Когда люди научились плавить металл
Обновлено: 21.09.2024
История развития цивилизации неразрывно связанна с освоением материалов. В этом плане трудно переоценить роль металла. Американский этнолог Генри Льюис Морган писал, что когда варвар научился получать и применять металл, тогда «девять десятых борьбы за цивилизацию было выиграно» . Появление орудий из металла способствовало не только техническому прогрессу (в земледелии, строительстве, ремеслах) , но и социальному: образование первых государств совпадает с началом бронзового века.
С металлом первобытный человек познакомился несколько тысячелетий тому назад. Имеются сведения, что примерно за 92 века до н. э. народности, населявшие территорию Анатолии (азиатскую часть современной Турции) , употребляли медь, найденную в самородном виде. Золотые изделия появились примерно за60 веков до н. э. , а изделия из метеоритного железа — примерно в ХХХ веке до н. э.
Но для того чтобы получать отливки, человек должен был научиться плавить металл. На это потребовалось 47 веков. Самые древние отливки, обнаруженные археологами на территории Анатолии, Месопотамии, Ирана, датируются ХLV веком до н. э. Спустя несколько веков технологии литья была освоена народами, населявшими Кавказ, северную Африку, Европу.
В истории развития литейной технологии можно выделить три периода:
Первый (от появления первых отливок до ХIV века н. э. ) — это период примитивной технологии. На этом этапе имело место исключительно индивидуальное производство в основном предметов, быта, культа, оружия, украшений.
Второй (от ХIV н. э. до середины ХIХ века) — период ремесленной технологии. Литье превратилось в самостоятельное ремесло. Ручная формовка достигла совершенства.
Третий (от середины ХIХ века до конца ХХ века) — период промышленной технологии. Организованно механизированное массовое производство самых разнообразных отливок.
Такое деление условно, поскольку на протяжении каждого этапа искусство литья использовало взлеты и падения. Еще в древности создавались уникальные литые изделия. Так, технология литья по выплавляемым моделям была известна еще в Древнем Шумере (ХХVI век до н. э.) , Древней Индии (ХХХ век до н. э.) , Древней Греции и Этрурии (VI век до н. э. ) Владели ею древние племена, населявшие экваториальную Африку (IV — ХII век н. э.) . Литье в кокиль скифы применяли около двух с половиной тысячелетий тому назад. Греческие литые бронзовые украшения по сей день считаются образцами совершенства и подражания.
Однако с исчезновением культур угасало искусство литья. Кроме того в древнем мире ремесленники старались держать в секрете особенности освоенной технологии, она передавалась, как правило, по наследству. И нередко последний в династии уносил с собой в могилу секреты ремесла.
Характерным примером служит булатная сталь. Древнеиндийские мастера выплавляли ее еще за 13 веков до н. э. , но потом секрет был утрачен. Позднее булатные клинки изготавливали в Персии, Сирии, Египте, а в середине века — в Дамаске, но вновь с течением времени технология была утеряна. И только в середине прошлого века русский металлург П. П. Аносов раскрыл этот секрет, что позволило воспроизводить уникальные изделия из булатной стали.
Исскуство литья в древности
Первоначально для литья использовали формы из влажной глины. Отпечаток модели в этих формах получали путем вдавливания. Несколько позднее появились каменные формы, сначала — открытые, а затем и закрытые.
Первым литейным материалом стала бронза. Технология получения бронзы путем сплавления меди и олова была известна в Древнем Египте и Вавилоне в 3-м тысячелетии до н. э. В древнешумерском заклинании огня есть такие слова: «Меди и олова плавитель есть ты. . » . Египтяне обозначали медь и бронзу одним иероглифом, но в первом случае к нему добавляли значок, который переводится как «настоящая» , а Вов втором — «искусственно приготовленная“. В древнеегипетских папирусах и вавилонских глиняных табличках 2-го и 3-го тысячелетия до н. э. бронза упоминается.
Впервые научился высекать огонь неандерталец, и произошло это примерно сто тысяч лет назад.
Поговаривают иной раз, будто Прометей научил человека плавить металл. Примерно шесть тысячелетий тому назад люди жили в каменном веке. Такое название этот период получил потому, что все необходимые инструменты и оружие делались людьми из камня. Тогда человек еще не умел использовать металл.
Вероятнее всего, первыми металлами, с которыми люди научились обращаться, стали медь и золото. Причиной этому послужил тот факт, что и медь, и золото встречаются в природе не только в рудах, но и в чистом виде. Люди находили целые самородки золота и куски меди и при помощи молотка придавали им нужную форму. Причем металлы эти не нужно было даже плавить. И хотя нам до сих пор неизвестно точно, когда люди научились использовать металлы, но ученые могут поручиться за то, что человек впервые применил медь примерно в пятом тысячелетии, а золото - не позже четвертого тысячелетия до нашей эры.
Приблизительно в третьем тысячелетии до нашей эры люди открыли некоторые из наиболее важных свойств металлов. К тому времени человек уже познакомился с серебром и свинцом, но чаще всего использовал по-прежнему медь, главным образом из-за прочности, да и, пожалуй, еще потому, что медь встречалась в изобилии.
Начав работать с металлами, люди научились придавать им нужные формы и делать из них посуду, инструменты, оружие. Но как только человек познакомился с металлами, он не мог не обратить внимание на их полезные свойства. Если металл нагреть, он становится мягче, а если потом вновь остудить, он снова твердеет. Человек научился лить, варить и плавить металлы. Помимо этого, люди узнали, как можно добывать металлы из руд, ведь те значительно чаще встречаются в природе, чем самородки.
Позднее человек открыл олово, а научившись смешивать, плавить медь и олово, начал делать бронзу. В период с 3500 до примерно 1200 года до нашей эры бронза стала основным материалом, из которого изготавливали оружие и орудия труда. Этот период человеческой истории называется бронзовым веком.
Находя упавшие на нашу Землю метеориты, люди узнали о железе - причем задолго до того, как они научились получать его из земных руд. Приблизительно в 1200 году до нашей эры человек перешагнул и этот барьер - научился плавить железо. Умение это быстро распространилось по всему миру. Железо заменило медь практически во всех областях. Это стало началом следующего, железного века. Кстати, во времена могущества Римской империи людям были известны золото, медь, серебро, олово, железо, свинец и ртуть.
Медь – первый металл, который впервые стал использовать человек в древности за несколько тысячелетий до нашей эры. Первые медные орудия изготовлялись из самородной меди, которая встречается довольно часто. Самый крупный самородок меди был найден на территории США, он имел массу 420 т.
Но в виду того, что медь – мягкий металл, медь в древности не смогла вытеснить каменные орудия труда. Лишь когда человек научился плавить медь и изобрел бронзу (сплав меди с оловом) , металл заменил камень. Широкое использование меди началось в IV тысячелетии до н. э.
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.
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!
Как люди научились добывать железо
Мы с вами живём на железной планете. Распространённость железа в земной коре — 4,65 %, это четвёртый показатель после кислорода, кремния и алюминия. При этом в мантии его содержание составляет 14 %, а земном ядре — 86 %. Оттого не удивительно, что освоение железа было вопросом времени, и что именно на нём мы построим нашу цивилизацию.
Представьте, что о существовании металла ничего не известно. Люди использовали то, что лежало прямо под ногами и прежде всего это камни, палки и кости животных.
Процесс создания первых орудий был максимально примитивным — они обтёсывали камни, ударяя друг об друга, и заостряли таким образом нужный конец.
Позже люди научились приделывать к камням древки и получили первые топоры. Таким каменным топором уже можно было срубить большое дерево, но на это могли уйти недели. Не то чтобы у первобытных людей была нехватка свободного времени, но такие темпы не позволяли им развиваться как виду.
Среди прочего людям попадались и красновато-зелёные «камни». Тогда они не знали, что это самородки меди и традиционно пытались обтёсывать ударами — куски от меди не отламывались, но менялась сама форма металла.
Медь мягче и куда эластичнее камня — из неё проще было создавать изделия методом холодной ковки, то есть без нагревания. Обрабатывали медь и методом горячей ковки: бросали самородки в костры и печи. Температура плавления меди относительно невысокая — 1083 °С. А поскольку природные металлы редко находятся в чистом виде и состоят преимущественно из примесей, температура плавления была ещё меньше. Костра под потоками ветра было достаточно, чтобы взаимодействовать с самородками меди и создавать из неё предметы.
Из-за мягкости медь в меньшей степени была пригодна для охоты и работы на полях, но получила большую популярность в ритуальных целях и в качестве украшений благодаря красивому красноватому блеску.
На смену медному веку пришёл бронзовый . Бронзу люди получили в результате сплава меди и олова: в костры с медью попадали различные примеси, среди которых было и олово.
По характеристикам они превосходили медные, отличались большей твёрдостью и устойчивостью к коррозии. К тому же бронза обладала меньшей температурой плавления, чем медь — 950 °С. Хоть бронза и прослужила людям многие сотни лет, её доминирование в мире тоже завершилось — сырья для изготовления железа было многократно больше, оно было доступнее и превосходило бронзу в твёрдости.
До того, как люди научились обрабатывать железную руду, они пользовались железом метеоритного происхождения. Прослеживается это и в ранних названиях металла: древние египтяне называли его «небесным телом», шумеры «небесной медью», а в греческом и латинском языках он именовался «звёздным».
Когда прославленный испанский конкистадор Эрнан Кортес спросил у ацтекских вождей, откуда у них ножи, они показали ему на небо.
Такое железо было редкостью, считалось драгоценным как золото и потому использовалось больше в ритуальных целях. Его было недостаточно, чтобы человечество вступило в новый этап истории, вытеснив бронзу.
Считается, что первыми освоили производство железа хетты около двух тысяч лет до нашей эры — это территория современной Анатолии в Турции. Но железная металлургия распространялась по миру неравномерно и довольно неспешно.
Первым металлургическим агрегатом для добычи железа из руды был сыродутный горн. Поначалу их рыли на склонах холмов, чтобы создавалась естественная воздушная тяга. Позднее их стали рыть прямо в земле, над ямой пристраивали купол с отверстием, а воздух подавали сбоку с помощью мехов из шкур животных. Их ещё называют «волчьи ямы».
Пространство изнутри покрывали толстым слоем огнеупорной глины, чтобы сохранять жар. В ширину такой горн был в среднем один метр, а в высоту не более полуметра.
Сначала в печь закладывали древесный уголь и разжигали его, затем сверху загружали слоями поочерёдно руду и древесный уголь. Количество руды могло доходить до 20 кг. Воздух подавали с помощью мехов, которые приводились в движение руками или ногами. Температура в рабочем пространстве горна достигала 1100—1350 °С, что было недостаточно для того, чтобы полностью расплавить малоуглеродистое железо, но достаточно, чтобы через специальный жёлоб вытекали расплавленные шлаки.
В зависимости от размера печи, руды и давления воздуха обработка могла занимать от нескольких часов до нескольких дней. Когда процесс заканчивался, печь разрушали и доставали крицу — кусок пористого железа с включениями несгоревшего древесного угля и примесями шлака. Что делали дальше? Вручную методом ковки удаляли из крицы уголь и шлаки до тех пор, пока не получали пригодное железное сырьё для создания инструментов.
Поначалу такое производство не было эффективным: вес крицы составлял не более 20 % от заложенной руды — основная масса вытекала со шлаком.
Со временем люди научились получать железо эффективнее. Для этого они увеличивали высоту горна и совершенствовали механизмы продувки. Например, в Китае использовали водяное колесо, которое приводило в движение ящики с воздухом. Так они достигали температуры 1350 °С — достаточной для производства чугуна.
Сыродутный горн с различными изменениями просуществовал до конца 19 века, а в некоторых особенно удалённых регионах им пользуются до сих пор как самым доступным способом добычи железа.
В будущем расскажем про появление домниц, влияние чугуна на металлургию и освоение стали.
Читайте также: