100 знаменитых изобретений - страница 65

Первые опыты с окислами железа скорее всего проводили древние гончары, стремившиеся использовать их как красящее вещество. Они применяли флюс вместе с костной смесью (СаО, Р_>2O_>5). При этом также получались железные крицы, удобные для ковки. При температурах 1075 °C и выше для получения крицы флюсы не требовались. Таких температур достигали, складывая руду и древесный уголь слоями в яму или каменный горн. Уголь поджигали и через эти слои продували «сырой» (неподогретый воздух). Вначале мастера осуществляли продувку при помощи своих легких, вдувая воздух через отверстия внизу горна. Позже стали применять мехи, сшитые из шкур животных.

Сгорая в потоке воздуха, уголь нагревал руду и частично восстанавливал ее до состояния железа. Оставшаяся часть окислов железа вместе с окислами других примесей плавилась и образовывала жидкий шлак. На дне горна получали крицу – комок пористого, тестообразного, пропитанного жидким шлаком металла. Многократной проковкой крицы в горячем состоянии шлак «выжимали» и получали железную поковку, представлявшую собой сварочное ковкое железо, или мягкую сталь. Содержание углерода в такой стали – 0,12–0,26 %; серы, фосфора и других примесей очень мало.

Следует отметить, что железо всегда содержит примеси. Фосфор и сера относятся к вредным примесям, так как повышают хрупкость металла. Техническим железом называют сплав железа и углерода, содержащий 99,8–99,9 % железа, 0,1–0,2 % примесей и 0,02 % углерода. Но такой материал мягкий, поэтому практически не находит применения. Уникальность железа заключается в том, что в соединении с углеродом резко повышается его прочность и твердость. Таким образом, процесс получения железа из руды одновременно повышает механические свойства железа. Все соединения железа с углеродом можно разделить на две группы: стали и чугуны. Стали содержат до 2 % углерода, чугуны – свыше 2 %. Вначале люди использовали только сталь. Чугун, который образовывался при сильном науглероживании железа, не применялся, поскольку был хрупким и не поддавался ковке.

Долгое время для производства стали использовался сыродувный процесс. Но еще в древности металлурги применяли тигльный способ выплавки железа, меди, бронзы. Добытый металл переплавлялся в небольших огнеупорных сосудах – тиглях. Таким образом металл очищался от нежелательных примесей, его структура улучшалась. Тигльная сталь применялась для изготовления холодного оружия – мечей, сабель, кинжалов, отличавшихся необычайной остротой и упругостью. Именно из тигльной стали делали знаменитые дамасские клинки.

На процесс изготовления железа влияет режим термообработки. Уже первые кузнецы заметили, что если нагретый докрасна слиток металла опустить в холодную воду или иную охлажденную жидкость, его твердость резко возрастет. Этот процесс назвали закалкой. В некоторых старых металлургических трудах упоминается «закалка скотинным рогом с солью». По сути, это азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом.

Потребность в стали постоянно росла. Увеличивались размеры горнов, совершенствовалась их форма, повышалась мощность дутья. Высота печей достигала нескольких метров, воздуходувные трубы приводились в движение специальными водяными трубами и огромными водяными колесами. Температура в печах повысилась до 1250–1350 °C, что привело к увеличению количества чугуна, получаемого при плавке. В то время свойства чугуна не позволяли применять его для промышленных нужд. Но в XIII–XIV веках был открыт «кричный передел». Его суть заключалась в том, что чугун загружали в печь вместе с рудой. В результате происходило окисление примесей, в первую очередь углерода. Переплав чугуна позволял получать сталь хорошего качества и в больших количествах. Двухстадийный способ получения стали из руды сохранился и по сей день, являясь основой современных схем производства стали (за исключением бездоменной металлургии).