Материал, имеющий название железо, был известен еще в каменном веке. Археологические находки позволяют достоверно утверждать, что древние люди изготавливали и пользовались инструментами, оружием из этого вещества.
Вероятнее всего, первые изделия были выполнены из метеоритного железа, в котором содержится от 5 до 30 процентов никеля. Постепенно развивалась добыча материала из руды гематита и бурого железняка, совершенствовались способы выделения металла из породы. Соответственно увеличивалось количество и улучшалось качество инструментов и оружия.
Существует несколько разновидностей металла, отличающихся содержанием углерода в общей массе вещества. При концентрации углерода до 0.02 процента мягкий и пластичный материал называется железом. Если в сплаве присутствует от 0,02 до 2,14 процента газа, сырье именуется сталью. В чугуне содержится свыше 2,14 процента углерода.
Развитие способов производства металлов и сплавов на их основе
Изначально в качестве сырья люди использовали метеоритное железо, куски которого находили открытым способом, перековывали и использовали в качестве инструментов или наконечников оружия. По своим характеристикам железные изделия были более прочными. Чем бронзовые, сохраняли остроту длительное время.
Постепенно от метеоритного железа люди перешли на производство из добываемой руды. С развитием технологий менялись способы изготовления металла и сплавов.
Производство в сыродутных печах
Первая заслуживающая упоминания технология добычи железа предполагала использование сыродутных печей. Данный способ основан на восстановлении металла из его окиси. Процесс выглядел следующим образом:
- болотная руда механическим способом смешивалась с большим количеством древесного угля, заготовленного заранее. Сырье закладывалось в сыродутную печь;
- после разжигания огня температура в печи постепенно повышалась. Углерод, входящий в состав руды, входил в реакцию с атмосферным кислородом и кислородом, имеющимся в атомах железа;
- после полного выгорания древесного угля мастер доставал из печи крицы, представляющие собой пористые комки с высоким содержанием металла и шлаков;
- при повторном нагревании заготовок мастер отбивал шлаки. На выходе получались небольшие куски чистого железа, доступные для последующей ковки.
Такая технология длительное время использовалась в качестве единственной для производства металлических заготовок. Поэтому многие народы не разглашали секреты добычи железа.
Освоение технологии сваривания стали
Первые железные изделия, полученные в сыродутных печах, не отличались твердостью и упругостью. Для обеспечения данных характеристик металл необходимо насытить углеродом и сформировать жесткую структуру. Но, так как имеющиеся технологии не позволяли разогреть заготовки до 1500 градусов, мастера могли изготавливать либо мягкое железо, либо хрупкую сталь.
Была разработана технология сварки нескольких слоев металла и железа, а также последующая закалка готовых изделий. Несмотря на все недостатки, данный способ долгое время был востребованным, так как позволял получать функциональные и востребованные орудия с хорошими техническими характеристиками.
Изготовление дамасской и булатной стали
Изготовление высокоуглеродистой стали долгое время оставалось секретом, так как мастера не могли довести железо до жидкого состояния. При этом в Индии еще до нашей эры научились изготавливать орудия с композитной структурой. Металл, используемый в производстве, назывался булатной сталью.
В Китае, также до нашей эры научились изготавливать дамасскую сталь, отличающуюся многослойной структурой. Для этого каждая заготовка складывалась вдвое и перековывалась несколько раз. Таких процессов могло быть до 12 штук. Полученный оружейный материал отличался особой прочностью и стойкостью закалки.
Использование в производстве штукофенов и блауофенов
Для увеличения производительности в производстве металла сыродутные печи заменялись на штукофены. Такие конструкции комплектовались трубами и мехами для улучшения тяги. В результате лучшие штукофены были способны выплавлять до 0,25 тонны железа в сутки. К минусам оборудования относилось образование на дне чугуна, который невозможно было вычистить. Поэтому материал приходилось выбрасывать.
С помощью блауофенов удалось увеличить долю восстановленного из руды металла. Это достигалось увеличением тяги за счет установки более высоких труб и подачи подогретого воздуха. При этом объем выбрасываемого низкокачественного чугуна также вырос. Использование таких печей позволило получать крицы с большим содержанием стали, но отделить материал от железа было сложной задачей.
Использование доменных печей
Благодаря развитию технологий появились доменные печи, способные функционировать в круглосуточном режиме и выдавать готовый чугун. При этом заготовки не требовалось отбивать от шлаков. Далее чугун подвергался ковке, что позволяло получить железо с высокой степенью очистки.
- на поддон загружались ранее отлитые чушки чугуна, которые подвергались обработке высокой температурой;
- постепенно из металла выгорал углерод, происходило повышение температуры и вымораживание кристаллов железа;
- остававшийся на поддоне комок материала накатывался в крицы с помощью лома. Вокруг лома образовывался кусок металла, который подавался на ковку для уплотнения и удаления шлаков.
По сравнению с другими способами, пудлингование позволило получить железо более высокого качества в заготовках весом от 50 до 80 кг. Соответственно увеличились и объемы производства.
Использование мартеновских печей и электрометаллургия
В середине 19-го века была разработана технология конвертерного производства. В установки с расплавленным чугуном подавался воздух. В результате производственного процесса происходило выгорание углерода, на выходе получалась высококачественная сталь в большом объеме.
В двадцатом веке широкое распространение получили мартеновские печи, в которых дожигался углерод, выплавлялась сталь высокого качества. Позднее такие печи уступили место кислородно-конвертерным установкам. Также получил распространение турбодетандер, использующий принцип прогонки через расплавленный чугун кислорода.
При появлении и широком распространении электростанций появилась возможность генерировать большие объемы энергии. Электрическая рудовосстанавливающая плавка предполагает воздействие электрической дуги на железную руду, в состав которой входит углерод. В результате железо восстанавливается на катоде, а примеси выгорают на аноде. Действующие электрометаллургические технологии позволяют получать легированные, радиационно устойчивые, жаропрочные и другие марки стали.
