2015-05-13
3884
Из записей одного храма в Балгале:
"нагреть кинжал, пока он не засветится как восходящее в пустыне солнце, затем погрузить его в тело сильного раба, пока он (кинжал) не примет цвета царского пурпура…"
Хубайм Тифлиси. Описание ремесел. (перевод с персидского Г.П. Михалевича, М., 1976, 256 с.) Написан в ХII веке в Конии (Малая Арея) при дворе одного из сельджуйских султанов. Автор – из Азербайджана.
Закаливание меча. Если кто-либо захочет так закалить клинок, что он будет рубить все что им не ударить и станет очень острым, пусть смешает желчь барана с мочой осла и закаливает в этой смеси клинок. После этого клинок будет рубить все что не ударить и станет очень опасным.
Закаливание любого клинка. …пусть смешает кровь собаки, человеческую мочу и сок лука порея и пропитает этим старый хлопок, обернет его этим влажным хлопком и оставит на три дня в горячем навозе. Потом пусть вынет и пользуется.
Ранний железный век в Центральной Европе получил название "гальштатский" по месту основных находок материальных свидетельств этого периода и продолжался с VIII по 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. Этот период, с V до конца I в. до н.э., называется, по месту основных находок, "латенским" (Швейцария). 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.
Кельты создали новые технологические процессы обработки железа. Так, они научились оснащать железные инструменты (топоры, лемехи, мечи и ножи) стальными лезвиями, применяли закалку и отпуск, изготавливали 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 оставались 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 происходило. Викинги усовершенствовали изготовление железных болтов и гвоздей для своих судов. Очевидно, им принадлежит также приоритет в изобретении волочильного процесса (изготовление проволоки) и в изготовлении проволочных сеток. Процесс получения железа выглядел следующим образом: В начале заполняли нижнюю часть шахты печи древесным углем. В стенке печи делали отверстие, куда были вставлены мундштуки кожаных мехов. При вдувании воздуха уголь в печи разгорается, а следовательно, повышается температура, и железо начинает плавиться, стекая в нижнюю часть горна, так как оно тяжелее других компонентов. По мере остывания меняется состав жидкого железа, и оно становится все более вязким. Кроме того, попутно железо захватывает частички шлака. После того как прогорает весь уголь и переплавляется руда, получается пропитанный шлаком кусок железа размером с две человеческие головы. Затем это железо обрабатывается кузнецами. Широко известны знаменитые длинные кельтские мечи, у которых на мягкий стержень наплавлены стальные лезвия. Сталь для изготовления инструментов и оружия кельты получали науглероживанием железа в огне древесного угля. Был еще один очень своеобразный способ получения стали. О нем сообщает древнегреческий историк Диодор Сицилийский. Они закапывали кованные железные пластинки в землю и держали их там до тех пор, пока ржавчина не съедала все слабые части. Из оставшихся более прочных частей они затем ковали свои превосходные мечи и другое оружие.
Важный шаг в совершенствовании конструкции сыродутных горнов был сделан в Каталонии (Испания) в VIII в. Каталонский горн имел раздельную загрузку руды и древесного угля, специальную форму для подачи воздушного дутья, отдельную шлаковую летку и наклоненную переднюю стенку горна, позволяющую извлекать готовую крицу щипцами с рабочей площадки без остановки процесса. Впервые процесс производства кричного железа стал непрерывным, что резко повысило производительность горнов. Постепенно увеличивалась и высота сыродутных горнов, т.е. удлинился путь газов в печи, понизилась температура отходящих газов, повысилась температура и степень восстановления руды, поступающей в наиболее горячую зону горна. Масса крицы достигала 50-100 кг.
Применение клинчатых мехов, приводившихся первоначально мускульной силой людей, а затем с помощью либо конного привода, либо водяного колеса, позволило значительно увеличить количество сжигаемого в единицу времени древесного угля. Следствием этого было повышение температур в нижней части горна, улучшение условий восстановления железа и снижение содержания оксидов железа в шлаке.
Непревзойденным памятником кричной металлургии является знаменитая железная колонна, изготовленная древними индийскими мастерами в 415 году до н.э. и в 1050 году установленная в городе Дели. Ее масса составляет 6,5 тонн, высота 7,2 метра, диаметр у основания 42 сантиметра, на вершине – 30 сантиметров.
Несмотря на то, что многие историки называют железо демократическим материалом, оно долго оставалось достаточно дорогим. В описях сокровищницы ассирийского царя Саргона II (722-705 лет до н.э.) наряду с золотыми изделиями упоминалось о 200 тоннах кричного железа. Во времена английского короля Эдуарда III (1327-1377), начавшего знаменитую столетнюю войну с Францией, кастрюли, сковородки и вертела королевской кухни считали драгоценностями короны.
7.1.3. Гипотеза
Алексей Кузьмич Югов, автор известных романов "Бессмертие" и "Ратоборцы", провел методом сравнительного языкознания анализ эпической поэмы "Илиада" и пришел к интересной гипотезе об одном из возможных мест зарождения производства железа [22]. Изумительные, непробиваемые доспехи Ахиллеса, которые выковал знаменитому герою хромой кузнец Гефест, были не медными или бронзовыми, как у микенцев и троянцев, а железными. Железо это было добыто на Керченском полуострове, где с древнейших времен известны поверхностные железные руды. Корчий или керчий на древнерусском языке означало - кузнец. Здесь добывали руду, получали из нее железо и ковали доспехи и оружие древнерусские кузнецы, а до них – тавроскифские. Ахиллес же был вождем или князем мирмидонян, живших за Дунаем. Это слово происходит от греческого "мирмекс" – муравей, свидетельствуя о многочисленности племени.
По свидетельству древнегреческих писателей топонимика северного Причерноморья сохраняла в их время целый ряд наименований в честь и память Ахилла: Ахиллов бег, Ахилий, Ахиллов остров. На этот остров богиня Фетида, родившая сына от брака со смертным царем мирмидонян Пелеем, перенесла душу Ахилла. Погиб он под стенами Трои, южнее Дарданелл, а его культ на протяжении тысячи лет царил в Крыму и в низовьях Днепра (древнего Борисфена). Греческие писатели разных веков ставили знак равенства между понятиями народ Рос, Тавроскифы и Мирмидоны. "Черные корабли" мирмидонян стоят отдельно от греческих. Греки в поэмах Гомера называются разными именами: ахейцы, аргивиняне, данайцы. Ахиллес, единственный, отваживается подняться против "царя царей" Агамемнона. Оскорбленный последним, он перестает участвовать в схватках с троянцами, и положение греков становится катастрофическим. Но, несмотря на то, что Агамемнон умоляет героя сменить гнев на милость, гордый Ахиллес остается непреклонным.
После гибели своего друга, мирмидонянина Патрокла, Ахилл не может вступить в бой и отомстить троянцам. У героя нет достойных доспехов, снятых с Патрокла Гектором. Мать-богиня Фетида летит к богу кузнецов Гефесту и просит его сделать новые доспехи. Гомер дает описание ковки стальных доспехов, трудной даже для бога-кузнеца:
"……….от наковальни великан закоптелый поднялся,
Снял с горна меха и снаряды".
Новые доспехи Ахилла выковываются также из железа ("седое железо"), хотя на украшение доспехов и оружия пошло также серебро, золото и медь. Поэтому новый шлем Ахиллеса назван "четверобляшным".
Железо ценилось очень высоко и особенно "скифское железо". Этот термин обозначал высшее качество. Древние писатели свидетельствовали о "скифском народе, в земле которого добывается лучшее железо". Эсхилл (V век до н.э.) писал о том, что в Скифии впервые найдено железо. У Аристотеля можно найти сведения о поверхностно лежащем скифском железе, что заставляет нас подумать о керченских месторождениях. "И только одно это железо не подвергается ржавчине; но добывается оно в незначительном количестве".
В "Илиаде" железо упоминается 23 раза, в "Одиссее" – 25 раз, причем победитель соревнований дискоболов награждается Ахиллесом диском из железной крицы. Медь и бронза упомянуты на два порядка больше. И ахейцы, и троянцы живут в бронзовом веке, который очень скоро сменится железным веком.
Таким образом, скифы-пахари, гены которых получили и восточные славяне, не только кормили Древнюю Грецию пшеницей, но и были три тысячи лет тому назад создателями одной из первых технологий железного века.
Интересна оценка личности Ахилла, данная Виссарионом Григорьевичем Белинским: "Ахилл выше всех других героев целою головою…Ахилл представляет совокупность субстанциальных сил народа…он присутствует в поэме не от себя, а от лица народа, как его представитель".
В заключение приведем еще одно лингвистическое исследование А.К. Югова. У Гомера сказано: "Сих пятьдесят кораблей предводил Ахиллес знаменитый. Тавроскифские корабли вряд ли существенно отличались от древнерусских ладьей, которые вмещали по двадцать воинов, не считая гребцов. Вероятно, что Ахиллес привел под стены Трои тысячу воинов. Тысяча по-гречески: хилиой. Отсюда могло возникнуть прозвище вождя, приведшего свою тысячу. Имеются исторически достоверные случаи перевода русского имени на греческий язык греческими историками. Так прозвище племянника русского князя Владимира Золотая Рука было просто переведено греками: Хризохир. Еще один пример. Известно, что князь Ярослав Мудрый был хромой. Враги нередко называли его "Хромцом". В книге "Деяния нормандских герцогов" Ярослав Мудрый назван "Юлиус Клоудиус", а на латыни "клоудиус" означает хромой.
Отметим также, что растение тысячелистник имеет название "Ахиллеа Миллефолиум", сочетая греческое и латинское название тысячи.
7.1.4. Дамасская сталь, булат
В ряде художественных произведений, например в романе Вальтер Скотта "Талисман", описаны знаменитые дамасские клинки, обладавшие исключительной прочностью и красивым волнистым узором на поверхности.
Еще в древности металлурги знали – тигельный тип плавки, который обеспечивал высокое качество металла. Тигель это закрытый сосуд из жаропрочного материала. О знаменитой булатной стали писал еще Аристотель, живший в шестом веке. Этот процесс был распространен главным образом в странах Древнего Востока, Индии, Сирии.
Существовали различные названия одного и того же материала в зависимости от места изготовления конечного товарного продукта: в Персии – пулад (отсюда – русский булат), в Индии – вуц, в Сирии – дамаск, в Средней Азии – хорасан. Исходным материалом обычно служили стальные слитки, получаемые из Индии. Даже в середине XVIII века лучшая сталь, полученная в результате тигельного процесса, экспортировалась из Индии.
Однако тигельный способ плавки практически не годился для массового производства метала из руды. Процесс представлял собой, по сути дела, переплав в набольших огнеупорных сосудах - тиглях уже добытого ранее металла в целях очистки от нежелательных примесей. Особой славой заслуженно пользовались стальные клинки, созданные умельцами из Дамаска. Поскольку тайной выплавки тигельной стали владели лишь немногие мастера, то и масштабы ее производства были сравнительно невелики. В конце концов, технология тигельного процесса и производства дамасской стали оказались утерянными.
Индийские сталевары изготавливали вуц, добавляя углерод к кричному железу или удаляя углерод из чугуна. Процесс получения вуца из кричного железа легче поддается научному описанию. Небольшие куски железа смешивали с древесным углем и помещали в закрытый глиняный тигель диаметром около 8 см и высотою примерно 15 см. Тигель нагревали примерно до 1200°С. При этой температуре железо еще остается твердым, но его кристаллы уже имеют гранецентрированную кубическую структуру, так что атомы углерода могут внедряться в решетку между атомами железа. Углерод медленно диффундирует в железо, образуя структуру, известную ныне как аустенит. Добавка углерода снижает температуру плавления металла. Вследствие этого при достижении на поверхностях кусков металла содержания углерода примерно 2%, они покрывались тонким слоем жидкого белого чугуна. Появление расплава определялось по хлюпающему звуку при встряхивании тигля. Это означало, что значительное количество углерода уже растворилось в железе. С этого момента тигель очень медленно охлаждался (обычно в течение нескольких) дней. Медленное охлаждение обеспечивало равномерное распределение углерода в стали с концентрацией 1,5-2%. При снижении температуры металла примерно ниже 1000°С, часть углерода выпадает из раствора, образуя сетку карбида железа (Fe3C), или цементита, вокруг зерен аустенита. При медленном охлаждении аустенитные зерна вырастают до крупных размеров, поэтому цементитная сетка получается грубой.
Именно эта сетка дает характерный узор на дамасских клинках. Однако цементит имеет известные всем металлургам отрицательные свойства. У него высокая твердость, он очень хрупок при комнатной температуре. Однако металл в дамасских клинках был не хрупким, а наоборот, очень вязким. Эту вязкость дамасская сталь приобретала только после ковки, т.е. после разрушения сетки цементита. Ковка клинков из индийского вуца производилась при достаточно низких температурах. Однако средневековые кузнецы не могли точно измерять температуру в горне и могли руководствоваться только цветом металла. Сталь, нагретая в горне, может менять свой цвет от белого (1200°С) к оранжевому (900°С) и далее к другим тонам. По все вероятности дамасскую сталь ковали в диапазоне температур от 850°С (вишневый цвет) до 650°С (кроваво-красный цвет). При более высоких температурах происходило бы вторичное растворение цементита в аустените. Если бы ковка велась при температуре ниже 650°С, то непрерывная цементитная сетка разбивалась бы на отдельные сферические частицы карбида.
Дамасские клинки после ковки обычно закаливали термообработкой. Клинок нагревали до температуры выше температуры превращения объемно-центрированного феррита в гранецентрированый аустенит (727°С) и быстро охлаждали в воде, рассоле или другой жидкости. По историческим свидетельствам у средневековых кузнецов было много различных рецептов для закалки дамасских клинков. Часто они придавали важное значение таким деталям, которые современному инженеру покажутся фантастическими. Некоторые мастера утверждали, например, что клинок нужно закаливать в моче рыжеволосого мальчика. Другие предпочитали мочу трехлетней козы, которую перед технологическим процессом необходимо кормить только папоротником. Другие рецепты приведены выше.
7.1.5. Чугун и сталь
Увеличение высоты печей и более интенсивная подача дутья способствовали повышению температуры и более сильному развитию процессов восстановления и науглероживания металла. Вместо тестообразной массы получали высоко углеродный железистый расплав с примесью кремния и марганца (в Европе примерно в 13-14 веках). В том же 14 веке создали кричный передел чугуна в железо. Переплавляя чугун в кричном горне, его очищали от примесей. Так возник двухстадийный процесс получения железа и стали.
После того как в печах начали применять дутье с приводом мехов от водяного колеса, температуры возросли настолько, что подряд со шлаком в печи начало скапливаться и жидкое железо, насыщенное углеродом. Это был не поддающийся ковке чугун, с которым в начале не знали что делать, и поэтому он шел в отвал. Но вскоре научились чугун, как и бронзу, заливать в формы, то есть бывший ненужный продукт использовать в виде литья. В Китае литейный чугун стал известен на несколько столетий раньше, чем в Европе и на Ближнем Востоке. Иногда и в Европейских музеях находят чугунные изделия с возрастом на тысячу лет раньше, чем принято обычно. Есть известия, что греки и римляне иногда плавили железо (скорее всего, это был чугун). В Китае находится самая большая чугунная скульптура в мире – лев длиною 20 футов и высотою 18 футов, имеется много отливок чугунных Будд. Чугунные мечи и копья производились, по крайней мере, в первые два века нашей эры, а может быть и раньше. Профессор Колумбийского университета Т.Т. Рид установил, что в Китае в металлургии повсеместно использовался не древесный уголь, а каменный, содержащий большое количество фосфора. Кроме того, при получении металла из руды в шихту добавляли фосфат железа. Известно, что если железо содержит 6,7% фосфора, то его температура плавления будет на 100°С ниже, чем у меди и на 200°С ниже, чем у чугуна. Качество металла, безусловно, не очень высокое.
Очень важным в дальнейшем совершенствовании металлургии железа оказался тот факт, что из чугуна при его переплавке в присутствии воздуха в открытой печи получается новое железо. В результате технологическая цепь усложнилась. Не руда – железо, а руда – чугун – новое железо, т.е. сталь. Благодаря новому технологическому звену удалось резко увеличить производство железа. Таким образом, металлургия чугуна и стали приобрела новые масштабы.
Потребность в стали росла - росли и размеры сыродутных горнов. В средние века горн приобрел вид шахтной печи, достигавшей в высоту нескольких метров (в России эти печи называли домницами - от древнерусского слова "дмение", означавшего "дутье"). Воздуходувные меха приводились в движение водой. Сначала особыми водяными трубами, а позднее - гигантскими водяными колесами. Процесс в шахтной печи протекал интенсивнее, и именно более высокие температуры стали причиной того, что часть железа, сильно насыщенного углеродом, а потому более легкоплавкого, расплавлялась и вытекала из печи вместе с образовавшимся шлаком. Застывая, такой железоуглеродистый сплав становился очень твердым и очень хрупким, совсем не поддающимся ковке. Это был чугун, роль которого в сегодняшней металлургии очень важна, но несколько столетий назад мастера железных дел придерживались совсем иного мнения. Ведь выковать из него оружие или инструмент было невозможно - он разлетался на куски под ударами молота. В тоже время из-за этого ни на что не пригодного сплава количество добротного продукта - железной крицы - сильно сокращалось. Каких только названий не давалось незваному гостю: его называли диким камнем, гусем, в Англии свинским железом (любопытно, что по-английски чугун так называется и сейчас - "pig-iron", да и русское название "чушка" т.е. "чугунный слиток", имеет то же происхождение). Поскольку применения чугун не находил, его обычно выбрасывали на свалку. Но однажды кому-то пришла счастливая мысль - загрузить чугун в печь для переплава вместе с рудой, эта попытка ознаменовала собой настоящий переворот в истории железа. Оказалось, что переплав чугуна позволяет получать желанную сталь сравнительно легко и в больших количествах.
В 1730 г. шеффильдский часовой мастер Веньямин Гентсман получил тигельную сталь. Тигель это герметичный горн (опыты делал ранее физик Реомюр). Это одно из самых значительных изобретений в металлургии железа, позволившее получать качественную литую сталь в значительных количествах. В 1750 году Гентсман построил первый в мире сталелитейный завод.
Развитию доменного дела немало способствовало то, что чугун обладает прекрасными литейными свойствами, и из него стали отливать ядра, строительные колонны, пушки и другие изделия.
История развития способов плавки железных руд показывает, что доменная печь была изобретена не каким – либо одним лицом; она явилась плодом коллективного творчества многих поколений металлургов, осуществивших постепенный многовековой переход от примитивных сыродутных горнов к домницам и, наконец, к доменным печам. Последующая история доменного производства вплоть до наших дней представляет собой непрерывную цепь открытий и изобретений, позволивших усовершенствовать конструкцию печей и технологию доменной плавки.
Значительные изменения претерпевают конструкции доменных печей, полезная высота которых достигает теперь 33-35 м, а полезный объем 5600 куб. м, а также конструкции доменных цехов. Загрузка шахты в печь в настоящее время чаще всего осуществляются с помощью засыпного аппарата Парри (1850 г.) и распределительного аппарата Мак – Ки (1907 г.). В 1959 г. советские изобретатели Е.Ф. Весман и А.А. Вигин предложили первый в мире засыпной аппарат, в котором вместо большого конуса использовалась вращающаяся наклонная доска (лоток). В 1972 г. французская фирма "Поль Вюрт" усовершенствовала эту конструкцию, меняя угол наклона вращающейся доски.
Честь изобретения водо-охлаждаемой шлаковой фурмочки принадлежит немецкому доменщику Ф. Люрману (1867 г.). Конструкции водо-охлаждаемых холодильников кладки печи были представлены американцами Кеннеди (1884 г.) и Гейли (1887 г.). Система испарительного охлаждения была изобретена советскими инженерами А.М. Андоньевым и Г.Е. Крушилиным в 1958 г.
Известно, что доменное производство в мануфактурный период базировалось на использовании древесного угля. Увеличение выплавки чугуна быстро привело к уничтожению лесов. "Топливный голод", наступивший в Англии, Франции и др. странах, породил стремление найти заменитель древесному углю. Спрос на чугун, прежде всего как на первичный продукт металлургии железа, превращающийся затем в сталь, обусловил строительство доменных печей во многих странах.
При Петре I в России получили значительное развитие промышленные производства и ремесла. Особое внимание уделялось горнорудному делу, металлургии, производству оружия. Старейшее и самое крупное оружейное производство было организованно в начале XVIII века в Туле – центре железоделательной промышленности России того времени, основанном на базе местных железных руд. Здесь по указу Петра I в 1712 году был построен первый государственный оружейный завод.
Еще 1589 г - англичане Проктер и Питерсон получили кокс из каменного угля. Первых успехов в применении каменного угля для получения чугуна достиг англичанин Дод Додлей, оформивший в 1619 г. (по другим сведениям в 1621 г.) патент на производство чугуна. В патенте указывалось, что "Додлей открыл после долгих трудов и многих дорогостоящих опытов секрет, способ и средства выплавки железной руды и производства из нее чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами, причем результаты получались такого же хорошего качества, как и те, что до сих пор производились при помощи древесного угля, - изобретение, еще до сих пор не совершенное в нашем английском королевстве". Додлею пришлось вести ожесточенную войну с предпринимателями, производящими чугун на древесном топливе, и, в конце концов, разорившими Додлея, который был вынужден прекратить работу по усовершенствованию выплавки чугуна. Он никому не пожелал открыть секрет, и после его смерти металлургия вновь оказалась без минерального топлива.
Лишь в 1735 году, т.е. спустя 116 лет доменный процесс впервые был осуществлен полностью на коксе - полученном из каменного угля топливе. Изобретение коксования связано с именем англичанина Абрахама Дерби-сына Английский инженер – металлург, владелец железоделательного завода Кальбрукдель. Абрахама Дерби – сын (1711-1763), использовав опыт своих предшественников, разрешил эту проблему, использовав для доменной плавки не просто древесный уголь, а специально переработанный кокс. Проблемой плавки чугуна на минеральном топливе Дерби – сын занимался ряд лет. Первые попытки непосредственно использовать каменный уголь в домне не дали результатов, т.к. уголь содержал большое количество золы и других примесей, особенно серы. И лишь после того как Дерби получил удовлетворительный кокс, ему в 1735 г. удалось наладить выплавку чугуна на минеральном топливе. К концу XVIII века почти все доменные печи в Англии работали на коксе.
Использовать кокса потребовало увеличения количества воздуха, подаваемого в доменную печь. Уже Дерби произвел на своем заводе полное переустройство воздуходувного хозяйства, применив для привода воздуха паровую машину Ньюкомена, а не Уатта. Она приводила в действие насосы, которые дважды подавали отработанную воду на водяные колеса, являющиеся двигателями воздуходувных мехов. Вскоре эта система стала применяться и на других предприятиях Англии.
В дальнейшем техника подачи воздуха в домну продолжала совершенствоваться, росла мощность двигателей, приводивших в движение воздуходувные устройства. Вместо клинчатых мехов стали применяться цилиндрические меха, а затем центробежные воздуходувки.
Технический переворот в машиностроении явился основным стимулом для развития металлургии в эпоху промышленной революции. С развитием машинной индустрии роль металла как основного материала для изготовления машин значительно возросла. Существовавшие при мануфактуре способы получения железа уже не могли удовлетворить возросших потребностей производства. Технический переворот в металлургии (прежде всего в английской) заключался в изобретении и широком применении новой технологии получения чугуна и железа.
Во Франции Рене Антулн де Реомюр впервые создал научно обоснованную теорию термической обработки материалов на основе железа. Он 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. Эмануэль Сведенборг был членом основанной Петром I Петербургской Академии Наук.
В 1589 г. Джиам Батиста делла Порта изобретает цилиндрическую воздуходувную машину объемного типа.
Цилиндрические воздуходувки применял И.И. Ползунов. Он же первый использовал пароатмосферную машину в качестве двигателя для воздуходувных мехов. Однако эти разработки не нашли широкого распространения.
В Англии введение воздуходувных машин для доменных печей относится к 1782 г. Во второй половине XIX в. начали внедряться центробежные воздуходувки, обеспечивающие доменное производство необходимым количеством воздуха. В 1775 г. впервые успешно внедрил паровую машину в доменное производство английский инженер Вилькинсон (1727-1808), купивший для этого одну из первых паровых машин, изготовленных Уаттом. Благодаря применению новых систем воздуходувок, появилась возможность значительно увеличить размеры доменных печей и ускорить процесс доменной плавки.
В разное время были предложены способы ведения доменной плавки на дутье, состав которого отличается от состава атмосферного воздуха. В 1825 г. Нельсон (Шотландия) предложил метод работы на осушенном от водяных паров дутье, осуществленный впоследствии в 1890 г. Фрайером и в 1904 г. Дж. Гейли (США). К 1830 г. относится предложение немецкого химика Штромейра о вдувании в доменную печь паро-воздушного дутья. В 1871 и в 1876 гг. Г. Бессемер берет патенты на вдувание в печь воздушного дутья, обогащенного кислородом, и на метод работы с высоким давлением газов в рабочем пространстве доменной печи. В 1926 года патент Гескамна предусматривает вдувание угольной пыли в доменную печь через фурмы вместе с воздушным дутьем.
Следующими, кто нашел способ получения чугуна с использованием каменного угля, были братья Томас и Джордж Кранеджи - рабочие из английского городка Колбрудкейля, где за три десятилетия до этого Абрахам Дерби-сын успешно освоил доменную плавку на коксе. Суть предложенного ими в 1766 году способа, над которым они работали около 20 лет, заключалась в том, что в каменноугольной печи, в которой осуществлялся передел чугуна в железо, металл не соприкасался с топливом (их разделял порог). Он нагревался и превращался в тестообразную массу теплом, отраженным от свода, и поэтому в металл попадало значительно меньше серы, чем при кричном способе. Чтобы обеспечить более полный контакт чугуна со шлаком и, следовательно, более полное выгорание углерода, металл непрерывно перемешивали; отсюда и произошло название этого процесса - пудлингование (от английского глагола "puddle" - перемешивать). Пудлинговый процесс, практически освободивший черную металлургию от древесноугольной кабалы, заметно оживил английскую промышленность. Вслед за Англией использовать пудлингование стали и другие страны. Патент на этот процесс получил в 1783 году английский фабрикант Генри Корт, который годом позже стал широко использовать его для получения железа. Первый прокатный стан для железных болванок был применен Кортом в начале 19 века. Сначала на прокатном стане изготовляли только жесть, затем котельное железо, а после 1828 года - рельсы.
Дальнейший рост производительности доменных печей происходил за счет подогрева воздуха, подаваемого в домну. Первые попытки применить горячее дутье было в 1799 г. (Седдегер). Подогрев труб, по которым шел воздух, каменным углем.
Первую попытку использовать теплоту отходящих газов для обжига руды, извести, кирпича дал в 1814 г. Оберто.
Аппарат для подогрева воздуха – доменный воздухонагреватель впервые был применен Дж. Нильсоном (1792-1865) на шотландском заводе Клайд (патент ему на это изобретение был выдан в 1828 г.). Первые же опыты нагрева воздуха до 150-300 градусов позволили значительно (до 40%) снизить расходы топлива и резко повысить производительность доменных печей.
В России уже в 1829 г. на Александровском казенном литейном заводе применяли этот метод.
В тридцатых годах XIX века вюртембергский горный советник Фабр де Фор также сделал в доменной печи подогрев воздуха, подаваемого в печь по чугунным трубам от газов, проходящих снаружи. Первые опыты использования доменного газа в качестве топлива на металлургических заводах были проведены им же в 1832 году.
Однако проблема повышения производительности доменных печей была разрешена только с изобретением специального аппарата для нагрева воздуха, подаваемого в домну. Такое воздухонагревательное устройство, работавшее на основе использования отходящих газов доменной печи, предложил в 1857 г. Англичанин Э. Каупер (1819-1893). По имени изобретателя эти аппараты носят название кауперов. Каупер запатентовал воздухоподогреватели регенеративного типа, которые работают поочередно, обычно четыре. (1857 г.). Расход топлива уменьшили на 38% за счет нагрева кирпичей отходящими газами.
История техники знает достаточно много ярких фигур, и одной из них по праву считается знаменитый английский изобретатель XIX века Генри Бессемер (1813-1898). К сорока годам Бессемер имел около ста патентов на различные изобретения, но сталеплавильные проблемы его долго совсем не волновали. Бессемер не металлург, он ценил другие свои изобретения выше: гидравлический пресс для обработки металла и гидравлические ножницы для его резки. Наиболее фантастический проект связан с созданием корабля, в котором пассажиры были бы избавлены от качки во время волнения моря. В 1854 году он изобрел артиллерийский снаряд особой конструкции. Во время испытания снаряда возглавлявший комиссию экспертов К. Минье отметил, что дело осталось за малым - создать пушку для стрельбы этими снарядами. И Бессемер взялся за разработку новой пушки.
Изобретатель понимал, что, прежде всего, следует подобрать подходящий материал. Свои опыты Бессемер проводил сначала в горне, затем в пудлинговой печи. В процессе исследований Бессемер заметил, что атмосферный воздух может совершенно обезуглероживать железо. Он пришел к выводу, что если можно привести воздух в соприкосновение с достаточно большой поверхностью расплавленного чугуна, то это может превратить его в ковкое железо. Бессемер попробовал продувать воздух через жидкий металл. В результате он получил ковкое железо. Этот процесс, получивший название бессемеровского, очень скоро вытеснил пудлингование и распространился повсеместно.
Конвертор - железный сосуд, вымощенный огнеупорным материалом (горят кремний, марганец, и углерод). Процесс длится 18-20 минут, и за это время вырабатывается сталь из 20 тонн чугуна. При пудлинговании процесс длился неделю, а в кричном горне без пудлингования - три недели. Конвертер запатентован Генри Бессемером 1 марта 1860 года. Геренсен - шведский металлург - купил патент Бессемера и получил на богатых кремнем шведских чугунах хорошие результаты (содержание серы и фосфора в металле было малым).
Однако можно ли считать Бессемера изобретателем конвертора? Известно, что в США он не имел патента. Американец Уильям Келли, разработавший конверторный метод в 1851 году, опередил Бессемера. Однако у Келли не было средств для претворения своего изобретения в жизнь.
Однако и у нового способа были свои недостатки: бессемеровским методом можно было получать только ординарную сталь. Если же для выплавки чугуна использовалась богатая фосфором руда (а многие страны располагают именно такими рудами), то при бессемеровском процессе фосфор переходил в сталь, что значительно ухудшало ее технологические свойства.
Эту проблему решили англичане, Сидней Томас и его двоюродный брат Перси Джилкрист. Открытие заключалось в замене кислых шлаков на основные и изменении технологии процесса. Изобретенный ими процесс получил название томасовского. Благодаря неутомимым опытам 1876 году удалось приготовить основную набивку из смеси извести и магнезии, которую получили обжиганием природного доломита. Наличие извести в ванне способствовало удалению из металла фосфора.
Слава Бессемера приближалась к зениту, когда во Франции был создан другой способ производства стали, который через несколько десятилетий значительно потеснит бессемеровский. Речь идет о сталеплавильном процессе, изобретенном французским металлургами Эмилем и Пьером Мартеном (1860-ые годы) и потому получившим название мартеновского. Эмиль и Пьер Мартены сконструировал отражательную печь, в которой сталь получалась сплавлением чугуна и старого пудлингового железа. Он использовал принцип ранее изобретенной Фридрихом Сименсом (1856 г.) регенеративной печи, которую тот применял в стекловаренном деле. Топливом служил генераторный газ. Температура достигала 1800°С. Подогревался воздух и газ в 4 регенераторах: по двум шли отходящие газы, по двум газ и воздух. Брат Фридриха Сименса - Вильгельм в 1868 г. пробовал получить литую сталь, но сначала печь не выдержала термических напряжений. Однако в дальнейшем он стал главным производителем литой стали в Великобритании.
Интересно, что Бессемер и Вильгельм Симменс жили на соседних улицах Лондона, ничего не зная друг о друге.
Мартеновский процесс длился несколько часов, т.е. был не столь скоростным как бессемеровский, но, зато обеспечивал более высокое качество стали, и, что, пожалуй, еще важнее, позволял переплавлять стальной металлолом, в том числе и отходы бессемеровского производства. С созданием мартеновского процесса отпала проблема использования накопившегося за века железного лома, но осталась проблема о конвертерном переделе фосфористых чугунов.
Следующим крупным шагом в развитии металлургии было использование электрических печей, которые позволили получать металл очень высокого качества.
К рубежу нынешнего и прошлого веков металлургия железа приобрела свои четкие структурные формы. Имевшиеся к тому времени в распоряжении металлургов агрегаты позволяли получать сталь широкого диапазона свойств. Поэтому далее металлурги пошли не по пути создания новых агрегатов, а по пути совершенствования металлургической техники и технологии.
В 1886 г. Люрман предложил использовать доменный газ для газовых двигателей на воздуходувных станциях. В 1889 г. на бельгийском заводе Серен была пущена доменная газо-воздуходувная машина.
Во всю историю человечества до начала двадцатого столетия было произведено черного металла около 1,2 млрд. тонн, а за 75 лет этого столетия чугуна и стали получено 11 млрд. тонн (в 10 раз больше). Однако, в 1950 году хорошей считалась руда, в которой было 51% железа, а в 1980 г. - 35%.
7.1.6. Золото
Золото – металл красивого желтого цвета, тяжелый, мягкий, очень пластичный. Температура плавления золота 1064°C, плотность 19320 кг/м куб. В природе встречается чаще всего самородное золото. Получали золото путем промывки песка. Из руд - путем выплавки и последующей очистки от примесей, главным образом от меди и свинца.
Золото всегда играло огромную роль в представлении древних. Алхимики давали ему знак солнца. У славян, германцев, финнов в корне этого слова имеются звуки, описываемыми буквами Г, З, О, Л, у индоиранских народов – А, У, Р, откуда произошло латинское слово Aurum (Au). В Египте иероглифом золота служило изображение платка или мешка, что говорит о методе добычи золота из россыпей [39].
Золото с древнейших времен шло на изготовление предметов домашнего обихода, и даже оружия. Из-за своей редкости и красоты оно стало использоваться для украшений и приобрело право "благородного металла": оно не ржавеет, не тускнеет, не зеленеет. Основным достоинством золота стало вскоре то, что кроме полезных и приятных качеств оно стало "мерилом ценности" прочих предметов.
Сусальное золото или сусаль – это тончайшие пленки толщиною доли микрометров. Оно получается путем ковки золота или его сплавов. Из одного грамма золота можно получить проволоку длиною в три километра.
50% добываемого золота идет на изготовление монет, из 20% делают ювелирные изделия, 20% превращается в столовое золото. Только 10% приходится на техническиеизделия.
В России вплоть до Петровских времен золото не добывалось. Оно ввозилось из-за границы в обмен на товары и взималось в виде ввозных пошлин. Первое открытие золота в Росси было сделано в 1732 году в Архангельской губернии, вблизи одной деревни нашли золотую жилу, которую начали разрабатывать с 1745 года. Рудник с перерывами действовал до 1794 года и дал всего около 65 килограмм драгоценного металла.
В России, как и в других странах, большая часть добываемого золота шла на чеканку монеты. После открытия в 1848 году золота в Калифорнии его мировая добыча резко увеличилась. Примерно в это же время были обнаружены месторождения золота в Восточной Сибири. В 1884 году Россия занимала третье место в мире (33 тонны) по добыче золота после США и Австралии. Спустя десять лет наша страна переместилась на четвертое место, так как появились южноафриканские рудники.
Накануне первой мировой войны золотой запас царской России составлял 1300 тонн. В 1953 году общий золотой запас СССР был равен 2000 тонн. В 1993 году золотой запас России составлял всего 300 тонн.
Третье место в мире – после ЮАР и США – занимает Россия по запасам золота в мире (11%) и только шестое – по его добыче (6%). 54% российского золота содержится в коренных месторождениях, причем руда содержит очень мало золота. В России, поэтому, всегда разрабатывали главным образом россыпи, хотя в них содержится только 18% всего российского золота. 80% россыпного золота дают Колыма, Якутия, Чукотка, Ленский район и Приамурье.
7.1.7. Серебро
Температура плавления серебра 960°C, плотность 10500 кг/м куб. Оно очень пластично, легко деформируются. Грамм серебра, например, можно вытянуть в проволоку длиной почти 2 километра. Серебро известно с глубокой древности (четвертое тысячелетие до н.э.) в Египте, Персии, Китае.
Известно самородное серебро и серебряные руды. Получали его в древности обычно вместе со свинцом, применяя обжиг руды, горновую плавка, затем - разделительную плавку.
Серебро из-за его мягкости используют преимущественно в виде сплавов: из них чеканят монеты, изготавливают бытовые изделия, лабораторную и столовую посуду. Им покрывают радиодетали для придания лучшей электропроводности и коррозионной стойкости. В электротехнической промышленности применяются серебряные контакты. Серебряные припои широко используются для пайки. Чистое серебро используется в качестве катализатора в химической промышленности. Соединения серебра помогли создать фотографию.
Ионы серебра в малых концентрациях стерилизуют воду. Некоторые препараты на основе серебра обладают антибактериальными свойствами.
Первоначально серебро обращалось в виде слитков. Затем наряду с золотом стало использоваться для чеканки монет. Чеканка первых древнерусских серебряных монет началась в 9-10 вв. Благодаря красивому белому цвету и податливости в обработке серебро с глубокой древности используется в искусстве.
7.1.8. Олово
Сплавы олова с медью (бронзы) были известны уже в четвертом тысячелетии до н.э., а чистый металл – только во втором тысячелетии до н.э. Чистое олово – белый, блестящий тяжелый (плотность 7290 кг/м куб.), мягкий и пластичный. Температура плавления 232°С. Из олова издавна делали украшения, посуду, утварь. Происхождение слова "олово" и " stannum" не установлено. Получали олово путем восстановления в шахтных печах, затем производится очистка с помощью очистительных процессов и ликвационных процессов (примеси: мышьяк, сера, сурьма, висмут). Оловянные рудники находятся в Индокитае, Индии, Испании, Англии. В древности поставщиками олова были финикийцы. До наших дней дошло описание путешествия Пифея из древней Массалии (теперешнего Марселя) на полуостров Корнуэлл (Британия) из Средиземного моря через Гибралтарский пролив за оловом [31].
Олово имеет две полиморфные модификации: обычное белок олово и серое олово. Переход белого олова в серое происходит при минусовых температурах и сопровождается превращением металла в порошок. Это явление назвали оловянной чумой, так как оно наносило непоправимый ущерб оловянным пуговицам, являвшимся принадлежностью солдатской формы во многих странах. В результате разрушения паяных оловом сосудов с жидким топливом в 1912 году погибли все члены экспедиции Скотта на Южном полюсе.
Основное промышленное значение и в наши дни и древности является минерал касситерит, содержащий до 78,8% олова. В древности эта руда, также как и медная руда - куприт, находилась в виде поверхностных месторождений.
7.1.9. Свинец
Свинец (лат.plumbum) – тяжелый, очень пластичный и мягкий металл голубовато-серого цвета. Его плотность 11340 кг/м куб., температура плавления 327°С. Свинец был известен несколько тысячелетий до н.э. народам Месопотамии, Египта и другим странам древнего мира. Из него изготавливали статуи, предметы домашнего обихода, таблички для письма. Римляне пользовались свинцовыми трубами для водопровода. Некоторые соединения свинца использовались как краски (сурик, свинцовые белила) или как составные части лекарств. Окись свинца вводят в хрусталь и оптическое стекло для получения материала с большим показателем преломления. Когда было изобретено огнестрельное оружие, свинец начали применять как материал для изготовления пуль.
Металлический свинец получают обычно окислительным обжигом сульфида свинца с последующим восстановлением окиси свинца до так называемого "веркблея" и рафинированием.
Ядовитость свинца отметили еще в первом веке н.э. греческий врач Диоскорид и Плиний Старший. Отравления свинцом и его соединениями возможны при добыче руд, выплавке свинца, при производстве свинцовых красок, в полиграфии, гончарном и кабельном производствах, при получении и применении тетраэтилсвинца. Одной из причин гибели Римской империи некоторые историки считают очень широкое применение свинца его соединений в быту аристократии.
7.1.10. Ртуть
Ртуть (лат. hydrargyrum) – тяжелый, серебристо-белый металл, жидкий при комнатной температуре. Ее плотность 13520 кг/м куб. Самородная ртуть была известна в 2000 г. до н.э. народам древней Индии и Древнего Китая. Ими же, а также греками и римлянами, она применялась как краска киноварь: соединение ртути с серой. Греческий врач Диоскорид (первый век до н.э.), нагревая киноварь в железном сосуде с крышкой, получил ртуть в виде пара, который конденсировался на холодной внутренней поверхности крышки. Продукт был назван жидким или живым серебром. Это дало название веществу в греческом (hydrargyros), латинском (hydrargyrum), английском (quicksilver) и немецком языках (Quecksilber). Происхождение русского названия не установлено. Алхимики считали ртуть составной частью всех металлов. Твердую ртуть впервые получили в 1759 году петербургские академики И.А. Браун и М.В. Ломоносов.
Со времен античности была известна амальгама: растворы металлов в ртути. В настоящее время ртуть широко применяется при изготовлении научных приборов (барометры, термометры, манометры), в вакуумных насосах, ртутных лампах, при изготовлении взрывчатых веществ и в медицине. Ртуть и ее соединения токсичны, работа с ними требует предосторожности.
Получают ртуть из ртутных руд посредством окислительного обжига.
7.2. Другие металлы и сплавы
Черные металлы (железо, сталь, чугун) составляют около 95% всего производства по массе, цветные металлы около 5%, полупроводники – основа современных высоких технологий – доли процента. Установлено, что в земной коре на глубине до 1 км содержание элементов, пригодных для использования в строительстве и в машиностроении составляет в массовых %:
Кремний (Si) 27,7
Алюминий (Al) 8,0
Железо (Fe) 5,0
Магний (Mg) 2,1
Титан (Ti) 0,6
Медь (Cu) 0,01
Никель (Ni) 0,01
Олово (Sn) 0,004
Цинк (Zn) 0,004
Свинец (Pb) 0,0016
Серебро (Ag) 0,00001
Золото (Au) 0,0000005
Платина (Pt) 0,00000005
7.2.1. Легирование
Первые систематические опыты по легированию стали проводил в 1822 году Фарадей, но его работы не получили практического применения. Только в 1871 году Роберт Мюше изобрел инструментальную легированную сталь с добавками вольфрама (5%), марганца (2-3%), хрома и кремния, которая позволяла вести механическую обработку с более высокими скоростями.
Затем появилась марганцовая сталь Хадфилда (1882 г.), содержащая до 20% марганца. Эту сталь нельзя закалить, но она упрочняется при холодной ковке. В 1888 году была выплавлена никелевая сталь Шнейдера, а в 1889 году никелевая сталь была получена в Глазго Джоном Рейли. В 1898 г. Тейлором и Уайтом была изобретена быстрорежущая инструментальная сталь, которая содержала не менее 18% вольфрама и 4% хрома. При обработке можно было наблюдать, как раскаленный докрасна резец не терял своей стойкости при резании заготовки из другой стали.
Повышение скорости резания привело к более быстрому износу механизмов токарных станков. Потребовалось полное обновление парка токарных и фрезерных станков. Станки стали иметь большую массу и большой запас прочности.
Знаменитая нержавеющая сталь с 18% хрома и 8% никеля появилась в научно-исследовательской лаборатории фирмы Круппа. Изобрел ее в 1912 году молодой исследователь Эдуард Маурер после трех лет работы с помощью своего научного руководителя профессора Штрауса. Это – аустенитная сталь с таким же расположением атомов в кристаллической решетке железа, как и в марганцовистой стали Хадфильда.
В последующие годы сталеплавильщики превратились в волшебников, получая с помощью легирования нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные, хладостойкие и другие стали.
7.2.2. Подшипниковые материалы
Первые подшипники изготавливались из бронзы, затем из железа или из дерева, обшитого металлическими пластинами. В период с 1792 по 1816 неоднократно упоминается об оловянно-сурьмянистом подшипниковом сплаве.
В 1839, в США, Исаак Баббит получает патент на вкладыши для подшипников из твердого и прочного металла (например, бронзы), залитые специальным мягким, пластичным сплавом. Баббит применял 89% олова; 7,3% сурьмы и 3,7% меди, но в заявке не определял состав. В 1870 г. Гопкинс (Hopkins) покрыл бронзовые подшипники тончайшим слоем свинца и, затем, слоем сурьмянистого свинца. 1892 г. США, С.В. Дюдлей создал сплав, состоящий из 77% меди, 15% свинца и 8% олова.
В 1883 г. Фридрих Фишер начал производство шарикоподшипников на специальной, основанной им фабрике в Швейфурте на Майне (Германия). Теоретическое обоснование работы шариковых и роликовых опор сделано трудами Генриха Герца (1881, "О соприкосновении твердых упругих тел и о твердости") и Буссинеска ("Распределение нагрузок в упругой среде").
Новый подход к созданию износостойких деталей из композиционных материалов, полученных на основе открытия, сделанного группой ученых под руководством профессора Ю.С. Авраамова, стал реальностью в конце XX века (Московский государственный индустриальный университет). Сущность открытия состоит в определении режимов получения сплавов из несмешивающихся в обычных условиях компонентов. Достаточно перспективной является система железо-медь-свинец, имеющая значительно лучшие показатели нежели традиционные подшипниковые сплавы.
7.2.3. Алюминий
Алюминий (лат. Aluminium) – серебристо-белый металл с плотностью 2699 кг/м куб. и температурой плавления 660°С. Название алюминия происходит от латинского аlumеn – так еще за 500 лет до н.э. назывались алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и для дубления кожи.
В 1825 году датчанин Ганс Христиан Эрстед, известный своими открытиями в электричестве, нагревал смесь жидкой амальгамы калия и хлорида алюминия. После удаления ртути путем перегонки он обнаружил небольшой кусочек твердого вещества серого цвета. По предположению Эрстеда это был алюминий. В 1827 году немецкий химик Фридрих Велер попытался воспроизвести эксперимент Эрстеда, но потерпел неудачу. Тогда Велер заменил амальгаму калия металлическим калием и после длительных опытов получил только в 1847 году достаточное количество алюминия для определения его свойств. В 1854 году французский химик Анри Девиль усовершенствовал способ Велера, заменив калий на натрий. Кусок металла, полученный по способу Девиля, демонстрировался на выставке в Париже в 1855 году. Этот металл оказался необычайно прочным, легким и стойким к коррозии. По поручению Наполеона III Девиль продолжил работать над изобретенным им способом. Но алюминий продолжал оставаться очень дорогим материалом, соизмеримым по стоимости с серебром. В период с 1860 по 1880 год мировое производство алюминия составляло не более 1,5 тонн в год.
Наполеон III хвастался столовым набором, сделанным из алюминия, а великому русскому химику Д.И. Менделееву во время его пребывания в Париже торжественно подарили кружку из этого металла.
В 80-х годах девятнадцатого века мир уже знал о том, какие возможности кроются в промышленном производстве алюминия. Учитывая это, американец Чарльз Мартин Холл после окончания Оберлинского колледжа приступил к работе по разработке способа дешевого получения алюминия. Вначале Холл, как и все его предшественники, попытался получить алюминий путем чисто химической обработки окиси алюминия (глинозема). Вместе со своей старшей сестрой Джулией, тоже изучавшей химию в колледже, они получали окись из бытовых квасцов и кристаллической соды. Однако, несмотря на многие попытки ни один из их опытов не дал обнадеживающих результатов.
Еще обучаясь в колледже, Холл вместе со своим учителем химии Франком Джуетом начал изучать возможность применения электрического тока из солей этого металла, растворенного в воде. В таких растворах образуются положительно заряженные ионы алюминия. Холл и Джует считали, что при пропускании тока через раствор электроны будут соединяться с ионами, образуя алюминий. После ряда опытов и анализа литературных источников по аналогичным проблемам с другими металлами Холл пришел к идее подобрать в качестве электролита смесь солей для обеспечения процесса с более низкой температурой. В конце концов, он остановился на криолите – смеси фторидов натрия и алюминия. Холл установил, что окись алюминия легко растворяется в криолите. Далее последовали эксперименты по подбору оптимального материала для плавильного тигля. Таким материалом оказался графит. 23 февраля 1886 года Холл получил чистый металлический алюминий. Он сделал это открытие в возрасте 22 лет, через 8 месяцев после окончания колледжа. Одновременно с Холлом аналогичные работы проводил француз Поль Эру, который в апреле 1886 года запатентовал во Франции свое изобретение. Современный способ промышленного производства алюминия электролизом криолитоглиноземного расплава носит название Холла-Эру.
7.2.4. Платина
Платина, тяжелый тугоплавкий материал, плотность 21450 кг/м куб., температура плавления 1769°С. Имеются сведения, что самородная платина (твердые растворы ряда металлов в платине) в древности была известна Египте, Эфиопии, Греции и Южной Америке. Испанские конкистадоры обнаружили в Южной Америке вместе с самородным золотом очень тяжелый белый тусклый металл, который не удавалось расплавить. Испанцы назвали его платиной (серебришко) - уменьшительным от испанского слова plato - серебро. В 1744 году образцы платины были привезены в Англию испанским морским офицером Антонио де Ульоа, вызвав живой интерес ученых Европы. Самостоятельным металлом платину признали в середине XVIII века, считая раньше белым золотом.
Вскоре нашлись мошенники, которые, выяснив, что платина легко и надежно соединяется с золотом, стали чеканить из сплава этих металлов монеты. Одна из таких "фальшивых" монет испанской Америки в 2 эскудо содержала до 32 процентов подмешанной платины.
Когда до испанского короля дошли известия о монетных проделках, он приказал вовсе избавиться от платины. В 1735 году по королевскому указу в Колумбии монетные колониальные центры стали в присутствии многочисленных зрителях выбрасывать платину в море, а также в реки Богота и Каука. Тогда испанцы отправили на дно от 3 до 7 тонн платины примерно на 26-60 миллионов долларов. В наше время неоднократно пытались извлечь затопленный металл, однако попытки не принесли успеха: вода и наносы надежно укрыли платину. Королевское же распоряжение было отменено через сорок лет, когда мадридские власти приказали доставлять платину в Испанию, чтобы самим фальсифицировать золотые и серебряные монеты. Тогда белый металл и обрел определенную ценность. 1820 года в Европу было доставлено 3-7 тонн платины. Здесь с нею познакомились алхимики, непререкаемо считавшие самым тяжелым металлом на земле золото. Но платина, обладая небывалой плотностью, оказалась тяжелее золота. Это шло вразрез с алхимическими постулатами, и поэтому платина была провозглашена исчадием ада, ни на что непригодным и даже вредным металлом.
Платине нашли некоторое применение в пору Великой французской революции, когда вводили метрическую систему мер. Пять лет астрономы и геодезисты скрупулезно измеряли дугу меридиана от Дюнкерка до Барселоны. По этим измерениям в 1799 году изготовили платиновую линейку, которую назвали архивным метром или метром архива. Впоследствии из платины с добавлением десяти процентов иридия выполнили гирю - прототип килограмма. С тех пор платино-иридиевый эталон килограмма не менялся, а вот эталон метра теперь составляет 1650763,73 длины волны оранжевого излучения изотопа криптона.
В России платину обнаружили впервые в 1819 году, промывая золотоносные породы на Урале. Тяжелые зерна платины сначала стали использовать как дробь для стрельбы. Уральские россыпи вывели Россию по платине на первое место в мире. Страна получала за год свыше 1550 килограммов металла - в полтора раза больше, чем в Южной Америке добыли с 1741 по 1825 год. В России появилось настолько много платины, что тогдашний министр финансов Е.Ф. Канкрин предложил чеканить из нее монеты. Хотя в пору чеканки монет из платины она была втрое дешевле золота, но уже ценилась впятеро дороже, чем серебро. Поэтому добычу на Урале стали быстро развивать, и только за один. 1843 год здесь получили 3500 килограммов платины.
Постепенно платину стали использовать ювелиры. До второй мировой войны ювелиры использовали свыше половины всей получаемой платины. Сейчас на их долю приходится немногим более трети драгоценного металла. Тем не менее, спрос на платину для украшений остается высоким.
Платина в силу стабильности термоэлектрических и механических свойств, дополняемых высочайшей коррозионной и термической стойкостью, незаменима для современной электротехники, радиотехники, точного приборостроения, самолетостроения, автоматики и телемеханики. Сотни технологий не могут обойтись без платины.
Платиновые катализаторы ускоряют разные химические реакции в миллионы раз, хотя поведение платины в этом качестве еще не и полной мере объяснимо, поскольку она сама по себе не обладает химической активностью и очень инертна, но как катализатор действует лучше любого другого металла. Стремительно расширяется использование каталитических свойств платины в автомобилестроении. Речь идет об очистителях воздуха, или фильтрах-нейтрализаторах, впервые созданных в США в 1974 году на основе платины и ее родственников - родия и палладия.
7.2.5. Сплавы, удостоенные Нобелевской премии
Шарль Эдуард Гильом был известным метрологом, создавшим платиноиридиевые эталоны метра. Эти металлические стержни не применялись после создания Альбертом Майкельсоном интерферометра, с использованием которого удалось создать новый эталон на оптической основе. Однако, эталоны других единиц измерения оставались в виде металлических образцов.
В 1899 году Гильом начал исследовать сплавы никеля со сталью. В зависимости от состава он получил материалы различного качества. Сплав "инвар" (от латинского "инвариабилис" – неизменный) практически не испытывал линейного расширения при нагревании. Другой сплав, "элинвар", сохранял неизменным в широком интервале температур эластичность.
Исследования Гильома сплавов никеля со сталью явились существенным вкладом в метрологию. Этот вклад был отмечен присуждением ученому Нобелевской премии по физике за 1920 год. Работы Гильома имеют важное значение для практики. Миллионы прекрасных часов изготавливаются из специальных сплавов, созданных швейцарским физиком [21].
7.3. Литье
7.3.1. Основные вехи в развитии литья
Первые отливки были получены при помощи каменных форм, сделанных из одного или нескольких кусков камня. Затем последовала технология литья по выплавляемым восковым моделям. В средние века появилась и постоянно совершенствовалась технология изготовления формы путем прессования из увлажненного песка с небольшим содержанием клеящих веществ. Для скрепления частиц песка методом проб и ошибок подбирались разнообразные связывающие вещества. Литье в кокиль появилось в Северном Причерноморье в связи с необходимостью создания массового производства бронзовых наконечников стрел. Затем литье в металлические формы было забыто. Вновь литье в кокиль возникло в Англии и России в XVII для призводства чугунных ядер. Новшества подачи жидкого металл в литейную форму принесли методы литья под давлением, центробежное литье и, особенно, вакуумное литье.
Самая древняя известная историкам медная отливка - топор, полученный литьем в открытую каменную форму, насчитывает уже семь тысячелетий. Многие археологи считают, что первым технологическим процессом было литье, однако самородный металл (золото, медь и метеоритное железо), скорее всего, обрабатывался методом холодной ковки с применением двух камней: прообразов наковальни и молота.
После выплавки металла грубый кусок меди превращался кузнецом в окончательный продукт: оружие или орудие. Для получения отливки требовалось из песка, глины или камня сделать форму и найти способ придания ее внутренним полостям необходимую конфигурацию. Даже при отливке самого простого изделия форма должна состоять не менее чем из двух частей, которые соединялись воедино для заливки расплавленного металла. Как правило, после отливки получается заготовка, а не готовое изделие, и ее подвергают различным операциям: опиловке, заточке на камне, ковке и т.д.
При производстве предметов более сложной конфигурации древние литейщики использовали технику литья по выплавляемой модели с потерей литейной формы. Восковая модель обмазывалась глиной. При обжиге воск вытекал, затем его замещала бронза. Для получения изделия форму приходилось разбивать.
Некоторые старинные технологические приемы забывались и открывались заново. Так древние литейщики в 4 тысячелетии до нашей эры (Болгария, Германия) получали прекрасные литые изделия из меди. Археологи не обнаружили литейных форм. Была выдвинута гипотеза о применении графитовых литейных форм, которые сгорают в изложницах. Догадка была доказана в лаборатории структурного анализа кафедры археологии МГУ путем металлографические исследования древнего литья. Метод был заново изобретен в ХХ веке в связи с литьем титановых сплавов.
7.3.2. Колокола и пушки
Колокола и пушки были основными изделиями литейного производства многие столетия во всех странах мира. Применялись специальные материалы: колокольная бронза, пушечная бронза. И колокола, и пушки отливались почти из одного и того же сплава. Как стратегическое сырье колокольный металл запрещалось экспортировать. Указом 1525 года английский король Генрих VIII грозил за это смертной казнью. В годину военных неудач колокола превращались в пушки - так по приказу Петра I вооружалась русская артиллерия после поражения под Нарвой. В годы побед трофейные пушки переливались в колокола - так родились и венский "Башмачник Михель", и кельнский "Кайзер-колокол". Они умерли, вновь обратившись в орудия. Много лет спустя, в Италии, из пушек всех стран, участвовавших в первой мировой войне, был отлит "Колокол смерти" - он звучит по ночам в память павших в жестокие годы.
Предки колоколов, бубенчики, существовали с доисторических времен во многих странах мира. С 7 века колокола становятся неотъемлемой деталью обстановки европейского города, с 9 - и европейского села. В 865 году венецианский дож прислал в Константинополь в подарок византийскому императору Михаилу дюжину медных колоколов, которые повесили в специальной башне рядом с Софийским собором. До этого в Византии христиан на молитву приглашали с помощью била. Било – металлическая доска, по которой ударяли колотушкой. Из Константинополя колокола стали распространяться на север. В 988 году они появились на Руси. Однако, только в XII веке в летописи появляется сообщение о первых колоколах, отлитых русскими мастерами. А в Московском государстве производство колоколов достигло высочайшего мастерства. Зарубежные гости писали: "Подобной величины колоколов и такой красоты нельзя найти в другом царстве во всем мире" [37, 38].
Рядом с русскими колоколами-великанами нельзя поставить ни один из европейских. Такое сравнение не правомерно. Манеры колокольного звона у нас и на Западе различны. На Руси "бьют в колокола", раскачивая языки. Во многих странах Запада колокола как бы звонят сами, раскачиваясь и ударяясь боками о свободно висящий язык. Раскачать колокол безусловно гораздо труднее, чем язык. Именно в этом состоит причина, по которым в странах Европы редко встречаются колокола весом более тысячи пудов.
Технология отливки колоколов на Востоке и на Западе примерно одинаковы. Сначала полый сердечник будущей литейной формы выкладывают в литейной яме, затем обмазывают смесью глины и песка, нан
