История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

ленными на мобилизацию ресурсов восточных районов страны для нужд обороны.

Основные работы И.П. Бардина посвящены следующим во­ просам: проектированию новых полностью механизированных металлургических заводов, созданию типовых металлургиче­ ских агрегатов, интенсификации металлургических процессов при помощи кислородного дутья. За интенсификацию марте­ новского процесса путем применения кислорода ему была при­ суждена Государственная премия, а за создание первых про­ мышленных установок непрерывной разливки стали он был удостоен Ленинской премии. И.П. Бардин был прекрасным преподавателем, создавшим школу металлургов в Московском институте стали и сплавов.

7.7.4. А.А. Байков

Александр Александрович Байков (1870-1946 гг.) родился в городе Фитеж Курской губернии в семье юриста. Во время обу­ чения в Курской гимназии он увлекся химией. Его настольной книгой были труды Д.И. Менделеева. В доме приютилась кро­ хотная химическая лаборатория, в которой будущий академик проводил все свободное время. В 1893 г. он окончил физикоматематический факультет Петербургского университета. По окончании университета два года работал на кафедре химии, затем стал заведовать химической лабораторией института ин­ женеров путей сообщения, где изучал свойства сталей, цемен­ тов и других вяжущих веществ. По высказыванию великого хи­ мика Д.И. Менделеева, металлургия является химией высоких температур. Поэтому неудивительно, что Александр Александ­ рович стал одним из организаторов металлургического факуль­ тета вновь созданного Петербургского Политехнического ин­ ститута. С 1903 г. А.А. Байков - профессор Петербургского по­ литехнического института. Байков был выдающимся педагогом, создавшим школу металловедов.

Важнейший труд Александра Александровича - это доказа­ тельство существования аустенита (1909 г.) путем травления железа хлористым водородом при высокой температуре и ис­ следование сплавов меди и сурьмы. Не ограничиваясь препода­

ванием и научной работой, Байков принимает живое участие в создании передовых технологий (в первую очередь на Обухов­ ском заводе). Он был одним из создателей Русского металлур­ гического общества.

С 1917 по 1921 г. Александр Александрович жил в Крыму и работал в Симферопольском университете. По возвращении в Политехнический институт, он создал в 1921 г. кафедру теории металлургических процессов, а с 1925 г. стал ректором инсти­ тута. Байков много сделал для становления Магнитогорского и Кузнецкого металлургических комбинатов. Ему принадлежит решение так называемой керченской проблемы: создание высо­ кокачественной стали из руды с высоким содержанием фосфора и мышьяка. Большой вклад был сделан в разработку высокачественных огнеупоров.

Александр Александрович Байков был прекрасным лекто­ ром, его аудитория всегда была переполненнной.

7.7.5. С.Т. Кишкин

Родился 17(30).5.1906 г. в Луганске, советский учёныйметалловед, академик, заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1957 г.). Специалист в области металловедения и соз­ дания новых высокопрочных и жаропрочных конструкционных материалов. Член-корреспондент по Отделению технических наук (металлургия и металловедение) с 10 июня 1960 г., акаде­ мик по Отделению физикохимии и технологии неорганических материалов (конструкционные материалы и их обработка)

с1 июля 1966 г.

В1931 окончил Московское высшее техническое училище им. Баумана. Много лет работал директором Всесоюзного ин­ ститута авиационного материаловедения. Основные исследова­ ния выполнены в области металловедения. Награжден золотой медалью им. Д.К. Чернова за цикл работ в области прочности и жаропрочности металлических материалов для авиакосмиче­

орденами. Одна его работа широко известна, хотя и без фами­ лий авторов: броня для штурмовика Ил-2, «летающего танка». Немцы пытались воспроизвести Ил-2, но не сумели.

После войны Кишкин побывал за границей. В одной из за­ граничных фирм его провели по архисекретной лаборатории, поставив условием, чтобы он никого из сотрудников лаборато­ рии ни о чем не спрашивал. Он заметил, в частности, что два тамошних токаря точат одинаковые детали, но у одного из то­ карей стружка из-под резца идет сплошная, сливная, а у другого - мелкораздробленная, необычная. Ой, какая у вас там красави­ ца! - сказал он сопровождавшему его охраннику и тот бросился к «красавице»: «Вы очаровали нашего гостя, русского профес­ сора». А профессор тем временем послюнил палец, сунул его в дробленую стружку и - в карман ее, прилипшую к пальцу. Это­ го было достаточно, чтобы дома, в Москве, расшифровать но­ вый материал, какого у нас еще не было. Шпионаж? Да, но пра­ вильнее сказать: разведка - вещь допустимая. Иностранцы у нас тоже ее ведут.

С 1948 по 1960 г. он заведовал кафедрой Московского авиа­ ционного института. Автор слушал лекции Сергея Тимофеевича по авиационному материаловедению, будучи студентом МАИ. На лекциях Кишкина в Московском авиационном институте ау­ дитория бывала переполненной. Приходили как с его потока, так и с других. И преподаватели, свои и «чужие». Слушали его «истории». Ими он сознательно перемежал суть лекций, и они становились доходчивее. Часто лекция начиналась с того, что Кишкин начинал рисовать кривые и диаграммы, приговаривая: вот вчера мы получили такие зависимости...Или: проще всего получить государственную премию таким образом...

Почти до последних своих дней он ездил на работу в инсти­ тут авиационных материалов, ВИАМ. Умер Сергей Тимофее­ вич, не дожив нескольких дней до своего девяностошестилетне­ го юбилея.

7.7.6. И.Н- Фридляндера

Академика Иосифа Наумовича Фридляндера называют «ко­ ролем алюминия», утверждают даже, что понятие «крылатый металл» появилось благодаря Фридляндеру. Он на эту тему де­ лал докторскую диссертацию. Начал ее во время войны, а за­ вершил уже после Победы. В этом труде заложены все фунда­

ментальные закономерности в высокопрочной системе «алю­ миний - цинк - магний - медь». При определенном соотноше­ нии цинка и магния увеличение содержания меди приводит к одновременному росту прочности и коррозионной стойкости. Вот в этой сравнительно узкой области под его руководством разработали сначала сплав В-95, потом В-96ц и другие. Эти сплавы имеют легкость алюминия и прочность стали. Узкая об­ ласть с точки зрения концентрации элементов, была тщательно разработана. А широта ее применения поистине беспредельная - от авиации до ракетной и атомной техники.

До Фридляндера по высокопрочным алюминиевым сплавам велись разнообразные исследования. Во многом это был «сле­ пой» поиск, построенный на методе проб и ошибок. Пробовали разные композиции, но в сплавах не было меди. Получали вы­ сокую прочность, но коррозионная стойкость оставалась низ­ кой, прокатанные рулоны, находившиеся в цехе, через неделю растрескивались. Это было хорошо видно, а потому и появи­ лось недоверие к алюминию. Введение меди в определенном соотношении сделало сплавы пластичными, стойкими к корро­ зии, что и определило и их судьбу.

7.8. ГОРНОЕ ДЕЛО

Развитие торговли и промышленности порождало все больший спрос на металлы, благодаря чему эти две отрасли развивались быстрее остальных. Чтобы удовлетворить этот рас­ тущий спрос, особенно спрос на руду, которую приходилось добывать гораздо глубже под землей, были нужны тяжелые машины с механическим приводом. Впервые обобщил опыт по применению таких машин немецкий ученый Агрикола («De Re Metallica», 1556 г.). В его книге много иллюстраций, которые дают полное представление об этих машинах. Некоторые из них не представляют собой новых изобретений, а скорее свидетель­ ствуют о расширении масштабов их применения.

Одной из наиболее распространенных машин был конный ворот рудоподъемника. Такой привод применялся еще при ис­ пользовании тягловой силы скота на мукомольных мельницах в

V в. до н.э. После усовершенствования упряжи в средние века он широко применялся для водоподъемного колеса. Подъемник, приводимый в движение водяным колесом диаметром около 11м, является, вероятно, наиболее мощной машиной, которую можно было построить из существовавших тогда материалов. В этом случае подъемник использовался вместо насоса для откач­ ки воды, но он вполне годился и для подъема руды из рудника. На водяном колесе имелись два ряда ковшей, образующих ме­ ханизм переключения вращения колеса с помощью двух рыча­ гов, которыми рабочий открывает один шлюз и закрывает вто­ рой. Руду с шахтного двора в Германии к концу XV в. откаты­ вали по примитивной рельсовой колее. Примерно в 1500 г. ста­ ли применять гидропривод для дробления руды в толчейных установках.

Самой трудной задачей в горнорудном деле была откачка воды, которая всегда создавала угрозу затопления выработок, причем, чем глубже залегал горизонт, тем больше становилась подобная опасность. Самые передовые тяжелые машины того времени предназначались для откачки воды из рудников. Агрикола описывает нагнетательные и всасывающие насосы, ковши на цепи, напоминающие приспособления для ирригационных целей, но с заменой веревок и глиняных черпаков тяжелыми цепями и железными ковшами.

Агрикола дает описание насоса с мешками на цепи, кото­ рый был чем-то промежуточным между нагнетательным насо­ сом и насосом с ковшами на цепи и имел ряд преимуществ при том уровне развития техники. Круглые мешки из конского во­ лоса плотно входили в вертикальную трубу, нижний конец ко­ торой опущен в водосборник. Когда цепь тянули вверх, мешки поднимали воду по трубе. В нагнетательном насосе нижней части трубы приходилось выдерживать напор всего столба во­ ды, а изготовление столь прочных труб было далеко не легкой задачей. В насосе же с мешками на цепи значительная часть на­ пора на трубу воспринимается как нагрузка цепью. Обратите внимание, что этот насос приводится в движение людьми через колесо-топчак.

В те времена еще часто прибегали к использованию мус­ кульной силы человека, иногда через такие грубые механизмы,

ваться горная промышленность в Германии и США, а затем к ним присоединилась и Франция.

Развитие горной промышленности требовало освоения но­ вых месторождений. Для закладки новых шахт были необходи­ мы надежные данные о наличии полезных ископаемых. В связи с этим повысилась роль разведочного дела. Возникла необхо­ димость в усовершенствовании методов разведки и в первую очередь бурения.

Еще в середине XVIII в. появилось так называемое удар­ ноштанговое бурение, позволившее решить две основные про­ блемы горной техники того времени: бурить более твердые по­ роды и проходить более глубокие скважины. Однако скоро об­ наружились недостатки такого бурения: штанги, соединенные в одну колонну, при работе получали очень большое напряжение, приводящее к их изгибу. Стремясь исправить эти недостатки горные инженеры предложили ряд усовершенствований этого процесса. В 1834 г. немцем Эйнгаузеном были изобретены ножницы, которые помещались между ударной штангой и сис­ темой штанг, расположенных выше. При бурении ударная штанга наносила удар по забою скважины. Этот удар не распространялся на вышележащие штанги. Таким образом, изобретение Эйнгаузена позволило проходить более глубокие скважины.

В 40-х годах XIX в. появились различные варианты свобод­ но падающих штанг. В 1844 г. в Англии стал применяться сво­ бодно падающий бур Кинда, а в 1848 г. - бур Фабиана. Глубина бурения достигала 200 и более метров. В России при помощи систем со свободно падающим буром были пройдены очень глубокие скважины. В районе города Подольска была пробуре­ на скважина глубиной в 287 м, в то время это была самая глу­ бокая скважина.

С увеличением глубины разведочных скважин возникла проблема очищения их от разбуренной породы. В связи с этим наряду с ударно штанговым бурением получило распростране­ ние так называемое канатное бурение, отличавшееся от послед­ него тем, что штанга, имеющая на конце долото, опускалась в скважину на канате, а не на системе жестких штанг. Долото со­ единялось с тяжелой ударной штангой квадратного или кругло­ го сечения. После пробуривания небольшого участка скважины

долото легко поднимали на канате на поверхность, а в скважину опускали на канате длинное ведро - желонку, которое очищало скважину от пород. Канатное бурение получило особенно большое применение во второй половине XIX в.

Однако канатное бурение имело и свои отрицательные сто­ роны: штанга поворачивалась с очень большим трудом. Этот недостаток был вскоре преодолен введением самоповорачивающихся ударных штанг. В различных странах, в первую оче­ редь в Англии и США, для этой цели были созданы специаль­ ные буровые станки. В 60-х годах в США стали применяться станки для бурения скважин на глубину более 1000 м.

В начале XIX в. было высказано мнение о возможности очистки скважины от разбуренной породы путем промывки за­ боя струёй воды. В Европе этот метод стали использовать в 1815 г. Однако лишь в 1855 г. датчанин Мертенсон изобрел способ бурения мягких пород путем проходки скважин струёй воды. Этот так называемый датский способ разведочного буре­ ния сохраняет свое значение и до настоящего времени. Однако бурение с промывкой скважин водой или специальным буро­ вым раствором, связанное с введением в практику бурения об­ садных труб, широко распространилось лишь в конце XIX в.

Строительство большого количества рудников и шахт по­ требовало изменения методов проходки горных выработок как вертикальных, так и горизонтальных.

Проходка шахтных стволов в условиях достаточно твердых пород при сравнительно слабом притоке воды не вызывала трудностей. Она осуществлялась при помощи взрывных работ, причем выработки укреплялись венцовой крепью.

Но при плывунах, а также в условиях трещиноватых пород с большим притоком воды этими способами проходить горные выработки было невозможно. С начала XVIII в. для крепления шахтных стволов, проходимых в плывунах, начали применять забивную деревянную крепь. В Рурском бассейне появилась металлическая забивная крепь.

В 1839 г. во Франции инженер Триже впервые предложил кессонный метод проходки шахтных стволов, который в 1841 г. был применен при проходке ствола угольной шахты в водона­ сыщенных грунтах во Франции. Кессон представлял собой ме78

таллическую трубу диаметром 1,8 м, вверху которой был уста­ новлен шлюзовой аппарат, через который проходили рабочие, извлекался грунт и доставлялись необходимые материалы.

С конца 40-х годов метод шахтных стволов, предложенный Киндом, стал применяться для разведочного бурения. Метод Кинда был усовершенствован в 1850 г. бельгийским инженером Шадроном, применившим специальные устройства, позволив­ шие почти полностью остановить приток воды в шахту.

Примерно в 50-х годах XIX в. окончательно сформировался метод проходки шахтных стволов в мягких грунтах с большим притоком воды. Это было по существу ударноштанговое буре­ ние, но воспроизведенное в большем размере. Штанги, приво­ дившиеся в движение паровой машиной, оканчивались специ­ альным инструментом с насаженными на него долотами. Этим инструментом производились удары по забою при постепенном поворачивании штанг. Буровой инструмент давал возможность проходить стволы шахт диаметром до 4,5 м. Бурение осложня­ лось громоздким оборудованием. Предварительная откачка во­ ды не производилась.

Горизонтальные выработки проходились при помощи взрывных работ, которые в своем развитии претерпели большие изменения. Были изобретены новые виды взрывных веществ, усовершенствованы способы взрывания, внедрены эффектив­ ные способы бурения шпуров. Развитие военной техники при­ вело к открытию мощных взрывчатых веществ: пироксилина и нитроглицерина. Пироксилин был открыт Шейнбейном в 1846 г, а нитроглицерин - Собреро в 1847 г. Практически нит­ роглицерин начал применяться после того, как русские ученые Н.Н. Зинин и В.Ф. Петрушевский провели начиная с 1854 г. ряд опытов по его использованию. В 1867 г. А. Нобелем был изо­ бретен динамит. С 70-х годов XIX в. начал применяться пирок­ силин.

В 1867 г. на Верхне-Успенском прииске в Забайкалье были произведены первые опыты по применению нитроглицерина для взрывных работ. С этого времени новые взрывчатые веще­ ства начали быстро внедряться в горную промышленность.

Так как применение открытого огня для воспламенения по­ роховых зарядов приводило к частым катастрофам в рудниках и

шахтах, в 1830 г. был предложен огнепроводный (бикфордов), шнур, позволивший значительно снизить опасность взрывных работ. Однако только изобретение и внедрение в конце XIX в. электрического взрывателя в горном деле позволило обеспечить безопасность взрывных работ. Впервые опыты по электриче­ скому взрыванию мин провел в 1812 г. П.Л. Шиллинг. Но в гор­ ном деле этот способ взрывания получил распространение зна­ чительно позже - в конце XIX - начале XX вв.

Известно, что на скорость ведения взрывных работ большое влияние оказывает способ бурения шпуров. Длительное время бурение шпуров осуществлялось вручную. Первые попытки создания перфораторов (отбойных молотков) относятся к нача­ лу XIX в. Вначале был создан ударный перфоратор (перфоратор Иордана). Принцип его действия заключался в следующем: при помощи махового колеса и специальных защепов поднималась скрепленная с поршнем штанга. Затем под действием сжимаю­ щей пружины штанга шла вниз, нанося удар за счет собствен­ ной силы тяжести и ударной силы пружины. Этот перфоратор предназначался для бурения шпуров в твердых породах. Для мягких пород были созданы вращательные перфораторы.

Во второй половине XIX в. были созданы перфораторы, приводимые в действие паром и водой. В 1849 г. впервые такой перфоратор сконструировал американец Коуч, использовав при этом элементы поршневой машины. Перфоратор Коуча был очень громоздок. Его можно было применять лишь при проход­ ке выработок большого сечения, в частности железнодорожных тоннелей. Кроме того, применение паровых перфораторов ос­ ложняло проветривание выработок, поэтому в 60-х годах они были заменены пневматическими перфораторами, работающи­ ми при помощи сжатого воздуха.

Первый пневматический перфоратор был создан в 1857 г французским инженером Соммелье. Это был перфоратор удар­ ного типа. Применение его в 1861 г. увеличило скорость про­ ходки тоннелей более чем в 2 раза. Пневматические перфорато­ ры были затем усовершенствованны при строительстве СенГотардского тоннеля. Здесь впервые начали применяться в большом количестве станки с целым комплектом парфораторов