История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

рез жидкий металл. В результате он получил ковкое железо. Этот процесс, получивший название бессемеровского, очень скоро вытеснил пудлингование и распространился повсеместно.

Конвертор, изобретенный Бессемером, представлял желез­ ный сосуд, вымощенный огнеупорным материалом. Процесс длился 18-20 мин. и вырабатывал за это время сталь из 20 т чу­ гуна. При пудлинговании процесс длился неделю, а в кричном горне без пудлингования - три недели. Конвертор был запатен­ тован Генри Бессемером 1 марта 1860 г. Геренсен - шведский металлург - купил патент Бессемера и получил на богатых кремнием шведских чугунах хорошие результаты (содержание серы и фосфора в металле было малым).

Однако, можно ли считать Бессемера изобретателем кон­ вертора? Известно, что в США он не имел патента. Американец Уильям Келли, разработавший конверторный метод в 1851 г., опередил Бессемера. Однако у Келли не было средств для пре­ творения своего изобретения в жизнь.

Однако и у нового способа были свои недостатки: бессеме­ ровским методом можно было получать только ординарную сталь. Если же для выплавки чугуна использовалась богатая фосфором руда (а многие страны располагают именно такими рудами), то при бессемеровском процессе фосфор переходил в сталь, что значительно ухудшало ее технологические свойства.

Эту проблему решили англичане: Сидней Томас и его двоюродный брат Перси Джилкрист. Открытие заключалось в замене кислых шлаков на основные и в изменении технологии процесса. Изобретенный ими процесс получил название томасовского. Благодаря неутомимым опытам в 1876 г. удалось при­ готовить основную набивку из смеси извести и магнезии, кото­ рую получили обжиганием природного доломита. Наличие из­ вести в ванне способствовало удалению из металла фосфора.

Слава Бессемера приближалась к зениту, когда во Франции был создан другой способ производства стали, который через несколько десятилетий значительно потеснил бессемеровский. Речь идет о сталеплавильном процессе, изобретенном француз­ скими металлургами Эмилем и Пьером Мартенами (1860-ые го­ ды) и потому получившим название мартеновского. Эмиль и Пьер Мартены сконструировали отражательную печь, в которой

сталь получалась сплавлением чугуна и старого пудлингового железа. Был использован принцип ранее изобретенной Фридри­ хом Сименсом (1856 г.) регенеративной печи, которую тот при­ менял в стекловаренном деле. Топливом служил генераторный газ. Температура достигала 1800°С. Подогревались воздух и газ

вчетырех регенераторах: по двум шли отходящие газы, по двум

-газ и воздух. Брат Фридриха Сименса - Вильгельм в 1868 г. пробовал получить литую сталь, но сначала печь не выдержала термических напряжений. Однако в дальнейшем он стал глав­ ным производителем литой стали в Великобритании.

Интересно, что Бессемер и Вильгельм Сймменс жили на со­ седних улицах Лондона, не зная ничего друг о друге.

Мартеновский процесс длился несколько часов, т.е. был не столь скоростным, как бессемеровский, но зато обеспечивал бо­ лее высокое качество стали, и, что, пожалуй, еще важнее, по­ зволял переплавлять стальной металлолом, в том числе и отхо­ ды бессемеровского производства. С созданием мартеновского процесса отпала проблема использования накопившегося за много лет железного лома, но осталась проблема о конвертер­ ном переделе фосфористых чугунов.

Следующим крупным шагом в развитии металлургии было использование электрических печей, которые позволили полу­ чать металл очень высокого качества.

Крубежу нынешнего и прошлого веков металлургия железа приобрела свои четкие структурные формы. Имевшиеся к тому времени в распоряжении металлургов агрегаты позволяли по­ лучать сталь широкого диапазона свойств. Поэтому далее ме­ таллурги пошли не по пути создания новых агрегатов, а по пути совершенствования металлургической техники и технологии.

В1886 г. Люрман предложил использовать доменный газ для газовых двигателей на воздуходувных станциях. В 1889 г. на бельгийском заводе Серен была пущена доменная газо­ воздуходувная машина.

За всю историю человечества до начала XX в. было произ­ ведено черного металла около 1,2 млрд, т, а за 75 лет XX в. чу­ гуна и стали получено 11 млрд, т (в 10 раз больше). Однако, в 1950 г. хорошей считалась руда, которая содержала 51% железа, а в 1980 г .-35% .

7.1.6. Золото

Золото - металл красивого желтого цвета, тяжелый, мягкий, очень пластичный. Температура плавления золота 1064°С, плотность 19 320 кг/м3 В природе встречается чаще всего са­ мородное золото, его получают путем промывки песка. А из руд получали путем выплавки и последующей очистки от примесей, главным образом от меди и свинца.

Золото всегда играло огромную роль в представлении древ­ них. Алхимики давали ему знак солнца. У славян, германцев, финнов в корне этого слова имеются звуки, описываемыми бук­ вами Г, 3, О, Л, у индоиранских народов - А, У, Р, откуда про­ изошло латинское слово Aurum (Au). В Египте иероглифом зо­ лота служило изображение платка или мешка, что говорит о ме­ тоде добычи золота из россыпей [27].

Золото с древнейших времен шло на изготовление предме­ тов домашнего обихода и даже оружия. Из-за своей редкости и красоты оно стало использоваться для украшений и приобрело право «благородного металла»: оно не ржавеет, не тускнеет, не зеленеет. Основное достоинство золота в том, что кроме полез­ ных и приятных качеств оно стало «мерилом ценности» прочих предметов.

Сусальное золото, или сусаль - это тончайшие пленки тол­ щиною в доли микрон. Оно получается путем ковки золота или его сплавов. Из одного грамма золота можно получить прово­ локу длиною в три километра.

50% добываемого золота идет на изготовление монет, из

20% делают ювелирные изделия, 20% превращается в столовое золото, только 10% приходится на технические изделия.

ВРоссии золото не добывалось вплоть до петровских вре­ мен. Оно ввозилось из-за границы в обмен на товары и взима­ лось в виде ввозных пошлин. Первое открытие запасов золота в России было сделано в 1732 г. в Архангельской губернии, там вблизи одной из деревень нашли золотую жилу, которую нача­ ли разрабатывать с 1745 г. Рудник с перерывами действовал до 1794 г. и дал всего около 65 кг драгоценного металла.

В1745 г. крестьянин Ерофей Марков нашел на речке Бере­ зовка, вблизи города Екатеринбурга, месторождение рассыпно­

го золота. Основными поставщиками золота с 1752 г. стали рудники, заложенные на месте находки Маркова. Первооткры­ вателю российского золота Ерофею Маркову в Екатеринбурге сооружен памятник. Быстрый рост добычи золота начался с 1814 г., когда его стали получать промывкой золотоносных пес­ ков на уральских казенных заводах.

Миасс часто называют «городом в Золотой долине». Имен­ но открытие золота в долине одноименной реки во многом оп­ ределило его судьбу.

Впервые рудное золото было обнаружено в конце XVIII в. (1797 г.) Евграфом Мечниковым который построил золотопромывальную фабрику, проработавшую до 1801 г. Евграф Ильич Мечников (1770-1836) в 1791 г. окончил Горное Училище в Санкт-Петербурге в звании шихтмейстера 13 класса. В 1797 г. поисковая партия Е.И. Мечникова была отправлена в Орен­ бургскую губернию для отыскания руд благородных металлов и открыла месторождение жильного золота около Миасского ме­ деплавильного завода. В Екатеринбурге 9 июля 1797 г. начали «Дело по предложению Господина Главной канцелярии началь­ ника о заведении Миясских золотых промыслов». Эту дату и принято считать началом отсчета добычи миасского золота. Мечников основал Петропавловский рудник в 18 верстах от Миасского завода и соорудил здесь золотопромывальную фаб­ рику. В 1817 г. он назначается директором Горного Департа­ мента и одновременно директором Горного кадетского корпуса.

С 1823 по 1837 гг. было разведано более 200 месторожде­ ний. В 1824 г. была открыта богатейшая россыпь на р. Ташкутарганке, где позднее был построен Царево-Александровский прииск. Только за один год здесь найдено 52 самородка. Пер­

Н. Сюткиным был найден самый большой в России самородок весом 36, 2 кг, а в 1883 г. - третий самородок весом 20 кг 154 г. Каждому самородку в соответствии с его формой было присвоено имя: «Большой треугольник», «Верблюд», «Заячьи уши», «Мефи­ стофель». Все самородки хранятся в Государственном алмазном фонде (Москва).

В XX в. механизация горных работ позволила резко увели­ чить добычу золота. В 1936 г. она достигла 1200 кг - рекордной цифры за все время эксплуатации месторождений в Миасском районе. В 1936 г. на р. Тыелге старателями П. Булдашевым, А. Симоновым и А. Суровым было обнаружено гнездо самород­ ков общим весом около 48 кг. Вес самых крупных - 14,1 кг, 9,3 кг, 2,5 кг, 1,1 кг, 0,9 кг. В 1941 г. на том же руднике добыто несколько самородков общим весом 8 кг, вес отдельных достигал 700-800 г. Если до 1950 г. добыча велась преимущественно ста­ рательским способом, то с 1957-58 гг. работы механизируются. В 2002 г. в ОАО «Миассзолото» работали одна 250-метровая дра­ га и две гидроустановки.

В России, как и в других странах, большая часть добывае­ мого золота шла на чеканку монеты. После открытия в 1848 г. золота в Калифорнии его мировая добыча резко возросла. При­ мерно в это же время были обнаружены месторождения золота в Восточной Сибири. В 1884 г. (33 т) Россия занимала третье место в мире по добыче золота после США и Австралии. Спус­ тя десять лет наша страна переместилась на четвертое место, так как появились южноафриканские рудники.

Накануне первой мировой войны золотой запас царской Рос­ сии составлял 1300 т. В 1953 г. общий золотой запас СССР был равен 2000 т. В 1993 г. золотой запас России составлял всего 300 т.

Третье место в мире - после ЮАР и США - занимает Рос­ сия по запасам золота в мире (11%) и только шестое - по его добыче (6%). 54% российского золота содержится в коренных месторождениях, причем руда содержит очень мало золота. В России поэтому всегда разрабатывали главным образом россы­ пи, хотя в них содержится только 18% всего российского золо­ та; 80% россыпного золота дают Колыма, Якутия, Чукотка, Ленский район и Приамурье.

Грамм серебра, например, можно вытянуть в проволоку длиной почти 2 км. Серебро известно с глубокой древности (четвертое тысячелетие до н.э.) в Египте, Персии, Китае.

Известно самородное серебро и серебряные руды. Получа­ ли его в древности обычно вместе со свинцом, применяя обжиг руды, горновую плавку, затем разделительную плавку.

Серебро из-за его мягкости используют-в основном в виде сплавов: из них чеканят монеты, изготавливают бытовые изде­ лия, лабораторную и столовую посуду. Им покрывают радиоде­ тали для придания лучшей электропроводности и коррозионной стойкости. В электротехнической промышленности применя­ ются серебряные контакты. Серебряные припои широко ис­ пользуются для пайки. Чистое серебро используется в качестве катализатора в химической промышленности. Соединения се­ ребра помогли создать фотографию.

Ионы серебра в малых концентрациях стерилизуют воду. Некоторые препараты на основе серебра обладают антибакте­ риальными свойствами.

Первоначально серебро обращалось в виде слитков. Затем наряду с золотом стало использоваться для чеканки монет. Че­ канка первых древнерусских серебряных монет началась в IX-X вв. Благодаря красивому белому цвету и податливости в обработке серебро с глубокой древности используется как ук­ рашение.

7.1.8. Олово

Сплавы олова с медью (бронзы) были известны уже в чет­ вертом тысячелетии до н.э., а чистый металл - только во втором тысячелетии до н.э. Чистое олово (плотность 7 290 кг/м3) - бе­ лый, блестящий, мягкий и пластичный металл. Температура плавления 232°С. Из олова издавна делали украшения, посуду, утварь. Происхождение слова «олово» и «stannum» не установ­ лено. Получали олово путем восстановления в шахтных печах, затем производилась очистка с помощью очистительных и ликвационных процессов (примеси: мышьяк, сера, сурьма, висмут). Оловянные рудники находятся в Индокитае, Индии, Испании, Англии. В древности поставщиками олова были финикийцы. До наших дней дошло описание путешествия за оловом Пифея из древней Массалии (теперешнего Марселя) на полуостров Кор­

нуэлл (Британия) из Средиземного моря через Гибралтарский пролив [191.

Олово имеет две полиморфные модификации: обычное бе­ лое олово и серое олово. Переход белого олова в серое проис­ ходит при минусовых температурах и сопровождается превра­ щением металла в порошок. Это явление назвали оловянной чумой, так как оно наносило непоправимый ущерб оловянным пуговицам, являвшимся принадлежностью солдатской формы во многих странах. В результате разрушения паяных оловом со­ судов с жидким топливом в 1912 г. погибли все члены экспеди­ ции Скотта на Южном полюсе.

Основное промышленное значение в наши дни имеет и имел в древности минерал касситерит, содержащий до 78,8% олова. В древности эта руда, также как и медная руда - куприт, находилась в открытых месторождениях.

7.1.9. Свинец

Свинец (лат. plumbum) - тяжелый, очень пластичный и мяг­ кий металл голубовато-серого цвета. Его плотность 11 340 кг/м3, температура плавления 327°С. Свинец был извес­ тен за несколько тысячелетий до н.э. народам Месопотамии, Египта и других стран Древнего мира. Из него изготавливали статуи, предметы домашнего обихода, таблички для письма. Римляне пользовались свинцовыми трубами для водопровода. Некоторые соединения свинца использовались как краски (су­ рик, свинцовые белила) или как составные части лекарств. Окись свинца вводят в хрусталь и в оптическое стекло для по­ лучения материала с большим показателем преломления. Когда было изобретено огнестрельное оружие, свинец начали приме­ нять как материал для изготовления пуль.

Металлический свинец получают обычно окислительным обжигом сульфида свинца с последующим восстановлением оки­ си свинца до так называемого веркблея и рафинированием.

Ядовитость свинца отметили еще в I в. н.э. греческий врач Диоскорид и Плиний Старший. Отравления свинцом и его со­ единениями возможны при добыче руд, выплавке свинца, при производстве свинцовых красок, в полиграфии, гончарном и

7.2.1. Легирование

Первые систематические опыты по легированию стали про­ водил в 1822 г. Фарадей, но его работы не получили практиче­ ского применения. Только в 1871 г. Роберт Мюше изобрел ин­ струментальную легированную сталь с добавками вольфрама (5%), марганца (2-3%), хрома и кремния, которая позволяла вести механическую обработку с более высокими скоростями.

Затем появилась марганцовая сталь Хадфилда (1882 г.), со­ держащая до 20% марганца. Эту сталь нельзя закалить, но она становится прочной при холодной ковке. В 1888 г. была вы­ плавлена никелевая сталь Шнейдера, а в 1889 г. никелевая сталь была получена в Глазго Джоном Рейли. В 1898 г. Тейлором и Уайтом была изобретена быстрорежущая инструментальная сталь, которая содержала не менее 18% вольфрама и 4% хрома. При обработке можно было наблюдать, как раскаленный до­ красна резец не терял своей стойкости при резании заготовки из другой стали.

Повышение скорости резания привело к более быстрому износу механизмов токарных станков. Потребовалось полное обновление парка токарных и фрезерных станков. Станки стали иметь большую массу и большой запас прочности.

Знаменитая нержавеющая сталь с 18% хрома и 8% никеля появилась в научно-исследовательской лаборатории фирмы

Круппа. Изобрел ее в 1912 г. молодой исследователь Эдуард Маурер после трех лет работы при учасвоего своего научного руководителя профессора Штрауса. Это аустенитная сталь с таким же расположением атомов в кристаллической решетке железа, как и в марганцовой стали Хадфильда.

В последующие годы сталеплавильщики превратились в волшебников, получая с помощью легирования нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные, хладостойкие и другие стали.

7.2.2. Подшипниковые материалы

Первые подшипники изготавливались из бронзы, затем из железа или из дерева, обшитого металлическими пластинами. В период с 1792 по 1816 гг. неоднократно упоминается оловян­ но-сурьмянистый подшипниковый сплав.

В 1839 г. в США Исаак Баббит получает патент на вклады­ ши для подшипников из твердого и прочного металла (напри­ мер, бронзы), залитый специальным мягким, пластичным спла­ вом. Баббит применял 89% олова; 7,3% сурьмы и 3,7% меди, но в заявке не определял состав. В 1870 г. Гопкинс (Hopkins) по­ крыл бронзовые подшипники тончайшим слоем свинца и затем слоем сурьмянистого свинца. В 1892 г. в США Дюдлей создал сплав, состоящий из 77% меди, 15% свинца и 8% олова.

В 1883 г. Фридрих Фишер начал производство шарикопод­ шипников на специальной, основанной им фабрике в Швейфурте на Майне (Германия). Теоретическое обоснование работы шари­ ковых и роликовых опор было сделано в трудах Генриха Герца (1881 г. «О соприкосновении твердых упругих тел и о твердо­ сти») и Буссинеска («Распределение нагрузок в упругой среде»).

Целое семейство сплавов создали за последние десятилетия прошлого века в Московском государственном индустриальном университете (ранее Завод-втуз при ЗИЛе) на основе систем несмешивающихся компонентов (Ю.С. Аврамов, А.Д. Шляпин, Н.Х. Шоршоров и др.). Новые технологии были созданы после фундаментальных научных исследований, результаты которых были официально признаны открытием.