… Necessitas est durum telum …
И, как ни странно, она решила приложить свою решительную руку, набитую сотнями экспериментов, к сей проблеме.
Ну и, разумеется, первой же её заботой стали доменные печи. Их производительность, к слову, зависит главным образом от того, какой они высоты. Если быть точным, то объём производимого доменной печью продукта прямо зависит от того, какой она высоты (вернее, важная высота не самой печи, а высота шахты). Тут, впрочем, мы тут же сталкиваемся с одной небольшой проблемой, связанной с технологическим процессом.
Видите ли, чем выше высота шахты доменной печи, тем больше, соответственно, столб шихты, в нижней части которого находится топливо — древесный или каменный уголь, а также получаемый из последнего кокс (хотя технически древесный уголь, на самом деле, древесный кокс).
Древесный уголь не содержит различных вредных для чёрной металлургии примесей, вроде соединений серы и фосфора, а потому был доминирующим топливом в чёрной металлургии на протяжении большей части её истории. Впрочем, у древесного угля есть две огромные проблемы.
Во-первых, древесный уголь, кто бы мог подумать, производится из древесины. Средневековые кричные горны потребляли по массе в 3,6–8,8 раза больше топлива, чем руды. Даже для руды, содержащей 60 % железа, они требовали не менее 8 килограмм древесного угля, а как максимум 20 килограмм, чтобы получить всего 1 килограмм горячего металла. В конце XVIII века европейские домны потребляли 8 килограмм древесного угля на 1 килограмм горячего металла.
Так, английская домна начала XVIII века работала только с октября по май, и выдавали на протяжении этого периода всего 300 тонн чугуна. Если перевести крайне низкие предположения 8 килограммов древесного угля на 1 килограмм железа, и 5 килограммов древесины на 1 килограмм древесного угля, то получится, что всего 1 домна требует 12 000 тонн дерева в год.
Таким образом, к примеру, куда менее эффективная большая английская домна XVII века, расположенная в лесу Дин в Глостершире, требовала в год около 5 300 га порослевой вырубки (при среднем годовом приросте твёрдых пород, подлежащих порослевой вырубке, в 7,5 тонн на гектар). Небольшие металлургические заводы Уилдена — 2000 га для каждой комбинации домна-кузница.
Чтобы вся английская индустрия начала XVII века работала, каждый год приходилось вырубать около 1 100 квадратных километров леса. Иными словами, всего 1 домна может каждый год буквально сжирать лес диаметром в 4 километра.
Английские домны в 1720 году, представленные в количестве 60 штук, потребляли в совокупности, из расчёта 40 килограмм дерева на 1 килограмм металла (это самый минимум, если что), около 680 000 тонн дерева. Ковка металла для производства 12 000 тонн чушек добавляла, при 2,5 килограммах древесного угля на 1 килограмм чушки, ещё 150 000 тонн дерева.
Годовое потребление — 830 000 тонн древесины на одно лишь топливо для металлургии. Те самые 1 100 квадратных километров леса и порослевой вырубки.
Да, если бы Таня решила построить подобные домны, то ей бы пришлось смириться с тем, что для производства всего 18 000 тонн чугуна (на тот момент это был просто чудовищный уровень выплавки, хотя современный Китай производит в 30 раз больше) было бы необходимым вырубать леса размером с добрую половину Москвы.
Возможно, вам это ни о чём не говорит, но в Англии, чтобы приберечь древесину для кораблестроения, приходилось буквально всюду запрещать выплавку чугуна. Вот таков был масштаб трагедии.
Соответственно, совершенно очевидно, что употребление древесного угля для производства чугуна задаёт очень жёсткий потолок развития чёрной металлургии. Полагаю, в связи с этим является абсолютно ясным тот факт, что никакие положительные качества древесного угля не перевешивают хотя бы этого его минуса.
Впрочем, если вы думаете, что это единственный минус, и всё же можно построить империю, живущую за счёт опустынивания Земли, не спешите радоваться. У древесного угля есть второе, совершенно неприятное для металлургии качество — он слишком непрочный.
Как уже упоминалось ранее, в рамках развития доменных печей неизбежен рост шахты, а вместе с ней и увеличение столба шихты, в нижней части которого обязательно располагается тот самый древесный уголь (а иных вариантов как бы нет, если только не использовать каменный уголь или кокс).
В определённый момент неизбежный рост столба шихты становится невозможным — древесный уголь более уже не выдерживает нагрузки давящей сверху руды, флюсов и других частей шихты. Он, разумеется, постепенно начинает крошиться. Образовавшаяся при этом угольная пыль, как нетрудно догадаться, начинает набиваться между кусками руды.
Рано или поздно газы, образовавшиеся внизу, не смогут более преодолеть сопротивление столба шихты, и плавка замедлится, а в худшем случае — прекратится вовсе. Это, в свою очередь, просто чудовищные финансовые потери для предприятия, а в перспективе — нарушение цепочек поставок, а это уже прямые экономические потери.
То есть, точно так же, как пункт один, только в несколько иной плоскости, пункт два категорически ограничивает рост производительности домны, а значит, и рост производительности металлургии. Всё это, естественно, сделало победу сначала каменного угля, а затем и каменноугольного кокса — неизбежным.
Впрочем, даже если решить проблему с топливом, взяв на вооружение, например, каменноугольный кокс, развитие металлургии будет ограничена одним серьёзнейшим фактом — переход на топливо со значительно большей теплотой сгорания требует увеличения воздушного дутья, подаваемого в печь. В те времена это осуществлялось при помощи специальных мехов, приводимых в движение водяным колесом.
А у водяного колеса, как известно, есть проблема с производительностью, и поэтому подобный рост воздушного дутья является невозможным осуществить при помощи оного.
Что приводит нас к… паровой машине. Паровая машина приводит нас к увеличению глубины шахты, в которой добывается руда, так как с её помощью становится возможным откачать воду из оной. Из этого происходит резкий рост количества добываемого сырья. Круг, таким образом, замыкается, превращаясь в бесконечный цикл.
Впрочем, возвращаясь к теме инноваций, давайте, пожалуй, начнём с обеспечения того, что станет в ближайшее время самым необходимым — станками.
Имея в своём распоряжении не самый эффективный токарный станок, приводимый в движение при помощи лука со слабо натянутой (провисающей) тетивой, она стала его усовершенствовать.
Во-первых, она добавила сначала ножной привод. Изначально он состоял из упругой жерди, консольно закреплённой над станком, бечёвки, закреплённой на конце жерди и обёрнутой на один оборот вокруг заготовки, а также самой педали.
Вскоре, впрочем, она осознала, что подобный механизм весьма неудобен, в связи с чем подобная махина была заменена на устройство из кривошипа, шатуна и педали (тот самый привод, который до конца XX века использовали в швейных машинках).
Ещё немногим позднее она выяснила, что ножной привод слишком маломощен, а усилия руки (да-да, всё это время резец удерживался рукой) — недостаточны для снятия большой стружки, чтобы металлообработка была сколько-нибудь эффективной. В общем, как ни странно, мускульная сила человека оказалась недостаточно эффективной.
В связи с чем, пользуясь уже существующим водяным приводом, а также уже имеющейся конструкцией водяного колеса, она снабдила станок, собственно, водяным приводом.
Во-вторых, она снабдила токарные станки механическим суппортом, специальный узел, закрепляющий резец токаря. Впрочем, данное изобретение оказалось бесполезным, и суппорт стал сколько-нибудь осмысленным изобретением в тот момент, когда суппорт и копировальный палец стали приводить в движение при помощи ходового винта.
Чуть позже она наконец-то додумалась сделать шаг нарезки под резцом и под копиром разным. Впрочем, поперечной передачи всё ещё не было, вместо неё была введена система «копир-заготовка». В конце концов, она была заменена на поперечный вал.
К тому времени весь станок уже стал металлическим. Самый новый станок Тани состоял из мощной металлической станины, двух металлических центров, двух направляющих V-образной формы, а также медного суппорта. Этот станок также предусматривал сменные шестерни, большой ходовой винт, а сам суппорт, к слову, был механизирован.
Несколько позднее большой ходовой винт был расположен перед станиной, был добавлен зубчатый перебор, ручки управления были вынесены на переднюю панель станка, была также добавлена система увеличения скорости (так как скорость резания падает по мере движения резца от периферии к центру). Это явилось следствием практического опыта применения подобной машины.
По сути, создание универсальной токарной машины было завершено. Впрочем, было рано радоваться — стоимость подобной машины была просто астрономической. Подобных машин было всего 3, и они уже обошлись Тане, а значит и Артёму, в кругленькую сумму.
Честно сказать, я даже удивлён, что он уверенно спонсировал свою жену в её научных изысканиях, учитывая то, что она имела лишь незаконченное инженерное образование, несколько лет теоретического познания инженерии в рамках мысленных и отчасти практических экспериментов, а также определённое историческое знание касательно средневековых токарных станков.
Впрочем, она всё же достигла успеха в своих изысканиях, хотя это и заняло у неё несколько лет (притом, что эксперименты начались через некоторое время после победоносного окончания первых походов Артёма).
Все три образца, созданные искусными мастерами по работе с металлом, коих в Галлии было предостаточно всегда, представляли собой, как не трудно догадаться, настоящий гений инженерии.
Они были установлены на небольшом заводе (изначально был тестовой площадкой) в Лионе, где с их помощью были произведены необходимые детали для паровых машин. К слову, не первых. Первые были произведены заранее, так как без них сама работа подобных станков была бы невозможна — не на водной же тяге они будут работать.
Ну, вернее будет сказать, что самые первые модели и работали, как и говорилось ранее, но последующие модели были уже гораздо мощнее, поэтому для них требовались паровые машины, которые разрабатывались параллельно универсальным токарным станкам. В любом случае, пора бы уже приступить к паровым машинам…