Древние люди научились обрабатывать металл
Обновлено: 28.09.2024
С момента открытия металла человек задавался вопросом – как обработать этот материал, чтобы сделать его долговечнее и крепче. Технологии были нужны везде – от военного дела и сельского хозяйства до зарождавшейся ювелирной сферы.
В этой статье приведем краткий экскурс в историю обработки металла и расскажем, как технологии эволюционировали. Это поможет получить представление о том, как развивались процессы в металлургии.
Первые шаги металлургии
Сведения о первых металлургах доступны человечеству благодаря археологам. Доисторическая эпоха дала начало попыткам получить и обработать металл.
В то время на Земле были остатки метеоритов, давших в руки человека первое железо. Постепенно начиналась добыча и обработка золота и меди.
Первым методом обработки стала холодная ковка. Она использовалась чтобы придать железу форму. Первым изделием были детали оружия – острия копий, наконечники для стрел.
Ценный металл также пытались использовать для создания посуды и простых инструментов.
Первым рывком в металлургии стала выплавка стали. Ранние свидетельства об использовании такого подхода датируются XII веком до нашей эры. Тогда сталь плавили в Индии и использовали для этого сыродутные печи. Также подобными средствами пользовались в Анатолии и на Кавказе. Методы были удивительно похожими.
В Африке также пытались плавить железо и ковать его, чтобы создавать оружие. Из-за неспособности древних людей защитить сталь от коррозии, артефакты той эпохи дошли до нас в плохом состоянии, но доказательства все же есть.
Какие металлы стали обрабатывать первыми?
Все начиналось с меди. Человек находил первые месторождения случайно – тогда они находились близко к поверхности.
Еще за 8 тысяч лет до нашей эры человек пытался обработать медные слитки, но не использовал для этого профессиональных методов.
Получалось грубо, но это была лучшая альтернатива кости или заточенному дереву.
Следующим металлом, которое человечество добавило в свою копилку, стала бронза. Это продукт начала обработки металлов, когда их научились плавить и смешивать. Так появилась комбинация олова и меди, часто использующаяся в создании украшений.
Позволить себе такие изделия могли только самые богатые представители общества, но и сегодня реликты часто удивляют ювелиров нестандартным подходом к обработке и изяществом форм.
Считается, что человек не проводил никаких направленных экспериментов чтобы получить бронзу. Она была найдена случайно при смешивании.
Полученный сплав удивил твердостью и удобством в обработке – за счет добавления олова он был намного пластичнее используемых тогда материалов. Рецепт был закреплен, и кузнецы стали использовать его при создании орудий труда.
Изделия не так быстро выходили из строя, как каменные или медные, мало весили.
Первое тысячелетие до нашей эры ознаменовалось наступлением железного века. Уже по названию понятно, что в то время люди открыли для себя метеоритное железо и стали пытаться обработать. Но только в третьем веке до нашей эры этот материал стал применяться массово.
Пришло к тому, что вместо поиска метеоритов, богатых железом, его стали добывать из недр. Металл стал распространенным и большинство его аналогов отошли на второй план.
Какими были первые способы металлообработки
Первые орудия для обработки были примитивными. Так первый токарный станок был создан еще за 500 лет до нашей эры. На нем работало два человека.
Один быстро вращал вал, на котором были установлены тиски с зажатой деталью. Второй наносил резьбу. Интересно, что к обработке металла таким способом пришли не сразу.
Изначально токари точили кость и древесину.
Аналогичные средства также находят на территории Египта, Греции и некоторых других стран.
Внешне сильно походил на старые швейные машины с педальным приводом. Когда мастер нажимал на педали ногой, заготовка начинала вращаться. Оставалось только использовать долото для обточки. Так делались первые стержни, используемые в телегах, а также при создании других рабочих инструментов.
Важные этапы в обработке металла
Человек много думал над тем, как упростить приведение станка в действие. Постепенно от ручного вращения или нажатия ногой на педаль отказались в пользу использования воды.
Вода обеспечивала вращение заготовки с нужной скоростью. Это позволило увеличить количество изделий из стали, которые использовались в повседневной жизни.
В конце XVIII века обработка металла получила наибольшее распространение благодаря промышленной революции. Джон Уилкинсон предложил миру технологию обточки цилиндров, дающую качественный результат.
Современность
История развития металлообработки привела нас к тому многообразию методов, которые используются сегодня. Стимулом к совершенствованию металлургии в 20 веке стали войны. Созданные тогда технологии используются и сегодня.
В промышленности нашли свое применение несколько наиболее распространенных средств – это сварка, литье, механическая обработка и использование высокого давления прессом.
Новые технологии помогли повысить качество продукции.
Заказывайте оцинковку труб в «Точинвест Цинк»
Компания «Точинвест Цинк» предлагает заказчикам технологию горячего цинкования труб. Используем современные средства для того, чтобы увеличить продолжительность использования получаемой таким образом продукции.
Обработка металла в древности. Как человечество вошло в железный век
Как известно, основным материалом, из которого первобытные люди изготавливали орудия труда, был камень. Не зря сотни тысяч лет, прошедшие между появлением человека на земле и возникновением первых цивилизаций называют каменным веком. Но в 5-6 тысячелетиях до н. э. люди открыли для себя металл. Скорее всего, первое время человек относился к металлу точно так же, как к камню. Он находил, например, медные самородки и пытался обрабатывать их точно так же, как камень, т. е. с помощью обивки, шлифования, отжатия отщепов и т. д. Но очень быстро стала ясна разница между камнем и медью. Может быть, даже, первоначально люди решили, что от металлических самородков толку не будет, тем более что медь была достаточно мягкой, и орудия, которые из нее изготавливались, быстро выходили из строя. Кто придумал плавить медь? Теперь мы никогда не узнаем ответа на этот вопрос. Скорее всего, все получилось случайно. Раздосадованный человек бросил камешек, который показался ему неподходящим для изготовления топора или наконечника стрелы, в костер, а затем с удивлением заметил, что камешек растекся блестящей лужицей, а после прогорания огня – застыл. Потом понадобилось только немного поразмыслить – и идея плавки была открыта. На территории современной Сербии был найден медный топор, созданный за 5 500 лет до Рождества Христова. Правда, медь, конечно, уступала по многим характеристикам даже камню. Как уже говорилось выше, медь – слишком мягкий металл. Его основным преимуществом являлась плавкость, позволявшая изготавливать из меди самые различные предметы, но по прочности и остроте она оставляла желать лучшего. Конечно, до открытия, например, златоустовской стали (Статья «Русский булат из Златоуста»), должно было пройти еще несколько тысячелетий. Ведь технологии создавались постепенно, сначала – неуверенными, робкими шажками, методом проб и бесчисленных ошибок. Вскоре медь была вытеснена бронзой, сплавом меди и олова. Правда, олово, в отличие от меди, встречается далеко не везде. Не зря в древности Британия носила название «Оловянные острова» – многие народы снаряжали туда торговые экспедиции за оловом. Медь и бронза стали основой древнегреческой цивилизации. В «Илиаде» и «Одиссее» мы постоянно читаем о том, что греки и троянцы были одеты в медные и бронзовые доспехи, использовали бронзовое оружие. Да, в древности металлургия во многом обслуживала именно военных. Пахали землю нередко по старинке, деревянным плугом, да и, например, водостоки можно было сделать из дерева или глины, но на поле битвы бойцы выходили в прочных металлических доспехах. Однако бронза как материал для оружия имела один серьезный недостаток: она была слишком тяжелой. Поэтому со временем человек научился выплавлять и обрабатывать сталь. Железо было известно еще в те времена, когда на Земле шел бронзовый век. Однако сыродутное железо, получавшееся в результате обработки при небольшой температуре, было чересчур мягким. Большей популярностью пользовалось метеоритное железо, но оно было очень редким, найти его можно было лишь по случайности. Однако оружие из метеоритного железа было дорогим, иметь его было очень престижно. Египтяне называли кинжалы, выкованные из упавших с неба метеоритов, Небесными. Принято считать, что широкое распространение обработка железа получила у живших на Ближнем Востоке хеттов. Именно они около 1200 г до н. э. научились выплавлять настоящую сталь. На некоторое время ближневосточные державы стали невероятно могущественными, хетты бросали вызов самому Риму, а филистимляне, о которых упоминается в Библии, владели огромными территориями на современном Аравийском полуострове. Но вскоре их технологическое преимущество сошло на нет, ведь технологии выплавки стали, как оказалось, было не так уж сложно позаимствовать. Главной проблемой было создание горнов, в которых можно было достичь той температуры, при которой железо превращалось в сталь. Когда окрестные народы научились строить такие плавильные печи, производство стали началось буквально во всей Европе. Конечно, многое зависело от сырья. Ведь люди лишь относительно недавно научились обогащать исходное сырье дополнительными веществами, придающими стали новые свойства. Например, римляне насмехались над кельтами, ведь у многих кельтских племен сталь была настолько плохой, что их мечи гнулись в сражении, и воины должны были отбежать в задний ряд, чтобы выпрямить клинок. Зато римляне преклонялись перед изделиями мастеров-оружейников из Индии. Да и у некоторых кельтских племен сталь не уступала знаменитой дамасской. (Статья «Дамасская сталь: мифы и реальность») Но, в любом случае, человечество вступило в железный век, и его уже нельзя было остановить. Даже широчайшее распространение пластмасс, произошедшее в ХХ веке, не смогло вытеснить металл из большинства сфер человеческой деятельности.
История развития металлообработки - от древнего мира до промышленной революции
История человеческой цивилизации тесно связана с историей добычи и обработки металлов. Очень давно, когда людям, уже научившимся обрабатывать камень, впервые попали в руки самородки меди, даже очень простые изделия из нее показались лучше и полезнее предметов, вытесанных из камня. Именно в процессе совершенствования навыков работы с металлом были созданы - поначалу примитивные, а впоследствии и более совершенные приемы металлообработки, ставшие базисом современной технологической культуры.
Значительная часть окружающих нас объектов материального мира создана из металлов. А все остальное, что к ним непосредственного отношения не имеет, было получено, изготовлено либо построено с использованием металлических станков, машин, инструментов и механизмов. Сегодня трудно себе представить жизнь населяющих Землю людей и устройство человеческого общества, если бы на планете не существовали металлы, или человек в свое время не научился их находить, добывать и обрабатывать.
Древний мир как колыбель современных технологий металлообработки
Специалисты – историки, изучающие древний мир, полагают, что первыми металлами, которые попали в руки человеку, были золотые и медные самородки, а также метеоритное железо. Временной интервал, который много тысячелетий спустя ученые XIX столетия назвали медным веком, охватывает значительный исторический и технологический период, пройденный человечеством - от первых экспериментов с найденными кусками самородной меди, до литья и ковки разнообразных предметов из металла, полученного из медной руды.
На различных континентах и в отдельных социумах человек научился работать с медью не одновременно, поэтому весь этот период историки датируют с запасом: V-III тысячелетиями до нашей эры. Не следует думать, что в это время уже произошел бурный расцвет технологий – в медном веке большая часть предметов быта и инструментов для обработки почвы по-прежнему изготавливалась из камня. Эпоха обработки меди только начиналась. Кроме того, изготовленные из меди предметы оказались слишком мягкими. Для украшений это не было недостатком, а вот медные орудия труда быстро деформировались и нуждались в восстановлении исходной формы при помощи ковки.
Сейчас можно только догадываться о том, какие эксперименты с огнем, кусками медной и оловянной руды привели древних людей к случайному созданию сплава, который оказался тверже обоих исходных металлов. Изготовленные из бронзы наконечники для стрел, топоры, иголки и другие инструменты ознаменовали наступление нового исторического и технологического периода в жизни человечества – бронзового века.
Первый социальный заказ: оружие, сельскохозяйственные орудия и украшения
Найденные археологами предметы, изготовленные из бронзы, меди и золота, свидетельствуют о значительно возросшем к 13-11 векам до нашей эры уровне навыков и приемов работы древних людей с металлами. А обнаруженные при раскопках следы медных и оловянных рудников того периода – о существовании достаточно полного и совершенного комплекса добычи нужных металлов и их последующей обработки. Описывая данный период, историки смело употребляют современные термины – «металлургия», «импорт меди и бронзы», и это говорит о подлинном расцвете производства металлов и торговли между образовавшимися в то же время городами – государствами, и плотно заселенными провинциями.
Основными металлическими изделиями, востребованными обществом в конце бронзового века, были инструменты для обработки земли, дерева и камня, разнообразное оружие и украшения. Многократно возросший уровень знаний и практических навыков работы с металлами заложил основы дальнейшего развития металлургии и начала использования железа. Считается, что более мягкий, чем бронза, и подверженный ржавлению металл, люди начали использовать, так как почти опустошили найденные ими месторождения олова. Железная руда встречается намного чаще. Это и послужило отправной точкой совершенствования способов добычи железа, изготовления из него и последующего закаливания всех необходимых предметов.
От железного века к эпохе новых способов металлообработки
Железный век пришел на смену бронзовому, и стал для человечества переходным периодом к открытию и началу повсеместного использования новых приемов обработки металлов. Люди уже дано освоили ковку, а теперь и примитивное литье металлических изделий, хотя эти способы не позволяли изготавливать все необходимые в быту и нужные для созидательной трудовой деятельности предметы.
Даже проблема чрезмерной мягкости железа при помощи многократного отжига и обогащения его углеродом была успешно решена – сначала некоторыми отдельными народами, а затем, с течением времени, этот способ распространился по всему миру. Однако для получения более совершенных изделий нужно было научиться делать в железных предметах отверстия. Частично эта проблема решалась в процессе литья, но этим способом было невозможно обеспечить точные отверстия небольшого размера.
Сверлить камень научились еще в Древнем Египте. Высеченные из кремня первобытные сверла успешно справлялись с этой задачей, но для сверления отверстий в металле они не годились. Намного позднее сверла в виде острого пера стали изготавливать способом ковки. Первобытное приспособление для сверления отверстий напоминало современный коловорот, который для большей эффективности утяжелялся мешками с песком. Но металлические спиральные сверла, частично напоминающие современные, научились изготавливать методом ковки только в Средние века.
Кроме сверления отверстий, в процессе изготовления металлических предметов нужно было научиться чисто обрабатывать их поверхность, которая после литья в простейшие формы редко получалась достаточно гладкой. Прогресс неуклонно подталкивал людей к необходимости обработки металлических заготовок при помощи режущих инструментов, изготовленных из более твердого металла. Но до появления способов обработки вращаю
щихся металлических деталей при помощи резца должно было пройти немало времени. Хотя начальные прототипы токарных станков, на которых можно было обрабатывать - пока только деревянные детали, существовали уже тогда.
Развитие точной механики как технологический фон совершенствования средств металлообработки – замки, часы, навигация
Значительным подспорьем для конструкторов первых приспособлений и станков, при помощи которых стало возможным обрабатывать литые металлические заготовки и изделия, стали технические новации и разработки, появившиеся в других областях практической деятельности человека. Учитывая важную роль мореплавания, которое имело большое значение для международной торговли и военного дела, многие видные ученые тех лет занимались совершенствованием навигационных приборов.
Даже первые механические часы с точным ходом, собранные талантливым английским механиком Джоном Гаррисоном в 1735 году, были задуманы как более совершенная замена примитивным морским хронометрам, не позволявших с нужной точностью определять координаты кораблей методом астрономической космографии. А прообраз современного секстанта – прибор с высокоточной оптикой, позволяющий определять местоположение движущегося судна, в 1730 году изготовил и опробовал английский физик Джон Хэдли.
Один за другим, точные механизмы появлялись в самых различных областях. В 1778 году английскому изобретателю Джону Баррону удалось создать первый штифтовой замок, в котором язычок запорного механизма удерживался несколькими штифтами. В эти же годы появились первые настенные и настольные часы с усовершенствованным спусковым механизмом, а механики уже вовсю экспериментировали с их уменьшенными копиями, которым вскоре было суждено стать прообразом переносных - карманных часов.
Все эти достижения были бы невозможны без металлообрабатывающих станков, при помощи которых удалось изготовить детали этих сложных механизмов. Повышенные требования к точности для деталей часовых механизмов, а также появление новых конфигураций обрабатываемых поверхностей породили массу новаторских изобретений в области металлообработки.
Благодаря этому были реализованы идеи создания конструкций, которые ранее невозможно было воплотить в жизнь. В свою очередь, новые решения авторов удачных конструкций впоследствии пригодились создателям станков, которые использовали некоторые идеи как отправную точку для повышения точности и совершенствования механизмов токарного станка.
Токарный станок и технологическая революция в металлообработке
Историки настаивают, что конструкция станка с двумя центрами, которые удерживали между собой деревянную деталь, была известна еще в середине VII до н.э. Деревянную заготовку вращали – то в одну, то в другую сторону специально выделенные для этой работы рабы. Древний «токарь» постепенно обтачивал заготовку примитивным металлическим резцом, но уже тогда результат такой работы оправдывал несовершенство конструкции и связанные с этим затраты времени и труда.
Со временем обрабатываемую деталь научились вращать при помощи лука с прослабленной тетивой, которая обхватывала, и при поступательном движении лука раскручивала заготовку. Опять же, это вращение совершалось попеременно в разные стороны. Более прогрессивный – ножной привод с шатуном, педалью и кривошипом, конструктивно напоминающий швейные машины недавнего прошлого, появился в XV веке. Это был переломный момент в развитии токарного станка – теперь деталь безостановочно крутилась в одном направлении, и мастеру стало работать намного удобнее.
Мощности усилия такого привода для обработки металлических деталей не хватало. Кроме того, точить твердые материалы, держа резец в руке, было почти невозможно. На помощь была призвана сила текущей воды, и водяное колесо на несколько веков стало основным движителем механизма токарного станка. Теперь и металлические детали стали подвластны умелому токарю, хотя резец по-прежнему приходилось держать в руках, опирая его на простейшую подставку.
И все же, для того чтобы облегчить токарные работы и сделать их более точными, потребовалась существенная доработка конструкции станка, затронувшие все его основные системы. Задача была поставлена, но механикам тех лет пришлось немало поработать, чтобы найти соответствующие технические решения. Самые интересные из них, разработанные в XVI веке французским ученым и математиком Жаком Бессоном, и изложенные им в трактате «Театр приборов и машин», оказали огромное значение на дальнейшее развитие принципов металлообработки.
Многие из идей этого гениального человека реализованы, и используются в конструкциях современных станков сегодня. В собственной разработке токарно-винторезного станка ученый предусмотрел возможность обработки деталей не только стандартной цилиндрической формы, но и любых конусообразных поверхностей.
Развитие технологии металлообработки в России
Пытливый ум и техническая сметка русского человека проявились задолго до того, как возникло понятие «техника». Исторические данные свидетельствуют, что еще в X веке на Руси умели изготавливать разнообразные металлические предметы быта, оружие и несложный хозяйственный инвентарь. Всего через несколько веков, когда формировались первые российские оружейные династии, для изготовления стволов уже тогда применялись простейшие станки с ручным приводом для сверления и токарных работ.
Не отставая от иностранных коллег, российские мастера еще в XV веке подключили свои станки к водяным мельницам, поручив воде вращать заготовки, закрепленные в токарном станке, и прообраз винтового сверла в сверлильном. Спустя почти два с половиной столетия революционный вклад в разработку принципов устройства токарных станков внес талантливый российский ученый Андрей Константинович Нартов – член Академии Наук, состоявший в чине статского советника.
В начале XVIII века, вернувшись из очередной заграничной поездки, царь - реформатор Петр I создал «царевы» токарные мастерские, руководить которыми назначил А.К.Нартова. Имея под рукой все наиболее совершенное, по меркам тех дней, оборудование, Андрей Константинович изобрел – ни много ни мало – механизированный суппорт токарного станка, конструкция которого без особых изменений используется и поныне.
До этой разработки токарю приходилось удерживать и перемещать резец вдоль обрабатываемой детали вручную. Суппорт Нартова не только решил эту проблему, но и за счет управляемого перемещения инструмента позволил выполнять на станках нарезку резьбы и зубьев шестерен. Значение этого изобретения для эволюции металлообработки трудно переоценить, и оно по праву входит в перечень технических новаций, оказавших существенное влияние на развитие производственных возможностей человечества.
Примерно в те же годы во весь голос заявили о себе и тульские оружейники. Талантливый механик – самоучка по фамилии Сидоров создал мощный агрегат, позволявший с большой точностью высверливать ружейные стволы. Его приводила в действие водяная мельница. Взяв разработку Сидорова за основу, не менее выдающийся механик и оружейных дел мастер Яков Батищев создал конструкцию станка, который мог сверлить стволы для 24 ружей одновременно.
В двух шагах от промышленной революции – темпы развития ускоряются
К середине XVIII века в России было создано множество заводов и фабрик, на которых, впрочем, пока по-прежнему интенсивно использовался преимущественно ручной труд. Чтобы создать условия для выпуска крупных партий товара, явно не хватало новых, высокопроизводительных станков и машин на всех ответственных и наиболее важных участках производства. Это понимали многочисленные русские механики, которые с энтузиазмом приняли участие в модернизации имеющегося, и создания нового промышленного оборудования. Знаменитый изобретатель Иван Ползунов создал конструкцию уникального станка для расточки цилиндров паровых машин, а не менее известный даже нашим современникам Иван Кулибин – особо точный станок для изготовления шестерен часовых механизмов. Не остался в стороне от естественных процессов замены устаревших средств производства легендарный ученый и выходец из народа М.В.Ломоносов. Он разработал конструкции шлифовального, лоботокарного и сферотокарного станков. Еще быстрее появлялось новое оборудование, и развивались технологии металлообработки в США и странах Европы. Важным событием для будущего стала конструкция французского механика из Лиона Жака Вокансона, представившего в 1851 году первый универсальный токарный станок - не лишенный недостатков, но очень прогрессивный для своего времени. Качественно нарезать резьбы токарный станок научил англичанин Д. Рамедон, в 1778 году порадовавший современников сразу двумя оригинальными конструкциями, выполнявшими эту задачу при помощи специальных резцов и набора сменных шестерен. Чуть позже идеи англичанина использовал в процессе создания специализированного станка для нарезки винтов француз Сено. Он запустил этот агрегат в 1795 году. В эти годы в Европе и США стремительно развивались процессы замены ручного труда машинным – явления, которое позднее назовут Великой индустриальной революцией. Оставалось всего 5 лет до появления конструкции по-настоящему универсального токарного станка Генри Модсли. И уже начал свои изыскания американец Эли Уитни – промышленник и изобретатель, впоследствии создавший первый действующий станок, выполняющий фрезерные работы . В России полномасштабная промышленная революция надолго задержалась, но на то были объективные причины, связанные, в первую очередь, с преимущественно аграрным укладом экономики. Но ход истории не остановить, и ближе к концу XIX века промышленный капитализм коренным образом изменил экономику царской России. К сожалению, из-за начавшегося с революции 1905 года времени потрясений, в полной мере воспользоваться его преимуществами стране не удалось.
Первые металлурги
Около 9 тыс. лет назад люди открыли для себя металлы. Древнейшие свидетельства этого найдены на востоке Малой Азии. Люди, населявшие эту территорию, научились обрабатывать самородную медь. Медь – мягкий податливый металл, его можно ковать холодным. Именно так из неё делали бусы и булавки.
Чуть позже появились украшения из другого металла – золота. Со временем из меди начали делать орудия труда: первыми стали медные сверла. Оказалось, что у меди немало преимуществ по сравнению с камнем: она не такая хрупкая, ей можно придать любую форму, а если что-то не получилось, орудие можно перековать или заточить по-новому. Однако самородки меди и золота встречаются редко.
Настоящая металлургия появилась, когда люди научились выплавлять медь и золото из руды. Для этого сначала использовали гончарные печи, температура в которых достигала 800 градусов Цельсия: ее было достаточно, чтобы расплавить медь, содержавшую примесь серы. Затем металл заливали в каменные формы. Но у медных орудий был серьёзный недостаток: они легко гнулись. Золото было гораздо твёрже, но слишком редко встречалось и слишком дорого стоило, чтобы делать из него лезвия и топоры. Проблему удалось решить, когда к меди стали добавлять немного олова. Так получили сплав бронзы. Он был не только прочнее чистой меди, но и легче поддавался отливке. Из бронзы отливали те части орудий и оружия, которые должны были сочетать твёрдость и остроту лезвия. Из неё же делали вазы, украшения, статуэтки, детали мебели.
Независимо друг от друга центры обработки меди, золота и бронзы появились и в других, как правило горных, районах Азии, Европы и Центральной Америки.
Следующим шагом в развитии металлургии стало освоение железа. Первыми кузнецами были древние хетты, жившие на территории современной Турции 3,5 тыс. лет назад. Железо разогревали в печах, но их температуры не хватало для того, чтобы металл расплавился. Получалась твёрдая масса – крица, состоящая из железа и шлака. Её разогревали докрасна и ковали тяжёлыми молотами, пока шлак не отделится от металла, а изделие не примет нужную форму. Для прочности к железу примешивали древесный уголь, а раскаленные инструменты и оружие из железа закаляли в ледяной воде.
Примерно 2,5 тыс. лет назад китайские мастера научились строить плавильные печи с высокой температурой. В них они впервые получили чугун.
Преимущества железа перед другими металлами были очевидны. Железная руда встречается гораздо чаще, чем медная. Предметы из железа очень прочны и долговечны, а их стоимость существенно ниже, чем медных и бронзовых. Это привело к быстрому переходу от бронзового века к железному.
Распространение металлических орудий труда привело к дальнейшему прогрессу земледелия, способствовало развитию ремёсел и торговли, усилению неравенства, обогащению знати. Появление оружия из бронзы и железа превратило столкновения из-за земли и скота в ожесточённые войны.
Развитие общества не только ускорилось, но и стало неравномерным. Группы людей, расселившиеся по огромным пространствам суши, оказались в несхожих природных условиях. На самых благоприятных территориях Ближнего Востока, Северной Африки и Юго-Восточной Азии переход от первобытности и цивилизации начался в энеолите – медно-каменном веке. В других районах Земли это стало возможно только после освоения бронзовых, а в большинстве случаев – железных орудий труда. Сами сроки перехода от камня к металлу и от бронзы к железу на разных территориях не совпадали и могли расходиться на тысячелетия.
Европейская металлургия от костра до мартена
На протяжении всей истории человечества образ хозяйствования нашей цивилизации определяли металлы. Вообще говоря, все первые металлы, открытые человечеством, стоят правее водорода в электрохимическом ряду напряжений металлов. Это так просто потому, что все остальные по закону неумолимой термодинамики будут окислены во влажных и окислительных условиях атмосферы и литосферы. Точнее говоря, те, что правее водорода, тоже будут окислены – но сильно позже. А пока что встречайте: медь, серебро, золото, сурьма!
Справа все интересующие нас металлы, а заодно ртуть и платина. Не влезли палладий и висмут, но они встречаются реже метеоритов
Все эти элементы при определенной доле удачи могут быть встречены в самородном виде – неслыханное счастье для тех, кому до того предстояло пользоваться каменными орудиями труда. Металлу можно придавать почти любую форму, он не раскалывается, а деформируется при ударах, а еще его можно затачивать и делать качественно лучшие орудия труда. Золото, серебро и медь уже к позднему неолиту вовсю использовались для изготовления украшений, а в 6 тысячелетию человечество открыло для себя медные инструменты. Однако самым лучшим доступным металлом было, конечно, железо. Для того, чтобы найти его в чистом виде, нужно поистине дьявольское везение – оно встречается только в упавших метеоритах и является настоящей царской прерогативой (так, кинжал из гробницы Тутанхамона сделан именно из такого железа).
Новую веху в истории обработки металлов ознаменовала восстановительная металлургия. Люди открыли, что, если спекать некоторые минералы с углем, в камешках получившегося шлака заблестят кусочки меди. Это позволило человечеству перейти на небывало высокий по сравнению с неолитом уровень технологий. Новые медные инструменты и так были на порядок лучше каменных, но теперь они стали по-настоящему доступны. Вскоре появились первые печи для плавки меди, которые, например, можно найти в древних городах Анатолии. Так, первое найденное литое изделие датируется 5000 г. до н. э.
диаграмма Эллингема
Теперь сделаем небольшое отступление обратно к современности и обратим свои взоры на диаграмму Эллингема. Эта диаграмма показывает нам, насколько при разных температурах стабильны различные оксиды. Также она позволяет легко определить, восстановит ли углерод или угарный газ нужный оксид до металла при данной температуре – для этого всего лишь нужно посмотреть, в какой точке линия С и СО становится ниже линии соответствующего металла. Из нее можно понять, например, что даже при небольшом нагревании и углеродом, и угарным газом медь восстановится со свистом, а вот чтобы восстановить железо, придется хорошенько постараться (но все же меньше, чем для многих других металлов).
Проблема состоит не только в этом. Мало просто восстановить металл, необходимо его еще и расплавить, иначе вместо слитка, которому можно придать любую форму, получится просто серый (в случае железа) или красный (в случае меди) порошок. Поэтому для эффективного изготовления железных изделий нужна такая печь, которая сможет расплавить железо. Однако построить ее не так-то просто, первые железоделательные печи появились на территории той же Анатолии у хеттов примерно к 1200 г. до н. э. До этого человечество обходилось медью или бронзой – сплавом меди с мышьяком или оловом (бронза была попрочнее меди, дольше изнашивалась и плавилась при меньшей температуре).
Сыродутная печь
Такие требования сформировали облик европейской железной металлургии на многие века. Схема печи оставалась общей: высокая глиняная/земляная труба, в которой вперемежку уложены слои железной руды (как правило, болотной бурой слизи или каменной руды) и древесный уголь. Все это мероприятие было крайне малопрофитным в смысле целевого продукта, в железо превращалось около 30% руды в лучшем случае. Несмотря на это, железные орудия были на порядок выгоднее орудия из любого другого металла, доступного европейцам, из-за не в пример большего качества.
Описанный выше способ выплавки железа назывался сыродутным. Получившийся кусок железа содержал крайне большое количество шлаков, поэтому его проковывали большое количество раз. При этом получившееся железо обладало существенным недостатком. При получении оно было крайне твердым и незатачиваемым (так как содержало большое количество углерода), а при дальнейшем выгорании – очень мягким. Поэтому единственным способом получить нормальное, функциональное изделие было сваривание нескольких пакетов железа методом проковки сложенных слоев железа, просыпанных между собой бурой. Усовершенствовав технологи многократной проковки заготовки до предела и чередуя мягкие и твердые слои железа, человечество научилось изготавливать булатную сталь – один из лучших видов металлургической продукции своего времени.
Одним из основных шлаков в металлургическом производстве Средневековья был чугун. Он выплавлялся из руды раньше всех, потому что в нем больше углерода, а, чем больше в каком-либо твердом веществе примеси, тем ниже его температура плавления. Также чугун крайне хрупок и тяжел, что затрудняло его применение в металлургии. Довольно большая часть железа всегда уходила в шлаки в виде чугуна, откуда его было уже не выдернуть. В больших по размеру печах (штукофенах и блауофенах) с четырех-пятиметровыми «резервуарами» для руды и угля в чугун и шлак уходило просто огромное количество железа. Обычно из чугуна потом изготавливали низкотехнологические изделия типа кувалд, ядер и прочего. Забавный факт – и по сей день шлаки металлургического производства используются в дорожном строительстве как материал для брусчатки.
Схема современной доменной печи
Следующей вехой развития железного производства стали доменные печи. Человечество догадалось, что, если печь сделать достаточно большой, можно будет подбрасывать в нее уголь и руду прямо в процессе плавки, а железо, сталь, чугун и шлаки сливать из нее через отдельные летки. Этот процесс в 15-16 вв. стал очередным технологическим бумом для Европы – несмотря на то, что доменную печь нельзя было останавливать, а угля и руды она жрала абсолютно непомерное количество, она позволила европейцам превзойти весь мир по выплавке металла на душу населения, а, следовательно, по артиллерийской мощи.
С учетом роста населения и постоянно растущего спроса на железо его производство на душу населения в 11-13 вв. достигало порядка килограмма на человека в год. Для сравнения – современный небольшой ножик весит порядка 200 граммов, лезвие небольшого топора – около 700 граммов, а ведь еще нужно на чем-то готовить, чем-то строить, опять же всяческие метизы типа гвоздей, скоб, крюков и прочего. В итоге мы понимаем, что уровень сыродутной металлургии даже с учетом перекрытия некоторых потребностей другими металлами давал ужасающе мало.
Ситуация менялась, как ни парадоксально, с увеличением количества металлических изделий – можно было срубать больше деревьев, прокапывать более глубокие шахты, возводить более сложные конструкции. Производство росло в геометрической прогрессии – размер печей для выплавки железа все увеличивался, увеличивался от простой сыродутной печи к штукофену и блауофену и наконец-то вырос до настоящей домны с непрерывным циклом выплавки. И тут понеслась – положительная обратная связь сделала свое дело.
Всеевропейское внедрение в 15-16 веках доменной печи сразу, буквально за несколько десятилетий, увеличило количество производимого на душу населения железа втрое, а то и вчетверо. Нашей цивилизации впервые стали по-настоящему доступны каменные железные руды. Забегая вперед, скажу, что в Швеции, стране, которая на тот момент поставляла больше половины всего европейского железа, к 18 веку производство достигло невероятных 20 кг железа на человека. Впрочем, до обогащения и прочих технологических процессов мы пока еще не дошли – пока что это просто загрузка печи камнями руды, углем и флюсом – специальным веществом, чтобы снизить количество примесей в плаве и уменьшить температуру плавления.
Проблемой доменного производства была необходимость в огромном количестве качественного древесного угля – каменный уголь содержал много вредных для железа примесей, поэтому деревья приходилось вырубать в огромных масштабах. Об экологии тогда никто не заботился, но бескрайние леса были, очевидно, не во всех странах. Также откровенным минусом все еще был уход огромного количества железа в чугун, хрупкий и потому не годный для создания инструментов и метизов. Единственной масштабной отраслью применения чугуна было артиллерийское дело – на отливку пушек и ядер шли многие тонны чугуна. И вот тут человечество сделало пока чисто эмпирическое, но очень важное открытие – из чугуна при высокой температуре может выгорать углерод. Естественно, ни о каком углероде речь тогда не шла, но этот факт позволил железоделательному производству перейти еще на один технологический уровень выше.
Все помнят, как в морозилке замерзает соленая вода? Образуется большая ледышка, самого рассола становится меньше, концентрация соли в нем растет. Похожий процесс происходит и при плавлении чугуна на воздухе. Углерод из него частично выгорает, частично переходит в жидкую фазу, а на дне печи начинают образовываться кристаллы железа. Это явление заметил английский металлург Генри Корт, и вскоре практика пудлингования – перемешивания расплава чугуна вошла в Британии в крайне широкое распространение.
Печь для пудлингования. 1) Под 2) Труба с клапаном для регулирования силы тяги 3) Порог, отделяющий металл в рабочем объёме от топлива 4) Колосниковая решётка, на которой находится горящее топливо (уголь) 5) Боковое окно для пудлинговщика 6) Окно для заброса топлива
Как происходило пудлингование? Сначала в печи, обложенной огнеупорной футеровкой (отделка печи, позволяющая оградить тело печи от разрушительного влияния расплавов) без доступа открытого пламени расплавлялся чугун. По прошествии некоторого времени рабочие засовывали в расплав огромные железные штанги (около 40 килограммов весом) и начинали интенсивно перемешивать его. Вскоре на штангах выкристаллизовывалось чистое железо, температура плавления которого намного выше, чем у чугуна. Далее получившуюся крицу вынимали из расплава, проковывали и разделяли на слитки.
Естественно, процесс этот был далеко не из самых легких, однако он позволил высвободить для промышленности огромное количество чистого железа и разом решить проблему переизбытка чугуна. Процесс пудлингования доминировал в металлургии на протяжении практически ста лет, после чего был вытеснен сразу тремя способами – бессемеровским (открытым Генри Бессемером в 1856 году), томасовским (открытым в 1878 году Сидни Гилкристом Томасом) и мартеновским.
Принцип работы любого конвертера
Бессемеровский и томасовский процессы довольно схожи. В качестве основного реактора используется веретенообразная печь с огнеупорной футеровкой (в случае бессемеровского процесса – кислой, содержащей SiO2, в случае томасовского – основной, содержащей доломит CaCO3xMgCO3). В процессе плавки печь нагревается, опять же, без доступа открытого пламени, после чего продувается сжатым воздухом через сопла, расположенные в дне печи. Расплав поддерживается в горячем состоянии из-за процесса окисления примесей руды, проходящего с выделением температуры. Далее полученное железо подвергается дополнительному науглероживанию с образованием стали. Основное отличие двух способов состоит в химическом составе плава.
В томасовском процессе могут быть использованы загрязненные серой и фосфором руды – продукты окисления фосфора и серы связываются материалом футеровки, давая окисляющий железо углекислый газ. У этого способа есть недостаток – фосфор и сера удаляются из плава не в полном объеме, поэтому железо получается более ломким. В бессемеровском же процесса футеровка печи не позволяет использовать основные флюсы, что делает его более требовательным к качеству руды. Однако этот способ дает более качественное железо, что и определило его производственное преимущество в долгосрочной перспективе.
Настало время сказать несколько слов и про мартеновский процесс. Он был открыт в 1864 году французским инженером Пьером Мартеном. Основное его отличие от бессемеровского и томасовского способов состоит в том, что газообразное топливо (обычно природный газ или коксовый газ) подаются прямо в зону плавки, где расплавляют чугун и одновременно окисляют его. Мартеновский процесс получил особенно широкое распространение в качестве способа передельной металлургии, которая использует для выплавки новой стали железный лом.
Сейчас практически все процессы старины глубокой (кроме доменной выплавки, конечно) уже ушли в прошлое. Их заместили новые гиганты – конвертерно-кислородный (переиначенный бессемеровский) и электродуговой способы выплавки стали. Однако история их, как мне кажется, довольно увлекательна, чтобы помнить ее и интересоваться ей.
Божественно прекрасный томасовский конвертер
Автор: Павел Ильчук
VPS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Читайте также: