Со времен промышленной революции в Англии железо стало основным строительным материалом и конструкционным материалом крупной промышленности. Доступность и дешевизна выплавляемого железа не менее, чем механизация труда, составляли техническую основу индустриализации. Однако производство чугуна по-прежнему состояло из двух отдельных этапов: выплавки чугуна в доменных печах и его рафинирования (закалки) либо в пудлинговых печах для железа, либо в небольших тиглях для стали.
Использование кокса в качестве топлива, горячего дутья, механической обработки и транспорта позволило непрерывно увеличивать мощность доменных печей по выплавке чугуна, а значит, и размер одной плавки (см. главу IX). В бывшей металлургической печи, топившейся древесным углем, можно было выплавлять не более 500 т чугуна в год (среднегодовая выработка таких печей в середине 18 в. оценивается в 300 т). После внедрения вышеуказанных нововведений современная коксовая доменная печь производила в конце XVIII века до 2500 тонн кокса. тонн в год, а после дальнейших конструктивных усовершенствований, к концу 19 века достигнув различного производства в десятки тысяч тонн (максимум 60 000 тонн). С другой стороны, применение пудлинговых печей и механических молотов и валов позволяло массово и быстро перерабатывать горячетопочный чугун в кузнечное или прокатное железо, которое превосходило по качеству ранее выкованное кузнецами железо, но не соответствовало традиционному. стали. Долгое время это все еще производилось в кустарном промысле.
Выплавка стали науглероживанием железа долгое время была ценным профессиональным секретом, известным только в специализированных центрах. Он был сложен и малопроизводителен, происходил в условиях длительного процесса обжига железа в небольших сосудах и не всегда давал ожидаемые результаты. Качество отдельных партий стали зависело от опыта металлургов, часто от случая. Во-первых, производилось мало и использовалось оно только для изготовления мелких точных предметов, таких как иголки, ножницы, пружинки. В середине 18 века английский часовщик Бенджамин Хантсман опробовал новый метод выплавки стали путем обезуглероживания чугуна в небольших тиглях. Используя уголь вместо дров, он получил более высокую температуру воспламенения; исправлено! также точные пропорции необходимых добавок. Слава о стали Хантсмана разнеслась по всей Европе.
1Сталь – это железо с определенным содержанием углерода (от 0,5% до 1,75%). При этом он должен быть прочно связан с железом в прочное соединение – цементит. Сталь содержит больше углерода, чем кованое или прокатное железо, и меньше, чем чугун. Таким образом, производство стали может заключаться либо в науглероживании кованого железа, либо в обезуглероживании чугуна.
разновидность стали, редкая и дорогая, потому что в прошлом производилась только в небольших тиглях, в небольших количествах.
Только изобретение английского техника Генри Бессемера, запатентованное в Англии, но впервые использованное в США в 1856 году, положило начало массовому производству стали. Так называемые бессемеровские конвенты представляют собой большие грушевидные сосуды, в которых жидкий чугун продувается горячим сжатым воздухом под высоким давлением. Вся груша кружится или вращается, приводя в движение расплавленную массу, что заменяет перемешивание палкой, использовавшейся в старых тиглях и пудлинговых печах. Воздушный поток также перемещает эту массу, одновременно сжигая лишний углерод и другие примеси, содержащиеся в чугуне. В процесс вовлечены и стенки конвектора, облицованные специальным силиконовым раствором, влияющим на ход реакции. Это был первый дешевый и быстрый способ получения стали в больших масштабах. Весь процесс здесь занимает всего 10-20 минут,
В 1864 — 1867 годах два французских техника Эмиль и Петр Мартен, а одновременно братья Фредерик и Хамс Сименс в Германии разработали еще более дешевые способы выплавки стали, преимущества которых были объединены в один процесс, названный во Франции (и в Польше) martenowskir, в Германии Siemens, а в Америке мартеновский процесс. Они вводили железный лом и железную руду в качестве плавильного компонента в свои печи, помимо чугуна. Благодаря этому из того же количества чугуна можно было получить больше стали — а значит, и при том же количестве доменных печей. Конструкция мартеновской печи, которая благодаря специальным отверстиям обогревается газами, выделяющимися при плавке, позволяет более точно контролировать весь процесс. Единичный заряд здесь гораздо больше, чем в бессемеровской груше,
В 1874 году английский химик-любитель Сидней Томас внес значительные усовершенствования в метод Бессемера. Он разработал новый (доломитовый) раствор для футеровки конвентора, давший при плавке щелочную реакцию, в отличие от кислого раствора, применявшегося Бессемером. Основной процесс, позже принятый и для мартеновских печей, принес два преимущества. Он дал возможность использовать бесполезные до сих пор железо-фосфорные руды, которыми богаты особенно Лотарингия и США, для производства стали. Кроме того, при выплавке стали этим способом образуется побочный продукт, т. н. Томас зужел, ценное фосфорное удобрение. Изобретение Томаса принесло большую пользу не английской металлургии, а ее основным конкурентам, так как способствовало развитию производства стали в Германии и США. Несколькими годами раньше, в войне с Францией, Германия захватила Лотарингию, руды которой до этого не имели никакого практического значения. Через несколько лет были обнаружены богатейшие месторождения фосфатных руд в Америке.
В 1899 году француз Поль Эру построил электрическую печь для плавки стали. Электрическая дуга создает в нем высокую температуру. Такие печи, усовершенствованные впоследствии другими конструкторами, применяются преимущественно для выплавки сортовых сталей, представляющих собой сплавы железа с другими металлами.
Все эти способы массового производства стали в основном используются и по сей день.—каждый в зависимости от типа руды и предполагаемого использования конечного продукта. Основной метод Бессемера-Томаса используется в основном во Франции, Бельгии и Германии, а также частично в США. В Англии, СССР и США, а также в Польше преобладают мартеновские печи. Производство в электропечах наиболее распространено в странах, не имеющих собственных угольных месторождений: в Японии, Швеции и Италии (также в США и СССР).
Таблица 18
МИРОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И СТАЛИ В 1750-1938 Г. (тыс. т; до 1900 г. по чугуну, в 1938 г. по стали)
| Год | Мир | огромный Британия | Россия (СССР) | Соединенные Штаты Америки | Франция | Германия | Швеция | Бельгия | Япония | Италия |
| 1750 | 250 | 22 | 32 | 5 | 40 | 18 | 80 | л | ||
| 1800 | 750 | 190 | 160 | 45 | 140 | 40 | 80 | • | • | |
| 1850 г. | 4 500 | 2 250 | 240 | 565 | 600 | 300 | 140 | 150 | 10 | |
| 1900 г. | 41000 | 9 100 | 3000 | 14 200 | 2700 | 8500 | 500 | 1000 | 25 | 25 |
| 1938 г. | 140 000 | 13 400 | 17 500 | 47 900 | 8000 | 22 500 | 1200 | 3100 | 6700 | 2300 |
Знание химических реакций, протекающих при плавке, позволило не только производить сталь в массовом порядке, но и целенаправленно формировать в практическом применении ее нужные свойства, о которых бывшие металлурги узнавали только после плавки. Благодаря распространению единых методов плавки стало возможным производить на разных сталелитейных заводах сталь одинаковой марки. Это имеет большое значение для всей отрасли, поскольку позволяет производить однородный материал для более крупных конструкций и запасных частей. Благодаря мартеновским печам, в которых переплавляется железный лом, существует и искусственный оборот уже однажды использованного железа. Это снижает потребность в новой руде, так как 1 тонна лома заменяет 2-3 тонны железной руды при выплавке стали. Одно и то же железо используется снова и снова и возвращается к нам.
Рис. 38. Револьверный станок (из коммерческого объявления начала ХХ века)
в чоразе к новому персонажу. Подсчитано, что количество лома, переплавляемого каждый год, примерно эквивалентно количеству стали, произведенной 20 лет назад. В современных мартеновских печах лом составляет около 1/3 компонентов плавки.
Во второй половине 19 века сталь стала быстро вытеснять пудлинговое железо. К 1850 г. на долю стали приходилось около 5 % всего производства чугуна, в 1880 г. — более 20 %, в 1900 г. — более 60 %, в 1913 г. — 75 % (а в США и Германии — почти 100 %). В 1870-1900 годах железные рельсы стали повсеместно заменяться стальными и строиться стальные корабли. В настоящее время конечным продуктом металлургии являются почти исключительно различные марки стали.
Все большее значение приобретают легированные стали — различные соединения стали с другими металлами. Древним металлургам были известны три металлических сплава: бронза (медь с оловом), спиз (медь с оловом и серебром или свинцом) и латунь (медь с цинком). В 1870 году Роберт Мюше соединил сталь с вольфрамом, создав сплав необычайной твердости, а несколько лет спустя сталь соединил с марганцем, в результате чего получился материал необычайной прочности. Сегодняшняя металлургия выпускает уже более 100 видов легированных сталей, каждая из которых находит свое особое применение, так как обладает каким-то особым свойством. Наличие никеля придает стали пластичность и прочность, хром и вольфрам повышают ее твердость, марганцевая сталь очень прочна и используется для производства турбин, переключателей и т.п., сталь
ванадий устойчив к вибрациям и подходит для двигателей и осей, хромистая сталь используется для пружин, кремниевых трансформаторов и т. д. Большинство сплавов — это стали с добавками цветных металлов; отдельную группу составляют различные сплавы цветных металлов, особенно меди и никеля.
Чем тверже металл, тем тверже материал необходим для его обработки. Алмаз изначально был таким инструментом для резки твердых металлов. В 1898 году так наз. Быстрорежущая сталь Уайта — самая твердая инструментальная сталь, сплав углерода, железа, хрома, марганца и кремния. На рубеже 19 и 20 веков стали применяться ацетиленовые и кислородные горелки для резки и сварки, а также электродуговая сварка. Благодаря этому в несколько раз увеличилась скорость резания металлов, что при обработке больших масс выпускаемой стали принесло огромную экономию труда.