История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

центрированый аустенит (727°С) и быстро охлаждали в воде, рассоле или другой жидкости. По историческим свидетельствам у средневековых кузнецов было много различных рецептов для закалки дамасских клинков. Часто они придавали важное зна­ чение таким деталям, которые современному инженеру пока­ жутся фантастическими. Некоторые мастера утверждали, на­ пример, что клинки нужно закаливать в моче рыжеволосого мальчика. Другие предпочитали мочу трехлетней козы, кото­ рую перед технологическим процессом необходимо кормить только папоротником. Другие рецепты приведены выше.

7.1.5. Чугун и сталь

Увеличение высоты печей и более интенсивная подача ду­ тья способствовали повышению температуры и более сильному развитию процессов восстановления и науглероживания метал­ ла. Вместо тестообразной массы получали высокоуглеродный железистый расплав с примесью кремния и марганца (в Европе примерно в XIII-XIV в.). В том же XIV в. создали кричный пе­ редел чугуна в железо. При переплавке чугуна в кричном горне его очищали от примесей. Так возник двухстадийный процесс получения железа и стали.

После того, как в печах начали применять дутье с приводом мехов от водяного колеса, температуры возросли настолько, что вместе со шлаком в печи начало скапливаться и жидкое железо, насыщенное углеродом. Это был не поддающийся ковке чугун, с которым в начале не знали что делать, и поэтому он шел в от­ вал. Но вскоре научились чугун, как и бронзу, заливать в фор­ мы, т.е. бывший ненужный продукт использовать в виде литей­ ных изделий. В Китае литейный чугун стал известен на не­ сколько столетий раньше, чем в Европе и на Ближнем Востоке. Иногда и в Европейских музеях находят чугунные изделия с возрастом на тысячу лет раньше, чем принято обычно. Есть из­ вестия, что греки и римляне иногда плавили железо (скорее все­ го, это был чугун). В Китае находится самая большая чугунная скульптура в мире - лев длиною 20 футов и высотою 18 футов, имеется много отливок чугунных Будд. Чугунные мечи и копья производись по крайней мере в первые два века н.э., а может

(любопытно, что по-английски чугун так называется и сейчас - «pig-iron», да и русское название «чушка», т.е. «чугунный сли­ ток», имеет то же происхождение). Поскольку применения чу­ гун не находил, его обычно выбрасывали на свалку. Но однаж­ ды кому-то пришла счастливая мысль загрузить чугун в печь для переплава вместе с рудой, эта попытка ознаменовала собой настоящий переворот в истории железа. Оказалось, что пере­ плав чугуна позволяет получать желанную сталь сравнительно легко и в больших количествах.

В 1730 г. шеффильдский часовой мастер Веньямин Гентсман получил тигельную сталь. Тигель - это герметичный горн (опыты делал ранее физик Реомюр). Это одно из самых значительных изобретений в металлургии железа, позволивший получать каче­ ственную литую сталь в значительных количествах. В 1750 г. Гентсман построил первый в мире сталелитейный завод.

Развитию доменного дела немало способствовало то, что чугун обладает прекрасными литейными свойствами и из него стали отливать ядра, строительные колонны, пушки и другие изделия.

История развития способов плавки железных руд показыва­ ет, что доменная печь была изобретена не каким - либо одним лицом; она явилась плодом коллективного творчества многих поколений металлургов, осуществивших постепенный многове­ ковой переход от примитивных сыродутных горнов к домницам и, наконец, к доменным печам. Последующая история доменно­ го производства вплоть до наших дней представляет собой не­ прерывную цепь открытий и изобретений, позволивших усо­ вершенствовать конструкцию печей и технологию доменной плавки.

Значительные изменения претерпевают конструкции до­ менных печей, полезная высота которых достигает теперь 33-35 м, а полезный объем 5600 куб. м, а также конструкции доменных цехов. Загрузка шихты в печь в настоящее время ча­ ще всего осуществляется с помощью засыпного аппарата Парри (1850 г.) и распределительного аппарата Мак - Ки (1907 г.). В 1959 г. советские изобретатели Е. Ф. Весман и А. А. Вигин предложили первый в мире засыпной аппарат, в котором вместо большого конуса использовалась вращающаяся наклонная дос-

ка (лоток). В 1972 г. французская фирма «Поль Вюрт» усовер­ шенствовала эту конструкцию, изменить угол наклона вра­ щающейся доски.

Часть изобретения водоохлаждаемой шлаковой фурмочки принадлежит немецкому доменщику Ф. Люрману (1867 г.). Конструкции водоохлаждаемых холодильников кладки печи были представлены американцами Кеннеди (1884 г.) и Гейли (1887 г.). Система испарительного охлаждения была изобретена советскими инженерами А. М. Андоньевым и г. Е. Крушилиным в 1958 г.

Известно, что доменное производство в мануфактурный пе­ риод базировалось на использовании древесного угля. Увеличе­ ние выплавки чугуна быстро привело к уничтожению лесов. «Топливный голод», наступивший в Англии, Франции и других странах, породил стремление найти заменитель древесному уг­ лю. Спрос на чугун, прежде всего, как на первичный продукт металлургии железа, превращающийся затем в сталь, обусловил строительство доменных печей во многих странах.

При Петре I в России получили значительное развитие промышленные производства и ремесла. Особое внимание уде­ лялось горнорудному делу, металлургии, производству оружия. Самое крупное оружейное производство было создано в начале XVIII в. в Туле - центре железоделательной промышленности России того времени, основанном на базе местных железных руд. Здесь по указу Петра I в 1712 г. был построен первый госу­ дарственный оружейный завод.

Петр I издал Указ, сыгравший значительную роль в развитии металлургии: «Искать всякому литому и кованному железу ум­ ножения... и стараться, чтобы русские люди тем мастерством бы­ ли изучены, дабы то дело в Московском государстве было проч­ но». Вскоре на Урале были найдены большие запасы «магнитного камня». Затем там были созданы первые заводы - Каменский и Невьянский. Уже к концу XVIII в. Россия по производству чер­ ных металлов заняла ведущее положение в мире. Этому способ­ ствовало обилие лесов, щедро снабжавших доменные речи высо­ ко качественным углем. В то же время в странах, которые были небогаты лесами, например в Англии, остро осЦущался недоста­ ток древесного угля, и металлургия приходила в упадок24

Англия, испытывая острую необходимость в металле, но не имея возможности развивать металлургию из-за отсутствия древесного угля, большое количество металла ввозила из Рос­ сии. Русский металл вплоть до начала XIX в. играл крупней­ шую роль в промышленном развитии Англии. До наших дней сохранились лондонские дома с крышами, крытыми уральским железом. Развитие чугуна и стали в России тесно связано с семьей Демидовых. Обязанностью Демидова было ежегодно поставлять государству 5 тыс. пудов стали по цене 30 копеек за пуд. В 1800 г. Россия производила 10 млн. пудов стали. Идея замены древесного угля в доменном процессе другим видом то­ плива высказывалась неоднократно в Англии еще в XVII в. Правительство издавало специальные постановления, призы­ вавшие изобретателей решить проблему применения минераль­ ного топлива в металлургии. Однако, попытки использовать каменный уголь для получения чугуна, неоднократно повто­ рявшиеся в XVII в. и в начале XVIII в. в Англии и других стра­ нах, были заранее обречены на неудачу, т. к. в то время не были изучены условия и температурные режимы коксования, а также не были известны марки коксующихся углей.

Еще 1589 г - англичане Проктер и Питерсон получили кокс из каменного угля. Первых успехов в применении каменного угля для получения чугуна достиг англичанин Дод Додлей, оформивший в 1619 г. (по другим сведениям в 1621 г.) патент на производство чугуна. В патенте указывалось, что «Додлей открыл после долгих трудов и многих дорогостоящих опытов секрет, способ и средства выплавки железной руды и производ­ ства из нее чугунного литья или брусков путем применения ка­ менного угля в печах с раздувательными мехами, причем ре­ зультаты получались такого же хорошего качества, как и те, что до сих пор производились при помощи древесного угля, - изо­ бретение, еще до сих пор не совершенное в нашем английском королевстве». Додлею пришлось вести ожесточенную войну с предпринимателями, производящими чугун на древесном топ­ ливе и в конце концов разорившими Додлея, который был вы­ нужден прекратить работу по усовершенствованию выплавки чугуна. Он никому не пожелал открыть секрет, и после его смерти металлургия вновь оказалась без минерального топлива.

Лишь в 1735 г., т.е. спустя 116 лет, доменный процесс впер­ вые был осуществлен полностью на коксе, полученном из ка­ менного угля топливе. Изобретение коксования связано с име­ нем англичанина Абрахама Дерби-сына. Английский инженер - металлург, владелец железоделательного завода Кальбрудкейль Абрахам Дерби - сын (1711—1763гг.), на основе опыта своих предшественников разрешил эту проблему, использовав для доменной плавки не просто древесный уголь, а специально пе­ реработанный кокс. Проблемой плавки чугуна на минеральном топливе Дерби - сын занимался несколько лет. Первые попытки непосредственно использовать каменный уголь в домне не дали результатов, т. к. уголь содержал большое количество золы и других примесей, особенно серы. И лишь после того, как Дерби получил удовлетворительный кокс, ему в 1735 г. удалось нала­ дить выплавку чугуна на минеральном топливе. К концу XVIII в. почти все доменные печи в Англии работали на коксе.

Использование кокса потребовало увеличения количества воздуха, подаваемого в доменную печь. Дерби произвел на сво­ ем заводе полное переустройство воздуходувного хозяйства, применив для привода воздуха паровую машину Ньюкомена, а не Уатта. Она приводила в действие насосы, которые дважды подавали отработанную воду на водяные колеса, являющиеся двигателями воздуходувных мехов. Вскоре эта система стала применяться и на других предприятиях Англии.

В дальнейшем техника подачи воздуха в домну продолжала совершенствоваться, росла мощность двигателей, приводивших в движение воздуходувные устройства. Вместо клинчатых ме­ хов стали применяться цилиндрические меха, а затем центро­ бежные воздуходувки.

Технический переворот в машиностроении явился основ­ ным стимулом для развития металлургии в эпоху промышлен­ ной революции. С развитием машинной индустрии роль метал­ ла как основного материала для изготовления машин значи­ тельно возросла. Существовавшие при мануфактуре способы получения железа уже не могли удовлетворить возросших по­ требностей производства. Технический переворот в металлур­ гии (прежде всего в английской) заключался в изобретении и

широком применении новой технологии получения (передела) чугуна в железо.

В ряде европейских стран возникли новые железообраба­ тывающие производства. Литье в земляные, глиняные и метал­ лические формы открыло такие возможности получения изде­ лий из железа и стали, какие даже трудно было предвидеть. Кузнецы и волочильные мастерские поставляли железообраба­ тывающим мастерским полуфабрикаты и заготовки, что позво­ лило усовершенствовать технологический процесс окончатель­ ной обработки. Добыча серебра, свинца и олова требовала все более широкого применения железа, а поскольку естественные условия были благоприятными, то вблизи горнорудных пред­ приятий по добыче цветных металлов начало быстро расти и процветать железодобывающее производство. Горы давали же­ лезную руду, леса - древесный уголь, вода - энергию. Мощные водяные колеса приводили в действие дутьевые мехи и кузнеч­ ные молоты. В XV и XVI вв. в Центральной Европе было уже много процветающих центров металлургии железа. Обработкой железа занимались в Нижней Австрии. В Верхнем Пфальце уже в середине XV в. было крупное производство по выплавке и пе­ реработке железа с центром в городе Амберге. Здесь произво­ дили железный лист, так называемый черный лист, который вывозили в Нюрнберг и Вунзидель, где подвергали лужению. Покрытый оловом лист - белый лист применяли очень широко и высоко ценили.

Во Франции Рене Антуан де Реомюр впервые создал науч­ но обоснованную теорию термической обработки материалов на основе железа. Он проводил обширные исследования и экс­ перименты с целью объяснения процессов, протекающих при графитизации чугуна и цементации стали. Примерно в это же время швед Эмануэль Сведенборг написал и издал в Лейпциге первую фундаментальную учебно-справочную книгу по метал­ лургии железа. Эмануэль Сведенборг был членом основанной Петром I Петербургской Академии Наук.

В 1589 г. Джиам Батиста делла Порта изобретает цилинд­ рическую воздуходувную машину объемного типа.

Цилиндрические воздуходувки применял русский ученый И. И. Ползунов. Он же первый использовал пароатмосферную

машину в качестве двигателя для воздуходувных мехов. Однако эти разработки не нашли широкого распространения.

ВАнглии введение воздуходувных машин для доменных печей относится к 1782 г. Во второй половине XIX в. начали внедряться центробежные воздуходувки, обеспечивающие до­ менное производство необходимым количеством воздуха. В 1775 г. впервые успешно внедрил паровую машину в доменное производство английский инженер Вилькинсон (1727-1808 гг.), купивший для этого одну из первых паровых машин, изготов­ ленных Уаттом. Благодаря применению новых систем воздухо­ дувок появилась возможность значительно увеличить размеры доменных печей и ускорить процесс доменной плавки.

Вразное время были предложены способы ведения домен­ ной плавки на дутье, состав которого отличается от состава ат­ мосферного воздуха. В 1825 г. Нельсон (Шотландия) предло­ жил метод работы на осушенном от водяных паров дутье, осу­

ществленный впоследствии в 1890 г. Фрайером и в 1904 г. Дж. Гейли (США). К 1830 г. относится предложение немецкого химика Штромейра о вдувании в доменную печь паро­ воздушного дутья. В 1871 и в 1876 гг. г. Бессемер берет патенты на вдувание в печь воздушного дутья, обогащенного кислоро­ дом, и на метод работы с высоким давлением газов в рабочем пространстве доменной печи. В 1926 г. патент Гескамна преду­ сматривает вдувание угольной пыли в доменную печь через фурмы вместе с воздушным дутьем.

Следующими, кто нашел способ получения чугуна с ис­ пользованием каменного угля, были братья Томас и Джордж Кранеджи - рабочие из английского городка Колбрудкейля, где за три десятилетия до этого Абрахам Дерби-сын успешно осво­ ил доменную плавку на коксе. Суть предложенного ими в 1766 г. способа, над котором они работали около 20 лет, заклю­ чалась в том, что в каменноугольной печи, в которой осуществ­ лялся передел чугуна в железо, металл не соприкасался с топ­ ливом (их разделял порог), а нагревался и превращался в тесто­ образную массу теплом отраженным от свода, и поэтому в ме­ талл попадало значительно меньше серы, чем при кричном спо­ собе. Чтобы обеспечить более полный контакт чугуна со шла­ ком и, следовательно, более полное выгорание углерода, металл 28

непрерывно перемешивали; отсюда и произошло название этого процесса - пудлингование (от английского глагола «puddle» - перемешивать). Пудлинговый процесс, практически освобо­ дивший черную металлургию от древесноугольной кабалы, за­ метно оживил английскую промышленность. Вслед за Англией использовать пудлингование стали и другие страны. Патент на этот процесс получил в 1783 г. английский фабрикант Генри Корт, который годом позже в 1784 г. стал широко использовать его для получения железа. Первый прокатный стан для желез­ ных болванок был применен Кортом в начале XIX в. Сначала на прокатном стане изготовляли только жесть, затем котельное железо, а после 1828 г. - рельсы.

Дальнейший рост производительности доменных печей происходил за счет подогрева воздуха, подаваемого в домну. Первые попытки применить горячее дутье были предприняты Суддегером в 1799 г., он осуществил подогрев труб, по кото­ рым шёл воздух, каменным углём.

В 1814 г. Оберто впервые использовал теплоту отходящих газов для обжига руды, извести, кирпича.

Аппарат для подогрева воздуха - доменный воздухонагре­ ватель впервые был применен Дж. Нильсоном (1792-1865 гг.) на шотландском заводе Клайд (патент на это изобретение был ему выдан в 1828 г.). Первые же опыты нагрева воздуха до 150-300°С позволили значительно (до 40%) снизить расходы топлива и резко повысить производительность доменных печей.

ВРоссии этот метод уже применяли в 1829 г. на Александ­ ровском казенном литейном заводе.

В30-х г. XIX в. вюртембергский горный советник Фабер дю Фор также сделал в доменной печи подогрев воздуха, пода­ ваемого в печь по чугунным трубам, от газов, проходящих сна­ ружи.

Первые опыты использования доменного газа в качестве топлива на металлургических заводах были проведены францу­ зом Фабер дю Фором в 1832 г.

Однако проблема повышения производительности домен­ ных печей была разрешена только с изобретением специального аппарата для нагрева воздуха, подаваемого в домну. Такое воз-

духонагревательное устройство, работавшее на основе исполь­ зования отходящих газов доменной печи, предложил в 1857 г. англичанин Э. Каупер (1819-1893 гг.). По имени изобретателя эти аппараты носят название кауперов. Каупер в 1857 г. запа­ тентовал воздухоподогреватели (обычно их четыре) регенератив­ ного типа, которые работают поочередно. Расход топлива умень­ шили на 38% за счет нагрева кирпичей отходящими газами.

В результате реализации этих изобретений и различных у- совершенствований размер домны был увеличен и, главное, возросла ее производительность. Это привело к резкому росту выплавки чугуна. Если в 1780 г. Англия выплавила 40 тыс. т, то в 1856 г. доменные печи страны дали уже 3,5 млн. т чугуна, т.е. за 76 лет выплавка чугуна возросла в 87,5 раза.

В XIX в. Англия по производству железа вышла на первом месте в мире.

История техники знает достаточно много ярких фигур, и одной из них по праву считается знаменитый английский изо­ бретатель XIX в. Генри Бессемер (1813-1898 гг.). К сорока го­ дам Бессемер имел около 100 патентов на различные изобрете­ ния, но сталеплавильные проблемы его долго совсем не интере­ совали. Бессемер не металлург, он ценил другие свои изобрете­ ния выше: гидравлический пресс для обработки металла и гид­ равлические ножницы для его резки. Наиболее фантастический проект связан с созданием корабля, в котором пассажиры были бы избавлены от качки во время волнения моря. В 1854 г. он изобрел артиллерийский снаряд особой конструкции. Во время испытания снаряда К. Минье, возглавлявший комиссию экспер­ тов, отмечал, что дело, мол, осталось за малым - создать пушку для стрельбы этими снарядами. И Бессемер взялся за разработ­ ку новой пушки.

Изобретатель понимал, что прежде всего следует подобрать подходящий материал. Свои опыты Бессемер проводил сначала в горне, затем в пудлинговой печи. В процессе исследований Бессемер заметил, что атмосферный воздух может совершенно обезуглероживать железо. Он пришел к выводу, что если можно привести воздух в соприкосновение с достаточно большой по­ верхностью расплавленного чугуна, то это может превратить его в ковкое железо. Бессемер попробовал продувать воздух че30