вход Вход Регистрация



Археологи стверджують, що людина навчилася одержувати залізо з незапам'ятних часів. Застосування метеоритного заліза - перший крок по шляху відмови від бронзи. Із цього почався перехід від бронзового віку до залізного. Археологічні розкопки древніх поселень у центральній частині Росії, на Уралі, Україні, Білорусії, Закавказзі й у ряді інших районів показують, що наші далекі предки вже 2,5 - 3 тисячоріччя назад уміли одержувати залізо з руд, і виготовляти з нього зброю й предмети домашнього побуту.

Учені, що досліджують первісне суспільство, стверджують, що вирішальну роль у зародженні металургії зіграло багаття. Чому саме багаття? Багаття для первісної людини було природним способом зігрітися й присмажити здобич. На відміну від наших далеких предків ми, сучасні люди, розуміємо, що залізна руда є хімічна сполука заліза з киснем, і що для відновлення заліза потрібно розірвати цей зв'язок. Ми також розуміємо, що для цього необхідно виконати дві умови: перше - мати відновник, що має більш високу спорідненість до кисню і тому здатний відірвати кисень від заліза; і друге - руду й відновник треба нагріти до високих температур, тому що процес їхньої взаємодії може протікати тільки при підвищених температурах.

Розводячи багаття, наші предки обгороджували його від вітру й дощу каменями, серед яких могли виявитися й шматки руди. Навіть найдужче полум'я багаття не дає температур, потрібних для відновлення металів із руд, але можна допустити, що один раз у великому багатті створилися умови, що дозволили розірвати узи металу й кисню. Імовірність такої випадкової виплавки металу з руди в полум'ї багаття дуже мала - багаттям довелося горіти майже півтора мільйона років, перш ніж древній вогнищевій став по сумісництву металургом. Первісна людина вже не хотіла залежати від сліпого випадку, а прагнула повторити цей процес. Ідея металургії опанувала нашими предками.

Вогнищева металургія - перший досвід одержання заліза, відкритий випадково, який згодом увійшов у практику. Суть цього процесу зводилася до нагрівання залізної руди в багатті, де й відбувалося відновлення заліза з руд з утворенням тістоподібної залізної губки. Зараз нам зрозуміло, що роль відновника при цьому грав вуглець, що утворюється при горінні дров. Вогнищева металургія замінилася горновою, оскільки виявилося, що той же процес відновлення зручніше проводити в горні. По цьому способу залізна руда нагрівалася в ямах, виритих у землі й вимазаних глиною. Горіння дров (деревного вугілля) відбувалося за рахунок природної тяги. Надалі з'явилися наземні печі - сиродутні горни - із примусовим нагнітанням повітря ручними міхами. Сировиною служили болотні руди й деревне вугілля. Його вже спеціально одержували шляхом випалу деревини в умовах обмеженого доступу повітря. На дні таких печей утворювалася розпечена грудка м'якого заліза. Її проковували молотом для ущільнення й видавлювання шлаків. Продуктивність таких горнів була незначною - вага грудки заліза рідко перевищувала 20-25 кг. Згодом у зв'язку з ростом розмірів сиродутних горнів відновлення заліза відбувалося при все більш високих температурах. У цих умовах розвиваються процеси навуглецьовування відновленого заліза, і замість ковкого заліза все частіше виходив чавун. Спочатку крохкий чавун, який не піддається куванню, вважали браком і викидали. Через це чавун одержав не дуже шанобливу назву - "свиняче залізо" (по-англійськи "pig iron", по-німецьки "schweinеizen", по-російськи "чушка"). Так само випадково було виявлено, що нагрівання шматків чавуну зі шматками залізної руди приводить до одержання ковкого металу - криці -, придатного для виготовлення потрібних предметів. Це відкриття лягло в основу т.зв. кричного процесу, по якому чавун плавили в «кричних» горнах із видаленням із нього вуглецю киснем дуття за допомогою рідких залізистих шлаків. Для цього в горн завантажували деревне вугілля, розпалювали його й пускали дуття. Потім на шар розпеченого вугілля клали шматки чавуну й багату залізну руду. Чавун поступово плавився й крапельками стікав униз. При цьому відбувалося окислювання розчинених у чавуні вуглецю, марганцю й кремнію. Оскільки температура в горні не перевищувала 14000С, то метал, що накопичувався на дні горна, по мірі окислювання домішок перетворювався в тістоподібну масу - крицю. Температура 14000С достатня для розплавлювання чавуну (Тпл. чавуну 1150-12000С), але недостатня для підтримки в рідкому стані низько вуглецевого заліза (Тпл. чистого заліза 15390С).

Низька продуктивність кричного процесу й необхідність використання деревного вугілля змушували металургів того часу шукати більш продуктивний спосіб виробництва кричного заліза. Такий спосіб був запропонований англійцем Г. Кортом у 1784 році, назвали його пудлінгуванням. Цей спосіб дозволяв шляхом плавлення чавуну й окислювання його домішок на подині відбивної (пудлінгової) печі одержувати кричне залізо без використання дефіцитного деревного вугілля. Джерелом тепла в пудлінговій печі могло бути будь-яке пальне, його чистота не грала такої істотної ролі як при кричному процесі, оскільки паливо й метал не стикалися - паливо спалювалося в окремій камері, продукти горіння нагрівали звід печі, і за рахунок відбивання тепла від зводу нагрівали метал на подині печі.

Поява в середині 14 віку доменних печей відкрила нові можливості для збільшення випуску металу, але потрібно було знайти заміну деревному вугіллю. Справа в тім, що розвиток металургії привів до повного знищення лісів в Англії й Ірландії. Саме тому тут починалися кількаразові спроби виплавляти чавун на кам'яному вугіллі, яким багата Англія. І, у кінцевому рахунку, ці спроби увінчалися успіхом - приблизно 250 років тому з'явилася коксова металургія, суть якої зводиться до одержання чавуну з використанням кам'яновугільного коксу й наступної переробки чавуну в сталь. Кокс одержували випалом кам'яного вугілля без доступу повітря.

Однак дійсна технічна революція в області сталеплавильного виробництва відбулася в другій половині 19 століття у результаті відкриття й розробки нових високопродуктивних способів одержання рідкої сталі.

У 1856 р. талановитий інженер Генрі Бесемер запропонував бесемерівський процес - одержання сталі шляхом продувки рідкого чавуну повітрям. Процес здійснювався у футерованій кислими вогнетривами реторті, що мала можливість повертатися навколо горизонтальної осі. У днищі такої реторти малися отвори для подачі стиснутого повітря. На початку плавки реторта поверталася в горизонтальне положення, у неї заливався чавун, і включалася подача повітря, потім реторта поверталася у вертикальне положення. Домішки чавуну окислялися киснем повітря з виділенням тепла, так що одержувана сталь знаходилася в рідкому стані. Реторту нахиляли, сталь зливали, подачу повітря припиняли. Надалі ця реторта одержала назву «бесемерівської груші» чи бесемерівського конвертера. Цей спосіб зробив революцію в сталеплавильному виробництві, однак згодом проявилися й властиві йому недоліки. Зокрема, неможливість переробки фосфористих чавунів. А тим часом у ряді країн малися багаті поклади високо фосфористих залізних руд, з яких виходив чавун із підвищеним змістом фосфору. Цю проблему вирішив молодий інженер Сідней Томас, що запропонував у 1879 році для переробки фосфористих чавунів використовувати футерівку конвертера з основних вогнетривів (томасівський процес). Помер Сідней Томас у 1885 році у віці 35 років.

Істотним недоліком цих способів одержання сталі було використання для продувки повітря, тобто суміші потрібного для процесу кисню (21%) і баластового азоту (79%). Пізніше з'ясували, що азот був не тільки баластом, але й приводив до погіршення якості сталі, підвищуючи її крихкість. Позбутися азоту й подавати в конвертер чистий кисень – ця думка приходила в голову багатьом металургам, однак розділяти кисень і азот у промислових масштабах тоді не вміли. Ця проблема була успішно вирішена в Радянському Союзі академіком Капицею П.Л. На основі його розробок почали будувати потужні установки продуктивністю до 100 000 куб. метрів кисню в годину, що в остаточному підсумку дозволило перейти до сучасного варіанта конвертерного переділу – киснево-конвертерного. Але відбулося це тільки в 1953 році, тобто майже 100 років поспіль після винаходу Г. Бесемера.

Паралельно з конвертерними способами в середині 19 віку розроблялися й інші способи виробництва сталі, зокрема, мартенівський процес - виплавка сталі на поду відбивної печі з регенерацією тепла газів, що відходять. Уперше таку плавку провели Пьєр (син) і Еміль (батько) Мартени у Франції в 1864 році, використовуючи для цього регенеративну подову піч, розроблену братами Фрідріхом і Вільгельмом Сіменсами (Німеччина). Мартенівський процес повсюдно витиснув бесемерівський і томасівський, у деяких країнах він зберігся до наших днів. Пьєр Мартен, заплутавши в спорах і позовах щодо пріоритетів своїх винаходів, відійшов від справ, і про нього забули. Згадали про нього лише в 1910 році, коли він був хворим дідусем і жив у страшній бідності. Слава й заслужені почесті прийшли до нього занадто пізно, помер він у 1915 році.

Із кричного процесу почалося становлення металургійної промисловості Росії. У допетровські часи, у середині 17 століття, працювали Тульський і Олонецький заводи, що виробляли близько 2400 т кричного заліза в рік. Інтенсивно будувалися в той час і нові заводи біля Кашири, Серпухова й ін. Уже до кінця 17 століття сумарна продуктивність російських заводів досягає 150 тис. пудів (один пуд дорівнює ~16 кг).

На початку 18 століття російська металургія розвивається ще більш швидкими темпами. Це була епоха Петра I, який розумів, що для рішення поставлених їм задач - завоювати виходи до моря, "прорубати вікно в Європу" - буде потрібно чимало металу. Однак розвіданих рудних запасів і лісових ресурсів у європейській частині Росії було замало. Потрібно було створити нову металургійну базу країни. Така база була створена на Уралі з його величезними запасами залізних руд і деревновугільного палива. У період з 1700 по 1735 рр. на Уралі було побудовано 30 металургійних заводів, що мали у своєму складі доменні, кричні й прокатні (ковальські) цехи. Джерелом енергії для дуттьових пристроїв, молотів і прокатних станів служив водяний привод.

Зусилля металургів петровської епохи не пропали даром. Виплавка чавуну й виробництво заліза росли в першій чверті 18 століття стрімкими темпами. За даними акад. С.Г.Струмиліна, металургійна промисловість Росії виробила в 1725 р. 1165 тис. пудів чавуну, тобто понад 19 тис. тонн. Продуктивність англійських заводів у цей час не перевищувала 17 тис. т. За чверть століття виробництво чорних металів у Росії збільшилося майже в 8 разів. В області чорної металургії Росія вийшла в той час на перше місце у світі, залишивши позаду Англію, Францію, Німеччину й ін. країни.

Російський метал відрізнявся високою якістю. Це не дивно. Адже на Уралі він виплавлявся із прекрасної руди - магнітного залізняку, на чистому деревному вугіллі, досвідченими металургами. Російський метал здобував усе більшу популярність на світовому ринку. У 1716 р. найбільш розвита індустріальна країна того часу - Англія - увезла першу партію російського заліза - 2200 пудів. Шістнадцять років поспіль ця цифра збільшилася в сто разів, а через декілька десятиліть більш третини застосовуваних в Англії чорних металів мали клеймо російських заводів. Росія стала основним постачальником металу для Англії, що вступила в цей час на шлях великої машинної індустрії. «Без імпортного заліза, - указує акад. С.Г.Струмилін, - промисловий переворот в Англії затримався б, безсумнівно, на цілі десятки років». Звичайно, жвавий закордонний попит на російське залізо й розширення вітчизняної промисловості, насамперед збройової, стимулювали подальший розвиток російської металургії.

Металургійна техніка Росії наприкінці 18 в. не поступалась західноєвропейській, а багато в чому навіть перевершувала її. Уральські доменні печі, наприклад, уважалися в той час найбільшими у світі. Їхня висота доходила до 13 метрів, тобто була майже граничною для печі, що працювала на деревному вугіллі. Найбільший діаметр такої печі складав майже 4 метри, а її тижнева продуктивність досягала 200-300 т. Така висока продуктивність була недосяжною для найбільших домен Англії, що працювали на коксі.

Україна, будучи складовою частиною Російської імперії, також освоювала металургійне виробництво високими темпами.

Створення промислового виробництва заліза на території України зв'язують із будівництвом Луганського ливарного заводу. Він введений в експлуатацію в 1800 році, а 16 жовтня 1800 р. на цьому заводі вперше в Російській імперії був отриманий чавун на кам'яновугільному коксі.

На початку 70 років 19 століття на території України почалося інтенсивне будівництво великих металургійних заводів. Один із них - Юзівський, побудований англійським капіталістом Джоном Юзом. При заводі виникло селище Юзівка, нині це місто Донецьк - місто з мільйонним населенням. У 1884 році на заводі діяли 3 доменні, 18 пудлінгових, 3 зварювальні печі, 4 мартени для виплавки сталі, а також 33 коксувальні установки.

Однак металургійна промисловість в Україні спочатку розвивалася повільно. Лише через 15 років після побудови Юзівського заводу розгорнулося будівництво інших металургійних підприємств, у тому числі й у Катеринославі (нині Дніпропетровськ). Велике значення для розвитку великої металургії в Україні мав початок промислової розробки багатих залізних руд у Криворізькому басейні.

За 15 років (1885-1900) виробництво заліза й сталі в Україні збільшилося з 2,7 до 73,8 млн. пудів, тобто в 27 разів. До початку 20 століття було введено в лад 17 великих металургійних заводів, у доменних печах яких у 1900 році виплавлялося 92 млн. пудів чавуну. У цей час чавуну тут виплавлялося майже вдвічі більше ніж на Уралі, незважаючи на те що металургійних заводів в Україні було значно менше. Енергооснащеність металургійних заводів України була в середньому в 40 разів вище, ніж на Уралі, а продуктивність праці робітника-металурга України перевищувала в 6 разів продуктивність праці робітника Уралу.

Таким чином, протягом невеликого відрізка часу в Україні виросла велика металургія, зосереджена в силу сприятливих умов в одному, порівняно невеликому економічному районі. Зосереджені в Україні металургійні заводи, переважно комбінованого типу - з доменними, мартенівськими й прокатними цехами, власними вугільними шахтами й залізорудними рудниками, стали найбільшими капіталістичними підприємствами в країні.

У 1913 році Україна забезпечувала виробництво 68% чавуну, 58% сталі й 57% прокату загальноросійського виробництва.

У передвоєнні роки, з 1930 по 1941 роки, в Україні були побудовані першокласні по тих часах заводи повного металургійного циклу (комбінати) - “Азовсталь” у Маріуполі, “Криворіжсталь” у місті Кривий Ріг, “Запоріжсталь” і “Дніпроспецсталь” у Запорожжі. У 1940 році Україна виробила 9.2 млн.т чавуну й 8.9 млн.т сталі, що складало відповідно 60% і 47% від загальносоюзного виробництва. Під час війни 1941- 45 р. деякі заводи були евакуйовані за Урал, а частина заводів була висаджена в повітря відступаючими частинами Радянської Армії.

Сучасна технічна база діючих металургійних заводів України була створена героїчною працею металургів і будівельників у післявоєнні роки в процесі відновлення й подальшого розвитку чорної металургії країни.

За період 1943-1950р. на металургійних заводах України були введені в експлуатацію 36 доменних і 80 мартенівських печей, 77 прокатних станів. Після пуску в 1952 р. потужних кисневих станцій на заводах «Азовсталь» і «Запоріжсталь» уперше почав застосовуватися кисень у промислових масштабах для інтенсифікації виробництва сталі в мартенівських печах.

У період з 1959 по 1962 р. на металургійних заводах України було введено в експлуатацію 7 доменних і 12 мартенівських печей, 2 конвертери й 5 електросталеплавильних печей. У даний час металургійний потенціал України з надлишком перекриває потреби країни в металі, і значна частина виробленого металу йде на експорт.

Древні й середньовічні майстри добре знали прийоми одержання й обробки заліза, передаванні з покоління в покоління. Часто ці прийоми й накопичений досвід були надбанням окремих родин чи невеликих груп майстрів, і зберігалися в таємниці. Древні металурги багато чого вміли, але, звичайно ж, не все розуміли в справі одержання заліза. Їм не була доступна фізико-хімічна сутність процесів, що відбуваються в багатті чи горні.

Наростаюча потреба в металах, необхідність одержувати для виготовлення різних виробів сплави з різними властивостями змусили багатьох представників науки 18 в., перш за все фізиків і хіміків, зайнятися розробкою теоретичних основ металургійних процесів, намагатися з'ясувати залежність властивостей металу від його складу, методів одержання і характеру обробки.

Першою науковою публікацією по металургії чорних металів можна вважати докладний опис технології виплавки чавуну в працях єпископа Генріха в 1371 р. (Франція). Але першим ученим, що спробував науково пояснити накопичений на той час фактичний матеріал, був німець Георг Бауер (1494-1555). Він написав фундаментальну працю «Про метали» у 12-ти томах. Перші шість томів присвячені гірській справі, сьомий - способам проведення дослідних плавок, восьмий - збагаченню й підготовці руд до плавки, дев'ятий - способам виплавки металів, десятий - поділу металів, 11-ий і 12-ий - пристроям для одержання заліза.

Значний внесок у розвиток металургійної науки вніс відомий французький фізик Рене Антуан де Реомюр (1683-1757). У 1722 р. ним опубліковані перші праці по чорній металургії: «Мистецтво перетворення ковкого заліза в сталь» і «Мистецтво зм'якшення литого чавуну».

Шведський учений Емануїл Сведенборг (1688-1772) був членом заснованої Петром I Петербурзької Академії наук, добре знав металургійні заводи Росії. Написав перший у світі підручник по металургії заліза «De ferro» (1734).

Батьком металургійної науки в Росії по праву вважається М.В.Ломоносов (1711-1765). Петро I у 1719 р., з метою активізації пошуку корисних мінералів видав Указ, по якому «соізволяється всім і кожному у всіх місцях як на власних, так і на чужих землях шукати, плавити і чистити всякі метали, мінерали, землі і камені». Для розвитку промисловості потрібні фахівці, і уряд Росії в 1736 р. направляє в Німеччину групу студентів, у котру попадає талановитий юнак із поморів М. Ломоносов. Повернувшись в Росію, Ломоносов по свіжих слідах у 1742 р. пише свою знамениту книгу «Перші основи металургії або рудних справ». Ця книга була видана тільки 21 рік по тому, у 1763 р., і швидко розійшлася по заводах Росії. У цій книзі Ломоносов зібрав і узагальнив фактичний матеріал про властивості металу й руд, підготовки сировини до плавки, різноманітних способах виплавки. Значна частина книги присвячена опису пристроїв для підготовки руд до плавки, способів видалення порожньої породи в т.ч. і «пропущенням повз магніт». Книга ця стала практичним посібником для інженерів і майстрів залізоробних заводів Росії.

Значний внесок у розвиток науки про метали внесли вчені 19 в. Особливе місце серед них займає великий російський металург Павло Петрович Аносов (1799 - 1851) - основоположник вчення про сталь, творець основ сучасного способу макро- і мікро структурного дослідження залізовуглецевих сплавів, засновник теорії високоякісної металургії. Учений уперше в історії металургії досліджував вплив на властивості сталі домішок кремнію, марганцю, хрому, вуглецю й інших елементів. Йому першому вдалося відкрити таємницю булатної сталі. Для вивчення структури металів П. П. Аносов уперше застосував мікроскоп і сформулював основний закон металознавства - властивості металів і сплавів визначаються їхньою внутрішньою будовою.

Виняткова роль у створенні основ теорії сплавів і металургії належить геніальному росіянину Дмитрові Івановичу Менделєєву (1834-1907). Особлива заслуга Д. І. Менделєєва перед людством - відкриття періодичного закону хімічних елементів, що дозволив виправити атомні маси багатьох відомих елементів, і пророчити відкриття ряду нових елементів.

Творцем металознавства - науки, що вивчає залежності між складом, будівлею й властивостями сплавів, - є знаменитий учений Дмитро Костянтинович Чернов (1839-1921). Ним створена теорія термічної обробки, теорія кристалізації сталевих злитків, він зробив винятковий висновок про мінливість складу сталі при затвердінні, поклавши початок теорії фазового стану. Його авторитет був визнаний далеко за межами Росії.

Колосальний внесок у розвиток ЧМ внесли інженери, що жили на стику 18 -19 століть . Серед них слід особливо відзначити наступних:

Генрі Бесемер (1813-1898), Англія, - винайшов спосіб продувки рідкого чавуну повітрям, що дозволило вирішити проблему масового виробництва литої сталі (бесемерівський процес).

Роберт Гадфільд (1858-1915), Англія, - створив високомарганцовисту сталь (сталь Гадфільда) і тим самим відкрив новий напрямок у металургії сталі.

Пьєр Мартен (1824-1915), Франція, - винайшов і разом зі своїм батьком здійснив у 1864 році виплавку сталі із чавуну на поду відбивної печі Сіменсів (мартенівський процес).

Брати Фрідріх (1826-1904) і Вільгельм (1823-1883) Сіменси, Німеччина, - створили регенеративну відбивну піч, нині називану мартенівською піччю.

Значний внесок у розвиток ЧМ внесли вчені й інженери останніх десятиліть. Особливо це стосується колишніх радянських фахівців. Досить відзначити, що практично всі сучасні прийоми і технології винайдені в СРСР, у тому числі в Україні, наприклад, киснево-конвертерний спосіб виробництва сталі (1936р.), паровипарювальне охолодження доменної печі (1958р.), безупинне розливання сталі і т.п.

 

Питання для самоконтролю

1. Що таке вогнищева металургія, її відмінність від горнової?

2. Сутність кричного процесу в сиродутному горні й у пудлінговій печі.

3. У чому суть коксової металургії?

4. Бесемерівський і томасівський процеси – їхня суть і відмінності.

5. Де й ким була вирішена задача витягу кисню з повітря в промисловому масштабі?

6. Коли й ким проведена перша плавка в мартенівській печі?

7. Коли й де на території України проведена перша доменна плавка на коксі?

8. Порівняйте металургійне виробництво Уралу й України в 19 столітті.

9. Вклад учених у розвиток металургії.

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру