидову с условием, чтобы
* Острог - вид оборонительных сооружений, строившихся в России с XIII по XVIII в. (прим. ред.).
** Писцовые книги - поземельные описи, использовавшиеся на Руси с XIV до середины XVII в., содержавшие сведения об имущественном положении крестьян, детальное описание условий хозяйствования вотчин. сел, монастырей (прим. ред.).
*** Крица - рыхлая, губчатая, пропитанная шлаком (кричным соком) железная масса, из которой путем разных обработок получают кричное железо или сталь (прим. ред.).
стр. 98
уральские цеха работали на российскую артиллерию. Тот имел свое производство в Туле, много ездил по России, поэтому сразу, еще в 1702 г., отдал завод в управление 24-летнему сыну Акинфию. После его приезда в Невьянск здесь вновь в полную силу начала действовать домна и возобновилась работа молотовых фабрик. Демидов-младший много сделал для того, чтобы за его предприятием прочно закрепилась слава первого в крае. Не случайно поэт Василий Жуковский (1783 - 1852) назвал его "дедушкой уральских заводов". Чугун и железо, полученные здесь в XVIII-XIX вв. из добротной руды и древесного угля с применением так называемой двухстадийной технологии, стали образцом металлургического качества. С ними мог соперничать только металл шведских железоделательных предприятий того времени. С 1703 по 1718 г. (т.е. за время войны со Швецией), в Невьянске выпустили около 90% всех артиллерийских снарядов и гранат, произведенных на Урале.
Потребность в металле привела к росту числа заводов. В 1701 - 1740 гг. в крае возникло 55 предприятий металлургического профиля: 24 казенных и 31 частное. Причем не без участия Демидовых: старший построил в дополнение к Невьянскому еще 5 гигантов, а его сын - 17, в том числе Нижнетагильский чугуноплавильный и железоделательный завод (1725 г.), ставший позднее главным центром семейной вотчины. К 1740 г. местные предприятия выплавляли ~72% общероссийского объема чугуна и ~75% железа. При этом демидовские цеха давали ~65% и ~61% того и другого металла, производимого на Урале. Заводы расширялись, рядом возникали поселения, многие впос-
стр. 99
ледствии переросли в крупные города - Нижний Тагил, Каменск-Уральский, Ревда и другие, где и сегодня можно встретить постройки тех времен: промышленные корпуса, церкви, жилые дома, плотины и пруды. Есть такие и в Невьянске.
Одним из наиболее ценных и изучаемых исторических памятников города стала наклонная башня, построенная в 1722 - 1732 гг. (имя архитектора-строителя неизвестно) с использованием чугунных и железных элементов по типу древнерусских многоярусных культовых сооружений, характерных для русской архитектуры конца XVII в. Внутри ее проходит металлический каркас, скрепленный с внешней стороны чугунными шайбами и железными клиньями. Это было поистине революционное решение, утверждает в книге "Демидовы" (Екатеринбург, 2001) уральский историк Игорь Шакинко, аналогичное созданию железобетона, когда в одном изделии соединились два различных по свойствам материала, дополняющих друг друга: камень - на сжатие, железо - на изгиб и растяжение. Необходимость такого шага была продиктована, в частности, тем, что башню решили возвести внутри завода-крепости. Однако вскоре выяснилось: грунт там неустойчивый.
Уже при закладке фундамента произошла неравномерная усадка основания, и здание накренилось. Тем не менее стройку продолжили, но приняли чрезвычайные меры для стабилизации объекта. Так, в мощные кирпичные стены толщиной ~1,8 м вмуровали открытые и скрытые металлические связи, способ-
стр. 100
Схема строения сыродутного кричного горна.
ные предотвратить разрушение каменной кладки. А на определенных расстояниях по высоте предусмотрели систему горизонтальных чугунных балок, закреплявшихся в углах на выходе из стены с помощью коротких штырей и шайб - это усиливало стягивающий эффект (кстати, такие элементы присутствуют и в конструкции сводов). Сами балки по форме напоминают деревянный брус сечением 190x145 мм и длиной 6 м, обычно применяемый при строительстве. В нижней его части располагается железный стержень сечением 60x36 мм. При отливке его приваривали к чугунному основанию. Иными словами, металлурги создали своего рода композиционный материал, хорошо выдерживающий нагрузки и на сжатие (чугун), и на растяжение (железо). На прочность работали и архитектурные детали - решетки окон, ограды балконов. Помимо художественного они имели функциональное назначение: служили связками различных частей кирпичной кладки. Использование в первой трети XVIII в. такого количества металлических деталей при возведении здания могли позволить себе люди, не испытывающие недостатка в чугуне и железе, - Демидовы.
Согласно данным книги "Очерки истории культуры и быта старого Невьянска" (Екатеринбург, 2001), сооружение строили в два этапа: в 1722 - 1725 гг. возвели четверик (четырехугольное в плане помещение), а затем к 1732 г. - восьмерики с металлическим шатром оригинальной конструкции, примененной впервые в мире. Лишь через 100 лет ее повторили при возведении в Германии Майнцского собора (1826 г.) на Рейне, а затем и на куполе Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге. Башню венчает шпиль, вершина которого заканчивается громоотводом, сделанным из листового сварочного (кричного) железа* толщиной 1 мм и имеющим вид полого шара ("шар-солнце") диаметром 30 см с шипами. Их остроконечные треугольники длиной 40 см прикованы к наружной поверхности вручную. Поставленный при возведении сооружения, т.е. на два десятка лет раньше изобретенного в 1752 г. американским физиком Бенджамином Франклином молниеотвода, он простоял свыше 200 лет на вершине башни и после ремонта, проведенного в середине XX в., стал музейным экспонатом.
Возникает резонный вопрос: как это устройство появилось в конструкции? Вспомним, Акинфий Демидов непрерывно разъезжал по стране - между Санкт-Петербургом и Москвой, Тулой и Невьянском - и был в курсе всех событий. Он, конечно, знал, что царский любимец Александр Меншиков к тому времени построил в столице высокую башню, покрыв ее невьянским железом, подаренным Демидовыми. Но летом 1723 г. во время грозы молния угодила в шатер, возник пожар, полностью уничтоживший верхние деревянные ярусы. Поэтому, как можно предположить, для безопасности возводимой в Невьянске башни ее шатер из металла увенчали шпилем с навершием в виде солнца, а заземление пропустили через кирпичную кладку. Это можно было сделать лишь непосредственно при строительстве. Молниеотвод много раз спасал постройку: когда "шар-солнце" снимали с вершины шпиля, то все лучи на нем оказались оплавленными.
В ходе строительства на нижнем восьмерике были установлены часы с боем и колокола. На десяти из них отлита надпись: "Ричард Фелпс. Лондон 1730 г.". В центре - бронзовый колокол со словами: "Сибирь. 1732 года июня 1 дня лит сей колокол в Невьянских
* Сварочное (кричное) железо получали посредством ковки рыхлой, пористой железной массы - крицы (прим. ред.).
стр. 101
Структура эвтектического чугуна: A - решетка балкона; B - памятная плита (увеличение в 300 раз).
Кричное железо молниеотвода Невьянской наклонной башни (увеличение в 60 раз).
дворянина Акинфия Демидова заводах весом 65 пуд 27 фунтов". Заметим, это более одной тонны! Колокола отбивают каждые 15 минут, полчаса и час, каждые три часа звучит мелодия музыкального барабана.
Несмотря на то, что башня построена почти 300 лет назад, она до сих пор сохранила первозданный вид, поэтому представляет интерес для многих специалистов. В частности, нам, металловедам, интересны ее чугунные, железные и стальные элементы, выполненные на местном заводе. Это редкий случай, когда производимый на нем металл оставался здесь же, на Урале, ибо большую его часть отправляли по рекам в Центральную Россию, откуда частично переправляли за рубеж, в том числе в Англию. Уральские сплавы, отличающиеся высоким качеством, охотно покупали в Европе, так как в их составе были отменные железные руды, древесный уголь. Их плавкой занимались талантливые мастеровые.
Основным металлургическим продуктом здешних предприятий было кричное железо. Горн для нагревания руды при его получении представлял собой куполообразную шахту с воздушными каналами для дутья.
В рабочее пространство печи слоями загружали древесный уголь и измельченную руду. Шлак стекал через боковое отверстие, но значительная его часть оставалась в основной массе. Производство металла проходило две стадии: получение чугуна и его передел в железо и сталь. Полученный в результате губчатый конгломерат легко сваривали при дальнейшей ковке.
Раздобыть экспортированный уральский металл, произведенный в XVIII в., чтобы определить и описать его структуру, практически невозможно. Поэтому мы воспользовались счастливой возможностью проанализировать образцы конструкций Невьянской башни, предоставленные нам сотрудницей местного Историко-архитектурного музея Ниной Медовщиковой и Музеем Невьянского металлургического завода. Нам важно было оценить качество демидовского сплава (химический состав, структуру и в отдельных случаях механические свойства чугуна, сварочного железа и кричной стали) и провести сравнительный анализ с зарубежными аналогами того времени.
Содержание углерода (С) оценивали по структуре, поскольку малые размеры образцов, отрезанные от му-
стр. 102
Структура образцов кричного железа: A - стяжка башни; B - участок фиксирующего клина с 0,15 - 0,20%-ным содержанием углерода; C - шлаковые включения (увеличение в 150 раз).
зейных экспонатов, не позволяли определять его весовым химическим методом (растворением металлической стружки в специальных реактивах), а микрорентгеноспектральный давал большую погрешность. В то же время содержание остальных легирующих элементов измеряли именно им с достаточно высокой точностью. Мы получили два чугунных фрагмента: балконной решетки - пример художественного литья XVIII в. и памятной плиты 1725 г., металл которой представляет интерес потому, что точно известна дата его изготовления. Оба образца относятся к эвтектическим* белым чугунам с ~4,3%-ным содержанием углерода. В изломе они имеют серебристо-белый оттенок, хрупкие, обладают высокой твердостью. Температура плавления такого металла ~1150°С. Его структура состоит преимущественно из ледебуритной эвтектики** и избыточного цементита. Кристаллы последнего выглядят на микрофотографиях как белый фон. В составе замечены также небольшие участки перлита (темные области неправильной формы).
Химический анализ изученных образцов свидетельствует о достаточно высокой чистоте металла, что связано с использованием качественной руды и древесного угля. В обоих чугунах есть примеси меди - типичный показатель уральских железных руд. Возможно, он был выплавлен из минералов Высокогорского рудника (гора Высокая вблизи будущего города Нижний Тагил), начало разработки которого относится к 1725 г. В доставляемой с этого месторождения руде содержалось ~1,5% марганца и ~0,35% меди.
Анализ показал наличие большого количества фосфора (~0,2%) в металле. Применение белого чугуна для отливок, особенно балконной решетки, - факт необычный. Сейчас, как правило, используют так называемый серый чугун, обладающий высокими литейными свойствами (хорошей жидкотекучестью). В нем большая часть углерода содержится в виде выделений графита, а не цементита. Обычно в таком ме-
* Эвтектический - расплав, представляющий смесь двух и более компонентов, количественные соотношения которых соответствуют самой низкой температуре ее плавления (прим. ред.).
** Ледебуритную эвтектику получают в момент возникновения мозаичного орнамента из кристаллов цементита (карбид железа Fe3C) и включений аустенита, способного превращаться в процессе охлаждения в перлит или бейнит (прим. ред.).
стр. 103
Структура образцов кричной (сырцовой) стали: A - стропила крыльца, участок с 0,7%-ным содержанием углерода (увеличение в 50 раз); B - ферритная сетка на краю полосы (увеличение в 50 раз); C - полосовая сталь арматуры крыльца с 0,5 - 0,6%-ным содержанием углерода (увеличение в 75 раз).
талле присутствуют от 2,4 до 3,8% C и от 1,2 до 3,55% Si. Именно высокое содержание последнего способствует графитообразованию. Марганец, напротив, препятствует этому процессу и приводит к отбеливанию металла, поэтому его стараются ограничить. В белом же чугуне углерод присутствует в виде цементита (Fe3C), что придает ему высокую твердость и хрупкость. Однако по литейным свойствам он проигрывает серому, поэтому чаще всего его перерабатывают в железо или сталь - это так называемый передельный материал.
Химический состав предоставленных нам образцов позволяет предположить: и плита, и балконная решетка были отлиты из чугуна одной плавки, предназначенной в дальнейшем для передела в кричное железо. Интересно отметить, и сейчас передельный чугун, выплавляемый в доменном цехе ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат", имеет близкий состав. Он содержит ~4 - 4,3% С, 0,15 - 0,25% Si, 0,20 - 0,25% Mn, не более 0,10% P и 0,035% S. В соединение могут также входить ванадий (до 0,48%) и титан (до 0,25%), появление которых связано с происхождением руд: современный чугун выплавляют в основном из минералов Качканарского месторождения, а не горы Высокой, как это было в XVIII-XIX вв.
В результате кричного передела получали сварочное железо, а также сталь (уклад). Первое представлено в листовом материале молниеотвода башни, кованом образце стяжки и фиксирующего клина. Из стального уклада сделаны полосовые стропила крыльца, один из фрагментов которого имеет интересное клеймо: "Невьянский завод, дворянин Акинфий Демидов, Сибирь, H:S, ДАД". Образец, отрезанный от станины часового механизма башенных курантов, датируется по времени их установки - 1730 г. Его историческая ценность состоит в возможности сравнения качества демидовского и европейского (шведского или английского) материала. Тем более, что некоторые специалисты подвергают сомнению факт изготовления металла станины в Англии. Скажем, научные сотрудники Невьянского государственного историко-архитектурного музея не исключают возможности его производства в Швеции.
Химический состав молниеотвода свидетельствует о высокой чистоте использованного материала не только по металлическим примесям, но и по сере и фосфору, что характерно для кричного железа, производимого на Невьянском заводе. Содержание углерода, судя по структуре образца, составляет менее 0,1%. Поверх-
стр. 104
Кричное железо станины часового механизма курантов Невьянской наклонной башни. Участок с 0,20 - 0,25%-ным содержанием углерода (увеличение в 60 раз).
ность устройства за более чем двухсотлетний срок службы подверглась сильной атмосферной коррозии (множественные черные точки на микрофотографии).
В образце полосовой стяжки вокруг кладки содержалось ~0,3% углерода. При этом основная составляющая в его структуре - видманштеттовый феррит, названный так по форме игольчатых кристаллов, что типично для производимого в первой трети XVIII в. металла, в том числе на Невьянском заводе. На это, кстати, указано и в одной из первых российских металловедческих книг "Металлографія. Пособіе для изученія строенія металловъ" (Санкт-Петербург, 1905 г.).
Подробный анализ состава фиксирующего клина описан нами в работе "Структура и механические свойства уральского сварочного железа" (журнал "Физика металлов и металловедение", 2004, т. 97, N 1). Он показал: в разных участках изделия содержание углерода колеблется от 0,1 до 0,4%. Предел текучести образцов кричного железа составляет 250 МПа, прочности - 350 МПа, относительное удлинение - 10%, сужение - 17%, ударная вязкость* металла при комнатной температуре - 11 Дж/см2, при t -40°С - 7 Дж/см2.
Мы сопоставили эти механические свойства с характеристиками современных сплавов. По содержанию углерода (0,1 - 0,4%) и кремния (~0,01%) металл клина можно сравнить с производимыми сегодня низкоуглеродистыми кипящими сталями, например, марки Ст3кп, содержащими 0,14 - 0,22% С и менее 0,05% Si в небольших сечениях. Данные "Марочника сталей и сплавов" (Москва, 2001 г.) свидетельствуют: по прочностным свойствам исследованный нами металл близок к нынешним сплавам, но по пластичности (значению относительного удлинения) и ударной вязкости при комнатной температуре уступает им. Причем хладноломкость** у него отсутствовала, а ударная вязкость при отрицательных температурах была такой же, как у современных сталей близкого химического состава. Низкие значения пластичности связаны с присутствием в кричном железе и укладе значительного количества шлаковых включений.
Представляют интерес стальные образцы, вырезанные из элементов арматуры (стропил) крыльца башни. Сыродутную сталь на Невьянском заводе изготавливали с момента его пуска. У нас нет точных данных об особенностях металлургических процессов, поскольку каждый мастер часто отрабатывал свою технологию выплавки уклада. Однако есть основания предполагать, что в ее основе лежит переплав кричного железа, поскольку этот способ использовали на соседнем с Невьянским Каменском казенном заводе в начале XVIII в. Элемент, вырезанный из арматуры крыльца, содержит 0,5 - 0,6% углерода, его структура состоит из перлита (возможно, с некоторой долей бейнита) и развитой ферритной сетки. Механические испытания на растяжение проведены на образце, вырезанном из стропил. Предел текучести металла составляет 300 МПа, прочности - 540 МПа, относительное удлинение - 8 %.
Химический анализ станины часового механизма свидетельствует о том, что мастера использовали высокочистое железо с малым количеством примесей серы и фосфора. Содержание углерода в разных участках образца составляет от 0,1 до 0,4%, в структуре отмечены шлаковые включения, что является типичным признаком кричного процесса. В книге Вячеслава Липина "Металлургия чугуна, железа и стали" (Санкт-Петербург, Москва, 1911) есть сведения о химическом составе чистого шведского металла. Сравнивая их с данными анализа образцов уральского железа и станиной часового механизма, можно сделать вывод: качество местной продукции сопоставимо с европейским. Кроме того, нельзя исключить возможность шведского производства основания башенных курантов.
Отметим, передовые позиции завод сохранял почти весь XVIII в. Не случайно невьянскую марку железа "Сибирь" высоко ценили не только в России, но и в Европе. По данным энциклопедии "Металлургические заводы Урала XVII-XX вв." (Екатеринбург, 2001 г.), почти все годовое производство кованого железа в 30 - 40-х годах XVIII в. чугуноплавильный и железоделательный завод поставлял Адмиралтейству для нужд Российского флота и артиллерии.
__________
* Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки (прим. ред.).
** Хдадноломкость - склонность металлов к появлению или значительному возрастанию хрупкости при понижении температуры (прим. ред.).
кандидат технических наук Юлия ХЛЕБНИКОВА, старший научный сотрудник Институт физики металлов УрО РАН, (г. Екатеринбург)
Когда подъезжаешь к Невьянску - одному из старейших городов Среднего Урала, то на горизонте, кроме характерных для этой местности заводских труб, замечаешь два удивительных строения, расположенных на берегу большого пруда - ровесника местного чугуноплавильного и железоделательного завода: колокольню церковного собора и наклонную башню - древний памятник каменной архитектуры России. Старше ее, пожалуй, только кремль (1700 г.) и Троицкий собор (1703 - 1704 гг.) в г. Верхотурье (Свердловская область). И хотя она почти на пять веков моложе Пизанской падающей башни-компанилы (1174 - 1372 гг.) и Римского собора Нотр-Дам (1211 - 1311 гг.), однако знаменита не меньше как свидетель бурной поры, когда Средний Урал из захолустья превращался в "опорный край державы", становился ее основной металлургической базой.
стр. 97
Появление постоянных славянских поселений на Среднем Урале, как ни странно, произошло позднее образования русских городов в Сибири, где уже через 5 лет после первого похода Ермака (1581 г.) был основан Тюменский острог*, положивший начало одноименному городу. Через год севернее возник Тобольск (1587 г.), долгое время служивший столицей этого края, ее главным военно-административным, политическим и церковным центром. Позже, в 1593 г., в узле древних путей рек Оби, Казым, Северной Сосьвы появился г. Березов, ставший вскоре местом ссылки "государственных преступников". Для осуществления регулярной и надежной связи между старинными городами европейской части России - Чердынью, Соликамском, Усольем - и новыми сибирскими нужны были постоянные населенные пункты.
Возникший на Среднем Урале в районе современного г. Ивдель поселок Лозьвинский (1589 г.) вряд ли мог выполнять эту роль, так как сухопутный путь к нему по Чердынской дороге был трудным и не связанным с водными артериями, по которым далее можно легко попасть в Тюмень. Открытие же в 1597 г. Бабиновской дороги, названной в честь первопроходца Артемия Бабинова, решало эту проблему. Она доходила до поселения Нером-Кар, расположенного в верховье реки Туры, где недалеко от ее впадения в Тобол и стояла Тюмень. Годом позже на этом месте начали строить город Верхотурье, ставший вскоре важным административным и перевалочным пунктом на востоке нашей страны. А в 1600 г. заложили Туринский острог - второй по старшинству в Свердловской области, что повысило надежность связи европейской части России с Сибирью и защиту территории Среднего Урала от набегов кочевых племен. Вслед за Турином был основан Томск (1604 г.), затем Туруханск (1607 г.), Енисейский острог (1618 г.), Красноярск (1628 г.), Якутск (1632 г.), а севернее его - города Жиганск (1632 г.), Верхоянск (1638 г.), Иркутск (1638 г.), Охотск (1648 г.) и Анадырь (1649 г.). Всего за 50 лет русские служилые люди и казаки вышли на берега Охотского моря и Тихого океана.
В XVII в. Средний Урал быстро заселялся. Наряду с небольшими деревнями из 3 - 5 дворов появлялись более крупные населенные пункты - слободы, перераставшие впоследствии в города. Именно так возникли Ирбит (1631 г.), где с 1633 г. стали проводить ярмарки, Шадринск (1644 г.), Царев Курган (1662 г.), Камышлов (1668 г.), Каменск-Уральский (1682 г.). В это же время сформировалась и Невьянская слобода.
К 1678 г., по данным писцовых книг**, только в упомянутом Верхотурском уезде насчитывалось более 360 населенных пунктов, в том числе 12 слобод, жители которых занимались в основном сельским хозяйством, торговлей и охотой. Для строительства домов, заготовки дров и сена требовалось большое количество железных орудий труда: топоров, кос, а также скоб, гвоздей. Но их приходилось завозить из далекой Центральной России. Это приводило к дефициту изделий такого рода и, как следствие, к их дороговизне.
Именно поэтому возникла острая необходимость производить железо на месте. На Урале стали появляться многочисленные "мужицкие" заводы, где в "малых печах" плавили руду, а крицы*** проковывали в кузницах. Местные мастера выплавляли до 550 пудов металла в год. А в 1629 г. на берегах реки Ница возник "государев" железоделательный завод. Он один вырабатывал за год немногим меньше: около 400 пудов чистого железа.
Однако становление настоящей металлургической промышленности, принесшей Уралу всемирную славу, началось на рубеже XVII-XVIII вв., что было связано со строительством и пуском в конце 1701 г. двух мощных чугуноплавильных и железоделательных заводов - Каменского и Невьянского. В первом чугун из домны выдали 15 октября, во втором - 15 декабря 1701 г. Именно с этих дат ведет отсчет история местной металлургии.
Однако следует заметить, работа Невьянского завода поначалу шла вяло, и в 1702 г. указом Петра I его передали в частную собственность известному поставщику оружия для войска во время Северной войны (1700 - 1721 гг.) Никите Демидову с условием, чтобы
* Острог - вид оборонительных сооружений, строившихся в России с XIII по XVIII в. (прим. ред.).
** Писцовые книги - поземельные описи, использовавшиеся на Руси с XIV до середины XVII в., содержавшие сведения об имущественном положении крестьян, детальное описание условий хозяйствования вотчин. сел, монастырей (прим. ред.).
*** Крица - рыхлая, губчатая, пропитанная шлаком (кричным соком) железная масса, из которой путем разных обработок получают кричное железо или сталь (прим. ред.).
стр. 98
уральские цеха работали на российскую артиллерию. Тот имел свое производство в Туле, много ездил по России, поэтому сразу, еще в 1702 г., отдал завод в управление 24-летнему сыну Акинфию. После его приезда в Невьянск здесь вновь в полную силу начала действовать домна и возобновилась работа молотовых фабрик. Демидов-младший много сделал для того, чтобы за его предприятием прочно закрепилась слава первого в крае. Не случайно поэт Василий Жуковский (1783 - 1852) назвал его "дедушкой уральских заводов". Чугун и железо, полученные здесь в XVIII-XIX вв. из добротной руды и древесного угля с применением так называемой двухстадийной технологии, стали образцом металлургического качества. С ними мог соперничать только металл шведских железоделательных предприятий того времени. С 1703 по 1718 г. (т.е. за время войны со Швецией), в Невьянске выпустили около 90% всех артиллерийских снарядов и гранат, произведенных на Урале.
Потребность в металле привела к росту числа заводов. В 1701 - 1740 гг. в крае возникло 55 предприятий металлургического профиля: 24 казенных и 31 частное. Причем не без участия Демидовых: старший построил в дополнение к Невьянскому еще 5 гигантов, а его сын - 17, в том числе Нижнетагильский чугуноплавильный и железоделательный завод (1725 г.), ставший позднее главным центром семейной вотчины. К 1740 г. местные предприятия выплавляли ~72% общероссийского объема чугуна и ~75% железа. При этом демидовские цеха давали ~65% и ~61% того и другого металла, производимого на Урале. Заводы расширялись, рядом возникали поселения, многие впос-
стр. 99
ледствии переросли в крупные города - Нижний Тагил, Каменск-Уральский, Ревда и другие, где и сегодня можно встретить постройки тех времен: промышленные корпуса, церкви, жилые дома, плотины и пруды. Есть такие и в Невьянске.
Одним из наиболее ценных и изучаемых исторических памятников города стала наклонная башня, построенная в 1722 - 1732 гг. (имя архитектора-строителя неизвестно) с использованием чугунных и железных элементов по типу древнерусских многоярусных культовых сооружений, характерных для русской архитектуры конца XVII в. Внутри ее проходит металлический каркас, скрепленный с внешней стороны чугунными шайбами и железными клиньями. Это было поистине революционное решение, утверждает в книге "Демидовы" (Екатеринбург, 2001) уральский историк Игорь Шакинко, аналогичное созданию железобетона, когда в одном изделии соединились два различных по свойствам материала, дополняющих друг друга: камень - на сжатие, железо - на изгиб и растяжение. Необходимость такого шага была продиктована, в частности, тем, что башню решили возвести внутри завода-крепости. Однако вскоре выяснилось: грунт там неустойчивый.
Уже при закладке фундамента произошла неравномерная усадка основания, и здание накренилось. Тем не менее стройку продолжили, но приняли чрезвычайные меры для стабилизации объекта. Так, в мощные кирпичные стены толщиной ~1,8 м вмуровали открытые и скрытые металлические связи, способ-
стр. 100
Схема строения сыродутного кричного горна.
ные предотвратить разрушение каменной кладки. А на определенных расстояниях по высоте предусмотрели систему горизонтальных чугунных балок, закреплявшихся в углах на выходе из стены с помощью коротких штырей и шайб - это усиливало стягивающий эффект (кстати, такие элементы присутствуют и в конструкции сводов). Сами балки по форме напоминают деревянный брус сечением 190x145 мм и длиной 6 м, обычно применяемый при строительстве. В нижней его части располагается железный стержень сечением 60x36 мм. При отливке его приваривали к чугунному основанию. Иными словами, металлурги создали своего рода композиционный материал, хорошо выдерживающий нагрузки и на сжатие (чугун), и на растяжение (железо). На прочность работали и архитектурные детали - решетки окон, ограды балконов. Помимо художественного они имели функциональное назначение: служили связками различных частей кирпичной кладки. Использование в первой трети XVIII в. такого количества металлических деталей при возведении здания могли позволить себе люди, не испытывающие недостатка в чугуне и железе, - Демидовы.
Согласно данным книги "Очерки истории культуры и быта старого Невьянска" (Екатеринбург, 2001), сооружение строили в два этапа: в 1722 - 1725 гг. возвели четверик (четырехугольное в плане помещение), а затем к 1732 г. - восьмерики с металлическим шатром оригинальной конструкции, примененной впервые в мире. Лишь через 100 лет ее повторили при возведении в Германии Майнцского собора (1826 г.) на Рейне, а затем и на куполе Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге. Башню венчает шпиль, вершина которого заканчивается громоотводом, сделанным из листового сварочного (кричного) железа* толщиной 1 мм и имеющим вид полого шара ("шар-солнце") диаметром 30 см с шипами. Их остроконечные треугольники длиной 40 см прикованы к наружной поверхности вручную. Поставленный при возведении сооружения, т.е. на два десятка лет раньше изобретенного в 1752 г. американским физиком Бенджамином Франклином молниеотвода, он простоял свыше 200 лет на вершине башни и после ремонта, проведенного в середине XX в., стал музейным экспонатом.
Возникает резонный вопрос: как это устройство появилось в конструкции? Вспомним, Акинфий Демидов непрерывно разъезжал по стране - между Санкт-Петербургом и Москвой, Тулой и Невьянском - и был в курсе всех событий. Он, конечно, знал, что царский любимец Александр Меншиков к тому времени построил в столице высокую башню, покрыв ее невьянским железом, подаренным Демидовыми. Но летом 1723 г. во время грозы молния угодила в шатер, возник пожар, полностью уничтоживший верхние деревянные ярусы. Поэтому, как можно предположить, для безопасности возводимой в Невьянске башни ее шатер из металла увенчали шпилем с навершием в виде солнца, а заземление пропустили через кирпичную кладку. Это можно было сделать лишь непосредственно при строительстве. Молниеотвод много раз спасал постройку: когда "шар-солнце" снимали с вершины шпиля, то все лучи на нем оказались оплавленными.
В ходе строительства на нижнем восьмерике были установлены часы с боем и колокола. На десяти из них отлита надпись: "Ричард Фелпс. Лондон 1730 г.". В центре - бронзовый колокол со словами: "Сибирь. 1732 года июня 1 дня лит сей колокол в Невьянских
* Сварочное (кричное) железо получали посредством ковки рыхлой, пористой железной массы - крицы (прим. ред.).
стр. 101
Структура эвтектического чугуна: A - решетка балкона; B - памятная плита (увеличение в 300 раз).
Кричное железо молниеотвода Невьянской наклонной башни (увеличение в 60 раз).
дворянина Акинфия Демидова заводах весом 65 пуд 27 фунтов". Заметим, это более одной тонны! Колокола отбивают каждые 15 минут, полчаса и час, каждые три часа звучит мелодия музыкального барабана.
Несмотря на то, что башня построена почти 300 лет назад, она до сих пор сохранила первозданный вид, поэтому представляет интерес для многих специалистов. В частности, нам, металловедам, интересны ее чугунные, железные и стальные элементы, выполненные на местном заводе. Это редкий случай, когда производимый на нем металл оставался здесь же, на Урале, ибо большую его часть отправляли по рекам в Центральную Россию, откуда частично переправляли за рубеж, в том числе в Англию. Уральские сплавы, отличающиеся высоким качеством, охотно покупали в Европе, так как в их составе были отменные железные руды, древесный уголь. Их плавкой занимались талантливые мастеровые.
Основным металлургическим продуктом здешних предприятий было кричное железо. Горн для нагревания руды при его получении представлял собой куполообразную шахту с воздушными каналами для дутья.
В рабочее пространство печи слоями загружали древесный уголь и измельченную руду. Шлак стекал через боковое отверстие, но значительная его часть оставалась в основной массе. Производство металла проходило две стадии: получение чугуна и его передел в железо и сталь. Полученный в результате губчатый конгломерат легко сваривали при дальнейшей ковке.
Раздобыть экспортированный уральский металл, произведенный в XVIII в., чтобы определить и описать его структуру, практически невозможно. Поэтому мы воспользовались счастливой возможностью проанализировать образцы конструкций Невьянской башни, предоставленные нам сотрудницей местного Историко-архитектурного музея Ниной Медовщиковой и Музеем Невьянского металлургического завода. Нам важно было оценить качество демидовского сплава (химический состав, структуру и в отдельных случаях механические свойства чугуна, сварочного железа и кричной стали) и провести сравнительный анализ с зарубежными аналогами того времени.
Содержание углерода (С) оценивали по структуре, поскольку малые размеры образцов, отрезанные от му-
стр. 102
Структура образцов кричного железа: A - стяжка башни; B - участок фиксирующего клина с 0,15 - 0,20%-ным содержанием углерода; C - шлаковые включения (увеличение в 150 раз).
зейных экспонатов, не позволяли определять его весовым химическим методом (растворением металлической стружки в специальных реактивах), а микрорентгеноспектральный давал большую погрешность. В то же время содержание остальных легирующих элементов измеряли именно им с достаточно высокой точностью. Мы получили два чугунных фрагмента: балконной решетки - пример художественного литья XVIII в. и памятной плиты 1725 г., металл которой представляет интерес потому, что точно известна дата его изготовления. Оба образца относятся к эвтектическим* белым чугунам с ~4,3%-ным содержанием углерода. В изломе они имеют серебристо-белый оттенок, хрупкие, обладают высокой твердостью. Температура плавления такого металла ~1150°С. Его структура состоит преимущественно из ледебуритной эвтектики** и избыточного цементита. Кристаллы последнего выглядят на микрофотографиях как белый фон. В составе замечены также небольшие участки перлита (темные области неправильной формы).
Химический анализ изученных образцов свидетельствует о достаточно высокой чистоте металла, что связано с использованием качественной руды и древесного угля. В обоих чугунах есть примеси меди - типичный показатель уральских железных руд. Возможно, он был выплавлен из минералов Высокогорского рудника (гора Высокая вблизи будущего города Нижний Тагил), начало разработки которого относится к 1725 г. В доставляемой с этого месторождения руде содержалось ~1,5% марганца и ~0,35% меди.
Анализ показал наличие большого количества фосфора (~0,2%) в металле. Применение белого чугуна для отливок, особенно балконной решетки, - факт необычный. Сейчас, как правило, используют так называемый серый чугун, обладающий высокими литейными свойствами (хорошей жидкотекучестью). В нем большая часть углерода содержится в виде выделений графита, а не цементита. Обычно в таком ме-
* Эвтектический - расплав, представляющий смесь двух и более компонентов, количественные соотношения которых соответствуют самой низкой температуре ее плавления (прим. ред.).
** Ледебуритную эвтектику получают в момент возникновения мозаичного орнамента из кристаллов цементита (карбид железа Fe3C) и включений аустенита, способного превращаться в процессе охлаждения в перлит или бейнит (прим. ред.).
стр. 103
Структура образцов кричной (сырцовой) стали: A - стропила крыльца, участок с 0,7%-ным содержанием углерода (увеличение в 50 раз); B - ферритная сетка на краю полосы (увеличение в 50 раз); C - полосовая сталь арматуры крыльца с 0,5 - 0,6%-ным содержанием углерода (увеличение в 75 раз).
талле присутствуют от 2,4 до 3,8% C и от 1,2 до 3,55% Si. Именно высокое содержание последнего способствует графитообразованию. Марганец, напротив, препятствует этому процессу и приводит к отбеливанию металла, поэтому его стараются ограничить. В белом же чугуне углерод присутствует в виде цементита (Fe3C), что придает ему высокую твердость и хрупкость. Однако по литейным свойствам он проигрывает серому, поэтому чаще всего его перерабатывают в железо или сталь - это так называемый передельный материал.
Химический состав предоставленных нам образцов позволяет предположить: и плита, и балконная решетка были отлиты из чугуна одной плавки, предназначенной в дальнейшем для передела в кричное железо. Интересно отметить, и сейчас передельный чугун, выплавляемый в доменном цехе ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат", имеет близкий состав. Он содержит ~4 - 4,3% С, 0,15 - 0,25% Si, 0,20 - 0,25% Mn, не более 0,10% P и 0,035% S. В соединение могут также входить ванадий (до 0,48%) и титан (до 0,25%), появление которых связано с происхождением руд: современный чугун выплавляют в основном из минералов Качканарского месторождения, а не горы Высокой, как это было в XVIII-XIX вв.
В результате кричного передела получали сварочное железо, а также сталь (уклад). Первое представлено в листовом материале молниеотвода башни, кованом образце стяжки и фиксирующего клина. Из стального уклада сделаны полосовые стропила крыльца, один из фрагментов которого имеет интересное клеймо: "Невьянский завод, дворянин Акинфий Демидов, Сибирь, H:S, ДАД". Образец, отрезанный от станины часового механизма башенных курантов, датируется по времени их установки - 1730 г. Его историческая ценность состоит в возможности сравнения качества демидовского и европейского (шведского или английского) материала. Тем более, что некоторые специалисты подвергают сомнению факт изготовления металла станины в Англии. Скажем, научные сотрудники Невьянского государственного историко-архитектурного музея не исключают возможности его производства в Швеции.
Химический состав молниеотвода свидетельствует о высокой чистоте использованного материала не только по металлическим примесям, но и по сере и фосфору, что характерно для кричного железа, производимого на Невьянском заводе. Содержание углерода, судя по структуре образца, составляет менее 0,1%. Поверх-
стр. 104
Кричное железо станины часового механизма курантов Невьянской наклонной башни. Участок с 0,20 - 0,25%-ным содержанием углерода (увеличение в 60 раз).
ность устройства за более чем двухсотлетний срок службы подверглась сильной атмосферной коррозии (множественные черные точки на микрофотографии).
В образце полосовой стяжки вокруг кладки содержалось ~0,3% углерода. При этом основная составляющая в его структуре - видманштеттовый феррит, названный так по форме игольчатых кристаллов, что типично для производимого в первой трети XVIII в. металла, в том числе на Невьянском заводе. На это, кстати, указано и в одной из первых российских металловедческих книг "Металлографія. Пособіе для изученія строенія металловъ" (Санкт-Петербург, 1905 г.).
Подробный анализ состава фиксирующего клина описан нами в работе "Структура и механические свойства уральского сварочного железа" (журнал "Физика металлов и металловедение", 2004, т. 97, N 1). Он показал: в разных участках изделия содержание углерода колеблется от 0,1 до 0,4%. Предел текучести образцов кричного железа составляет 250 МПа, прочности - 350 МПа, относительное удлинение - 10%, сужение - 17%, ударная вязкость* металла при комнатной температуре - 11 Дж/см2, при t -40°С - 7 Дж/см2.
Мы сопоставили эти механические свойства с характеристиками современных сплавов. По содержанию углерода (0,1 - 0,4%) и кремния (~0,01%) металл клина можно сравнить с производимыми сегодня низкоуглеродистыми кипящими сталями, например, марки Ст3кп, содержащими 0,14 - 0,22% С и менее 0,05% Si в небольших сечениях. Данные "Марочника сталей и сплавов" (Москва, 2001 г.) свидетельствуют: по прочностным свойствам исследованный нами металл близок к нынешним сплавам, но по пластичности (значению относительного удлинения) и ударной вязкости при комнатной температуре уступает им. Причем хладноломкость** у него отсутствовала, а ударная вязкость при отрицательных температурах была такой же, как у современных сталей близкого химического состава. Низкие значения пластичности связаны с присутствием в кричном железе и укладе значительного количества шлаковых включений.
Представляют интерес стальные образцы, вырезанные из элементов арматуры (стропил) крыльца башни. Сыродутную сталь на Невьянском заводе изготавливали с момента его пуска. У нас нет точных данных об особенностях металлургических процессов, поскольку каждый мастер часто отрабатывал свою технологию выплавки уклада. Однако есть основания предполагать, что в ее основе лежит переплав кричного железа, поскольку этот способ использовали на соседнем с Невьянским Каменском казенном заводе в начале XVIII в. Элемент, вырезанный из арматуры крыльца, содержит 0,5 - 0,6% углерода, его структура состоит из перлита (возможно, с некоторой долей бейнита) и развитой ферритной сетки. Механические испытания на растяжение проведены на образце, вырезанном из стропил. Предел текучести металла составляет 300 МПа, прочности - 540 МПа, относительное удлинение - 8 %.
Химический анализ станины часового механизма свидетельствует о том, что мастера использовали высокочистое железо с малым количеством примесей серы и фосфора. Содержание углерода в разных участках образца составляет от 0,1 до 0,4%, в структуре отмечены шлаковые включения, что является типичным признаком кричного процесса. В книге Вячеслава Липина "Металлургия чугуна, железа и стали" (Санкт-Петербург, Москва, 1911) есть сведения о химическом составе чистого шведского металла. Сравнивая их с данными анализа образцов уральского железа и станиной часового механизма, можно сделать вывод: качество местной продукции сопоставимо с европейским. Кроме того, нельзя исключить возможность шведского производства основания башенных курантов.
Отметим, передовые позиции завод сохранял почти весь XVIII в. Не случайно невьянскую марку железа "Сибирь" высоко ценили не только в России, но и в Европе. По данным энциклопедии "Металлургические заводы Урала XVII-XX вв." (Екатеринбург, 2001 г.), почти все годовое производство кованого железа в 30 - 40-х годах XVIII в. чугуноплавильный и железоделательный завод поставлял Адмиралтейству для нужд Российского флота и артиллерии.
__________
* Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки (прим. ред.).
** Хдадноломкость - склонность металлов к появлению или значительному возрастанию хрупкости при понижении температуры (прим. ред.).
Опубликовано 13 августа 2014 года
Новые статьи на library.by:
ПРИКЛЮЧЕНИЯ (СТАТЬИ И ЛИТЕРАТУРА):
Комментируем публикацию: НЕВЬЯНСКАЯ БАШНЯ: РЕАЛИИ ПРОШЛОГО
подняться наверх ↑
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
По стандарту ВАК Республики Беларусь
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
По ГОСТу Российской Федерации
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Предполагаемый источник
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1407932760 в базе LIBRARY.BY.
подняться наверх ↑
ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!
подняться наверх ↑
ОБРАТНО В РУБРИКУ?
Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций