История железа кратко. Железо — металл войны, труда, искусства. Технический прогресс в XVII-XVIII вв

Много тысячелетий назад народы, населяющие разные уголки нашей планеты, почти в одно время познакомились с самородными металлами. Знакомство же с железом относится к более позднему времени. Получать его некоторые народы научились раньше, а некоторые — значительно позже. Дело в том, что самородное железо в природе почти не встречается. Предполагается, что первое железо, которое попало в человеческие руки, было метеоритного происхождения. Первые упоминания о железе встречаются около 5 тысяч лет назад, тогда оно ценилось дороже самородного золота, которое служило оправой для изделий из железа.

Согласно историческим фактам племена, проживавшие на территории современной Армении, уже в начале третьего тысячелетия до нашей эры умели получать железо. В Египте и Древней Греции железо получали во втором, а в Китае — в середине 1-го тысячелетия до н. э. Небольшие запасы у этих государств таких самородных металлов, как медь и олово, послужили толчком для поиска новых металлов. А в Америке, богатой крупнейшими залежами меди, железо начали добывать лишь с приходом на континент европейцев. Африканские племена, напротив, сразу шагнули в Железный век, минуя Медный.

Правда, процесс добычи железа был намного сложней, чем меди. Древним мастерам был недоступен способ получения настолько высокой температуры, при которой железо начинало плавиться. Лишь в первом тысячелетии до новой эры появился сыродутный способ восстановления железа и оно получило широкое применение при изготовлении оружия, орудий труда и различных инструментов, т. к. было самым прочным из известных тогда металлов. Первоначально металлическое железо добывали из железных руд путем нагревания их с углем на хорошо продуваемых местах. Первоначально такое железо было губчатым, хрупким и содержало много шлаков. Было замечено, что металлическое железо можно получить и не доводя его до температуры плавления, только топлива должно быть больше и оно должно быть лучшего качества, чем при выплавке меди, а должен быть очень «горячим». Все это потребовало дополнительных условий плавки и особого устройства печи.

Важным шагом на пути получения железа явилось изобретение горна, который был обложен внутри огнеупорными материалами, а сверху был открыт. Благодаря данному способу железо получалось более качественное. Дальнейшая обработка металла происходила в кузнице, где разогретый в горне металл обрабатывали ударами молота, чтобы избавиться от шлака, после чего получалось железо удовлетворительного качества. Ковка на многие столетия стала главным видом обработки металла, а кузнечное дело — важной отраслью производства.

Использовать железо в чистом виде было сложно из-за его мягкости, практическое значение получил сплав железа с углеродом. Если в железе содержалось до 1,7% углерода, получалась сталь, а железо приобретало способность к закалке. Вначале инструмент нагревали докрасна, а потом опускали в воду, после этого он становился очень твердым с отличными режущими качествами. Очень скоро железо, как одно из наиболее доступных и дешевых материалов, проникло во все сферы человеческой деятельности и сделало огромный переворот в истории развития человечества.

Появление железа и его роль в истории

Технические достижения Древнего Востока

Ирригационное земледелие в цивилизациях Древнего Востока

Донаучные знания первобытного общества

Неолитическая революция

Зарождение первобытного искусства и его технические приемы

Эволюция жилища в первобытную эпоху

Техника и технологии каменной индустрии

Основные противоречия и закономерности в развитии науки и техники

Периодизация науки и техники

Роль науки и техники в истории человечества

Выводы

1. Историко-экономическая наука оформилась как самостоятельная ветвь системы экономических наук в XIX в. История экономики и экономической мысли изучает развитие экономических процессов, структур, институтов, деятельности, событий и теорий. В центре ее внимания находится эволюция хозяйства, а не общества.

Экономика – правильное (эффективное) ведение хозяйства, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ представляет собой среду жизнедеятельности общества. Структуру модели экономики образуют три базовых элемента: экономическая основа развития общества, экономическое управление и оптимизация потенциала экономики.

2. Основными методами истории экономики и экономической мысли являются исторический, логический, причинно-генетический, структурно-функциональный, хронологический, сравнительно-исторический, исторического моделирования, математической статистики, социальной психологии.

Приоритетными функциями истории экономики и экономической мысли являются: прагматические, ценностные, культурные, фундаментальные и мировоззренческие.

3. Выделяют несколько подходов к периодизации истории экономики и экономической мысли – формационный, цивилизационный и циклический.В соответствии с периодизацией структура курса условно делится на пять разделов. За критерий делœения принята история формирования теории рыночной экономики.

Тема 2. Доцивилизационное накопление знаний и развитие техники

Тема 3. Развитие науки и техники в цивилизациях Древнего мира

4. Научные знания в древневосточных государствах:

· Зарождение и развитие первых систем письменности

· Начало математических знаний и календаря

5. Становление античной науки:

· ʼʼШтаныʼʼ Пифагора

· Евдокс Книдский и доказательство шарообразности земли

· Гелиоцентрическая система Аристарха Самосского

· ʼʼИсторияʼʼ - энциклопедия Геродота

· Клятва Гиппократа

· Анаксагор и теория бесконечно малых

· Протагор: ʼʼЧеловек - есть мера всœех вещейʼʼ

· Платон и ʼʼЛицейʼʼ

· Аристотель и ʼʼАкадемияʼʼ

· Эратосфен и радиус земного шара

· Паровая турбина и театр автоматов Герона

· ʼʼГеометрияʼʼ Евклида

· Архимед. Рождение механики

· Александрийский Мусей

· Витрувий ʼʼ10 книг об архитектуреʼʼ

· Карта Клавдия Птолемея

· ʼʼГеографияʼʼ Страбона

6. Важнейшие технические достижения античной цивилизации:

· Техника и война (метательная артиллерия, фаланга, легион)

· In vino veritas (агротехнические новшества)

· Построено на века (римский цемент, римский бетон, арки и купола, акведуки, термы, римские дороги)

Тема 4. Наука и техника в Средние века

1. Технические достижения Арабского Востока (VII-XII вв.):

· Арабская архитектура и строительная техника

· Особенности арабских городов VII-XI вв. (Дамаск, Багдад и другие)

· ʼʼСделано на Востокеʼʼ: производство бумаги, стекла, хлопчатых и шелковых тканей, дамасская сталь, парфюмерия и косметика

2. Наука арабско-мусульманской цивилизации:

· Сохранение и развитие античных знаний

· Алгоритм ‑ аль-Хорезми и математика

· Ученый-энциклопедист аль-Бируни

· Алхимия и алхимики Арабского Востока

· Ибн-Сина (Авиценна) – ученый, врач, философ, музыкант

· Астрономия и обсерватории арабского мира

· Философия Востока ‑ ибн-Рушд (Аверроэс) и Омар Хайям

· Арабские путешественники, географы и мореплаватели (Масуди, ибн-Баттута)

3. Техника и изобретения раннего Средневековья:

· Технический регресс и новый подъем

· Греческий огонь

· Заимствования у кочевников (конская упряжь, седло, стремена, подкова, верховая езда, пахота на лошадях)

· Викинги – короли моря

· Ремесло средневековой цивилизации: традиции и новации

· Строительство и архитектура Византии, Западной Европы и Руси

· Средневековый город

· Крестовые походы и новации Востока

4. Наука и образование средневековой Европы:

· Византийская наука ‑ грамматик Фотий, Лев Математик и начало алгебры, Козьма Индикоплов

· Христианство и наука (Исидор Севильский. Беда Достопочтенный. ʼʼАкадемияʼʼ Карла Великого. Сильвестр II)

· Монах-ученый Роджер Бэкон

· Первые университеты

· Церковь против изобретателœей

5. Изобретения и открытия в эпоху Возрождения (XIV-XVI вв.):

· Расцвет ветряных и водяных мельниц

· Распространение сахарного тростника, чая, кофе, хлопка

· Революция в военной технике – появление пороха и огнестрельного оружия

· Механические часы

· Компас, каравелла и Великие географические открытия

· Колумб и агротехническая революция: кукуруза, картофель, табак, какао

· Географические представления средневековья и путешествие Марко Поло

· Иоганн Гуттенберг и первая печатная книга

· Поэзия камня – Собор Парижской Богоматери

6. Наука Ренессанса:

· Изобретатель, мастер, художник, архитектор, ученый – единая профессия в эпоху Возрождения

· Леонардо да Винчи, соединивший науку, технику и искусство

· Гелиоцентрическая модель мира Н. Коперника

· Семь цветов радуги Франческо Мавролико

· Бесконечность Вселœенной Джордано Бруно

· Политология Н. Макиавелли

· Утопия Т. Мора и Т. Кампанеллы

· Полидор Вергилий ʼʼОб изобретателях вещейʼʼ

· Реформация: вместо веры в Бога ‑ вера в науку

Тема 5. Новое время: научная революция и рождение современной (классической) науки (XVII-XIX вв.)

1. Формирование науки как формы познания окружающего мира:

· Первые научные сообщества: Лондонское королевское сообщество и Французская королевская академия наук

· Три закона небесной механики И. Кеплера

· Исследователь природы Р. Декарт

· Телœескоп Галилео Галилея

· ʼʼСистема мираʼʼ И. Ньютона

· Изобретатель логарифмов Д. Непер

· Священник и логарифмическая линœейка ‑ У. Отред

· Теория естественного права Б. Спинозы, Т. Гоббса и Д. Локка

· Эмпирический (Ф. Бэкон) и рационалистический (Г. Лейбниц) методы познания окружающего мира

· Общественный договор и правовое государство Т. Гоббса и Дж. Локка

2. Технический прогресс в XVII-XVIII вв.:

· Механизация мануфактурного производства (гидроустановки)

· Новации в металлургии (доменные печи, чугунолитейное производство и т.д.)

· Новый инструмент инженеров ‑ теоретическая механика

· Возникновение приборостроения

· Механик и изобретатель токарных станков А.К. Нартов

· Новое слово в транспорте ‑ дилижанс и омнибус

· Паро-атмосферная машина Т. Ньюкомена

· Изобретение парового двигателя (Дж. Уатт)

· Эпоха морских войн (XVII в.) и развитие военного флота

· Петровские реформы и создание новой промышленности России

· Россия ‑ родина боевых ракет

3. Развитие науки в эпоху европейского Просвещения:

· ʼʼПринцип Даламбераʼʼ (Ж. Даламбер)

· Философы-просветители (Вольтер, Ш. Монтескье, Д. Дидро, Ж.-Ж. Руссо)

· Классическая политэкономия (У. Петти, А. Смит, Д. Рикардо)

· Шкала А. Цельсия

· М.В. Ломоносов – титан русской науки

· Суммирующая машина Б. Паскаля

· ʼʼЛейденская банкаʼʼ П. Мушенбрука

Тема 6. Эпоха промышленного переворота

1. Основные закономерности развития науки и техники в XVIII-XIX вв.:

· Европа на пороге промышленной революции

· Англия – ʼʼмастерская мираʼʼ

· Формирование фабрично-заводской системы производства

· Передел мира и создание колониальных систем

· Социальные последствия промышленной революции: новые общественные классы (промышленники и рабочие)

· Урбанизация и промышленные города

· Принципиальное изменение в связях науки с производством

· Возникновение технологии как науки о производстве

2. Промышленный переворот: от мануфактуры к машинному производству (вторая половина XVIII – конец XIX вв.):

· Механизация текстильной промышленности (ʼʼЛетающий челнокʼʼ Кея. Прялка ʼʼДженниʼʼ. ʼʼВатер-машинаʼʼ Аркрайта. ʼʼМюль-машинаʼʼ Кромптона. Станок Жаккара)

· Пароход ‑ изобретение Роберта Фултона

· Паровоз ‑ Р. Тревитик и Дж. Стефенсон

· Начало века стали: использование каменного угля, конвертер Бессмера, мартеновская печь

· Новое слово в военной технике: казнозарядная винтовка, новые взрывчатые вещества (пироксилин и нитроглицерин), нарезные артиллерийские орудия, пушки Круппа

3. Классическая наука (XVIII-XIX вв.):

· Формирование классических технических наук (прикладная механика, теплотехника, электротехника)

· Парижская политехническая школа как прообраз научного образования инженеров

· Открытия в области электричества и электромагнетизма (Б. Франклин, А. Вольта͵ М. Фарадей, Дж. Максвелл)

· Исаак Ньютон и ʼʼНачала…ʼʼ

· Атомистика Дж. Дальтона

· А. Лавуазье и закон сохранения вещества

· Роберт Бойль и его роль для становления химии как науки

· Д. И. Менделœеев и периодическая система элементов

· Систематизация видов: Линней и Бюффон

· Чарльз Дарвин и учение о происхождении видов

· Пастер и бактериология – начало научной медицины

· Г. Мендель и рождение генетики

Тема 7. Наука и техника в конце XIX – первой половинœе XX вв.

1. Уровень развития и достижения в техники в конце XIX ‑ начале ХХ вв.:

· Всеобщая электрификация производства и быта

· Динамо-машины, электродвигатели и электростанции

· Двигатели внутреннего сгорания

· Новые искусственные материалы (целлулоид, карболит, искусственный шелк, синтетический каучук, красители)

· Новые строительные материалы: портландцемент, желœезобетон, желœезные и стальные конструкции (ʼʼКристаллпаласʼʼ, Эйфелœева башня, Бруклинский мост, небоскребы США)

· Изменение градостроительных стратегий с условием развития транспорта и новых требований к качеству жизни (водопровод, канализация, электрическое освещение)

· Желœезные дороги как залог развития: магистраль Берлин-Багдад, Транссибирская магистраль

· Паровоз, паровоз-компаунд, электровоз

· Метры автомобилестроения и их детища: автомобили Бенца и Даймлера

· Конвейер Г. Форда

· Стальные гиганты в борьбе за море: корабли из металла, увеличение размеров судов, трансатлантические лайнеры

· ʼʼТитаникʼʼ ‑ символ эпохи

· Первые теплоходы и появление специализированных кораблей (танкеры, ледоколы)

· Дирижабли, аэропланы, самолеты (самолет Можайского, братья Райт, Фарман и Блерио, самолеты Сикорского)

· Теоретическая космонавтика (Циолковский)

· Телœефон (Юз и Эдисон)

· Изобретение радио (Попов и Маркони)

· Развитие фотографии

· Возникновение кинœематографа

· Рождение телœевидения

2. Становление ʼʼНеклассической наукиʼʼ и революция в естествознании:

· Наука ‑ движущая сила общественного прогресса

· Нобелœевская премия в области физики, химии, физиологии и медицины (1895 ᴦ.) как индикатор базовых направлений и достижений науки

· Открытие радиоактивности ‑ М. Складовская-Кюри и Э. Розерфорд

· Квантовая теория М. Планка и Н. Бора

· Теория относительности А. Энштейна

· Ноосфера ‑ учение В.И. Вернадского

· ʼʼСобака Павловаʼʼ ‑ физиология высшей нервной деятельности (И.П. Павлов)

· Экология: возникновение, развитие, мировоззрение

· Н. Винœер и создание кибернетики

· Вычислительная техника: создание ЭВМ и появление персональных компьютеров

· Ядерная физика ‑ расщепление атомного ядра и использование атомной энергии в военных и мирных целях

· Век пластмасс

· Наука и техника для медицины: электрокардиография, искусственное сердце и почка, антибиотики, трансплантация

3. Роль науки и техники в мировых войнах:

· Роль технических средств в Первой мировой войне

· ʼʼАдский косильщикʼʼ ‑ пулемет Максима

· Броненосцы и дредноуты

· Торпеды и миноносцы

· Подводная война: субмарины

· Война в воздухе: дирижабли и авиация

· Химическое оружие на фронте

· Танк – стальной аргумент на поле боя

· Война машин ‑ превосходство военной техники как гарантия победы во Второй мировой войне

· Новое слово в авиации: стратегические бомбардировки, реактивная авиация

· ʼʼОружие возмездияʼʼ: развитие ракетной техники

· Война на море по новым правилам: авианосœец и подводная лодка

· Создание ядерного оружия

Появление железа и его роль в истории - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Появление железа и его роль в истории" 2017, 2018.

Свободное самородное железо в земной коре, в отличие от меди, почти не встречается. Но оно входит в состав многих минералов и распространено гораздо шире цветных металлов. В древности его можно было добывать буквально повсюду - из озерных, болотистых, луговых и других руд. Однако, по сравнению с металлургией меди, металлургия железа является достаточно сложным процессом.

Железо плавится при температуре 1539 градусов. Такая высокая была совершенно недоступна древним мастерам. Поэтому железо вошло в обиход человека значительно позже меди. Его широкое применение в качестве материала для изготовления оружия и инструментов началось только в первом тысячелетии до Рождества Христова, когда стал известен сыродутный способ восстановления железа.

Впрочем, некоторые народы научились металлургии железа значительно раньше; например, племена, населявшие территорию современной Армении, умели получать железо из руд уже в третьего тысячелетия до Рождества Христова.

Наиболее распространенные железные руды (магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк) представляют собой либо соединение железа с кислородом (оксид железа), либо гидрат окиси железа. Для того чтобы выделить металлическое железо из этих соединений, необходимо восстановить его - то есть отнять у него кислород.

Разумеется, древние мастера не имели понятия о сложных химических процессах, которые происходили при восстановлении железа. Однако, наблюдая за «плавкой» руды, они, в конце концов, установили несколько важных закономерностей, которые и легли в основу простейших методов производства железа.

Прежде всего, наши предки заметили, что для получения железа вовсе не обязательно доводить его до температуры плавления. Металлическое железо можно получать и при гораздо меньших температурах, но при этом должно быть больше топлива, чем при выплавке меди, и это топливо должно быть лучшего качества. Необходимо также, чтобы огонь был как можно более «горячим». Все это требовало особого устройства печи и условий плавки.

Как правило, приступая к «плавке» железа, мастера сначала выкапывали круглую яму, стенки которой изнутри обмазывались толстым слоем глины. С наружной стороны к этой яме подводилось отверстие для нагнетания воздуха. Затем над округлой нижней частью сооружали верхнюю в виде конуса. В качестве топлива использовался древесный уголь. Его засыпали в самый низ печи - в яму. Сверху на него укладывали слоями шихту - измельченную руду и уголь. На самый верх засыпали толстый слой угля.

После того как топливо внизу поджигалось, начинался сильный разогрев руды. При этом шла химическая реакция окисления углерода (угля) и восстановления железа. В виде мельчайших лепестков тестообразное железо, которое было в три раза тяжелее шлака, опускалось вниз и оседало в нижней части печи. В результате на дне ямы собирался ком мягкого сварного железа - крица, весом от 1 до 8 кг. Она состояла из мягкого металла с пустотами, заполненными твердыми шлаками. Когда «плавка» заканчивалась, печь разламывали и извлекали из нее крицу.

Дальнейшая обработка происходила в кузнице, где крицу снова разогревали в горне и обрабатывали ударами молота, чтобы удалить шлак. В металлургии железа ковка на многие века сделалась основным видом обработки металла, а кузнечное дело стало важнейшей отраслью производства. Только после ковки железо приобретало удовлетворительные качества. Чистое железо, впрочем, невозможно использовать из-за его мягкости.

Хозяйственное значение имел только сплав железа с углеродом. Если полученный металл содержал от 0, 3 до 1, 7% углерода, получалась сталь, то есть железо, которое приобрело новое свойство - способность к закалке. Для этого изготовленный инструмент нагревали докрасна, а затем охлаждали в воде. После закалки он становился очень твердым и приобретал замечательные режущие качества. При естественном притоке воздуха температура в поднималась не выше 1000 градусов.

Уже в древности было замечено, что из той же руды можно получить больше железа и лучшего качества, если в печь искусственно нагнетать воздух с помощью мехов. Меха делались из шкур, снабжались дульцами и приводились в движение вручную. С помощью сопел и мехов в печь нагнетали сырой не подогретый воздух, откуда и пошло название всего процесса. Однако и при этом способе температура могла подниматься только до 1200 градусов, и из руды извлекалось не более половины содержавшегося в ней железа.

Являясь общедоступным и дешевым материалом, железо очень скоро проникло во все отрасли производства, быта и военного дела и произвело переворот во всех сферах жизни. Железный топор и соха с железным лемехом позволили освоить земледелие тем народам, которым до этого оно было совершенно недоступно. Только после распространения железа земледелие у большинства народов превратилось в важнейшую отрасль производства.

Железо дало ремесленнику инструменты такой твердости и остроты, которым не могли противостоять ни камень, ни . Они явились той основой, на которой стали бурно развиваться другие ремесла. Эти крупные сдвиги положили конец первобытному обществу. На смену ему пришло более развитое - классовое общество.

На земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья.

Он приводит такую пропорцию: 1:160: 1280: 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов. Как свидетельствует в «Одиссее» Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллесом, награждали куском золота и куском железа.

Было в равной степени необходимо и воину, и пахарю, а практическая потребность, как известно,- лучший двигатель производства и технического прогресса.

Термин «железный век» введен в науку в середине XIX в. датским археологом К. Ю. Томсеном. «Официальные» границы этого периода человеческой истории: от IX-VII вв. до н. э. когда у многих народов и племен Европы и Азии начала развиваться металлургия железа, и до времени возникновения у этих племен классового общества и государства. Но если эпохи называть по главному материалу орудий труда, очевидно, железный век продолжается и сегодня.

Как получали наши далекие предки? Сначала так называемым сыродутным методом. Сыродутные печи устраивали прямо на земле, обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы. Эту трубу заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля.

Железная руда восстанавливалась, и получалась мягкая крица -железо с включениями шлака. Такое железо называют сварочным; в нем содержалось немного углерода и примесей, перешедших из руды. Крицу ковали, куски шлака отваливались, и под молотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывали различные орудия.

Век сварочного железа был долгим, однако людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо. Знаменитую дамасскую сталь (или булат) делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IV в. до н. э.). Но технология ее производства, так же как процесс изготовления булатных клинков, много веков держалась в секрете.

От домницы к домне

Сыродутный процесс во многом зависел от погоды: нужно было, чтобы ветер обязательно задувал в «трубу». Стремление избавиться от капризов погоды привело к созданию мехов, которыми раздували огонь в сыродутном горне. С появлением мехов отпала надобность устраивать сыродутные горны на склонах. Появились печи нового типа - так называемые волчьи ямы, которые выкапывали в земле, и домницы, которые возвышались над землей. Их делали из камней, скрепленных глиной. В отверстие у основания домницы вставляли трубку мехов и начинали раздувать печь. Уголь сгорал, а в горне печи оставалась уже знакомая нам крица. Обычно, чтобы вытащить ее наружу, выламывали несколько камней в нижней части печи. Затем их опять закладывали на место, заполняли печь углем и рудой, и все начиналось сначала.

Само слово «домница» происходит от славянского слова «дмути», что означает «дуть». От этого же слова происходят слова «надменный» (надутый) и «дым». По-анг-лийски доменная печь называется, как и по-русски, дутьевой - blast furnace. А во французском и немецком языках эти печи получили название высоких (Hochofen по-немецки и haut fourneau по-французски).

Домницы становились все больше. Увеличивалась производительность мехов; уголь горел все жарче, и железо насыщалось углеродом.

При извлечении крицы из печи выливался и расплавленный чугун - железо, содержащее более 2% углерода и плавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать, он разлетается на куски от одного удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак, считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинским железом» - pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугун можно заливать в формы и получать из него различные изделия, например пушечные ядра.

К XIV-XV вв. доменные печи, производившие чугун, срочно вошли в промышленность. Высота их достигала 3 м и более, они выплавляли литейный чугун, из которого лили уже не только ядра, но и сами пушки.

Подлинный поворот от домницы к домне произошел лишь в 80-х годах XVIII в., когда одному из демидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь не через одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Лиха беда начало! Число сопел, или фурм (как их теперь называют), росло, дутье становилось все более равномерным, увеличивался диаметр горна, повышалась производительность печей.

Еще два открытия сильно повлияли на развитие доменного производства. Долгие годы топливом доменных печей был древесный уголь. Существовала целая отрасль промышленности, занимавшаяся выжиганием угля из дерева. В результате леса в Англии вырубили до такой степени, что был издан специальный указ королевы, запрещающий уничтожать лес ради нужд черной металлургии. После этого английская металлургия стала быстро хиреть. Британия была вынуждена ввозить чугун из-за границы, главным образом из России. Так продолжалось до середины XVIII в., когда Абрагам Дерби нашел способ получения кокса из каменного угля, запасы которого в Англии очень ведшей. Кокс стал основным топливом для доменных печей.

С изобретением кокса связана легенда о Даде Дадли, который якобы изобрел коксование еще в XVI в., задолго до Дерби. Но фабриканты древесного угля испугались за свои доходы и, сговорившись, убили изобретателя.

В 1829 г. Дж. Нилсон на заводе Клейд (Шотландия) впервые применил вдувание в домны нагретого воздуха. Это нововведение повысило производительность печей и резко снизило расход топлива.

Последнее значительное усовершенствование доменного процесса произошло уже в наши дни. Суть его - замена части кокса дешевым природным газом.

Что такое булат

И булат, и дамасская сталь по химическому составу не отличаются от обычной нелегированной стали. Это железа с углеродом. Но в отличие от обычной углеродистой стали булат обладает очень большой твердостью и упругостью, а также способностью давать лезвие исключительной остроты.

Секрет булата не давал покоя металлургам многих веков и стран. Каких только способов и рецептов не предлагалось! В железо добавляли , драгоценные камни, слоновую кость. Придумывались хитроумнейшие (и порой ужаснейшие) «технологии». Один из древнейших советов: для закалки погружать клинок не в воду, а в тело мускулистого раба - чтобы его сила перешла в сталь.

Раскрыть секрет булата удалось в первой половине прошлого века замечательному русскому металлургу П. П. Аносову. Он брал самое чистое кричное железо и помещал его в открытом тигле в горн с древесным углем. Железо, плавясь, насыщалось углеродом, покрывалось шлаком из кристаллического доломита, иногда с добавкой чистой железной окалины. Под этим шлаком оно очень интенсивно освобождалось от кислорода, серы, фосфора и кремния. Но это было только полдела. Нужно было еще охладить сталь как можно спокойнее и медленнее, чтобы в процессе кристаллизации сначала могли образоваться крупные кристаллы разветвленной структуры - так называемые дендриты. Охлаждение шло прямо в горне, заполненном раскаленным углем. Затем следовала искусная ковка, которая не должна была нарушить образовавшуюся структуру. Другой русский металлург - Д. К. Чернов впоследствии объяснил происхождение уникальных свойств булата, связав их со структурой. Дендриты состоят из тугоплавкость но относительно мягкой стали, а пространство меж их «ветвями» заполняется в процессе застывания металла более насыщенной углеродом, а следовательно, и более твердой сталью. Отсюда большая твердость и большая вязкость одновременно. При ковке этот стальной «гибрид» не разрушается, сохраняется его древовидная структура, но только из прямолинейной она превращается в зигзагообразную. Особенности рисунка в значительной мере зависят от силы и направления ударов, от мастерства кузнеца.

Дамасская сталь древности - это тот же булат, но позднее так называли сталь, полученную путем кузнечной сварки из многочисленных стальных проволочек или полос Проволочки делались из сталей с разным содержанием углерода, отсюда те же свойства, что и у булату. В средние века искусство приготовления такой стали достигло наибольшего развития. Известен японский клинок, в структуре которого обнаружено около 4 млн. микроскопически тонких стальных нитей. Естественно, процесс изготовления оружия из дамасской стали еще более трудоемок, чем процесс изготовления булатных сабель.

Что было в плотницком ящике? Обыкновенный железный инструмент: топор, пила, молоток, гвозди.

Через два столетия на другой необитаемый остров попали герои другого известного романа - пятеро американцев. Они сумели не только выжить на острове, но и создать себе более или менее нормальные условия жизни, что определенно не удалось бы, если бы всеведущий инженер Сайрес Смит (заметим, что по-английски «смит» означает «кузнец») не сумел найти на таинственном острове железную руду и сделать железные инструменты. Иначе опять пришлось бы Жюлю Верну выручать своих героев с помощью знаменитого капитана Немо.

Как видим, без железа не может обойтись даже приключенческая литература. Чрезвычайно важное место занимает этот металл в жизни человека.

Цифры, отражающие годовой уровень выплавки стали, в значительной степени определяют экономическую мощь страны.

Развитию черной металлургии - металлургии железа - придавал первостепенное значение Владимир Ильич Ленин. Еще до Октябрьской революции, в 1913 г., в статье «Железо в крестьянском хозяйстве» он писал: «Относительно железа - ...одного из фундаментов, можно сказать, цивилизации - отсталость и дикость России особенно велики». Действительно, в тот год, а 1913 год считался в царской России годом промышленного подъема, в огромной стране со 150-миллионным населением было выплавлено лишь 3,6 млн. т стали. Сейчас это средняя годовая производительность среднего металлургического завода. Сегодня Россия по выплавке чугуна и стали уверенно держит первое место в мире. В 1975 г. в нашей стране было выплавлено 141 млн. т стали, а в 1980 г. - 148 млн. т. Мировое производство стали подошло уже к рубежу 700 млн. т. Много стали (данные за 1980 г.) выплавляют Япония - 111,5 млн. т, США - 100,8 млн. т, страны Общего рынка - 128,6, в том числе ФРГ - 44,1 млн. т.

Общая доля развивающихся стран - 56,8 млн. т, в том числе Бразилии - 15,4, а Индии - 9,4 млн. т (остальные - меньше).

Начало железного века

Использование железа первобытными людьми

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1: 160: 1280: 6400. Это соотношение стоимостей меди , серебра , золота и железа у древних хеттов. Как свидетельствует в «Одиссее» Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллесом, награждали куском золота и куском железа. Железо было в равной степени необходимо и воину, и пахарю, а практическая потребность, как известно, - лучший двигатель производства и технического прогресса.

Термин «железный век» введен в науку в середине XIX в. датским археологом К. Ю. Томсеном. «Официальные» границы этого периода человеческой истории: от IX-VII вв. до н.э. когда у многих народов и племен Европы и Азии начала развиваться металлургия железа, и до времени возникновения у этих племен классового общества и государства. Но если эпохи называть по главному материалу орудий труда, то, очевидно, железный век продолжается и сегодня.

Как получали железо наши далекие предки? Сначала так называемым сыродутным методом. Сыродутные печи устраивали прямо на земле, обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы. Эту трубу заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля.

Железная руда восстанавливалась, и получалась мягкая крица - железо с включениями шлака. Такое железо называют сварочным; в нем содержалось немного углерода и примесей, перешедших из руды. Крицу ковали, куски шлака отваливались, и под молотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывали различные орудия.

Век сварочного железа был долгим, однако людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо. Знаменитую дамасскую сталь (или булат) делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IV в. до и. э.). Но технология ее производства, так же как процесс изготовления булатных клинков, много веков держалась в секрете.

Процесс производства стали сводится в сущности к выжиганию из чугуна примесей, к окислению их кислородом воздуха. То, что делают металлурги, рядовому химику может показаться бессмыслицей: сначала восстанавливают окисел железа, одновременно насыщая металл углеродом, кремнием , марганцем (производство чугуна), а потом стараются выжечь их. Обиднее всего, что химик совершенно прав: металлурги применяют явно нелепый метод. Но другого у них не было.

Главный металлургический передел - производство стали из чугуна - возник в XIV в. Сталь тогда получали в кричных горнах. Чугун помещали на слой древесного угля, расположенный выше фурмы для подачи воздуха. При горении угля чугун плавился и каплями стекал вниз, проходя через зону, более богатую кислородом, - мимо фурмы. Здесь железо частично освобождалось от углерода и почти полностью от кремния и марганца. Затем оно оказывалось на дне горна, устланном слоем железистого шлака, оставшегося после предыдущей плавки. Шлак постепенно окислял углерод, еще сохранившийся в металле, отчего температура плавления металла повышалась, и он загустевал. Образовавшийся мягкий слиток ломом поднимали вверх. В зоне над фурмой он еще раз переплавлялся, при этом окислялась еще какая-то часть содержащегося в железе углерода. Когда после переплавки на дне горна образовывалась 50-100-килограммовая крица, ее извлекали из горна и тут же отправляли на проковку, цель которой была не только уплотнить металл, но и выдавить из него жидкие шлаки.

Наиболее совершенным железоделательным агрегатом прошлого была пудлинговая печь, изобретенная англичанином Генри Кортом в конце XVIII в. (Кстати, он же изобрел и прокатку профильного железа на валках с нарезанными в них калибрами. Раскаленная полоса металла, проходя через калибры, принимала их форму.)

Пудлинговая печь Корта загружалась чугуном, а подина (дно) и стены ее были футерованы железной рудой. После каждой плавки их подновляли. Горячие газы из топки расплавляли чугун, а потом кислород воздуха и кислород, содержащийся в руде, окисляли примеси. Пудлинговщик, стоящий у печи, помешивал в ванне железной клюшкой, на которой осаждались кристаллы, образующие железную крицу.

После изобретения пудлинговой печи в этой области черной металлургии долго не появлялось ничего нового, если не считать разработанного англичанином Гунстманом тигельного способа получения высококачественной стали. Но тигли были малопроизводительны, а развитие промышленности и транспорта требовало все большего и большего количества стали.

Мартен и конвертер

Генри Бессемер был механиком, вдобавок без систематического образования. Он изобретал, что придется: машинку для гашения марок, нарезную пушку, различные механические приспособления. Бывал он и на металлургических заводах, наблюдал за работой пудлинговщиков. У Бессемера появилась мысль переложить эту тяжелую «горячую» работу на сжатый воздух. После многих проб он в 1856 г. запатентовал способ производства стали продуванием воздуха через жидкий чугун, находящийся в конвертере - грушевидном сосуде из листового железа, выложенном изнутри кварцевым огнеупором.

Для подвода дутья служит огнеупорное днище со многими отверстиями. Конвертер имеет устройство для поворота в пределах 300°. Перед началом работы конвертер кладут «на спину», заливают в него чугун, пускают дутье и только тогда ставят конвертер вертикально. Кислород воздуха окисляет железо в закись FeO. Последняя растворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец... Из окислов железа, марганца и кремния образуются шлаки. Такой процесс ведут до полного выгорания углерода.

Затем конвертер снова кладут «на спину», отключают дутье, вводят в металл расчетное количество ферромарганца - для раскисления. Так получается высококачественная сталь. Способ конвертерного передела чугуна стал первым способом массового производства литой стали.

Передел в бессемеровском конвертере, как выяснилось позже, имел и недостатки. В частности, из чугуна не удалялись вредные примеси - сера и фосфор . Поэтому для переработки в конвертере применяли главным образом чугун, свободный от серы и фосфора. От серы впоследствии научились избавляться (частично, разумеется), добавляя в жидкую сталь богатый марганцем «зеркальный» чугун, а позже и ферромарганец.

С фосфором, который не удалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее. Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержанием фосфора, оставались непригодными для производства стали. Выход был найден английским химиком С. Д. Томасом, который предложил связывать фосфор известью. Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженным доломитом , а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь. Образовывался известково-фосфористый шлак, который легко отделялся от стали. Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.

Самая большая революция в сталеплавильном производстве произошла в 1865 г., когда отец и сын - Пьер и Эмиль Мартены - использовали для получения стали регенеративную газовую печь, построенную по чертежам В. Сименса. В ней, благодаря подогреву газа и воздуха, в особых камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая высокая температура, что сталь в ванне печи переходила уже не в тестообразное, как в пудлинговой печи, а в жидкое состояние. Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлять слитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы... И все это в огромных масштабах! Кроме того, появилась возможность использовать громадные количества железного лома, скопившегося за долгие годы на металлургических и машиностроительных заводах.

Последнее обстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В начале XX в. мартеновские печи почти полностью вытеснили бессемеровские и томасовские конвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в очень малых количествах.

Конвертерное производство могло бы стать исторической редкостью, такой же, как и пудлинговое, если бы не кислородное дутье. Мысль о том, чтобы убрать из воздуха азот, не участвующий в процессе, и продувать чугун одним кислородом, приходила в голову многим видным металлургам прошлого; в частности, еще в XIX в. русский металлург Д. К. Чернов и швед Р. Окерман писали об этом. Но в то время кислород был слишком дорог. Только в 30-40-х годах прошлого столетия, когда были внедрены дешевые промышленные способы получения кислорода из воздуха, металлурги смогли использовать кислород в сталеплавильном производстве. Разумеется, в мартеновских печах. Попытки продувать кислородом чугун в конвертерах не привели к успеху: развивалась такая высокая температура, что прогорали днища аппаратов. В мартеновской печи все было проще: кислород давали и в факел, чтобы повысить температуру пламени, и в ванну (в жидкий металл), чтобы выжечь примеси. Это позволило намного увеличить производительность мартеновских печен, но в то же время повысило температуру в них настолько, что начинали плавиться огнеупоры. Поэтому и здесь кислород применяли в умеренных количествах.

В 1952 г. в австрийском городе Линце на заводе «Фест» впервые начали применять новый способ производства стали - кислородноконвертерный. Чугун заливали в конвертер, днище которого не имело отверстий для дутья, было глухим. Кислород подавался на поверхность жидкого чугуна. Выгорание примесей создавало такую высокую температуру, что жидкий металл приходилось охлаждать, добавляя в конвертер железную руду и лом. И в довольно больших количествах. Конвертеры снова появились на металлургических заводах. Новый способ производства стали начал быстро распространяться во всех промышленно развитых странах. Сейчас он считается одним из самых перспективных в сталеплавильном производстве.

Достоинства конвертера состоят в том, что он занимает меньше места, чем мартеновская печь, сооружение его гораздо дешевле, а производительность выше. Однако в конвертерах сначала выплавляли только малоуглеродистые мягкие стали. В последующие годы был разработан процесс выплавки в конвертере высокоуглеродистых и легированных сталей.