Введение в металлургию. Часть 1

Каргин В.Р.

СГАУ, 2010 г.

ИЗ ИСТОРИИ МЕТАЛЛУРГИИ И МЕТАЛЛОБРАБОТКИ

Первый металл, с которым человек познакомился примерно за 8000 лет до н. э. и начал обрабатывать давлением, это золото. Далее идут медь, самородное серебро, метеоритное железо. Век металлов наступил, когда человек освоил процессы выплавки металлов из руды, литья и ковки. Железо впервые было обнаружено (земное происхождение) около 3000 лет до и. э. на Ближнем Востоке и стало активно вытеснять медь и бронзу.

Первый способ получения железа - сыродутный. В яму загружали железную руду вместе с древесным углем, плотно ее закрывали, поджигали и раздували мехами. Под воздействием газа СО происходило прямое восстановление железа из руды. Получали крицу.

Сыродутный процесс был широко распространен до 18 века. В Европе он сохранился до 1850 года, а в Северной Америке - до 1890 г. В настоящее время сыродутные горны можно встретить в Центральной Африке.

Кожух сыродутного горна изготавливался из глины вперемежку с деревянными жердями. В рабочее пространство горна загружали слоями уголь и измельченную руду. Через отверстия поступала воздушная тяга. Крица - это продукт, состоящий из сваренных между собой частиц восстановленного железа («криц»), находящихся в тестообразном шлаке. Крицу извлекали через пролом в стенке горна, и к делу приступал кузнец: проковывали крицу и «выдавливали» шлак. Затем крицу разделяли на части, проковывали и придавали нужную форму.

Со временем стенки сыродутного горна стали выкладывать из кирпича и применять принудительное воздушное дутье (мехи). Так, постепенно сыродутный горн преобразовался в домницу - прообраз современных доменных печей. В этом процессе роль восстановителя (древесного угля) росла. Получаемый железо-углеродистый сплав, насыщенный углеродом, снижал температуру плавления. Так, по ходу развития процесса, стали получать два продукта: железо (крица) и чугун. Чугун был побочным продуктом, свойства которого не были известны. Со временем были разработаны процессы «передела» чугуна в ковкое железо. Основная задача - «выжечь» углерод из чугуна. Этот процесс получил название «кричный передел», или «фришеванне» (от нем. frisch - свежий, чистый).

В 1784 году англичанин Генри Корт предложил способ «пудлингования» (от англ, puddle - месить, перемешивать). Это было начало металлургии стали. Процесс сводится к очистке чугуна от углерода в пламенной печи. Продукт процесса, железо, в горячем виде проковывали на «колбаски» (диаметром 7-10 см и длиной 50 см). Эти заготовки раскатывали на полосы, затем разделяли на куски длиной 50 см и еще раз прокатывали, накладывая по четыре полосы одна на другую. Получали «сварочное железо». Но сварочное железо имело существенный недостаток - неравномерность свойств по сечению. Англичанин Бенджамин Хатсмен (1704-1777 гг.) пришел к выводу, что состав можно выровнять путем переплава.

Основателем сталеплавильного производства следует считать англичанина Генри Бессемера (1813-1898 гг.). В 1855 г. он впервые предложил получать сталь из жидкого чугуна, продувая его воздухом.

Для переработки фосфористых чугунов англичанин Сидней Джилкрист Томас (1850-1885 гг.) предложил в 1877 г. продувать жидкий чугун воздухом в конвекторе с основной футеровкой.

Бессемеровский и томасовский процессы позволяли получать сталь из жидкого чугуна. Но эти процессы не предусматривали использование отходов металлообработки (скрап). Немецкие металлурги Вильгельм и Фридрих Сименсы предложили регенеративную печь. В 1864 г. французскому металлургу Пьеру Мартену (1824-1915 гг.) удалось впервые выплавить сталь из отходов в регенеративной печи Сименсов. Этот процесс получил названия: «мартеновский» во Франции и России, «сименс-мартеновский» в Германии и «npoцесс на открытом поду» в Англии и США.

Развитие обработки металлов давлением началось с ковки самородных металлов и, вероятно, раньше, чем человек научился выплавлять металлы.

Первые изделия из метеоритного железа получали ковкой. Греки приписывали изобретение ковки Гефесту - богу огня и покровителю кузнецов.

Следующим по времени освоения процессом обработки металлов давлением было волочение. В III-IV тысячелетии до н. э. в Вавилоне при изготовлении украшений из благородных металлов (золота и серебра) применяли волочение. Первые волоки были получены из камня. Протягивание проволоки производили вручную. В последующем основным волочильным инструментом была доска с просверленными в ней отверстиями различного диаметра. Последовательно протаскивая заготовку через несколько отверстий с уменьшающимся диаметром, получали проволоку нужного размера.

На территории нашей Родины в XIII в. до н. э. были известны орудия и оружие из железа. Железо получали прямым восстановлением руд в сыродутных печах в форме губчатых криц, из которых ковали всевозможные изделия. Основное оборудование кузнеца Древней Руси составляли: кузнечный горн, меха, наковальня, а инструментом служили кувалды, зубила, клещи.

Металлографическое и рентгенографическое изучение железных изделий археологических памятников показало, что в Х-ХШ в. н. э. техника обработки железа на Руси достигла большого совершенства. В то время широко применяли наряду со свободной ковкой кузнечную сварку, пайку медью, полировку, цементацию, термическую обработку (закалка, отпуск).

Примерно до XV века основной продукцией ковки были косы, серпы, топоры, лемеха, предметы хозяйственного инвентаря, оружие, доспехи. Кузнечной сваркой получали многослойные мячи из полос железа и стали, наваривали стальные лезвия на железные топоры. Для изготовления кольчуг применяли волочение проволоки из мягкой стали. На одну кольчугу требовалось до 600 метров проволоки, из которой изготавливали примерно 20 тысяч колец. Каждое кольцо продевалось через соседнее и заваривалось с помощью кузнечной сварки. Значительное усовершенствование ручного волочения было достигнуто при изобретении волочильного производства с качающимся сиденьем.

Примерно до X века главными потребителями и изготовителями проволоки из меди, серебра, золота и их сплавов были мастера- ювелиры. Из проволоки делали золотошвейную пряжу и канитель - тонкие спирали, которые использовали для вышивания одежд. В XI- XIII веках волочение становится самостоятельной отраслью металлообработки. Создаются цеховые объединения волочильщиков проволоки. Их продукция предназначалась для изготовления иголок, булавок, гвоздей, щеток.

Высокий уровень техники обработки железа в Древней Руси и масштабы его производства позволили не только удовлетворить потребность страны, но и экспортировать железные изделия в западные страны.

К концу XVI века Новгород населяли около 5,5 тысяч людей разных профессий, 600 из них были связаны с обработкой металла: 112 кузнецов, 38 ножовщиков, 35 котельников, 21 гвоздочник, 18 оружейников, 17 замочников, 12 ведерников, по несколько человек лемешни- ков, скобочников, игольников, булавочников и так далее. По всей Руси жили десятки тысяч мастеров по обработке металлов давлением.

Переход от сыродутного способа получения железа к доменному производству чугуна с последующим переделом его в железо в кричных горнах явился большим шагом вперед.

Создаются государственные металлургические заводы на Урале (1630 г.), начинается применение водяных двигателей для привода молотов и волочильных станов (1644 г.). Первый волочильный стан состоял из двух барабанов: рабочего и размоточного, между которыми размещалась волочильная доска. Рабочий барабан приводился в движение от энергии падающей воды.

Развитие металлургии в России особенно ускоряется при Петре I. На Урале строятся казенные и частные заводы для выплавки меди и чугуна. К тридцатым годам XVIII в. Россия не только догнала западные страны по выплавке чугуна, но и опередила их и заняла первое место в мире.

Возникновение следующего по времени процесса обработки металлов давлением - прокатки - связывают с именем гениального художника и инженера Леонардо да Винчи, опубликовавшего в 1495 г. первые печатные материалы по прокатке. Со свойственной ему проницательностью и гениальностью он предложил прокатку стальных полос переменной толщины. Его предложение по прокатке конических орудийных стволов было осуществлено лишь в середине 50-х годов XX века. Однако до конца XVIII в. прокатку применяли для отделки предварительно откованных железных полос. Для уменьшения толщины кованых полос применяли прокатные станы дуо с цилиндрическими валками, называвшиеся тогда «плющильными машинами».

В конце XVIII века были сделаны крупные изобретения, способствовавшие значительному прогрессу в металлургии и, в частности, в обработке металлов давлением. Было изобретено пудлингование, позволившее получать железо в больших количествах, лучшего качества и более дешевое. Изобретение паровых машин для привода (Ползунов в 1760 г. и Уатт в 1784 г.) позволило создать мощные воздуходувки, обеспечивающие получение чугуна на коксе взамен древесного угля. Паровые машины для привода прокатных станов позволили обрабатывать железо из пудлинговых криц, минуя ковку. Началом применения прокатки для обработки железа считается 1784 г. (патент английского инженера Корта), хотя в 1782 г. на Черноэском заводе был установлен стан для прокатки кровельных листов с приводом от водяного колеса. В 1839 г. был создан паровой молот (английский инженер Нейсмит). Указанные усовершенствования привели к значительному росту выплавки чугуна в начале XIX в. в западных странах, особенно в Англии, и к сокращению импорта железа из России.

Еще один способ обработки металлов давлением - прессование, как технологический способ стал возможен лишь в конце XVII в. Стимулом к воплощению идей, охватывающих процесс прессования, стала возрастающая в XVII-XVIII вв. потребность в трубах для подачи жидкостей . Местом первых разработок в этой области была Англия.

Первый гидропресс запатентован в 1795-1797 гг. английским инженером Джозефом Брама, современником и конкурентом Д. Уатта. Пресс напоминал ручной насос и позволял прессовать свинцовые трубы. В 1820 г. англичанин Томас Барр сконструировал вертикальный гидропресс для прессования свинцовых труб. Прообразом современных горизонтальных гидропрессов стал пресс конструкции Г. Дика, созданный в Германии в 1894-1895 гг. Его появлением положено начало промышленному применению прессования профилей и труб из меди, медных и алюминиевых сплавов. Этот процесс в известной области стал вытеснять прокатку, обработку металлов резанием и литье.

Развитие железнодорожного транспорта в XIX в. потребовало большого количества стали для изготовления паровозов, вагонов, мостов, рельсов. Изобретение бессемеровского и мартеновского способов производства стали обеспечило ее получение в большом количестве в виде крупных слитков. Для их обработки потребовались мощные прокатные станы, молоты и прессы. Применение электродвигателей в конце XIX в. стало шагом вперед в развитии металлургии и особенно в обработке металлов давлением.

Несмотря на отставание в XIX в. металлургии России, во многих случаях русская техника опережала западную. Так, на русских военных заводах в 1800 г. применяли горячую объемную штамповку, а на западе этот процесс не был известен. Качество оружия благодаря трудам Аносова и Обухова было выше западноевропейского.

Для военных флотов сооружались первые броненосцы. Для этого нужны большие броневые плиты. Изготовление таких плит ковкой было процессом крайне трудоемким и дорогостоящим. В 1859 г. Русский механик В.С. Пятов сконструировал первый в мире мощный прокатный стан для производства броневых листов. Этот стан стал предшественником современных обжимных станов - блюмингов и слябингов.

Начиная с середины XIX века, чрезвычайно широкое распространение получает штамповка

В XX веке строительство тракторных, автомобильных, авиационных и других заводов сопровождалось созданием на них современных цехов горячей объемной и холодной листовой штамповки. Получили большое развитие и процессы волочения, прокатки и прессования.

Сегодня в металлургии существуют пять основных способов обработки металла давлением: ковка, штамповка, прокатка, волочение и прессование. Каждый из них имеет свою область применения. Обычно при получении какой-либо детали на разных стадиях используют несколько видов обработки давлением. В результате все существующие способы дополняют друг друга, взаимно расширяют свои возможности.

Необычайно разнообразно оборудование для обработки металлов давлением: громадные обжимные прокатные станы и прессы, роботизированные ковочные комплексы, полностью автоматизированные штамповочные линии, деталепрокатные агрегаты, уникальные станы для получения тончайшей фольги и проволоки.

Россия сыграла выдающуюся роль в металлургии черных и цветных металлов, поэтому важно рассмотреть исторические даты развития металлургии нашей Родины.

1628 г. - начало разработок железных руд на Урале (Турьинский рудник).

1631 г. - построен первый на Урале железоделательный (бездоменный) завод.

1637 г. - на реке Тулица (Тула) построен первый в России металлургический завод с доменным и передельным цехами.

1813 г. - построен первый рельсопрокатный завод в Санкт- Петербурге.

1817-1847 гг. - деятельность великого русского металлурга Π. П. Аносова на Златоустовском металлургическом заводе (открытие секрета булата).

1857 г. - впервые в России проведено бессемирование стали.

1868 г. - Д. К. Черновым открыты критические точки (точки Чернова). Заложены научные основы металлографии и термической обработки металлов.

1910 г. - пущена первая дуговая электропечь для выплавки сталей на Обуховском заводе (Санкт-Петербург).

1916г.- начато строительство завода «Электросталь». Пуск первой электросталеплавильной печи на этом заводе состоялся в 1917г.

1924 г. - опубликован труд проф. М. А. Павлова «Определение размеров доменных и мартеновских печей», сформулироваший научные основы для их расчетов и проектирования.

1931г. - пущен крупный завод ферросплавов в г. Челябинске.

1932г. - вошли в строй Магнитогорский и Кузнецкий комбинаты - крупнейшие в мире металлургические предприятия.