Металлургия. Развитие кузнечного дела

Металлургия в первоначальном значении - искусство извлечения металлов из руд. Возникла металлургия еще в глубокой древности. При раскопках были найдены следы выплавки меди, датированные еще 7-6-м тысячелетием до н.э. И примерно в то же время человеку стали известны такие самородные металлы, как серебро, золото, медь, железо с метеоритов. 
 
Сначала железо и медь обрабатывали в холодном состоянии. Металл с трудом поддавался такой обработке. Более широкое распространение медные изделия получили с изобретением ковки - горячей кузнечной обработки. 
 
Затем широко распространилась бронза (2-е тысячелетие до н.э.). Бронза - это сплав меди с оловом, по качеству она намного превосходила медь. Это и устойчивость против коррозии, и твёрдость, и острота лезвия, и лучшее заполнение литейных форм. Это был переход к бронзовому веку. 
 
Следующим этапом человек научился получать из руд железо. Процесс его получения заключался в использовании сыродутных горнов и был малопроизводителен. Этот процесс стали улучшать - ввели обогащение железа углеродом и последующую его закалку. Так получилась сталь. И к 1-му тысячелетию до н.э. железо стало наиболее распространенным среди используемых человеком материалов (Европа, Азия). 
 
Металлургия железа не менялась, наверное, порядка 3 тысячелетий. Но процесс постепенно улучшался, и к середине 14 века появились первые доменные печи. Увеличение высоты этих печей и, соответственно, более мощная подача дутья, привели к удобному получению чугуна. Появился так называемый кричный передел (передел чугуна в ковкое железо). Кричный процесс как способ получения стали был более выгоден и практически вытеснил прежние способы ее получения на основе сыродутного железа. Хотя из него и делалась та самая, знаменитая дамасская сталь. 
 
В Англии в 1740 г. появилась тигельная плавка (уже известная на Востоке). А в последней четверти 18 века - пудлингование. Тигельная плавка - это был первый способ производства литой стали. Но эти процессы не могли конкурировать с развивающейся быстрыми темпами металлургией чугуна. Перелом произошел с изобретением трех новых процессов получения литой стали. В 1856 году - это бессемеровский процесс. В 1864 году - мартеновский, а в 1878 - томасовский процесс. К середине 20 века производство стали уже потеснило чугун в процентном отношении. 
 
Дальше сталепроизводство развивалось путем всё большего увеличения производительности агрегатов, различными улучшениями в технологии, широкой автоматизацией производственных процессов. В электропечах начала производиться высококачественная (легированная) сталь. Использовался переплав металла в дуговых вакуумных печах, в плазменных установках. Начали развиваться способы прямого получения железа, за которыми будущее. 
 
Вернемся снова в древний мир. Что же еще добывали тогда кроме железа? 
А добывали золото, серебро, олово, свинец, медь, ртуть. 
 
В доисторические времена золото получали из россыпей путем промывки. Оно выходило в виде песка и самородков. Затем начали применять рафинирование золота (удаление примесей, отделение серебра), во второй половине 2-го тысячелетия до н.э. В 13-14 веках научились применять азотную кислоту для разделения золота и серебра. А в 19 веке был развит процесс амальгамации (хоть он и был известен в древности, но нет доказательств, что его использовали для добычи золота из песков и руд). 
 
Серебро добывали из галенита, вместе со свинцом. Затем, через столетия, их начали выплавлять совместно (примерно к 3-му тысячелетию до н.э. в Малой Азии), а широкое распространение это получило еще спустя 1500-2000 лет. 
 
Медь начали массово производить, когда Семенников В.А. изобрел в 1866 году конвертирование штейна. 
 
Олово когда-то давно выплавляли в простых шахтных печах, после чего делалась его очистка специальными окислительными процессами. Сейчас в металлургии олово получают путем переработки руд по сложным комплексным схемам. 
 
Ну, а ртуть производили путем обжига руды в кучах, при котором она конденсировалась на холодных предметах. Затем уже появились керамические сосуды (реторты), на смену которым пришли железные. А с ростом спроса на ртуть ее стали получать в специальных печах. 
 
Материальные ценности человека немыслимы без металлов, и значение металлургии в создании современной цивилизации очень велико. Металлы применяются в строительстве, военном деле, в транспорте и связи, в производстве средств производства и предметов потребления, в сельском хозяйстве. Современная металлургия позволяет получать почти все элементы периодической системы, кроме разве что галоидов и газов.

Цветная металлургия 

Цветная металлургия является той отраслью, в состав которой входит как добыча и последующее обогащение руд, так и выплавку металлов для конкретных производственных нужд.

К продуктам цветной металлургии относят тяжелые и легкие металлы. 
Производство тяжёлых имеет свою особенность: большого количества энергии при обогащении руды и их выплавки не требуется, тем самым предоставляется возможность располагать предприятия возле места добычи сырья. 
Для получения же лёгких металлов необходимо немалое количество энергии, что вызывает необходимость в размещении предприятий легкой цветной металлургии в непосредственной близости возле источника дешевой энергии. 
Именно на разном удалении от региона добычи сырья и источника энергии строится принцип размещения предприятий цветной металлургии. 
Применительно к нашей стране, можно сказать, что на ее территории сформировано некоторое количество главных баз цветной металлургии с различной специализацией. Дифференциация объясняется отличием географии легких и тяжелых металлов. 
Количество цветных металлов в рудах очень низко, если сравнивать их с другими ископаемыми. Для производства одной тонны цветного металла обрабатывается от 100 до 10 000 тонн сырья. Более половины руд добывается при помощи самого экономически выгодного открытого способа, которые помогает комплексно извлечь ископаемое. 
В руде вместе с “главным” компонентами находятся попутные, ценность которых в разы превышает ценность основных. Большинство редких металлов производятся посредством комплексной переработки сырья. 
Цветная металлургия развитых капиталистических стран в промышленной области – высокомонополизированный сегмент промышленности. Стоит сказать о том, что около 70 процентов полного выпуска алюминия находится под контролем четырех монополий (три монополии в США и одна в Канаде). Медная промышленность в этом смысле характеризуется тремя монополями США, а никелевая полностью находится под контролем одной североамериканской компании “Инко”. 
 
Чёрная металлургия 

Порядка одной трети металла производится для машиностроения. Чёрную металлургию можно считать основой развития этой отрасли. 1/4 металла уходит в строительство, поэтому чёрная металлургия - еще и важная опора строительства. А также часть ее продукции отъезжает на экспорт.

 
Чёрная металлургия делится на такие ведущие направления: 
-добыча, обогащение сырья из разряда “нерудных” (огнеупорные глины, флюсовые известняки); 
-изготовление чёрных металлов (сталь, чугун, прокат, металлические порошки, доменные ферросплавы); 
-изготовление чугунных и стальных труб; 
-углехимическая промышленность (кокс, коксовый газ); 
-вторичная переработка чёрных металлов (работа с отходами, ломом). 
 
В чёрной металлургии имеется такое понятие, как “металлургический цикл”. В него входят: 
-производство чугуна (доменное) 
-производство стали 
-прокатное производство 
 
Соответственно, к металлургическим предприятиям полного цикла относятся предприятия, занимающиеся выпуском стали, чугуна и проката. Те предприятия, которые не выпускают чугун, относят к передельной металлургии. А заводы, выпускающие сталь и прокат - к “малой металлургии”. Комбинаты - основной тип предприятий чёрной металлургии. 
 
Места размещения предприятий чёрной металлургии выбираются исходя из наличия там сырья и топлива. Например, важную роль имеет близость железных руд и коксующихся углей.

Развитие кузнечного дела

Для получения металлического листа из крицы, скажем, весом всего в 30-35 килограммов молотобоец должен был напряженно работать 12-15 часов. А попробуйте-ка столько времени помахать огромной кувалдой! С появлением же механического молота для выполнения подобной работы уже не требовалось таких усилий, да и занимала она всего4-6 часов, включая время на разогрев металла. Развивая большую ударную силу, молоты позволяли получать металл гораздо большей прочности, чем в ручной кузнице. Хвостовой молот, применявшийся для отковки полосового металла на одном из шведских заводов, имел боек весом около 80 килограммов и делал 120 ударов в минуту. Разумеется, никакому молотобойцу подобное было не под силу.

Но скоро стало очевидным, что и хвостовой молот не обеспечивает необходимой однородности механических свойств по всему объему некоторых изделий (например, поковок большой длины - полосового железа и т.п.). Ведь металлическую полосу под удар бойка рабочий подвигал вручную. И обязательно по какому-то месту молот бил больше, чем по другому. Значит, в этом месте металл был крепче. Требовалось найти принципиально новый способ механической обработки металла, который давал бы абсолютно одинаковое давление по всей плоскости изделия. 
Вам, несомненно, приходилось видеть, как хозяйки круглой скалкой раскатывают ком теста на столе. Постепенно тесто делается все тоньше и тоньше, зато занимает все большую площадь. Теперь представьте, что вместо теста вы имеете дело с раскаленным металлом, а вместо скалки и поверхности стола у вас два круглых вращающихся валка. Металл пропускают между валками один раз, другой, третий. Все тоньше и тоньше становится металлическая полоса, все сильнее она вытягивается. И что самое главное, упрочняется равномерно по всей длине. Такой процесс обработки металла называется прокаткой. А два валика - это и есть прокатный стан.

Примечательно, что идею механического молота впервые высказал замечательный механик древности Герон Александрийский. В своем сочинении "Об искусстве изготовлять автоматы" он описывает механизм, при помощи которого двигается рука марионетки, изображающей бога кузнечного искусства Гефеста. Однако в эпоху Герона такой механизм не получил технического применения, как и многие другие изобретения этого замечательного механика (например, паровая турбина).

Механические молоты появляются только в XIV веке. Их называли хвостовыми: это были обычные молоты с рукояткой, которая торчала, как хвост. Посредством рычажной передачи рукоятка соединялась с водяным колесом, так же как с ним соединялись воздуходувные мехи печей. Не нужно быть большим специалистом в технике, чтобы понять, насколько сложна и неудобна такая -конструкция. Гораздо проще было сделать молот без рукоятки, с одним бойком, на манер современных. Но сработала инерция мышления. Средневековые кузнецы пошли на усложнение конструкции, потому что не могли представить себе молота без рукоятки. 
Для своего времени хвостовые молоты с водяным приводом были поистине эпохальным изобретением. Они произвели, пожалуй, не меньшую революцию в обработке металла, чем водяное колесо в самой металлургии. Достаточно сказать, что, наряду с мощными воздуходувками, появление в металлургии механических молотов было обязательным условием широкого распространения большеобъемных и высокопроизводительных доменных печей. Ведь получаемые в них массовые куски кричного железа уже невозможно было проковывать вручную.

Ручное волочение довольно скоро обнаружило свои недостатки. Оно было малопроизводительно, к тому же проволока часто рвалась, ибо вручную трудно достигнуть необходимой равномерности в протяжке. Так что применение водяного колеса прямо-таки напрашивалось в проволочном производстве. Как, собственно, и во многих других отраслях металлургии, например в прокатке.

До XV века металлурги вообще не знали прокатного дела. "Универсальными" орудиями обработки металла были молот и наковальня. Листовой металл отковывали вручную, так же как и изделия любой другой формы. Этот способ имел два главных недостатка. Во-первых, он был малопроизводителен. Ну много ли можно отковать металла ручной кувалдой? А во-вторых, механические качества изделия были крайне неравномерны. Каждому ясно, что чем сильнее металл прокован, чем больше он "сжат" под ударами, тем изделие из него прочнее. Но ведь невозможно было потребовать, чтобы молотобоец наносил все время одинаковые удары. Какое-то время он бил сильно, затем начинал уставать и удары делались все слабее и слабее. Вот и получалось, что в одном месте изделие было прочнее, чем в другом. Кроме того, ручная ковка вообще не могла дать твердое железо. Никакой силач-кузнец не мог наносить такие удары, чтобы они достаточно плотно сжимали металл. Покуда люди отковывали небольшие металлические изделия - наконечники копий и стрел, мечи, шлемы - с этим еще можно было мириться. Но с появлением крупных поковок - цепи, якоря, полосовое железо - проблема механического молота приобрела первостепенное значение.