Металлургия и время - Том 3

Глава 6

В результате доменная печь уступает электропечи как по полноте извлечения марганца из руды, так и по качеству получаемого продукта. Поэтому с появлением в начале XX в. промышленных электропечей основной объём производства ферромарганца постепенно стал выплавляться с их помощью, хотя способ производства углеродистого ферромарганца в доменных печах используется и в наши дни.

Дредноуты и крупповские пушки

А теперь зададимся вопросом: зачем понадобились ухищрения, связанные с получением ферросплавов, если раньше получали железо и сталь без них?! Марганец и кремний были необходимы в первую очередь для раскисления литой стали. Причём они использовались как при выплавке бессемеровской и томасовской стали, так и мартеновской «спокойной» (плотной) стали. Необходимость применения прочих ферросплавов была обусловлена двумя факторами – потребностью стремительно развивающейся промышленности в материалах с особыми свойствами и начавшейся после Крымской войны гонкой вооружений – «спором брони и снаряда».

К концу первой четверти XIX в. было изучено влияние на свойства стали большинства используемых поныне легирующих элементов. Однако практическое применение этих знаний ограничивалось тем, что использовать их можно было только при производстве стали в тиглях небольшого объёма (а предварительно их самих надо было произвести в тех же тиглях), что, безусловно, делало процесс производства особенно крупных изделий неэффективным как с технологической, так и с экономической точки зрения.

Ситуация изменилась во второй половине XIX в., когда благодаря разработкам Бессемера (конвертер с кислой футеровкой), Томаса (конвертер с основной футеровкой), Сименсов (регенеративная печь) и Мартенов (использо-

вание регенеративной печи для выплавки стали) стало возможно производить литую сталь в больших объёмах.

В 1864 г. Роберт Мюшет ввёл в сталь как легирующую добавку около 5 % вольфрама. Сталь, вошедшая в историю металлургии под названием «самокал Мюшета», могла выдерживать красное каление, не только сохраняя, но и увеличивая свою твёрдость, т.е. обладала свойством самозакалки. Резцы, изготовленные из самокала Мюшета, позволили в 1,5 раза повысить скорость резания (с 5 до 7,5 м/мин). В дальнейшем содержание вольфрама в стали и соответственно скорость резания непрерывно возрас-

тали. В 1907 г. был разработан стеллит – сплав вольфрама, хрома и кобальта с небольшим содержанием железа, который дал возможность повысить скорость резания до

45м/мин.

Вехой в истории использования марганца стал 1882 г.,

когда английский металлург Роберт Гадфильд (Robert

Abbot Hadfield) выплавил сталь с высоким содержанием этого элемента (точнее, он был владельцем предприятия, где проводилась эта работа). «Сталь Гадфильда», содержащая 11–14 % марганца и около 1 % углерода, обладала повышенной стойкостью к ударам и истиранию и использовалась для производства сейфов, решёток, стрелочных переводов, в дробилках Блэка, шаровых мельницах и других механизмах, работавших с высокими ударными нагрузками.

Однако наиболее широкое применение легирование нашло в военной промышленности. История брони из углеродистой стали закончилась в 1889 г., когда Шнейдер впервые использовал никель при производстве стальной брони. Количество никеля в первых образцах менялось

от 2 до 5 %, но, в конце концов, установилось на уровне 4 %.

Никель имеет свойство сильно повышать вязкость стали. При одинаковых ударных нагрузках броневые плиты из никелевой стали не растрескиваются и не отслаиваются осколками, как это бывает с чисто углеродистой сталью. Кроме того, никель облегчает термообработку – при закалке никелевая сталь меньше коробится. Таким образом, вслед за марганцем был «пристроен» и никель, а вслед за ним и хром.

Если добавление никеля увеличивает вязкость стали и позволяет при соответствующей обработке получать волокнистую структуру, то хром ещё более увеличивает твёрдость, обеспечиваемую углеродом, не увеличивая при этом хрупкость. Хром также делает сталь особенно чувствительной к термообработке, что облегчает финишную закалку.

Первый патент на хромистую сталь был выдан в 1865 г. Его масштабное применение началось в 80-х годах XIX в. (сначала для легирования небольших стальных отливок). Выяснилось, что полученный сплав при соответствующей термообработке, получает значительную

твёрдость. Однако металлурги, несмотря на постоянные усилия, не могли получить большие слитки хромоникелевой стали и соответствующим образом обрабатывать их, пока в 1893 г. германский промышленник Крупп не решил эту проблему.

Не отставало от оборонительного вооружения и наступательное: германские инженеры заметили, что наличие в стали вольфрама существенно повышает стойкость орудийного ствола. Так, в годы Первой мировой войны лёгкие германские пушки выдерживали до 15 тыс. выстрелов, в то время как русские и французские орудия выходили из строя после 6–8 тыс. выстрелов. Всё это привело к колоссальному росту объёмов производства стали, в первую очередь легированной для нужд военной промышленности – на рубеже веков термины «дредноут» и «крупповская пушка» стали нарицательными.

Глава 6

камень) и дерево. Металлы – относительно новое «приобретение» строительной техники по сравнению с древесиной и камнем. Их применение в строительстве вплоть до XIX в. ограничивалось использованием небольшой номенклатуры крепёжных деталей. Неизменными атрибутами строительных профессий были металлические инструменты, а несущие конструкции, перекрытия, балки и другие конструкционные элементы из металла применялись очень редко. Это было связано с дороговизной сплавов железа, в то время как их высокие эксплутационные свойства были хорошо известны. Несмотря на то что и сейчас по общему объему мирового потребления металл все ещё уступает «старым» строительным материалам, именно ему принадлежит ведущая роль в современной строительной технике.

Почему это актуально?

«Окружающая человека архитектура создаёт важнейший эмоциональный фон его существования, определяет приоритеты духовного развития личности» – утверждал в своей знаменитой речи «Демократия в роли застройщика», произнесённой в 1960 г., немецкий архитектор Адольф Арндт. Каменные джунгли мегаполисов начала XX в., угнетавшие сознание и подавлявшие личность, должны были уступить место новой жизнеутверждающей архитектурной идее. В итоге сформировалась идеология гармонии воспроизводимых строительных ресурсов: стали, стекла и дерева, сочетающих в конструкциях легкую и светлую атмосферу с функциональностью, экономичностью и рациональным использованием ресурсов материалов и энергии. Новая строительная эпоха выбирает сталь!

Индийские железные колонны

В качестве строительной арматуры железо (хотя очень незначительно и избирательно) в эпоху Древнего мира применяли на Ближнем Востоке, в Индии и Китае. Широкое применение железо нашло в индийской храмовой архитектуре в эпоху Гуптов – династии, правившей в Северной Индии в 4–6 вв. Использовались железные штыри, хомуты, затяжки, скобы. Во многих индийских храмах, построенных во второй половине 1-го тысячелетия, роль основных несущих конструкций выполняют железные сварные балки длиной до 6 м. Наиболее известными фундаментальными сооружениями из железа в средневе-

ковой Индии являются колонны в городах Дели и Дхаре. Железная колонна в Дели – не только место паломничества индийцев, но и одна из главных достопримечательностей, привлекающая внимание туристов из всех стран мира. По наиболее распространенной версии считается, что металл для колонны был произведен в сере-

храмов на востоке Индии в память о легендарном царе Чандрагупте II. В Дели колонну перевезли предположительно в 1050 г. по приказу царя Ананг Полы.

В настоящее время колонна размещается во дворе мечети Кувват (Кутуб) уль-Ислам в городе-крепости Лал-Кот в 20 км южнее старого Дели (отсюда происходит другое название колонны – «кутубская»). Масса кутубской колонны оценивается почти в 6 т. Её высота достигает 7,8 м, над поверхностью земли она возвышается на 6,3 м. Диаметр у основания составляет 458 мм, по направлению вверх колонна конически сужается до диаметра 290 мм и заканчивается художественной капителью вы-

сотой около метра. В капители колонны имеется прорезь размером 15 × 5 см, которая уходит внутрь колонны на 41 см. Первоначально прорезь использовалась для закрепления статуи священной птицы Гаруды. Детали капители были выкованы по отдельности и закреплены на корпусе колонны насаживанием друг на друга.

Удивительно, что после почти 1600 лет существования колонна практически не имеет характерных проявлений ржавчины, и это несмотря на то, что ее ежедневно пытаются «заключить в объятия» тысячи посетителей. Согласно народному поверью, у того, кто прислонится к колонне спиной и соединит за ней руки, исполнится заветное желание. По этой причине на высоте от 1,1 до 1,4 м над уровнем земли колонна отполирована до блеска, и на ней хорошо видны отдельные неметаллические включения и трещины.

Исполнение колонны ясно указывает на то, что уже более 1600 лет назад в Индии при изготовлении монументальных памятников применяли соединение отдельных стальных криц при помощи огневой сварки и дополняли этот способ пайкой и механическим соединением. Исследования последних лет показали, что прежнее предположение о том, что колонна в Дели представляет собой единую цельную поковку, следует пересмотреть, однако это ни в коей мере не ставит под сомнение высокую оценку древнеиндийского кузнечного искусства.

Нержавеющая колонна в Дхаре располагается в стороне от туристских маршрутов и поэтому имеет гораздо меньшую известность. Дхар был крупным городом в средневековом королевстве Мальва на севере Индии. Предполагается, что дхарская колонна была изготовлена примерно в то же время, что и делийская. В период вторжения монголов она была сброшена с каменного поста-

мента и разломилась на две части, повторное падение колонны произошло в XVI в., и теперь существуют три ее обломка общей длиной 13,22 м. Общая масса колонны оценивается в 7,3 т.

Химический анализ металла, из которого изготовлены индийские колонны, показал, что это именно железо с

Глава 7

Железная стяж-

ка в каменной

кладке храма

Гарни. Армения

Железная скоба в каменном блоке древне-

персидского

дворца

армянский языческий храм Гарни (I в. до н. э.), тяжёлые каменные плиты которого скреплены железными скобами, залитыми свинцом.

Использование железных скоб в строительстве, повидимому, широко применялось в Древнем мире. Железные стяжки, используемые для скрепления каменных блоков и колонн, обнаружены при раскопках древнеперсидского дворца эпохи Ахеменидов в г. Сузы.

Русские кованые затяжки

В средневековой Европе железные стяжки, противостоящие распору арочных и сводчатых покрытий, применяли при строительстве сводов дворцов и куполов соборов (например, собора св. Софии в Константинополе, 563 г.).

Металлические конструкций в России стали применять с XII в. С XII в. до начала XVII в. русские зодчие использовали металл при возведении дворцов и церквей в виде затяжек, т. е. стержней, обычно горизонтально расположенных, применявшихся для растяжения и соединения концевых узлов строительных конструкций

и креплений для каменной кладки. Затяжки ковали из кричного железа, соединялись они между собой через проушины. Такие затяжки, например, применены в сводах Успенского собора во Владимире (1158–1161 гг.).

С начала XVII в. при возведении сооружений русские зодчие стали использовать металлические стропила: на-

слонные (опора для кровли) и купольные («корзинки») для глав церквей. Стержни «корзинок» выполнялись из кованых брусков и соединялись на замках и скрепах кузнечной сваркой. Примерами могут служить сохранившиеся до наших дней перекрытия трапезной ТроицеСергиева монастыря в Сергиевом Посаде. Подобные конструкции использовались при сооружении перекрытия старого Кремлевского дворца в Москве (1640 г.), при сооружении каркаса купола Казанского собора в Санкт-Петербурге пролётом 15 м (1805 г.).

Металлическая конструкция применялась для поддержки каменного потолка над коридором между притворами храма Василия Блаженного (1555–1560 г.). Металлическим является каркас главы колокольни Ивана Великого в Москве (1603 г.). По преданию, фундамент колокольни находится на уровне Москвы-реки; цоколь и фундамент сложены из камня, а остальная часть – из кирпича с использованием связей из брускового железа.

Малые архитектурные формы эпохи Абсолютизма

Во второй половине XVII в. у Европы в области кузнечного художественного творчества появляется единая «законодательница мод» – Франция. С восшествием на престол Людовика XIV (1638–1715 гг.) начинается период расцвета абсолютной монархии. В искусстве и художественных ремеслах воцаряется новый стиль – барокко, который своей пышностью и торжественностью как нельзя лучше отражает господство абсолютизма. В начале XVIII в. «французский вкус» распространяется по всей Европе и становится самым модным и авторитетным на протяжении двух последующих столетий.

Французские кузнецы XVII–XVIII вв. работали в тесном контакте с архитекторами. Отправной точкой для смены стиля послужило изменение основного элемента железной решётки – круглого прутка, определявшего ха-

рактер кузнечного творчества вплоть до середины XVIII в. Круглые прутки закручивались в спирали и кольца подобно каллиграфическому письму. В местах соединения прутки расплющивались и оформлялись в виде листьев, на которых часто выполняли гравировку.

Новшества касались стилевых особенностей кованых изделий. Основным элементом решёток в стиле барокко был акантовый лист, сопровождавший круглые и скрученные в спирали прутья. Французские альбомы с эскизами кованых изделий быстро расходились по кузнечным мастерским Европы.

Масштабные изменения коснулись внешнего облика практически всех европейских столиц. Государственные и общественные здания украшались коваными решетками на балконах, люнетах, парапетах. Постоянным столичным атрибутом становится искусственное освещение,

чугунные и кованые фонари дополняют городской декор.