Постройкой и содержанием плотин и всего вододействующего хозяйства заводов – шахов, ларей, водяных колес – ведали плотинные мастера. Не обладая теорией и расчетами, только на основе интуиции и опыта, к тому же до переезда на Урал имевшие дело не с горными, а с равнинными реками, они на первых порах допускали, конечно, и грубые ошибки в выборе места для плотины. Но с опытом приходило и мастерство, и можно только удивляться, как они, имея в качестве инструментов только правило и мерную планку, умели настолько точно рассчитать и регулировать сброс вешних вод, что запасов оставшихся в пруду хватало ровно до следующей весны. При этом, естественно, плотинным мастером учитывались и летние дожди, и высота снега будущей зимой.
В этом отношении Нижнетагильский завод оказался одним из самых
благополучных на Урале: за все время своей истории он не разу (за исключением первого варианта плотины) не испытывал ни весенних промывов, ни обсыхания пруда, и его довольно регулярная, а главное безостановочная работа была предметом восторга многих ревизоров и инженеров горного департамента. И это, прежде всего, объясняется удачной, «лучше быть неможно», плотиной.
Плотина, как показывают сметы генерала Геннина, большого знатока литейного дела, бывшего в тот момент горным начальником на Урале, стоила львиную долю всех расходов на строительство. Надо отметить, что с именем Геннина связано очень многое в становлении горнозаводского дела на Урале: именно он, преемник Татищева, сделал попытку поставить строительство заводов на научную, переходя к современной терминологии, основу – дал не только описание горнометаллургического производства по всем стадиям, но и выработал основные критерии.
Геннин ввел в горно-металлургическое дело лабораторный анализ («пробирное дело»), ввел в строительство и работу казенных заводов строгую системы – взаимосвязи отдельных фабрик-цехов и даже заводов друг с другом, что для мануфактурного периода горнозаводской промышленности было делом явно прогрессивным и позволяло ввести производство более уверенно.
Генниным же были выработаны три основных условия, которым должно отвечать место будущего завода: близость руды, достаточное количество гидроэнергии и лесов для угля. И, наконец, возможность транспортировки выработанного металла в Россию.
Особенно важным Геннин считал выбор места для будущей плотины. Сам наученный горьким опытом, когда сразу же по приезде на Урал от вынужден был восстанавливать размытую плотину Каменского завода, Геннин выработал целый свод правил, которым должно отвечать место для плотины. Техника того времени позволяла строить исключительно низконапорные плотины, этим, кстати, объясняется, что часто плотинные мастера выбирали места совершенно неудачные с точки зрения современной гидротехники. По требованиям того времени место для будущей плотины определялось прежде всего объемом воды в пруду, мощность завода – количеством вододействующих на нем колес. Поэтому, с одной стороны, место выбиралось с крутыми берегами, что позволяло плотину сделать более короткой, а значит и более дешевой, но, с другой стороны, оно должно быть и не слишком гористым, чтобы вверх от плотины имелось «раздолье» - для обширного, но вместе с тем и достаточно глубокого пруда, который бы не промерзал до дна даже самой лютой зимой. И в этом отношении место для Нижнетагильского завода оказалось очень удачным: река перехвачена у подножия горы Лисьей, причем река «запружена», плотиною ста четырех сажен длиною, 25 сажен шириною и вышиною 5 сажен...». Мало какой завод мог похвастаться такой компактной и в то же время самой мощной плотиной, которая образовала «пруд длиною около шести верст, а ширины с версту». И что очень важно, - плотина пропускала воды вполне достаточно для сохранения судоходства – ведь по реке Тагил можно было вывозить железо в сибирь, а это рынок немногим меньше, чем сама Центральная Россия! «Ниже завода река так глубока, что суда ходить могут, что и в самом деле бывает: каждую весну отпускают несколько оных железом нагруженных в Сибирские города».
Здесь следует вывод, что начало завода было положено удачно.
1.2.2 Доменное производство
Энергия воды домнам нужна была для дутья. Литейные дворы устраивались так, чтобы один ларь мог обслуживать сразу две печи; поэтому абсолютное большинство уральских заводов имело, как правило, всего две, очень редко три домны. Исключением из этого правила был один завод – Нижнетагильский, на котором сразу же было устроено два литейных двора.
Домны в то время строились с толстыми стенами, так как считалось, что «домны любят тепло», и внешне напоминали крепостные башни. Все нижнетагильские домны первоначально были выложены из «дикого камня», скрепленного огнеупорной белой глиной, и лишь внутри облицовывались горновым, более тугоплавким камнем, который также добывался по соседству, на Тагильской горе.
Объем самой крупной домны был 80 кубических аршин, или около 28 кубометров, остальных несколько поменьше.
Любопытна конструкция домен того времени, с «открытой грудью», то есть с не замурованной передней частью горна, прикрывавшейся заслонкой, которую в любой момент можно было открыть и посмотреть, как идет плавка. Оттуда же производился слив «сока» – шлака.
И вторая особенность – открытая колоша. Колошей называлась в то время верхняя часть домны, в сущности выводная труба, служившая одновременно и заволочным отверстием. Колоша всегда – оставалась открытой, поэтому над домной круглые сутки стоял высокий столб пламени и курилось чадное облако угарного дыма. Работа наверху, на колошнике, на небольшой площадке, выложенной раскаленными от пламени и газов чугунными плитками, считалась самой адовой. Лишь позднее над колошами стали устраивать вытяжные кирпичные трубы с навесами, но и они спасали мало, зато часто служили причиной пожаров.
Сюда, на колошник, лошадьми или на носилках поднимали короба руд и угля, на площадке все материалы раскладывались кучками. Через каждый час по команде мастера-уставщика мастеровые-засыпки сбрасывали в колошу, в устье домны, очередную порцию: 26 пудов руды, 2 пуда известняка и 1 короб угля. За сутки домна, таким образом, принимала в себя до тысячи пудов материалов, и все это нужно было вручную поднять на колошник, рассортировать тоже, конечно, вручную и сбросить в огнедышащее устье доменной печи.
Священнодействовал у домны мастер-уставщик. Чем он руководствовался, выбирая тот или иной режим дутья или пропорций в очередной засыпке, - он и сам не мог объяснить толком, Все основывалось на интуиции и громадном опыте. Интересно, что даже такой грамотный специалист, как В.И.Геннин, давая довольно точное и подробное описание доменных печей, ни слова не говорит о том, что же в них творится, каким образом из руды, угля и извести получается «сок», то есть шлак, и чугун. Академик М.А.Павлов, известный советский металлург, анализируя «Описание уральских и сибирских заводов», писал:
«Автор, давая подробные указания по устройству печей и ведения в них плавки, даже не пытается уяснить читателю сущность процессов, совершающихся в печах. Состояние науки в то время не позволяло этого сделать: ведь Геннин не мог понимать основных металлургических процессов – окисления и восстановления, так как в его время еще не был открыт кислород, а теория горения была создана через 45 лет после того, как были закончены «Абристы».
И все же отдельные дошедшие до нас наставления и инструкции по доменному делу позволяют понять и по каким признакам, не имея ни малейшего представления о сути плавки руды, без приборов мастера XVIIIвека умели выплавлять чугун такого качества, что сейчас это мастерство кажется просто чудом.
Признаком нормального хода доменной печи были острые светлые языки пламени. Если же пламя красное, с искрами, а тем более с дымом, значит, чугун «от прочей материи плохо отделяется», и надо усиливать дутье.
Не менее важным было и состояние «сока» – шлака. По цвету «сока» по времени, которое ему нужно для отвердевания, по тому, какой струей переливается он через порог горна – жидкой или тягучей, мастер делал безошибочные выводы, что нужно делать, чтобы чугун вышел хороший. Наконец: даже застывший шлак говорил о ходе плавки в домне. Если на изломе он был стекловатый, темно-зеленый – значит, плавка в норме. Если же мастер замечал блестки, похожие на мелкую рыбью чешую, то немедленно добавлял в колошу руды. Если же излом черный и железистый, значит, нужно было увеличивать силу дутья и добавлять угля.
На каждой домне было, как правило, по одной форме. Лишь невьянская домна-гигант (по тому, конечно, времени) построенная выдающимся металлургом XVIIIвека Григорием Махотиным, имела две формы.
Воздух в домны нагнетался доменными мехами, представлявшими собой два пятиметровых, зауженных с одной стороны ящика, плотно входивших друг в друга. Нижний ящик был неподвижен, а верхний гонялся вверх-вниз «боевым валом», представлявшим собой толстое, в аршин диаметром, то есть 70-80 сантиметров, бревно, окованное железными обручами. На одном конце вала укреплялось водобойное колесо диаметром в две сажени (больше четырех метров), а на другом – три чугунных пальца, которые поочередно давили на верхнюю крышку мехов. Дожмет один палец крышку до конца, сорвется, и крышка, выдавив в «захлебку» – клапан чередную порцию воздуха, оттягивается вверх противовесом – ящиком с кусками чугуна. Но тут набегает второй палец, и все повторяется сначала.