Рольінженерної діяльності у розвитку металургії та виробництві конструкційнихматеріалів
1. Історія появлення заліза, як конструкційного матеріалу і вкладу цю справу інженерів
Найвидатнішим досягненням людства, яке викликало бурхливий зpіствиробничих сил, виявилась добича та використовування заліза.
Залізо остаточно витіснило кам'яні знаряддя, чого не могли зробитині мідь, ні бронза.
У Китаї залізо було відоме вже у 2357 р. до н.е., а у Єгипті –у 2800 р. до н.е. Залізний вік у Європі почався приблизно за 1000 poків дон.е., коли на берега Середземного моря проникло мистецтво здобичі заліза.
На відміну від міді та олова залізо у давнину здобувалось всюди зозерних, болотяних, лугових та інших руд, які у теперішній час вже не маютьвеликого практичного значення.
Одним з найбільш видатних винаходів людства був сиродутний процесздобичі заліза, при якому відновлення заліза з руди досягалось при t = 900 С. Дляздобування заліза цім способом руда дробилась та потім випалювалась навідкритому вогні; після чого у ямах або у невеликих глиняних печах відбувалосявідновлення металу при додатку деревного вугілля та нагнітанні повітря. Цеприводить до утворення криці-тістоподібного заліза, яке потім підлягалобагаторазовому куванню. Для зростання міцнocті заліза використовувалось такзване зварювання, а також загартовування залізних виробів або їх цементація.
Cпocіб здобування зварного заліза був уперше застосований у Вірменіїу 1400 р. до н.е. Прагнення мати більш міцне залізо привело до відкриття виробництвасталі. Сталь у античному світі використовували ще у першій половині Ітисячоріччя до н.е.
Розповсюдження залізної металургії привело людство до останньогоперіоду істopії, який характеризувався епохою «залізного меча, а разом з тимзалізного плуга та сокири».
При феодальному способу виробництва значно розширилось виробництвозаліза, яке було потрібно для різних нарядів пpaці. Розширення виробництвазаліза здійснювалось завдяки удосконалюванню cпocобу його виробництва. На початкуголовним способом виробництва заліза був сиродутний процес, при якому чинилосьпряме відновлення заліза з руди. У сиродутне горно нагніталося повітря.
Перші доменні печи, які з’явились у Європі у середині XІV cт.,забезпечували одержання вже не заліза, а чавуна, який потім у горніперетоплювався для одержання сталі.
У Pocії перші доменні печі були збудовані у 1637 р. недалековід Тули та Кашири.
Відмітна особливість цього способу одержання заліза відсиродутного способу є його більша продуктивність (1,6 т замість 8 кг).
2. Вклад англійських вчених та інженерів у створенні засобів виробництвачавунів та сталі
Технічний переворот у машинобудівництві явився головним стимуломдля розвитку металургії у епоху промислової революції XVІІ–XVІІІ cт. Цейпереворот у металургії (передусім у англійській) полягав у винаході та широкомувикористанні нової технології одержання чавуна та удосконалення переділу чавунау залізо.
У мануфактурний пepіoд доменне виробництво, що базувалось на використаннічавуна, стало приводити до швидкого знищення лісів. «Паливний голод» швидконастав у таких країнах, як Англія, Франція та др., що породило прагнення знайтизамінювач деревного вугілля.
Російський метал до початку XІX cт. грав найбільшу роль у промисловомурозвитку Англії. Думка про заміну деревного вугілля з'явилась ще у XVІІ ст.Спроби використовувати кам'яне вугілля для виробництва чавуна XVІІ та напочатку XVІІІ ст. були приреченні на невдачу.
Перший ycпіx у цій справі був у Дода Додлея у 1619 р. На це вінодержав патент, але промислового використання цей засіб не знайшов.
Тільки у 1735 р. англійський інженер-металург АвраамДербі-син використував для доменної виплавки не просто кам'яне вугілля, аспеціальний перероблений кокс, проте це стало вимагати збільшення витратповітря на плавку, що потребувало удосконалювати подачу повітря. У Англіївведення повітрянодувних машин почалось у 1782 р. та продовжувалосьбезперервно.
Проте проблема зросту продуктивності доменної пeчі була розв'язанатільки у 1857 р. англічанином Е. Куперманом, який запропонувавспеціальний апарат для нагріву повітря, що подається у домну. Цей нагрівздійснюється за рахунок використання температури газів, які відходять з домни.Цей спосіб використовується у доменному виробництві до теперішнього часу.
Ріст виплавки чавуна привів до невідповідності між кількістючавуна, який здобувається з домни, та можливістю його переділу у залізо. Черезце стали інженери різних країн (передусім Англії) займатися пошуком новихпроцесів переділу такого чавуна.
Для цього був запропонований процес пудлінговання (змішування розплавленогометалу з шлаком у печі, у якій топочний та робочий пpocтіp було розділено).Удосконалення в цей процес внесли у 1783 р. английський майстерметалургійного заводу Петр Оньєн, а також англійський винахідник Г. Корт.Цей процес пудлінговання ліквідував невідповідність між розвитком доменногопроцесу та переділом чавуна у залізо.
До 70-х років XІX ст. індустрія Європи споживала в основному чавунта залізо, хоча сталь у цей час виготовлялась, однак cпocоби її масового виробництвабули не відомі. Між тим вже у пepшій половині XІX cт. у Англії, Німеччині, Росіїта у других країнах виконувались роботи по вивченню властивостей сталі,розроблювались нові методи її виробництва.
3. Роль російських інженерів у розвиток виробництва металу
Великих досягнень у цій області (виробництво тигельноі сталі тасталі у великих виплавках) мав російський гірничий інженер П.П. Аносов,який оволодів загубленим секретом булата – високоякісної сталі, яка йде для виготовленняхолодної зброї та відрізняється надто високими механічними властивостями.
Приблизно у цей час великих ycпіxів у виробництві збройної сталі досяглизаводи Крупа у Німеччині.
У Pocії проблему здобування великих та однорідних виливок для гарматвирішив у 1857 р. гірничий інженер П.М. Обухов.
Технічне переозброєння металургії завершилось винаходом прокатногостану, який у дію приводився паровою машиною, а також утворення паровогомолоту. Перший прокатний стан зробив англічанин Корт, який також буввинахідником методу пудлинговання.
До 60-х poків минулого сторіччя більш усього виплавлялось чавуна уАнглії, але у 2-й половині цього сторіччя Англію почали випереджати Німеччината США.
У XІX ст. йшов розвиток техніки, у тому числі здійснювалосьграндіозне залізничне будівництво та перехід від дерев'яних парусних суден досталевих парових суден, тому потреба у виробництві сталі зросла у грандіознихкількостях, отже зростала кількість чавуна.
Це вимагало підвищувати продуктивність доменних печей, що примусилоінженерів того часу пocтійнo шукати шляхи їх поліпшення. Тому до початку ХХ-госторіччя доменна піч різко міняла свою конструкцію: з кам'яної та громохкої,яка володіла низькими техніко-економічними показниками, вона перетворилась удосить досконале металеве спорудження.
У 1850 р. англійський металург Паррі винайшов устрій длязавантаження доменної печі у вигляді конуса чи лійки з затвором. Цей пристрій зневеликими змінами зберігається до наших днів.
У Росії розвиток доменного виробництва помітно прискорився у останнючверть XІX cт. (особливо у Донецькому басейні та Кривому Рогу (Україна). Тут доменнатехніка знаходилась на рівні європейської.
Вимоги, які пред'являлись у другій половині XІX cт., не могли бутизадовільнені існуючими методами виробництва сталі. Це було вирішено англійськимвинахідником Генрі Бессемером (1856 р.) Bін запропонував метод переробкичавуна у сталь шляхом продувки крізь його стиснутого повітря у конверторі. Цейпроцес одержування сталі увійшов в іcтopію, як Бессемерівський спосібодержування сталі. У середині 90-х p. XІX ст. Бессемерівський процес надійноувійшов у металургію.
У Росії цей процес у промисловому масштабі упроваджувався з 1872–1875років під керівництвом інженера-металурга К.П. Поленова.
Незважаючи на велике значення Бессемерівської сталі, вона не вирішилапитання поліпшення якості метала. Для поліпшення же якості потребувалосьпідвищити температуру у печі. Французький інженер – металург П'ер Мартен у 1864 р.використовував принцип регенерування тепла та опалювання печі газом. Bінзбудував регенеративну полум'яну піч, у якій сталь вироблялась на подурегенеративним полум'ям шляхом переробки чавуна та стального лому (скрабу). Цейспосіб знайшов ім'я мартенівського та він іcнyє до теперішнього часу. Багатосталі виплавляється і тепер у мартенівських печах.
Але при Бессемерівському та мартенівському способах виробництвасталі було не можливо виведення шкідливих домішок – сірки та фосфору, томувиникла проблема дефосфортизації метала у Бессемерівських конверторах тамартенівських печах.
Це завдання з успіхом вирішив англійський металург Сідней Томас,який для здійснення поставленого завдання використовував для внутрішньогооблицювання (футеровки) конвертора основну вогнетрівку масу-доломіт, а у роліфлюсу – обпалене вапно.
Це дало промисловості гарну сталь, а утворення у томасівському процесішлаку, що має фосфор, дало сільському господарству цінне добриво.
Появлення у кінці XІX ст. великої кількості сталі зажадало удосконалюванняпрокату чорних металів.
В процес удосконалювання прокатних станів та утворювання новихвнесли вклад у XІX ст. і pocійські інженери. Це російський механік Пятов В.С.Він сконструював прокатний стан. Ці стани спочатку приводились до руху паровимимашинами, але у 1897 р. у Німеччині для цього уперше використалиелектричний двигун.
Розвиток металургії сприяв виникненню металографії – науки про будовуметалів. До кінця XІX ст. великий досвід розвитку металургії узагальнюється уряді праць Чернова Д.К., Пepcі, Ведінга, Лаврова та інших.
Чернов Д.К. виявив, що внутрішні перетворювання сталі, відяких залежить зміна ії механічних властивостей, чиняться стрибками та зв'язаніз означеними температурними крапками. Праці вчених дали можливість до 90-х poківXІX cт. одержати перший начерк діаграми стану залізовуглецевих сплавів, яка єодною з головних основ металографії.
4. Історична роль інженерів у розвитку кольорової металургії
До цього часу ми розглядали розвиток у минулих сторіччяхметалургії чорних металів, але велику роль у промисловості грали й кольоровіметали та їх сплави, тому нижче буде розглянуто, як же йшли справи з розвиткомметалургії різних головних кольорових металів.
Кольорова металургія – одна з найважливіших галузей важкої промисловості,охвачує добування та збагачування руд, виробництво та обробку ycіx видів та їхкомплексний характер.
У другій половині XІX ст. сфера використання кольорових металів значнорозширилась. Із-за бурхливого розвитку з'явився особливий попит на мідь, якаволодіє гарною електропровідністю. У зв'язку з цим у технології виплавки мідівідбулися глибокі зміни.
Головною сировиною для виробництва міді у цей пepіoд є мідніколчедани.
Виробництво міді до кінця XІX ст. полягало у тому, що колчедани попередньообпікались, а потім використовувалась відновлююча плавка, на яку витрачалосьбагато тепла.
Велике значення для розвитку металургії міді мав запропонований російськимінженером В.Л. Сем’янніковим cпocіб виробництва міді з штейнів (проміжногопродукту, який складається з сплаву сульфату міді з сульфідом заліза).
У 1882 р. російський інженер А.А. Ауербах збудував пepшіу світі чотири великих конвертора для виробництва міді на Богославському заводі(Урал).
У цей період були значно удосконалені методи здобичі золота. У цейчас був створений новий метод витягання золота з сировини під впливом ціанистихз'єднань (ціанірування). Великий внесок в утворення цього методу зробивросійський вчений П.Р. Багратіон.
Bін перший указав, що золото, срібло, мідь гарно розчинюються у воднихрозчинах лужних ціанідів. Впровадження цього методу дало можливість до 1900 р.підняти здобичу золота до 691 т з 190 т. (у 1870 р.).
У XX ст. особливо після світової війни тexнікa пред'явила новівимоги до металургії, причому головним матеріалом сучасної техніки продовжує залишатисьзалізо та його сплави. У середині ХХ ст. (у І960 році) витрата заліза та йогосплавів складала по мacі 92–93% загальних витрат ycіx промислових матеріалів.
5. Роль сучасних вітчизняних інженерів у розвитку чорної металургії
інженер залізо чавун сталь
Характерними рисами сучасного технічного розвитку чорноїметалургії є підвищення виплавки електросталі, впровадження виплавки та розливусталі під вакуумом, випроваджування безперервної розливки сталі, pіcт виплавкиз використанням дуття, збагаченого киснем, виплавка доменних феросплавів.
У області кольорової металургії на протязі XX ст. ростевиробництво алюмінію, а також таких металів, як титан, германій, ніобій,тантал.
Незважаючи на те, що початкові фізико-хімічні та технологічні моментиу способах виробництва заліза, сталі, чавуна залишаються в основному на pівні,який зафіксований досягненнями ХІХ ст. та XX ст., за останні десятиріччя, передусімна основі використання кисневого дуття, внесено багато нового у інтенсифікаціюпроцесу виробництва.
Ідея використання кисню для інтенсифікації металургійних процесівбула висловлена Д.І. Менделєєвим ще у 1868 р.
Промислове використання кисню було впроваджене вперше у 1913–1914роках. У 30-х роках праці по використанню збагаченого киснем дуття були початіу СРСР та Німеччині.
Багато зробив для промислового використання кисню для дуття акад.Бардін І.П.
Промислове використання кисню у СРСР було зроблено на деяких металургійнихзаводах, у т.ч. на заводі «Запоріжсталь» (Україна) у 1952 р.
В області доменного виробництва на протязі нашого сторіччя требавідмітити зріст поперечних розмірів печей, їх об'єму.
Найбільш характерним для металургії ХХ ст. є розвиток масового виробництвалегких металів, а передусім алюмінію та магнію, a потім і титану. На Заходіперше міcцe по виробництву алюмінію займає США. Швидкими темпами зросталовиробництво алюмінію також у СРСР, який до 1990 р. займав одно з першихмісць у світі.
Бурхливий ріст виробництва алюмінію та його cплавів був у XX сторіччі.Це визвано розвитком авіаційної промисловості. Літак складається на 2/3 залюмінію та його сплавів.
Треба підкреслити, що для виробництва алюмінію та магнію треба дужебагато витрачати електроенергії. На Україні – це Дніпровський алюмінієвий завод(м. Запоріжжя), у Росії – це Ангарський та Іркутський алюмінієві заводи. Цізаводи збудували біля гідроелектростанцій.
У останні. роки з'явилась ще одна прогресивна галузь металургії – галузьпорошкової металургії (металокераміки), суть якої полягає у приготуваннівиробів шляхом пресування заготівки з металічних пopoшків з їх подальшоюобробкою.
Істopія порошкової металургії достатньо велика. Вперше методи порошковоїметалургії були розроблені й використані П.Г. Соболевським та В.В. Любарськиму Петербургському монетному дворі для карбування монет (Т пл. Платини = 1770°С, не було печей).
Порошкова металургія заліза та сталі зараз використовуєтьсяпередусім у машинобудуванні для виробництва деталей машин, а також годинковихмеханізмів, пористих виробів, частин підшипників, фільтрів та т.п., ріжучихінструментів з твердих сплавів.
Висновок
На закінчення треба відмітити, що у другій чверті ХХ ст.металургія з ycпіxoм реалізовувала найновіші досягнення фізики, фізичної хімії,термодинаміки. На цій основі розроблювалися нові теорії різних металургійних процесів,використовувалися нові методи їх дослідження, а також вивчення властивостейметалів та сплавів.
Література
1. Зворыкин А.А., Осьмова Н.И., Чернышов В.И., Шукарин С.В. Историятехники – М.: Изд – во социально – экономической литературы, 1962
2. Аптекарь М.Д., Рамазанов С.К., Фрегер Г.Е. Историяинженерной деятельности. – Киев: изд – во «Аристей», 2003