Железо. История открытия. История освоения железа человеком

Железные сплавы

Более-менее общеизвестно, что материал, в обиходе называемый железом, даже в простейшем случае представляет собой сплав собственно железа, как химического элемента, с углеродом . При концентрации углерода менее 0.3% получается мягкий пластичный тугоплавкий металл, за которым и закрепляется название его основного ингредиента - железа. Представление о том железе, с которым имели дело наши предки, сейчас можно получить, исследовав механические свойства гвоздя.

При концентрации углерода более 0,3%, но менее 2,14% сплав называется сталью . В первозданном виде сталь походит по своим свойствам на железо, но, в отличие от него, поддается закалке - при резком охлаждении сталь приобретает большую твёрдость - замечательное достоинство, однако, почти совершенно сводимое на нет благоприобретенной в процессе той же закалки хрупкостью.

Наконец, при концентрации углерода свыше 2,14% мы получаем чугун . Хрупкий, легкоплавкий, хорошо пригодный для литья, но не поддающийся обработке ковкой, металл.

Первым шагом в зарождающейся чёрной металлургии было получение железа путём восстановления его из окиси. Руда перемешивалась с древесным углем и закладывалась в печь. При высокой температуре создаваемой горением угля, углерод начинал соединяться не только с атмосферным кислородом, но и с тем, который был связан с атомами железа.

После выгорания угля в печи оставалась так называемая крица - комок вещества с примесью восстановленного железа. Крицу потом снова разогревали и подвергали обработке ковкой, выколачивая железо из шлака. Долгое время в металлургии железа именно ковка была основным элементом технологического процесса, причём, с приданием изделию формы она было связана в последнюю очередь. Ковкой получался сам материал.

Сталь производилась уже из готового железа путём науглероживания последнего. При высокой температуре и недостатке кислорода углерод, не успевая окисляться, пропитывал железо. Чем больше было углерода, тем тверже оказывалась сталь после закалки.

Как можно было заметить, ни один из перечисленных выше сплавов не обладает таким свойством, как упругость. Железный сплав может приобрести это качество, только если в нем возникает чёткая кристаллическая структура, что происходит, например, в процессе застывания из расплава. Проблема же древних металлургов заключалась в том, что расплавить железо они не могли. Для этого требуется разогреть его до 1540 градусов, в то время как технологии древности позволяли достичь температур в 1000−1300 градусов. Вплоть до середины XIX века возможным считалось расплавить до жидкого состояния только чугун, так как плавкость железных сплавов возрастает по мере увеличения концентрации углерода.

Таким образом, ни железо, ни сталь сами по себе для изготовления оружия не годились. Орудия и инструменты из чистого железа выходили слишком мягкими, а из чистой стали - слишком хрупкими. Потому, чтобы изготовить, например, меч, приходилось делать бутерброд из двух пластин железа, между которыми закладывалась стальная пластина. При заточке мягкое железо стачивалось и появлялась стальная режущая кромка.

Такое оружие, сваренное из нескольких слоев с разными механическими свойствами, называлось сварным. Общими недостатками этой технологии являлись излишняя массивность и недостаточная прочность изделий. Сварной меч не мог пружинить, вследствие чего неизбежно ломался или гнулся при ударе о непреодолимую преграду.

Отсутствием упругости недостатки сварного оружия не исчерпывались. В дополнение к упомянутым недостаткам, его, например, невозможно было толком заточить. Железу можно было придать какую угодно остроту (хотя и стачивалось оно со страшной скоростью), но и тупилась мягкая режущая кромка из железа почти мгновенно. Сталь же точиться не желала - режущая кромка крошилась. Здесь налицо полная аналогия с карандашами - мягкий грифель легко сделать очень острым, но он сразу затупится, а твёрдый до особой остроты не доведешь - десять раз сломается. Так что, бритвы приходилось делать из железа и затачивать заново ежедневно.

В целом же, сварное оружие не превосходило остротой столовый нож. Уже одно это обстоятельство требовало делать его достаточно массивным для придания удовлетворительных рубящих свойств.

Единственной мерой позволяющей достичь сочетания остроты и твёрдости в рамках технологии сварки была закалка изделия уже после его заточки. Применим же этот метод становился в случае, если стальная режущая кромка приваривалась просто к железному обуху, а не заключалась в «бутерброд» из железа. Либо, закалены после заточки могли быть клинки, у которых железный сердечник оковывался снаружи сталью.

Недостатком такого метода было то, что заточка оказывалась возможна лишь однажды. Когда стальное лезвие иззубривалось и тупилось, весь клинок приходилось перековывать.

Тем не менее, именно освоение техники сварки - несмотря на все её недостатки - произвело настоящий переворот во всех сферах человеческой деятельности и привело к огромному возрастанию производительных сил. Сварные орудия были вполне функциональны и, при том, общедоступны. Только с их распространением каменные орудия оказались окончательно вытеснены, и наступил век металла.

Железные орудия решительно расширили практические возможности человека. Стало возможным, например, строить рубленные из брёвен дома - ведь, железный топор валил дерево уже не в три, как медный, а в 10 раз быстрее, чем каменный. Широкое распространение получило и строительство из тесаного камня. Он, естественно, употреблялся и в эпоху бронзы, но большой расход сравнительно мягкого и дорогого металла решительно ограничивал такие эксперименты. Значительно расширились также и возможности земледельцев.

Впервые железо научились обрабатывать народы Анатолии. Древнегреческая традиция считала открывателем железа народ халибов , для которых в литературе использовалось устойчивое выражение "отец железа", и само название народа происходит именно от греческого слова Χάλυβας ("железо").

«Железная революция» началась на рубеже I тысячелетия до н. э. в Ассирии . С VIII века до н. э сварное железо быстро стало распространяться в Европе, в III веке до н. э. вытеснило бронзу в Китае и Галлии , во II веке новой эры появилось в Германии , а в VI веке нашей эры уже широко употреблялось в Скандинавии и в племенах, проживающих на территории будущей Руси . В Японии железный век наступил только в VIII веке нашей эры.

Увидеть железо жидким металлурги смогли только в XIX веке , однако, ещё на заре железной металлургии - в начале I тысячелетия до новой эры - индийские мастера сумели решить проблему получения упругой стали без расплавления железа. Такую сталь называли булатом , но из-за сложности изготовления и отсутствия необходимых материалов в большей части мира, эта сталь так и осталась индийским секретом на долгое время.

Более технологичный путь получения упругой стали, при котором не требовались ни особо чистая руда, ни графит, ни специальные печи, был найден в Китае во II веке нашей эры. Сталь перековывали очень много раз, при каждой ковке складывая заготовку вдвое, в результате чего получался отличный оружейный материал, называемый дамаском , из которого, в частности, делались знаменитые японские катаны .

Прежде всего, надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался - из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, в первую очередь - серы. С XI века в Китае и с XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля - большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.

Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно - домна пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь.

Обработка металла

Самой первой формой организации производства железных изделий были кузнецы -любители. Обычные крестьяне , которые в свободное от обработки земли время промышляли таким ремеслом. Кузнец этого сорта сам находил «руду» (ржавое болото или красный песок), сам выжигал уголь, сам выплавлял железо, сам ковал, сам обрабатывал.

Умение мастера на данном этапе закономерно было ограничено выковыванием изделий самой простой формы. Инструментарий же его состоял из мехов, каменных молота и наковальни и точильного камня. Железные орудия производились с помощью каменных.

Если удобные для разработки залежи руды имелись поблизости, то и целая деревня могла заниматься производством железа, но такое было возможным только при наличии устойчивой возможности выгодного сбыта продукции, чего практически не могло быть в условиях варварства.

Если же, допустим, на племя из 1000 человек имелся десяток производителей железа, каждый из которых за год соорудил бы пару-тройку сыродутных печей , то их трудами обеспечивалась концентрация железных изделий всего порядка 200 граммов на душу населения. И не в год, а вообще.

Цифра эта, конечно, очень приблизительная, но факт тот, что, производя железо таким способом, никогда не удавалось за его счёт полностью покрыть все потребности в самом простом оружии и самых необходимых орудиях труда. Из камня продолжали изготавливаться топоры , из дерева - гвозди и плуги . Металлические доспехи оставались недоступными даже для вождей .

Такого уровня возможностями обладали наиболее примитивные племена бриттов , германцев и славян в начале нашей эры. Каменным и костяным оружием отбивались прибалты и финны от крестоносцев - а это уже оказывались XII -XIII века. Все эти народы, конечно, умели уже делать и железо, но ещё не могли получить его в необходимом количестве.

Следующим этапом развития чёрной металлургии были профессиональные кузнецы, которые все ещё сами выплавляли металл, но на добычу железоносного песка и выжигания угля чаще уже отправляли других мужиков - в порядке натурального обмена. На этом этапе кузнец, обычно, уже имел помощника-молотобойца и как-то оборудованную кузницу.

С появлением кузнецов концентрация железных изделий возрастала в четыре-пять раз. Теперь уже каждый крестьянский двор мог быть обеспечен персональным ножом и топором. Возрастало и качество изделий. Кузнецы профессионалы, как правило, владели техникой сварки и могли вытягивать проволоку. В принципе, такой умелец мог получить и дамаск , если знал как, но производство дамаскового оружия требовало такого количества железа, что не могло ещё быть сколько-то массовым.

На земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья.

Он приводит такую пропорцию: 1:160: 1280: 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов. Как свидетельствует в «Одиссее» Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллесом, награждали куском золота и куском железа.

Было в равной степени необходимо и воину, и пахарю, а практическая потребность, как известно,- лучший двигатель производства и технического прогресса.

Термин «железный век» введен в науку в середине XIX в. датским археологом К. Ю. Томсеном. «Официальные» границы этого периода человеческой истории: от IX-VII вв. до н. э. когда у многих народов и племен Европы и Азии начала развиваться металлургия железа, и до времени возникновения у этих племен классового общества и государства. Но если эпохи называть по главному материалу орудий труда, очевидно, железный век продолжается и сегодня.

Как получали наши далекие предки? Сначала так называемым сыродутным методом. Сыродутные печи устраивали прямо на земле, обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы. Эту трубу заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля.

Железная руда восстанавливалась, и получалась мягкая крица -железо с включениями шлака. Такое железо называют сварочным; в нем содержалось немного углерода и примесей, перешедших из руды. Крицу ковали, куски шлака отваливались, и под молотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывали различные орудия.

Век сварочного железа был долгим, однако людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо. Знаменитую дамасскую сталь (или булат) делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IV в. до н. э.). Но технология ее производства, так же как процесс изготовления булатных клинков, много веков держалась в секрете.

От домницы к домне

Сыродутный процесс во многом зависел от погоды: нужно было, чтобы ветер обязательно задувал в «трубу». Стремление избавиться от капризов погоды привело к созданию мехов, которыми раздували огонь в сыродутном горне. С появлением мехов отпала надобность устраивать сыродутные горны на склонах. Появились печи нового типа - так называемые волчьи ямы, которые выкапывали в земле, и домницы, которые возвышались над землей. Их делали из камней, скрепленных глиной. В отверстие у основания домницы вставляли трубку мехов и начинали раздувать печь. Уголь сгорал, а в горне печи оставалась уже знакомая нам крица. Обычно, чтобы вытащить ее наружу, выламывали несколько камней в нижней части печи. Затем их опять закладывали на место, заполняли печь углем и рудой, и все начиналось сначала.

Само слово «домница» происходит от славянского слова «дмути», что означает «дуть». От этого же слова происходят слова «надменный» (надутый) и «дым». По-анг-лийски доменная печь называется, как и по-русски, дутьевой - blast furnace. А во французском и немецком языках эти печи получили название высоких (Hochofen по-немецки и haut fourneau по-французски).

Домницы становились все больше. Увеличивалась производительность мехов; уголь горел все жарче, и железо насыщалось углеродом.

При извлечении крицы из печи выливался и расплавленный чугун - железо, содержащее более 2% углерода и плавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать, он разлетается на куски от одного удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак, считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинским железом» - pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугун можно заливать в формы и получать из него различные изделия, например пушечные ядра.

К XIV-XV вв. доменные печи, производившие чугун, срочно вошли в промышленность. Высота их достигала 3 м и более, они выплавляли литейный чугун, из которого лили уже не только ядра, но и сами пушки.

Подлинный поворот от домницы к домне произошел лишь в 80-х годах XVIII в., когда одному из демидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь не через одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Лиха беда начало! Число сопел, или фурм (как их теперь называют), росло, дутье становилось все более равномерным, увеличивался диаметр горна, повышалась производительность печей.

С изобретением кокса связана легенда о Даде Дадли, который якобы изобрел коксование еще в XVI в., задолго до Дерби. Но фабриканты древесного угля испугались за свои доходы и, сговорившись, убили изобретателя.

В 1829 г. Дж. Нилсон на заводе Клейд (Шотландия) впервые применил вдувание в домны нагретого воздуха. Это нововведение повысило производительность печей и резко снизило расход топлива.

Последнее значительное усовершенствование доменного процесса произошло уже в наши дни. Суть его - замена части кокса дешевым природным газом.

Что такое булат

И булат, и дамасская сталь по химическому составу не отличаются от обычной нелегированной стали. Это железа с углеродом. Но в отличие от обычной углеродистой стали булат обладает очень большой твердостью и упругостью, а также способностью давать лезвие исключительной остроты.

Секрет булата не давал покоя металлургам многих веков и стран. Каких только способов и рецептов не предлагалось! В железо добавляли , драгоценные камни, слоновую кость. Придумывались хитроумнейшие (и порой ужаснейшие) «технологии». Один из древнейших советов: для закалки погружать клинок не в воду, а в тело мускулистого раба - чтобы его сила перешла в сталь.

Раскрыть секрет булата удалось в первой половине прошлого века замечательному русскому металлургу П. П. Аносову. Он брал самое чистое кричное железо и помещал его в открытом тигле в горн с древесным углем. Железо, плавясь, насыщалось углеродом, покрывалось шлаком из кристаллического доломита, иногда с добавкой чистой железной окалины. Под этим шлаком оно очень интенсивно освобождалось от кислорода, серы, фосфора и кремния. Но это было только полдела. Нужно было еще охладить сталь как можно спокойнее и медленнее, чтобы в процессе кристаллизации сначала могли образоваться крупные кристаллы разветвленной структуры - так называемые дендриты. Охлаждение шло прямо в горне, заполненном раскаленным углем. Затем следовала искусная ковка, которая не должна была нарушить образовавшуюся структуру. Другой русский металлург - Д. К. Чернов впоследствии объяснил происхождение уникальных свойств булата, связав их со структурой. Дендриты состоят из тугоплавкость но относительно мягкой стали, а пространство меж их «ветвями» заполняется в процессе застывания металла более насыщенной углеродом, а следовательно, и более твердой сталью. Отсюда большая твердость и большая вязкость одновременно. При ковке этот стальной «гибрид» не разрушается, сохраняется его древовидная структура, но только из прямолинейной она превращается в зигзагообразную. Особенности рисунка в значительной мере зависят от силы и направления ударов, от мастерства кузнеца.

Дамасская сталь древности - это тот же булат, но позднее так называли сталь, полученную путем кузнечной сварки из многочисленных стальных проволочек или полос Проволочки делались из сталей с разным содержанием углерода, отсюда те же свойства, что и у булату. В средние века искусство приготовления такой стали достигло наибольшего развития. Известен японский клинок, в структуре которого обнаружено около 4 млн. микроскопически тонких стальных нитей. Естественно, процесс изготовления оружия из дамасской стали еще более трудоемок, чем процесс изготовления булатных сабель.

Железо — химический элемент с атомным номером 26 в периодической системе, обозначается символом Fe (лат. Ferrum), один из самых распространённых в земной коре металлов. Простое вещество железо — серебристо-белый, ковкий металл с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. Железо редко встречается в природе в чистом виде. Часто используется человеком для создания сплавов с другими металлами и с углеродом, является основным компонентом стали. Распространённость железа в земной коре (4,65%, 4-е место после O, Si, Al) и совокупность специфических свойств делают его «металлом №1» по важности для человека. Считается также, что железо составляет большую часть земного ядра.

Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза,болг. желязо, укр. залізо, польск. Żelazo, словен. Železo). Одна из версий связывает это слово с санскритским «жальжа», что означает «металл, руда». Другая версия усматривает в слове славянский корень «лез», тот же, что и в слове «лезвие» (так как железо в основном употреблялось на изготовление оружия). Есть также связь между словом "желе" и студнеобразной консистенцией "болотной руды", из которой некоторое время добывался металл. Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus — звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

По распространенности в литосфере железо находится на 4-м месте среди всех элементов и на 2-м месте после алюминия среди металлов. Его процентное содержание по массе в земной коре составляет 4,65 %. Железо входит в состав более 300-х минералов, но промышленное значение имеют только руды с содержанием не менее 16% железа: магнетит (магнитный железняк) - Fe3O4 (72,4% Fe), гематит (железный блеск или красный железняк) - Fe2O3 (70% Fe), бурые железняки (гётит, лимонит и т.п.) с содержанием железа до 66,1% Fe, но чаще 30-55%.

Железо давно и повсеместно применяется в технике, причем не столько в силу своего широкого распространения в природе, сколько в силу своих свойств: оно пластично, легко поддается горячей и холодной ковке, штамповке и волочению. Однако чистое железо обладает низкой прочностью и химической стойкостью (на воздухе в присутствии влаги окисляется, покрываясь нерастворимой рыхлой ржавчиной бурого цвета). В силу этого в чистом виде железо практически не применяется. То, что мы в быту привыкли называть "железом" и "железными" изделиями на самом деле изготовлено из чугуна и стали - сплавов железа с углеродом, иногда с добавлением других так называемых легирующих элементов, придающих этим сплавам особые свойства.

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. 1: 160: 1280: 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов. Как свидетельствует в «Одиссее» Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллесом, награждали куском золота и куском железа.
Железо было в равной степени необходимо и воину, и пахарю, а практическая потребность, как известно, - лучший двигатель производства и технического прогресса. Термин «железный век» введен в науку в середине XIX в. датским археологом К.Ю. Томсеном. «Официальные» границы этого периода человеческой истории: от IX...VII вв. до н.э. когда у многих народов и племен Европы и Азии начала развиваться металлургия железа, и до времени возникновения у этих племен классового общества и государства. Но если эпохи называть по главному материалу орудий труда, то, очевидно, железный век продолжается и сегодня.

Как получали железо наши далекие предки? Сначала так называемым сыродутным методом. Сыродутные печи устраивали прямо на земле, обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы. Эту трубу заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля. Железная руда восстанавливалась, и получалась мягкая крица - железо с включениями шлака. Такое железо называлось сварочным; в нем содержалось немного углерода и примесей, перешедших из руды. Крицу ковали. Куски шлака отваливались, и под молотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывали различные орудия. Век сварочного железа был долгим, однако людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо. Знаменитую дамасскую сталь (или булат) делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IV в. до н.э.). Но технология ее производства, так же как процесс изготовления булатных клинков, держалась в секрете.

И булат, и дамасская сталь по химическому составу не отличаются от обычной нелегированной стали. Это сплавы железа с углеродом. Но в отличие от обычной углеродистой стали булат обладает очень большой твердостью и упругостью, а также способностью давать лезвие исключительной остроты.
Секрет булата не давал покоя металлургам многих веков и стран. Каких только способов и рецептов не предлагалось! В железо добавляли золото, серебро, драгоценные камни, слоновую кость. Придумывались хитроумнейшие (и порой ужаснейшие) «технологии». Один из древнейших советов: для закалки погружать клинок не в воду, а в тело мускулистого раба, - чтобы его сила перешла в сталь.

Другой русский металлург - Д.К. Чернов впоследствии объяснил происхождение уникальных свойств булата, связав их со структурой. Дендриты состоят из тугоплавкой, но относительно мягкой стали, а пространство меж их «ветвями» заполняется в процессе застывания металла более насыщенной углеродом, а следовательно, и более твердой сталью. Отсюда большая твердость и большая вязкость одновременно. При ковке этот стальной «гибрид» не разрушается, сохраняется его древовидная структура, но только из прямолинейной она превращается в зигзагообразную. Особенности рисунка в значительной мере зависят от силы и направления ударов, от мастерства кузнеца.

Дамасская сталь древности - это тот же булат, но позднее так называли сталь, полученную путем кузнечной сварки из многочисленных стальных проволочек или полос. Проволочки делались из сталей с разным содержанием углерода, отсюда те же свойства, что и у булата. В средние века искусство приготовления такой стали достигло наибольшего развития. Известен японский клинок, в структуре которого обнаружено около 4 млн микроскопически тонких стальных нитей. Естественно, процесс изготовления оружия из дамасской стали еще более трудоемок, чем процесс изготовления булатных сабель.

При извлечении крицы из печи выливался и расплавленный чугун - железо, содержащее более 2% углерода плавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать, он разлетается на куски от одного удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак, считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинским железом» - pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугун можно заливать в формы и получать из него различные изделия, например пушечные ядра. К XIV...XV вв. доменные печи, производившие чугун, прочно вошли в промышленность. Высота их достигала 3 м более, они выплавляли литейный чугун, из которого лили уже не только ядра, но и сами пушки. Подлинный поворот от домницы к домне произошел лишь в 80-х годах XVIII в., когда одному из демидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь не через одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Число сопел, или фурм (как их теперь называют), росло, дутье становилось все более равномерным, увеличивался диаметр горна, повышалась производительность печей.

Еще два открытия сильно повлияли на развитие доменного производства. Долгие годы топливом доменных печей был древесный уголь. Существовала целая отрасль промышленности, занимавшаяся выжиганием угля из дерева. В результате леса в Англии вырубили до такой степени, что был издан специальный указ королевы, запрещающий уничтожать лес ради нужд черной металлургии. После этого английская металлургия стала быстро хиреть. Британия была вынуждена ввозить чугун из-за границы, главным образом из России. Так продолжалось до середины XVIII в., когда Абрагам Дерби нашел способ получения кокса из каменного угля, запасы которого в Англии очень велики. Кокс стал основным топливом для доменных печей. В 1829 г. Дж. Нилсон на заводе Клейд (Шотландия) впервые применил вдувание в домны нагретого воздуха. Это нововведение повысило производительность печей и резко снизило расход топлива. Последнее значительное усовершенствование доменного процесса произошло уже в наши дни. Суть его - замена части кокса дешевым природным газом.

Процесс производства стали сводится в сущности к выжиганию из чугуна примесей, к окислению их кислородом воздуха. То, что делают металлурги, рядовому химику может показаться бессмыслицей: сначала восстанавливают окисел железа, одновременно насыщая металл углеродом, кремнием, марганцем (производство чугуна), а потом стараются выжечь их. Обиднее всего, что химик совершенно прав: металлурги применяют явно нелепый метод. Но другого у них не было. Главный металлургический передел - производство стали из чугуна - возник в XIV в. Сталь тогда получали в кричных горнах. Чугун помещали на слой древесного угля, расположенный выше фурмы для подачи воздуха. При горении угля чугун плавился и каплями стекал вниз, проходя через зону, более богатую кислородом, - мимо фурмы. Здесь железо частично освобождалось от углерода и почти полностью от кремния и марганца. Затем оно оказывалось на дне горна, устланном слоем железистого шлака, оставшегося после предыдущей плавки. Шлак постепенно окислял углерод, еще сохранившийся в металле, отчего температура плавления металла повышалась, и он загустевал. Образовавшийся мягкий слиток ломом поднимали вверх. В зоне над фурмой он еще раз переплавлялся, при этом окислялась еще какая-то часть содержащегося в железе углерода. Когда после переплавки на дне горна образовывалась 50...100-килограммовая крица, ее извлекали из горна и тут же отправляли на проковку, цель которой была не только уплотнить металл, но и выдавать из него жидкие шлаки.

Наиболее совершенным железоделательным агрегатом прошлого была пудлинговая печь, изобретенная англичанином Генри Кортом в конце XVIII в. (Кстати, он же изобрел и прокатку профильного железа на валках с нарезанными в них калибрами. Раскаленная полоса металла, проходя через калибры, принимала их форму.). Пудлинговая печь Корта загружалась чугуном, а подина (дно) и стены ее были футерованы железной рудой. После каждой плавки их подновляли. Горячие газы из топки расплавляли чугун, а потом кислород воздуха и кислород, содержащийся в руде, окисляли примеси. Пудлинговщик, стоящий у печи, помешивал в ванне железной клюшкой, на которой осаждались кристаллы, образующие железную крицу. После изобретения пудлинговой печи в этой области черной металлургии долго не появлялось ничего нового, если не считать разработанного англичанином Гунстманом тигельного способа получения высококачественной стали. Но тигли были малопроизводительны, а развитие промышленности и транспорта требовало все большего, и большего количества стали.

Генри Бессемер в 1856 г. запатентовал способ производства стали продуванием воздуха через жидкий чугун, находящийся в конвертере - грушевидном сосуде из листового железа, выложенном изнутри кварцевым огнеупором. Для подвода дутья служит огнеупорное днище со многими отверстиями. Конвертер имеет устройство для поворота в пределах 300°. Перед началом работы конвертер кладут «на спину», заливают в него чугун, пускают дутье и только тогда ставят конвертер вертикально. Кислород воздуха окисляет железо в закись FeO. Последняя растворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец... Из окислов железа, марганца и кремния образуются шлаки. Такси процесс ведут до полного выгорания углерода. Затем конвертер снова кладут «на спину», отключают дутье, вводят в металл расчетное количество ферромарганца - для раскисления. Так получается высококачественная сталь.
Способ конвертерного передела чугуна стал первым способом массового производства литой стали.

Передел в бессемеровском конвертере, как выяснилось позже, имел и недостатки. В частности, из чугуна но удалялись вредные примеси - сера и фосфор. Поэтому для переработки в конвертере применяли главным образом чугун, свободный от серы и фосфора. От серы в последствии научились избавляться (частично, разумеется), добавляя в жидкую сталь богатый марганцем «зеркальный» чугун, а позже и ферромарганец. С фосфором, который не удалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее. Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержанием фосфора, оставались непригодными для производства стали. Выход был найден английским химиком С.Д. Томасом, который предложил связывать фосфор известью. Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженным доломитом, а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь. Образовывался известково-фосфористый шлак, который легко отделялся от стали. Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.

Самая большая революция в сталеплавильном производстве произошла в 1865 г., когда отец и сын - Пьер и Эмиль Мартены использовали для получения стали регенеративную газовую печь, построенную по чертежам В. Сименса. В ней, благодаря подогреву газа и воздуха, в особых камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая высокая температура, что сталь в ванне печи переходила уже не в тестообразное, как в пудлинговой печи, а в жидкое состояние. Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлять слитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы... И все это в огромных масштабах! Кроме того, появилась возможность использовать громадные количества железного лома, скопившегося за долгие годы на металлургических и машиностроительных заводах. Последнее обстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В начале XX в. мартеновские печи почти полностью вытеснили бессемеровские и томасовские конвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в очень малых количествах.

Конвертерное производство могло бы стать исторической редкостью, такой же, как и пудлинговое, если бы не кислородное дутье. Мысль о том, чтобы убрать из воздуха азот, не участвующий в процессе, и продувать чугун одним кислородом, приходила в голову многим видным металлургам прошлого; в частности, еще в XIX в. русский металлург Д.К. Чернов и швед Р. Окерман писали об этом. Но в то время кислород был слишком дорог. Только в 30...40-х годах 20 столетия, когда были внедрены дешевые промышленные способы получения кислорода из воздуха, металлурги смогли использовать кислород в сталеплавильном производстве. Разумеется, в мартеновских печах. Попытки продувать кислородом чугун в конвертерах не привели к успеху; развивалась такая высокая температура, что прогорали днища аппаратов. В мартеновской печи все было проще: кислород давали и в факел, чтобы повысить температуру пламени, и в ванну (в жидкий металл), чтобы выжечь примеси. Это позволило намного увеличить производительность мартеновских печей, но в то же время повысило температуру в них настолько, что начинали плавиться огнеупоры. Поэтому и здесь кислород применяли в умеренных количествах.

В 1952 г. в австрийском городе Линце на заводе «Фест» впервые начали применять новый способ производства стали - кислородно-конвертерный. Чугун заливали в конвертор, днище которого не имело отверстий для дутья, было глухим. Кислород подавался на поверхность жидкого чугуна. Выгорание примесей создавало такую высокую температуру, что жидкий металл приходилось охлаждать, добавляя в конвертер железную руду и лом. И в довольно больших количествах. Конвертеры снова появились на металлургических заводах. Новый способ производства стали начал быстро распространяться во всех промышленно развитых странах. Сейчас он считается одним из самых перспективных в сталеплавильном производстве. Достоинства конвертера состоят в том, что он занимает меньше места, чем мартеновская печь, сооружение его гораздо дешевле, а производительность выше. Однако в конвертерах сначала выплавляли только малоуглеродистые мягкие стали. В последующие годы был разработан процесс выплавки в конвертере высокоуглеродистых и легированных сталей.

Свойства сталей разнообразны. Есть стали, предназначенные для долгого пребывания в морской воде, стали, выдерживающие высокую температуру и агрессивное действие горячих газов, стали, из которых делают мягкую увязочную проволоку, и стали для изготовления упругих и жестких пружин. Такое разнообразие свойств вытекает из разнообразия составов сталей. Так, из стали, содержащей 1% углерода и 1,5% хрома, делают шарикоподшипники высокой стойкости; сталь, содержащая 18% хрома и 8...9% никеля, - это всем известная «нержавейка», а из стали, содержащей 18% вольфрама, 4% хрома и 1% ванадия, изготовляют токарные резцы. Это разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т.е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром - металл дорогой. Как найти выход из этого положения?

Выход был найден в начале XX в. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°C. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу - окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей. Позднее был предложен еще один способ электроплавки - индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.

В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают ферросплавы - сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Стали, особенно качественные, оказались очень чувствительными к содержанию примесей. Даже небольшие количества кислорода, азота, водорода, серы, фосфора сильно ухудшают их свойства - прочность, вязкость, коррозионную стойкость. Эти примеси образуют с железом и другими содержащимися в стали элементами неметаллические соединения, которые вклиниваются между зернами металла, ухудшают его однородность и снижают качество. Так, при повышенном содержании кислорода и азота в сталях снижается их прочность, водород вызывает появление флокенов - микротрещин в металле, которые приводят к неожиданному разрушению стальных деталей под нагрузкой, фосфор увеличивает хрупкость стали на холоде, сера вызывает красноломкость - разрушение стали под нагрузкой при высоких температурах. Металлурги долго искали пути удаления этих примесей. После выплавки в мартеновских печах, конвертерах и электропечах металл раскисляют - прибавляют к нему алюминий, ферросилиций (сплав железа с кремнием) или ферромарганец. Эти элементы активно соединяются с кислородом, всплывают в шлак и уменьшают содержание кислорода в стали. Но кислород все же остается в стали, а для высококачественных сталей и оставшиеся его количества оказываются слишком большими. Необходимо было найти другие, более эффективные способы.

В 50-х годах металлурги начали в промышленном масштабе вакуумировать сталь. Ковш с жидким металлом помещают в камеру, из которой откачивают воздух. Металл начинает бурно кипеть и газы из него выделяются. Однако представьте себе ковш с 300 т стали - сколько времени пройдет, пока он прокипит полностью, и насколько за это время охладится металл. Вам сразу станет ясно, что такой способ годится лишь для небольших количеств стали. Поэтому были разработаны другие, более быстрые и эффективные способы вакуумирования. Сейчас они применяются во всех развитых странах, и это позволило улучшить качество стали. В начале 60-х годов был разработан способ электрошлакового переплава стали, который очень скоро начали применять во многих странах. Этот способ очень прост. В водоохлаждаемый металлический сосуд - кристаллизатор - помещают слиток металла, который надо очистить, и засыпают его шлаком особого состава. Затем слиток подключают к источнику тока. На конце слитка возникает электрическая дуга, и металл начинает оплавляться. Жидкая сталь реагирует со шлаком и очищается не только от окислов, но и от нитридов, фосфидов и сульфидов. В кристаллизаторе застывает новый, очищенный от вредных примесей слиток. Использовался и альтернативный способ: шлаки особого состава для очистки металла расплавляют и выливают в ковш, а затем в этот жидкий шлак выпускают металл из печи. Шлак перемешивается с металлом и поглощает примеси. Метод этот быстр, эффективен и не требует больших затрат электроэнергии.

Получением железа непосредственно из руды, минуя доменный процесс, занимались еще в прошлом веке. Тогда этот процесс и получил название прямого восстановления. Однако до последнего времени он не нашел большого распространения. Во-первых, все предложенные способы прямого восстановления были малопроизводительными, а во-вторых, полученный продукт - губчатое железо - был низкокачественным и загрязненным примесями. И все же энтузиасты продолжали работать в этом направлении. Положение коренным образом изменилось с тех пор, когда в промышленности начали широко использовать природный газ. Он оказался идеальным средством восстановления железной руды. Основной компонент природного газа - метан CH4 разлагают окислением в присутствии катализатора в специальных аппаратах - реформерах по реакции 2CH4 + О2 → 2CO + 2Н2.

Получается смесь восстановительных газов - окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает в реактор, в который подается и железная руда.
Формы и конструкции реакторов очень разнообразны. Иногда реактором служит вращающаяся трубчатая печь, типа цементной, иногда - шахтная печь, иногда - закрытая реторта. Этим и объясняется разнообразие названий способов прямого восстановления: Мидрекс, Пурофер, Охалата-и-Ламина, СЛ-РН и т.д. Число способов уже перевалило за два десятка. Но суть их обычно одна и та же. Богатое железорудное сырье восстанавливается смесью окиси углерода и водорода. Из губчатого железа не только хорошего топора - хорошего гвоздя отковать нельзя. Как бы ни была богата исходная руда, чистого железа из нее все равно не получится. По законам химической термодинамики даже восстановить все содержащееся в руде железо не удастся; часть его все равно останется в продукте в виде окислов. Губчатое железо оказывается почти идеальным сырьем для электрометаллургии. Оно содержит мало вредных примесей и хорошо плавится. Выгода схемы прямое восстановление - электропечь состоит в ее дешевизне. Установки прямого восстановления значительно дешевле и потребляют меньше энергии, чем доменные печи. Прямой переплав - не единственный способ применения губчатого железа в черной металлургии. Его можно также использовать вместо металлолома в мартеновских печах, конвертерах и электросталеплавильных печах.

Железный век продолжается. Примерно 9/10 всех используемых человечеством металлов и сплавов - это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах. Пластмассы? Но они в наше время чаще всего выполняют в различных конструкциях самостоятельную роль, а если уж их в соответствии с традицией пытаются ввести в ранг «незаменимых заменителей», то чаще они заменяют цветные металлы, а не черные. На замену стали идут лишь несколько процентов потребляемых нами пластиков. Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны и в массе - дешевы. Сырьевая база этого металла тоже не вызывает опасений: уже разведанных запасов железных руд хватило бы по меньшей мере на два века вперед. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.

Пользовательское соглашение

Я принимаю условия Политики конфиденциальности и даю разрешение на использование моих персональных данных на законных основаниях. Настоящая Политика конфиденциальности определяет порядок получения, обработки, использования и хранения личной информации Пользователя. Индивидуальную информацию посетителя сайта может получить ООО «Фирма «ВИКАНТ» (идентификационный код 24942675), в период нахождения на сайте сайт, и во время регистрации, а также использования продуктов, служб, программ, сервисов. Свои данные Пользователь вносит самостоятельно. Суть сбора информации и обработка персональных данных Пользователей Мы собираем информацию, которую вы вносите при регистрации на сайте, а также, когда создаете заявку на покупку и/или покидаете свой аккаунт. Эта информация включает в себя ваш номер телефона, электронный адрес и имя. На основании полученных сведений мы имеем возможность предоставлять клиентскую поддержку, обеспечивать нашим Пользователям безопасность. А также мы можем точнее определять информацию, которая интересна Пользователям и персонифицировать контент, что поможет повысить комфортность пребывания на сайте. Чтобы предоставлять нашим Пользователям самую актуальную информацию об услугах и товарах, держать в курсе последних новостей и прогрессе обработки заявок/запросов, а также для реализации ООО «Фирма «ВИКАНТ» своих обязанностей перед потребителями. Из-за особенностей метода получения данных ООО «Фирма «ВИКАНТ» не анализирует информацию на предмет достоверности и актуальности персональных данных Пользователя. Ввиду того, что Пользователь заполняет данные по вопросам, которые предложены в форме для регистрации, он обеспечивает эти данные в актуальном состоянии. Если информация оказалась недостоверной или не актуальной, то всю ответственность за это несет Пользователь. Если информация оказалась у третьих лиц Мы не разглашаем, не продаем, не обмениваем персональные данные сторонним компаниям, которые собираем на нашем сайте. Раскрытие персональной информации возможно только в определённых случаях, которые предусмотрены действующим законодательством Украины, а также: - в случае нанесения вреда нам или третьим лицам, во избежание преступления или мошенничества; - в случае необходимости предоставления информации третьим лицам, оказывающим нам поддержку и услуги. Например, сотрудники технической поддержки, которые работают с конкретным заданием могут получить доступ к личным данным. Личные данные Пользователя сохраняются в полной конфиденциальности, за исключением случаев предоставления информации о себе по собственной воле для неограниченного доступа большому количеству людей. Нажатием кнопки «Принимаю Соглашение о конфиденциальности» при заполнении на сайте формы с личной информацией, Пользователь автоматически соглашается с правилами данной Политики. Мы применяем необходимые и достаточные административные и технические меры и отвечаем за использование безвредных методов сохранения и защиты информации. Чтобы обеспечить необходимое использование и обезопасить от несанкционированного и/или непроизвольного доступа к личной информации наших Пользователей данные сохраняются на серверах, в охраняемых помещениях и доступны узкому кругу людей. Алгоритм внесения правок в личную информацию. В любой момент Пользователь может дополнить, изменить, обновить предоставленную информацию или её часть. Также доступны изменения параметров конфиденциальности. В любой момент Пользователь может отказаться от получения новостей, рассылок, нажав на соответствующую ссылку внизу сообщения. Без согласия Пользователя обработка персональных данных не допускается, за исключением фактов, прописанных в законах и только в интересах экономического благосостояния, прав человека и национальной безопасности. При возникновении проблем или вопросов, связанных с конфиденциальностью, отправляйте свои вопросы на электронный адрес: metal@сайт Изменения С течением времени наша Политика конфиденциальности может меняться, но мы не будем урезать права Пользователей без их согласия. Обновления Политики конфиденциальности будут размещены на этой станице, а о самых значительных мы сообщим лично (в случае с некоторыми службами – по электронной почте). Чтобы Пользователям было удобнее, мы сохраним все предыдущие версии данного документа в архиве. Пользователь имеет права, предусмотренные Законом Украины «О защите персональных данных» от 1 июня 2010 года №2297-VI. Условия данной Политики вступают в силу, когда Пользователь на сайте сайт при передаче своих данных соглашается с условиями данной Политики и действует до тех пор, пока на сайте сайт хранятся персональные данные или любая информация о Пользователе. При использовании нашего сайта вы автоматически принимаете условия и Политику конфиденциальности.

Свободное самородное железо в земной коре, в отличие от меди, почти не встречается. Но оно входит в состав многих минералов и распространено гораздо шире цветных металлов. В древности его можно было добывать буквально повсюду - из озерных, болотистых, луговых и других руд. Однако, по сравнению с металлургией меди, металлургия железа является достаточно сложным процессом.

Железо плавится при температуре 1539 градусов. Такая высокая была совершенно недоступна древним мастерам. Поэтому железо вошло в обиход человека значительно позже меди. Его широкое применение в качестве материала для изготовления оружия и инструментов началось только в первом тысячелетии до Рождества Христова, когда стал известен сыродутный способ восстановления железа.

Впрочем, некоторые народы научились металлургии железа значительно раньше; например, племена, населявшие территорию современной Армении, умели получать железо из руд уже в третьего тысячелетия до Рождества Христова.

Наиболее распространенные железные руды (магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк) представляют собой либо соединение железа с кислородом (оксид железа), либо гидрат окиси железа. Для того чтобы выделить металлическое железо из этих соединений, необходимо восстановить его - то есть отнять у него кислород.

Разумеется, древние мастера не имели понятия о сложных химических процессах, которые происходили при восстановлении железа. Однако, наблюдая за «плавкой» руды, они, в конце концов, установили несколько важных закономерностей, которые и легли в основу простейших методов производства железа.

Прежде всего, наши предки заметили, что для получения железа вовсе не обязательно доводить его до температуры плавления. Металлическое железо можно получать и при гораздо меньших температурах, но при этом должно быть больше топлива, чем при выплавке меди, и это топливо должно быть лучшего качества. Необходимо также, чтобы огонь был как можно более «горячим». Все это требовало особого устройства печи и условий плавки.

Как правило, приступая к «плавке» железа, мастера сначала выкапывали круглую яму, стенки которой изнутри обмазывались толстым слоем глины. С наружной стороны к этой яме подводилось отверстие для нагнетания воздуха. Затем над округлой нижней частью сооружали верхнюю в виде конуса. В качестве топлива использовался древесный уголь. Его засыпали в самый низ печи - в яму. Сверху на него укладывали слоями шихту - измельченную руду и уголь. На самый верх засыпали толстый слой угля.

После того как топливо внизу поджигалось, начинался сильный разогрев руды. При этом шла химическая реакция окисления углерода (угля) и восстановления железа. В виде мельчайших лепестков тестообразное железо, которое было в три раза тяжелее шлака, опускалось вниз и оседало в нижней части печи. В результате на дне ямы собирался ком мягкого сварного железа - крица, весом от 1 до 8 кг. Она состояла из мягкого металла с пустотами, заполненными твердыми шлаками. Когда «плавка» заканчивалась, печь разламывали и извлекали из нее крицу.

Дальнейшая обработка происходила в кузнице, где крицу снова разогревали в горне и обрабатывали ударами молота, чтобы удалить шлак. В металлургии железа ковка на многие века сделалась основным видом обработки металла, а кузнечное дело стало важнейшей отраслью производства. Только после ковки железо приобретало удовлетворительные качества. Чистое железо, впрочем, невозможно использовать из-за его мягкости.

Хозяйственное значение имел только сплав железа с углеродом. Если полученный металл содержал от 0, 3 до 1, 7% углерода, получалась сталь, то есть железо, которое приобрело новое свойство - способность к закалке. Для этого изготовленный инструмент нагревали докрасна, а затем охлаждали в воде. После закалки он становился очень твердым и приобретал замечательные режущие качества. При естественном притоке воздуха температура в поднималась не выше 1000 градусов.

Уже в древности было замечено, что из той же руды можно получить больше железа и лучшего качества, если в печь искусственно нагнетать воздух с помощью мехов. Меха делались из шкур, снабжались дульцами и приводились в движение вручную. С помощью сопел и мехов в печь нагнетали сырой не подогретый воздух, откуда и пошло название всего процесса. Однако и при этом способе температура могла подниматься только до 1200 градусов, и из руды извлекалось не более половины содержавшегося в ней железа.

Являясь общедоступным и дешевым материалом, железо очень скоро проникло во все отрасли производства, быта и военного дела и произвело переворот во всех сферах жизни. Железный топор и соха с железным лемехом позволили освоить земледелие тем народам, которым до этого оно было совершенно недоступно. Только после распространения железа земледелие у большинства народов превратилось в важнейшую отрасль производства.

Железо дало ремесленнику инструменты такой твердости и остроты, которым не могли противостоять ни камень, ни . Они явились той основой, на которой стали бурно развиваться другие ремесла. Эти крупные сдвиги положили конец первобытному обществу. На смену ему пришло более развитое - классовое общество.