Развитие горного дела и металлургии

Резкое увеличение потребления чугуна и стали привело к крупным изменениям как в масштабах, так и в технологии металлургического производства. Первое звено ряда сложнейших процессов черной металлургии - выплавка чугуна из железосодержащих руд - с XVII-XVIII вв. и по настоящее время имеет в качестве своего основного технического объекта доменную печь. Тем не менее в доменном производстве произошли существенные сдвиги. В сильной степени возросли высота и объем доменных печей, увеличился съем чугуна с площади пода печи, интенсифицировался процесс, осуществляемый в печи. Интенсификации доменного процесса способствовал перевод домен на горячее дутье воздухом, нагреваемым до высокой температуры в специальных нагревательных устройствах - кауперах. Улучшилась эксплуатация доменных печей: введены загрузочные воронки, механизирован подъем руды и флюсов к загрузочной площадке, осуществлен отвод ранее выбрасывавшихся в атмосферу доменных газов, используемых теперь как газовое топливо для газовых двигателей воздуходувных установок. Все эти мероприятия привели к значительному увеличению производительности и экономичности доменного производства.

Рис. 5-40. Конвертер Бессемера. В нижней части разреза видны каналы, по которым подается сжатый воздух

Много нового было внесено и в процесс передела чугуна в железо и сталь. Старые пудлинговые печи стали заменяться отражательными, в которых ванна с расплавленным металлом нагревается отраженным от свода теплом; при этом металл не входит в контакт с горючим и не получает вредных примесей. Однако пудлингование, основанное на применении ручного перемешивания ванны, отставало от потребностей в металле и создавало стимул для изыскания более производительных методов получения стали из жидкого чугуна. Новый способ, получивший название бессемерования по имени его изобретателя, состоит в том, что в специальный металлический сосуд - конвертер (рис. 5-40), покоящийся на цапфах и обращенный вверх отверстием, заливается жидкий чугун, а через каналы в нижней части обмуровки конвертера подается под давлением воздух. Кислород воздуха, проходя через раскаленный чугун, окисляет углерод и примеси (марганец, кремний и др.), находящиеся в чугуне, и превращает его в сталь с желаемым содержанием углерода. После окончания продувки конвертер поворачивается на цапфах и жидкая сталь выливается в подведенный ковш. Бессемерование позволяло в 8-10 минут превращать 10-15 т чугуна в сталь.

Годом позднее, в 1856 г., Ф. Сименс изобрел так называемую регенеративную печь, снабженную емкими камерами, заполненными насадкой из огнеупорного кирпича. Выходящие из печи горячие газы, проходя через одну из камер, нагревали насадку, а через вторую камеру нагретую ранее, воздух подавался в печь, разогреваясь до высокой температуры Поочередное использование камер для охлаждения газов и нагрева воздуха создало высокий эффект, позволяя получать нужные температурные режимы печи при резко сниженном расходе горючего.

Рис. 5-41. Разрез мартеновской печи: 1 - ванна, где варится сталь; 2 - заслонки; 3 - дымовая труба; 4 - регенеративные насадки. Толстые черные стрелки показывают путь газообразного топлива, белые - воздуха, тонкие черные - продуктов горения

В 1864 г. Мартен получил в регенеративной печи литую высококачественную сталь на генераторном газе путем сплавления чугуна с железным ломом в ванне печи, нагреваемой от отражающего свода. Этот процесс получил большое распространение, получив название "мартеновского", а для названия печей вошел в техническую практику термин "мартен" (рис. 5-41).

Большое значение для улучшения производства металла в рассматриваемый период имели исследования, превращавшие сталеварение из искусства в точную науку.

Рис. 5-42. Златоустовский металлургический завод

В этой области многое было сделано П. П. Аносовым, в течение многих лет работавшим на Урале в г. Златоусте на металлургическом заводе (рис. 5-42). Исследования Аносова "Описание нового способа закалки стали в сгущенном воздухе" и "О приготовлении литой стали", опубликованные в 1827 и 1837 гг., раскрыли много нового в природе стали и ее сплавах, установили связь между содержанием, методом термической обработки и структурой металла, наблюдавшейся Аносовым впервые при помощи микроскопа. В работе "О булатах", опубликованной в 1841 г., Аносов исследовал влияние различных присадок на качество сталей.

Применение микроскопа в работах Аносова является одной из многочисленных иллюстраций к проникновению в сферу производства методов научного эксперимента. Для ответа на вопросы о качестве металла потребовалось углубиться в его структуру, увидеть "невидимое", для чего был привлечен микроскоп, ставший впоследствии обязательным прибором металлографических лабораторий.

Наступал период, когда повышенные требования к качеству металла уже не удовлетворялись свойствами углеродистой стали; вопрос о легированных сталях вставал на повестку дня в теории и практике сталеварения.

Исходя из выдвинутых Аносовым положений о влиянии присадок на качество стали, П. М. Обухов изготовил первые в мировой практике титанистые и алюминиевые стали, показавшие по тому времени прекрасные качества для крупных стальных отливок. Прочность стали Обухова была продемонстрирована на Лондонской выставке 1862 г., где из пушки Обухова произвели 4000 выстрелов, не повлиявших на ее дальнейшее употребление.

Большой вехой в развитии методов получения новых технических материалов явилась разработка методов получения алюминия, открытого Велером в 1827 г. Первые методы получения чистого алюминия делали этот металл буквально драгоценным. Усовершенствование и удешевление методов получения алюминия, сделанное французским ученым Сент-Клер-Девилем в 1854 г., еще не давали возможности сделать алюминий широко доступным металлом. В 1865 г. Н. Н. Бекетов разработал метод массового получения чистого алюминия, на основе которого начала быстро расти и развиваться новая область цветной металлургии.