Железо. Факты и легенды

Беккерт М.

Металлургия, 1988 г.

Ранний железный век в Центральной и Западной Европе получил название "гальштатский" по месту основных находок материальных свидетельств этого периода и продолжался с VIll no V век до н.э. С этого времени начинается собственно железный век, практически его расцвет, когда железо в Европе стало важнейшим и наиболее распространенным металлом, применяемым в хозяйственной и военной деятельности человека. Это период с V до конца I в. до н.э., называемый по месту основных находок (Швейцария) "латенским".

В скандинавских странах принято распространять понятие "железный век" и на первое тысячелетие нашей эры, включая в него период господства викингов, который закончился в XI веке. Латенская культура связана с племенами кельтов. Этот народ достиг больших успехов в развитии металлургии железа, о чем. свидетельствуют их намного более совершенные металлургические печи. Доказано, что кельты применяли уже печи типа шахтных и дутьевые мехи, т.е. кричные горны. Кельты создали новые технологические процессы обработки железа. Так, они научились оснащать железные инструменты (топоры, лемехи, мечи и ножи) стальными лезвиями, применяли закалку и отпуск, изготовляли медицинские инструменты, владели насечкой, т.е. украшением железных изделий благородными металлами, а также другими способами обработки поверхности. У кельтов получению железа и его обработке научились римляне и германцы. В течение многих столетий созданные кельтами способы оставались неизменными, поэтому кельтские металлурги и кузнецы были непревзойденными учителями. Викинги в X веке получали железо из руд точно так же, как пятнадцатью веками ранее это делали кельты. Тем не менее дальнейшее развитие способов обработки железа все же происходило. Викинги усовершенствовали изготовление железных болтов и гвоздей для своих судов. Очевидно, им принадлежит также приоритет в изобретении волочильного процесса (получению проволоки) и в изготовлении проволочных сеток.

С самого начала железного века возникла прямая технологическая цель руда - железо. Это был одностадийный процесс Обычным металлургическим устройством был сыродутный горн, в котором железо получали не в жидком расплавленном) состоянии, а в виде куска тестообразной, пропитанной шлаком крицы. После того как в печах начали применять дутье с приводом мехов от водяного колеса, температуры возросли настолько, что наряду со шлаком в печи начало скапливаться и жидкое железо, насыщенное углеродом. Это был не поддававшийся ковке чугун, с которым вначале не знали что делать, и поэтому он шел в отвал. Но вскоре научились чугун, как и бронзу, заливать в формы, то есть бывший ненужным продукт использовать в виде, литья. В Китае литейный чугун стал известен на несколько столетий раньше, чем в Европе и на Ближнем Востоке. Очень важным в дальнейшем совершенствовании металлургии-железа оказался тот факт, что из чугуна при его переплаве в присутствии воздуха в открытой печи, то есть в кричном горне (так. называемый кричный процесс), получается ковкое железо. Этот процесс назвали "фришеванием". Цель его — сделать чугун "здоровым" путем выведения из него нежелательных примесей. В результате технологическая цепь усложнилась: не руда — железо, » руда — чугун — ковкое железо, т.е. сталь. Процесс стал двустадийным. Благодаря новому технологическому звену удалось резко увеличить производство железа. Потребности общества, находившегося в стадии перехода от феодализма к раннему капитализму, способствовали прогрессу в ряде отраслей. В металлургии, в частности, в этот период возникли и получили распространение чугунное и стальное литье, производство стального листа и проволоки, обработка поверхности и другие технологические процессы. Во многих местах, особенно в городских коммунах, железо-обрабатывающее производство достигло высокого уровня. Характеризуют этот период выдающиеся по мастерству и художественному исполнению изделия из железа и стали, что свидетельствует о большом шаге вперед, который сделала металлургия железа и технология его обработки. При всех различиях общественного развития наиболее передовых государств Европы XVIII столетия в одном отношении между феодализмом и набиравшим силу капитализмом усматривалось много общего. Даже в абсолютистских условиях, которые существовали во Франции в начале века, богатые промышленники начали постепенно прибирать к рукам экономическую власть в стране. В тесном переплетении с устремлениями буржуазии Как класса находится и развитие науки и техники.

Особенно большой вклад в технический прогресс внесли естественные науки, которые начали получать значительную материальную поддержку со1 стороны государства. Это был сложный процесс со многими нюансами. Современная наука проникла и в металлургию железа. Во Франции Рене Антуан де Реомюр впервые создал научно-обоснованную теорию термической обработки материалов на основе железа. Это было ударом колокола, сигналом к действию, но те, кому он предназначался, не услышали его. Реомюр проводил* обширные исследования и эксперименты с целью объяснения процессов, протекающих при графитизации чугуна и цементации стали. Примерно в это же время швед Эмануэль Сведенборг написал и издал в Лейпциге первую фундаментальную учебно-справочную книгу по металлургии железа. Современник обоих ученых, английский часовщик Бенджамен Ханстмен, сделал одно из самых значительных изобретений в металлургии железа. Он нашел способ выплавки тигельной стали, позволивший получать качественную сталь в значительных количествах. Реомюр, Сведенборг и Ханстмен в меру своих способностей сил и возможностей служили науке и техническому прогрессу того времени и заложили основы новых взаимоотношений между наукой и технологией в металлургии железа.

Интенсивный рост городов, развитие торговли и ремесел, начавшееся в конце средних веков, привели к тому, что в лоне феодализма созрели зерна будущих социальных перемен. Однако пройдет еще много времени, прежде чем окончательно восторжествуют новые, капиталистические, отношения. Вначале укрепила свое влияние буржуазия Англии и Нидерландов. Связанный с этим экономический подъем оказал многостороннее воздействие на общество в целом. В указанных странах это прежде всего привело к повышенному спросу на железо. Поскольку металлургия железа базировалась на древесном угле, из-за хищнической вырубки лесов возник дефицит в древесине., Были и другие ее потребители — усиленно развивавшееся кораблестроение, гражданское строительство, многочисленные ремесла. Расходовалась древесина и для отопления домов. , Дальнейший рост черной металлургии сдерживался из-за недостатка топлива. Возникла проблема применения каменного угля при выплавке чугуна в доменной печи и при производстве стали во фришевальных печах. Многие изобретатели и предприниматели пытались решить эту задачу, но успеха добились немногие. Относится ли к последним Дад Да дли, трудно сказать, но. наверняка к ним относятся Дерби, и Генри Корт. Насколько важно было решить проблему замены древесного угля каменным, видно из слов лорда Шеффилда, относящихся к 1786 году: "Изобретенный лордом Дандональдсоном процесс получения кокса из каменного угля, паровая машина Уатта и отапливаемая каминным углем подовая печь Генри Корта, предназначенная для фри-шевания стали, принесут Англии больше пользы, чем потерянные в 1786 году тринадцать североамериканских колоний. . . , ибо эти изобретения обеспечат нашему отечеству господствующее положение в торговле чугуном и сталью', тем более, что мы являемся также сильнейшей в мире морской державой". К началу XIX столетия Англия превратилась в ведущую промышленную державу мира. Производство машин при помощи машин и связанное с этим все большее разделение труда привели к специализации в машиностроении (вначале английском) и точности, нигде ранее не достигнутой и даже не виданной. Авторитет английской инженерной мысли стоял на прочном фундаменте, и он не поколебался даже тогда, когда другие промышленные страны догнали и даже перегнали в своем развитии "мастерскую мира". Дольше всего Англия сохраняла ведущую роль в черной металлургии. Все основные современные процессы производства чугуна и стали исходят из Англии. Вплоть до появления способа-Бессемера сталь получали из чугуна пудлингованием его в тестообразном состоянии. Металлические материалы на основе железа, отличавшиеся хорошей ковкостью, но не поддававшиеся закалке из-за низкого содержания углерода, называли сварочным железом. Более твердые и закаливающиеся 'сорта такого железа называли сварочной сталью. При фришевании (окислении) чугуна продувкой воздухом по методам Бессемера и Томаса, а также в мартеновской лечи сталь получали не в тестообразном, а в жидком состоянии, поэтому такой металл в отличие от сварочного раньше называли литым железом или литой сталью. Непрерывно возраставший спрос на стальные изделия можно было удовлетворить, только применяя этот новый высокопроизводительный способ. С 1800 до 1860 года ежегодная выплавка чугуна в Англии возросла со 100 тысяч до 2 миллионов тонн и даже более; а к 1870 году утроилась. В это время черная металлургия Англии давала больше чугуна и стали, чем весь остальной мир. Процесс превращения чугуна в сталь в бессемеровском или томасовском конверторе продолжался столько минут, сколько часов требовалось для этой цели при использовании кричных горнов и занимал лишь одну десятую долю времени, необходимого для пудлингования. В мартеновской печи процесс превращения чугуна в сталь легко поддается контролю и регулированию, поэтому появилась возможность перейти к получению качественной стали. Мартеновская печь, помимо прочего, является идеальным агрегатом для переработки стального лома. Железо сегодня — важнейший металл цивилизации. Сохранится ли такое положение впредь или керамические и прежде всего высокополимерные материалы постепенно вытеснят этот металл? Не являемся ли мы свидетелями конца "железного века"? Растущие объемы производства чугуна и стали говорят нам о другом — о том, что железо еще очень длительное время будет материалом номер один. Железо, как никакой другой металл, используемый в технике, обладает удивительной способностью к изменению свойств, и не случайно поэтому на его основе создано более десяти тысяч сплавов. В будущем предпочтение будет отдано технологическим процессам получения стали непосредственно из руд, а не из промежуточного продукта — чугуна. Значительное место в металлургии железа займут высокопроизводительные переплавные процессы. Нельзя точно сказать, когда именно принципиально новые технологические способы, например биотехнические, начнут в значительной степени вытеснять, заменять или хотя бы дополнять традиционные, однако, несомненно, что в ближайшие десятилетия в технике легирования и обработки стали произойдет значительный прогресс. Разработанная в последние годы термомеханическая обработка, предусматривающая проведение пластической деформации совместно с фазовыми превращениями, дала поразительные результаты. Не будет преувеличением сказать, что это первые шаги совершенно нового направления в обработке стали. Можно себе представить, что и другие научные направления в Технологии обработки откроют совершенно новые аспекты, например путем направленного изменения структуры можно будет обеспечить совершенно новые по своей природе комплексы свойств. Дальнейшее развитие процессов получения и обработки ста и прогнозировать пока затруднительно.