Самым обильным источником кислорода, несомненно, должен быть воздух, но долгое время он был недоступным человечеству, пока ученые не нашли способ повысить его естественную концентрацию (21%). История того, как это произошло, началась примерно 70 лет тому назад, когда швейцарским физиком Пикте и одновременно с ним французским физиком Кальете удалось ожижить воздух. К тому времени многие газы уже удавалось ожижать, но были и такие, которые еще Фарадей назвал «постоянными», потому что ошибочно считалось, что их вообще нельзя перевести в жидкое состояние. К числу этих «постоянных» газов относился и воздух, поскольку даже при сильном сжатии он не ожижался.
Тогда было выяснено, что для ожижения газа нужно не только достаточно высокое давление, но и достаточно низкая температура — названная критической. Как мы теперь знаем, эта температура для воздуха —141° С при давлении в 32 атмосферы. После ряда попыток найти метод для получения таких низких температур это удалось, наконец, Пикте. В восьмидесятых годах прошлого века, он получил жидкий воздух и наполнил им небольшой сосуд. Это считалось тогда большим научным открытием; Пикте был избран почетным членом разных научных обществ, получил медаль и пр.
Основной помехой при исследованиях было то, что жидкий воздух в то время никак не удавалось сохранить в жидком состоянии. Как только его наливали в сосуд, он быстро испарялся. Никому и в голову не приходило, что эта жидкость, которую нельзя было сохранять, может иметь промышленное значение. Жидкий воздух оставался курьезной новинкой, получение которой было доступно только одной — двум хорошо оборудованным лабораториям в мире. Так продолжалось лет двадцать, пока не было сделано другое открытие, которое сразу изменило положение. Английский ученый Дьюар на основании теоретических соображений пришел к выводу, что вакуум, т. е. пустоту, можно применить для тепловой изоляции.
Теплота передается движением молекул при их столкновении друг с другом. Если молекул мало, то передача тепла затрудняется. Дьюар показал, что если сделать сосуд с полой оболочкой и выкачать из нее воздух и если в такой сосуд положить, например, лед, он долго не будет таять, так как приток тепла через стенки будет очень мал. Такой сосуд по имени Дьюара часто называют «дьюаровским». Эти сосуды теперь вошли в обиход, ими широко пользуются для хранения пищи при высокой или низкой температуре. В обиходе их называют «термосами». В то время установление принципа, на котором основан термос, было большим научным открытием. Благодаря появлению дьюаровских сосудов стало возможным сохранять жидкий воздух, что позволило более подробно изучать его физические свойства.
Примерно в девяностых годах прошлого века англичанин Бейли и немец Линде, изучая жидкий воздух как смесь двух жидких газов — азота и кислорода, — одновременно нашли, что жидкий воздух, когда частично испаряется, обогащается кислородом, и это объясняется тем, что жидкий азот кипит при несколько более низкой температуре, чем жидкий кислород. Исследования показали, что при атмосферном давлении разница в температуре кипения этих двух жидкостей довольно значительна и составляет около 13°. Линде первым понял, что это явление открывает возможность дешевого получения кислорода и может иметь большое практическое значение. Это произошло спустя 25 лет после получения жидкого воздуха.
С незапамятных времен человечеством были использованы процессы разгонки смесей жидкостей, основанные на разнице температур кипения компонентов. Подобный процесс, например, находит себе применение для получения спирта, даже используется в деревне при перегонке самогона. Как известно, этот процесс разгонки также широко используется в нефтяной промышленности.
Линде пришла мысль применить способ разгонки к жидкому воздуху, чтобы отогнать более легко кипящий азот от кислорода. Таким путем в первых же опытах он легко получил довольно чистый кислород. Это открывало возможность получения кислорода не только гораздо более дешевым путем, чем прежний, химический, который использовался для наполнения кислородных подушек для тяжелобольных, но и в больших объемах, определяемых уже не десятками литров, а сотнями и тысячами кубометров. А если так, то, значит, с помощью кислорода можно интенсифицировать не только процесс человеческого дыхания, но и процессы большего масштаба, как например — горение.
Естественно, возникла мысль, что если заставить горючий газ, например, ацетилен, гореть в присутствии одного кислорода без азота, который не принимает участия в реакции горения и является вредной примесью, уносящей тепло, то можно получить значительно более горячее пламя. Опыт показал, что таким высокотемпературным пламенем можно локально плавить любой металл, что дало возможность сплавлять два куска металла без помощи какого бы то ни было легкоплавкого припоя, например, сваривать железо с железом. Так появилась и стала успешно применяться автогенная сварка.
Вскоре после этого был найден и способ автогенной резки металлов. По всей вероятности, вам известно, каких масштабов в промышленности теперь достигли автогенные методы обработки металлов: ни самолет, ни морское судно не могут быть построены без автогенной сварки. И стало это возможным только благодаря тому, что открылась возможность дешево получать кислород, добывая его в больших масштабах непосредственно из воздуха.
Методы разделения жидкого воздуха, впервые предложенные Линде, уже разрабатываются лет пятьдесят. Все время масштабы кислородной промышленности увеличиваются. Например, сейчас в Америке ежегодно потребляется 250 миллионов кубометров кислорода. Это после тех десятков и сотен литров, которые еще в начале века с трудом добывались из бертоллетовой соли...
Естественно, стал возникать следующий вопрос. Мы с пользой интенсифицируем горение, получаем горячее пламя за счет чистого кислорода, подаваемого в рожок автогенной горелки. Но поскольку окислительных процессов в природе очень много, не будет ли полезным их также интенсифицировать?
Почти вся энергетика в природе во всем многообразии ее форм так или иначе связана с окислительными процессами. Дыхание сводится к окислению. За счет получаемой при этом процессе энергии мы работаем и двигаемся, за счет нее поддерживается теплота нашего тела. Так происходит и со всем живым вплоть до большинства простейших бактерий. Но этого мало: 90% нашей техники основано на использовании кислорода. Сжигание бензиновых паров в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, сжигание угля в топках котлов теплоцентралей, в жерле доменной печи, сгорание серного колчедана и еще множество других важнейших технических процессов основано на окислении. Представьте себе, что вслед за интенсификацией дыхания, вслед за интенсификацией пламени горелки сварочного аппарата мы начнем интенсифицировать все процессы в технике, в которых применяется кислород. Какую выгоду это может нам дать для народного хозяйства?
Для ответа на этот вопрос надо провести экономический расчет, для которого нужно знать, во-первых, что в каждом отдельном случае дает интенсификация кислородом и, во-вторых, будут ли при этом оправданы расходы на получение кислорода.
Таким образом, перед нами возникает вопрос: как наиболее дешево можно получать кислород? Наука может на это ответить. Поскольку основная стоимость кислорода определяется энергетическими затратами, то нужно определить, какую минимальную мощность, скажем, какое количество киловатт, необходимо затратить для получения из воздуха 1 м3 кислорода в час. Оказывается, что эта величина очень невелика — это составляет 0,08 квтч. Можно доказать, что меньше этого нельзя затратить, получая кислород из воздуха. Сколько же мы тратим на самом деле? В тех установках, которые сейчас существуют, мы затрачиваем мощность в 15 раз большую, чем теоретически минимальная. Это происходит потому, что существующие методы получения кислорода еще далеко не совершенны. Можем ли мы их сделать более совершенными? Да, можем.
Я не имею возможности здесь подробно говорить об источниках потерь при получении кислорода. Замечу лишь, что когда инженеры знают величину потерь и их причины, они обычно находят пути с ними бороться. Определив стоимость получения кислорода, мы можем определить рентабельность применения кислорода в различных областях техники в данное время. Имея эти данные, мы можем предсказать, что в различных областях нашей промышленности произойдет, когда там станут применять кислород.
Ввиду важности этой проблемы для развития нашей промышленности, создано при СНК СССР специальное учреждение — Главкислород, которым я руковожу. При Главкислороде есть Технический совет, куда привлечены видные специалисты тех отраслей промышленности, где предполагается в первую очередь применить кислород. Руководителем одного из отделов Главка по внедрению кислорода в металлургию является академик И. П. Бардин. Вы все хорошо знаете, что это очень знающий и весьма опытный инженер. В «Бюллетене» Главкислорода помещена его статья на тему применения кислорода в металлургии. Поскольку это область, в которой предполагается начать осваивать применение кислорода, то я остановлюсь на ней более подробно и приведу ряд данных из статьи Бардина.
Например, что дает перевод домны на кислородное дутье? Две домны уже работали на кислороде: одна — в Черноречье, другая около Днепропетровска на ДЗМО. Последняя — это крупная домна, она проработала уже 5—6 месяцев. Но, к сожалению, на самом интересном месте опыты с ней были прерваны из-за эвакуации, связанной с войной. Но уже полученные результаты достаточно интересны. И. П. Бардин с уверенностью приходит к выводу, что если добавлять достаточно кислорода в доменное дутье (пока еще не оказалось возможным перейти на чисто кислородное дутье), за одно и то же время домна станет давать в 3,5—4 раза больше чугуна. Это происходит благодаря тому, что процесс восстановления руды в домне в присутствии кислорода интенсифицируется и поэтому проходит гораздо скорее.
Экспериментаторы, проводившие эти опыты, показали, что обогащение воздуха на 1 % кислородом поднимает производительность домны на 10%. В дальнейшем полученный чугун уже в конверторах или мартенах можно перевести в сталь, тоже применяя кислород. При этом процесс не только значительно интенсифицируется, но в отсутствие азота сталь получается лучшего качества. В будущем это тоже сулит большую экономию.