Черная металлургия - Ferrous metallurgy

Черная металлургия , то металлургия из железа и его сплавов , стала в предыстории . Самые ранние из сохранившихся железных артефактов, датируемые 4 тысячелетием до нашей эры в Египте , были сделаны из метеоритного железо-никеля . Неизвестно, когда и где началась выплавка железа из руд , но к концу 2-го тысячелетия до нашей эры железо производилось из железных руд, по крайней мере, от Греции до Индии и Африки к югу от Сахары . Использование кованого железа (обработанного железа) было известно к 1-му тысячелетию до нашей эры, и его распространение определило железный век . В средневековый период кузнецы в Европе нашли способ производить кованое железо из чугуна (в данном контексте известного как чугун ) с помощью кузнечных изделий . Все эти процессы требовали древесного угля в качестве топлива .

К 4 веку до нашей эры южная Индия начала экспортировать сталь Wootz (с содержанием углерода между чугуном и кованым железом) в древний Китай, Африку, Ближний Восток и Европу. Археологические свидетельства наличия чугуна появились в Китае в V веке до нашей эры. Новые методы его производства путем науглероживания железных прутков в процессе цементирования были изобретены в 17 веке. Во время промышленной революции появились новые методы производства пруткового железа путем замены древесного угля на кокс , которые позже были применены для производства стали , открыв новую эру значительного увеличения использования железа и стали, которую некоторые современники назвали новым «железным веком». ". В конце 1850-х годов Генри Бессемер изобрел новый процесс производства стали, который включал продувку воздуха через расплавленный чугун для сжигания углерода и, таким образом, производства мягкой стали. Этот и другие процессы производства стали XIX века и более поздние вытеснили кованое железо . Сегодня кованое железо больше не производится в промышленных масштабах, его вытесняет функционально эквивалентная мягкая или низкоуглеродистая сталь.

Самый большой и современный подземный рудник по добыче железной руды в мире работает в Кируне , округ Норрботтен , Лапландия . Рудник, принадлежащий крупной шведской горнодобывающей компании Luossavaara-Kiirunavaara AB , имеет годовую производственную мощность более 26 миллионов тонн железной руды .

Метеоритное железо

Метеорит Уилламетт , шестой по величине в мире, представляет собой железо-никелевый метеорит .
Железные метеориты в основном состоят из никелево-железных сплавов. Металл, взятый из этих метеоритов, известен как метеоритное железо и был одним из первых источников полезного железа, доступного людям.

Железо добывали из железоникелевых сплавов , которые составляют около 6% всех метеоритов, падающих на Землю . Этот источник часто можно с уверенностью идентифицировать благодаря уникальным кристаллическим характеристикам ( узорам Видманштеттена ) этого материала, которые сохраняются при холодной обработке металла или при низкой температуре. Эти артефакты включают, например, бусину 5-го тысячелетия до нашей эры, найденную в Иране, а также наконечники копий и украшения из Древнего Египта и Шумера около 4000 г. до н.э.

Это раннее использование, по-видимому, было в основном церемониальным или декоративным. Метеоритное железо очень редко, и металл, вероятно, был очень дорогим, возможно, дороже золота . Ранние хетты , как известно, променял железа (метеоритное или плавили) для серебра , со скоростью веса 40 раз утюга, с Старой Ассирийской империи в первые века второго тысячелетия до нашей эры .

Метеоритное железо также превратилось в инструменты в Арктике примерно в 1000 году, когда люди Туле в Гренландии начали делать гарпуны , ножи, улусы и другие острые инструменты из кусков метеорита Кейп-Йорк . Обычно куски металла размером с горошину забивались холодным молотком в диски и прикреплялись к костяной рукоятке. Эти артефакты также использовались в качестве товаров для торговли с другими арктическими народами: инструменты, сделанные из метеорита Кейп-Йорк, были найдены на археологических раскопках на расстоянии более 1000 миль (1600 км). Когда американский полярный исследователь Роберт Пири отправил самый большой кусок метеорита в Американский музей естественной истории в Нью-Йорке в 1897 году, он все еще весил более 33  тонн . Другой пример позднего использования метеоритного железа - тесло около 1000 года нашей эры, найденное в Швеции .

Родное железо

Самородное железо в металлическом состоянии редко встречается в виде мелких включений в некоторых базальтовых породах. Помимо метеоритного железа, жители Туле в Гренландии использовали самородное железо из региона Диско .

Выплавка железа и железный век

Выплавка железа - извлечение пригодного для использования металла из окисленных железных руд - более трудна, чем плавка олова и меди . В то время как эти металлы и их сплавы могут подвергаться холодной обработке или плавлению в относительно простых печах (таких как печи, используемые для гончарного дела ) и разливаться в формы, выплавленное железо требует горячей обработки и может плавиться только в печах специальной конструкции. Железо - обычная примесь в медных рудах, и железная руда иногда использовалась в качестве флюса , поэтому неудивительно, что люди овладели технологией выплавки железа только после нескольких тысячелетий металлургии бронзы .

Место и время открытия плавки железа неизвестны, отчасти из-за сложности отличить металл, извлеченный из никельсодержащих руд, от горячеобработанного метеоритного железа. Археологические свидетельства, кажется, указывают на Ближний Восток в период бронзового века в 3-м тысячелетии до нашей эры. Однако артефакты из кованого железа оставались редкостью до 12 века до нашей эры.

Железный век обычно определяются повсеместной заменой бронзовых оружия и инструментов с теми из железа и стал. Этот переход происходил в разное время в разных местах по мере распространения технологии. Месопотамия полностью перешла в железный век к 900 году до нашей эры. Хотя Египет производил железные артефакты, бронза оставалась доминирующей до ее завоевания Ассирией в 663 году до нашей эры. Железный век начался в Индии около 1200 г. до н.э., в Центральной Европе около 800 г. до н.э. и в Китае около 300 г. до н.э. Около 500 г. до н.э. нубийцы , которые узнали от ассирийцев об использовании железа и были изгнаны из Египта, стали крупными производителями и экспортерами железа.

Древний Ближний Восток

Горнодобывающие районы древнего Ближнего Востока . Цвета коробок: мышьяк - коричневый, медь - красный, олово - серый, железо - красновато-коричневый, золото - желтый, серебро - белый и свинец - черный. Желтая область обозначает мышьяковую бронзу , а серая область обозначает оловянную бронзу.

Один из самых ранних артефактов из плавленого железа, кинжал с железным лезвием, найденный в гробнице Хаттов в Анатолии , датируется 2500 годом до нашей эры. Около 1500 г. до н.э. в Месопотамии , Анатолии и Египте появилось все больше неметеоритных предметов из плавленого железа . Девятнадцать метеорные железные предметы были найдены в гробнице из египетского правителя Тутанхамона , который умер в 1323 году до н.э., в том числе железный кинжал с золотой рукоятью, с Оком Хора , головной стенд мумии и шестнадцать моделей инструментов ремесленника. При раскопках Угарита были найдены древнеегипетский меч с именем фараона Мернептаха, а также боевой топор с железным лезвием и бронзовое древко, украшенное золотом .

Хотя железные предметы, относящиеся к бронзовому веку , были найдены по всему Восточному Средиземноморью, в этот период, по-видимому, преобладала бронзовая обработка. По мере распространения технологии железо пришло на смену бронзе в качестве основного металла, используемого для изготовления инструментов и оружия в Восточном Средиземноморье ( Левант , Кипр , Греция , Крит , Анатолия и Египет).

Железная был первоначально плавит в bloomeries , печах , где сильфоны были использованы для силы воздуха через кучу железной руды и сжигание угля . Окиси углерода производится с помощью древесного угля уменьшили оксид железа из руды до металлического железа. Однако цветник не был достаточно горячим, чтобы расплавить железо, поэтому металл собирался на дне печи в виде губчатой ​​массы или бледности . Затем рабочие неоднократно били и складывали его, чтобы вытеснить расплавленный шлак . В результате этого трудоемкого и трудоемкого процесса производилось кованое железо - ковкий, но довольно мягкий сплав.

Одновременно с переходом от бронзы к железу было открытие науглероживания , процесса добавления углерода в кованое железо. Хотя блюм железа содержал некоторое количество углерода, последующая горячая обработка окисла его большую часть. Смиты на Ближнем Востоке обнаружили, что кованое железо можно превратить в гораздо более твердый продукт, нагревая готовое изделие в слое древесного угля, а затем закаливая его в воде или масле. Эта процедура превратила внешние слои детали в сталь , сплав железа и карбидов железа , с внутренним сердечником из менее хрупкого железа.

Теории происхождения выплавки чугуна

Развитие выплавки железа традиционно связывали с хеттами Анатолии эпохи поздней бронзы . Считалось, что они сохраняли монополию на обработку железа и что их империя была основана на этом преимуществе. Согласно этой теории, древние народы моря , вторгшиеся в Восточное Средиземноморье и разрушившие хеттскую империю в конце позднего бронзового века, несли ответственность за распространение знаний в этом регионе. Эта теория больше не пользуется популярностью в научных кругах, поскольку нет никаких археологических свидетельств предполагаемой монополии хеттов. Хотя есть некоторые железные предметы из Анатолии бронзового века, их количество сопоставимо с железными предметами, найденными в Египте и других местах того же периода времени, и лишь небольшое количество этих предметов было оружием.

Более поздняя теория утверждает, что развитие технологии производства железа было вызвано нарушением торговых путей меди и олова из-за краха империй в конце позднего бронзового века. Эти металлы, особенно олово, не были широко доступны, и металлистам приходилось перевозить их на большие расстояния, в то время как железная руда была широко доступна. Однако нет никаких известных археологических свидетельств, свидетельствующих о нехватке бронзы или олова в раннем железном веке. Бронзовые предметы оставались в изобилии, и эти предметы содержат такое же процентное содержание олова, как и предметы из позднего бронзового века.

Индийский субконтинент

История черной металлургии на Индийском субконтиненте началась во 2 тысячелетии до нашей эры. В археологических раскопках на равнинах Ганга были обнаружены железные орудия, датируемые 1800–1200 годами до нашей эры. К началу 13 века до нашей эры выплавка железа в Индии была широко распространена. В Южной Индии (современный Майсур ) железо использовалось с 12 по 11 века до нашей эры. Технология металлургии железа развивалась в политически стабильный период Маурья и в период мирных поселений в I тысячелетии до нашей эры.

Железные артефакты, такие как шипы , ножи , кинжалы , наконечники стрел, чаши , ложки , кастрюли , топоры , долота , щипцы , дверная фурнитура и т. Д., Датируемые периодом с 600 по 200 год до нашей эры, были обнаружены на нескольких археологических памятниках Индии. Греческий историк Геродот написал первый западный отчет об использовании железа в Индии. В индийских мифологических текстах, Упанишадах , также есть упоминания о ткачестве, гончарном деле и металлургии. В Римляне имели высокое отношение к совершенству стали из Индии в время империи Гупта .

Кинжал и его ножны, Индия, XVII – XVIII вв. Клинок: дамасская сталь, инкрустированная золотом; рукоять: нефрит; ножны: стальные с гравировкой, чеканкой и позолотой

Возможно, уже в 500 г. до н.э., хотя, безусловно, к 200 г. н.э. высококачественная сталь производилась на юге Индии с помощью тигельной техники . В этой системе кованое железо высокой чистоты, древесный уголь и стекло смешивали в тигле и нагревали до тех пор, пока железо не расплавилось и не поглотило углерод. Железная цепь использовалась в индийских подвесных мостах еще в 4 веке.

Сталь Wootz производилась в Индии и Шри-Ланке примерно с 300 г. до н.э. Сталь Wootz известна с античных времен своей прочностью и способностью удерживать лезвие. Когда король Порус попросил его выбрать подарок, Александр, как говорят, предпочел золоту или серебру тридцать фунтов стали. Сталь Wootz изначально была сложным сплавом с железом в качестве основного компонента вместе с различными микроэлементами . Недавние исследования показали, что его свойства могли быть связаны с образованием углеродных нанотрубок в металле. По словам Уилла Дюранта , технология перешла к персам, а от них - к арабам, которые распространили ее по Ближнему Востоку. В 16 веке голландцы принесли технологию из Южной Индии в Европу, где она производилась серийно.

Сталь производилась в Шри-Ланке с 300 г. до н.э. в печах, продуваемых муссонными ветрами . Печи были вырыты в гребнях холмов, а ветер отводился в вентиляционные отверстия длинными траншеями. Такое расположение создавало зону высокого давления на входе и зону низкого давления в верхней части печи. Считается, что поток допускал более высокие температуры, чем могли бы производить печи с сильфонным приводом, что приводило к более качественному чугуну. Сталь, произведенная в Шри-Ланке, широко продавалась в этом регионе и в исламском мире .

Одна из главных мировых металлургических диковинок - это железный столб, расположенный в комплексе Кутб в Дели . Столб изготовлен из кованого железа (98% Fe ), имеет высоту почти семь метров и весит более шести тонн. Колонна была возведена Чандрагуптой II Викрамадитьей и выдержала 1600 лет проливных дождей с относительно небольшой степенью коррозии .

Китай

Обогащение железной руды с целью получения кованого железа из чугуна; На рисунке справа изображены мужчины, работающие на доменной печи ( энциклопедия Tiangong Kaiwu , 1637 г.)

Историки спорят о том, распространилась ли обработка железа на основе цветения в Китай с Ближнего Востока. Одна из теорий предполагает, что металлургия пришла через Среднюю Азию. В 2008 году два фрагмента железа были раскопаны на территории Могу в Ганьсу . Они были датированы 14 веком до н.э., относились к периоду культуры Сива , что предполагает независимое китайское происхождение. Один из фрагментов был сделан не из метеоритного железа, а из цветного железа.

Самые ранние железные артефакты, сделанные из цветников в Китае, датируются концом IX века до нашей эры. Чугун использовался в древнем Китае для ведения войны, сельского хозяйства и архитектуры. Около 500 г. до н.э. металлисты в южном штате Ву достигли температуры 1130 ° C. При этой температуре железо соединяется с 4,3% углерода и плавится. Жидкий чугун можно отливать в формы - метод, гораздо менее трудоемкий, чем индивидуальная ковка каждого куска железа из блюма.

Чугун довольно хрупкий и не подходит для нанесения ударов орудиям. Однако его можно обезуглерожить до стали или кованого железа, нагревая его на воздухе в течение нескольких дней. В Китае эти методы обработки железа распространились на север, и к 300 г. до н.э. железо было предпочтительным материалом для большинства инструментов и оружия. Братское захоронение в провинции Хэбэй , датируемое началом 3 века до нашей эры, содержит несколько солдат, похороненных с их оружием и другим снаряжением. Артефакты, извлеченные из этой могилы, по-разному сделаны из кованого железа, чугуна, ковкого чугуна и закаленной стали, и лишь с некоторыми, вероятно, декоративными, бронзовыми видами оружия.

Иллюстрация сильфона печи, приводимого в действие водяными колесами, из Нонг Шу , Ван Чжэнь , 1313 г. н.э., во времена династии Юань в Китае.

Во время династии Хань (202 г. до н.э. - 220 г. н.э.) правительство установило производство чугуна в качестве государственной монополии (отменено во второй половине династии и вернулось к частному предпринимательству) и построило серию больших доменных печей в провинции Хэнань , каждая из которых способна на производство нескольких тонн железа в сутки. К этому времени китайские металлурги открыли, как измельчать чугун в чушках, перемешивая его на открытом воздухе до тех пор, пока он не потеряет углерод и не сможет быть подвергнут ковке (ковке). (На современном китайском языке этот процесс теперь называется чао , что буквально означает жарка с перемешиванием ; чугун известен как «сырое железо», а кованое железо известно как «вареное железо».) К I веку до нашей эры китайские металлурги обнаружили что кованое железо и чугун можно переплавить вместе, чтобы получить сплав со средним содержанием углерода, то есть сталь. Согласно легенде, таким способом был изготовлен меч Лю Банга , первого ханьского императора. Некоторые тексты той эпохи упоминают «гармонизацию твердого и мягкого» в контексте обработки железа; фраза может относиться к этому процессу. Древний город Ван ( Наньян ) с эпохи Хань был крупным центром черной металлургии. Наряду со своими оригинальными методами ковки стали, китайцы также переняли производственные методы создания стали Wootz, идея, импортированная из Индии в Китай в V веке нашей эры. Во времена династии Хань китайцы также первыми применили гидравлическую энергию (то есть водяное колесо ) для работы сильфонов доменной печи. Это было зарегистрировано в 31 году нашей эры как нововведение китайского инженера-механика и политика Ду Ши , префекта Наньян. Хотя Ду Ши был первым, кто применил силу воды к мехам в металлургии, первая нарисованная и напечатанная иллюстрация его работы с силой воды появилась в 1313 году нашей эры в тексте эпохи династии Юань, названном Нонг Шу .

В XI веке есть свидетельства производства стали в Сунском Китае с использованием двух технологий: «берганского» метода, который производил низкокачественную, гетерогенную сталь, и предшественника современного бессемеровского процесса, который использовал частичную декарбонизацию путем многократной ковки под холодным дутьем. . К 11 веку в Китае произошло большое количество вырубок лесов из-за потребности черной металлургии в древесном угле. К этому времени, однако, китайцы научились использовать битуминозный кокс для замены древесного угля, и с этим переключением ресурсов многие акры лучших лесных угодий в Китае были сохранены.

Железный век Европы

Сравнение древних китайских и европейских процессов производства чугуна и стали.
Железный топор , датируемый шведским железным веком , найден на острове Готланд , Швеция.

Обработка железа была представлена ​​в Греции в конце 10 века до нашей эры. Самые ранние следы железного века в Центральной Европе - это артефакты культуры Гальштата C (8 век до нашей эры). На протяжении 7-6 веков до нашей эры изделия из железа оставались предметами роскоши, предназначенными только для избранных. Ситуация резко изменилась вскоре после 500 г. до н.э. с ростом культуры Ла Тен , с этого времени металлургия железа также стала распространенной в Северной Европе и Великобритании . Распространение обработки железа в Центральной и Западной Европе связано с кельтской экспансией. К I веку до нашей эры норическая сталь была известна своим качеством и востребована римскими военными .

Годовой объем производства железа в Римской империи оценивается в 84 750 тонн .

К югу от Сахары

Находки железного века в Восточной и Южной Африке, соответствующие экспансии банту в начале 1-го тысячелетия нашей эры.

Хотя есть некоторая неопределенность, некоторые археологи полагают, что металлургия железа развивалась независимо в Африке к югу от Сахары (возможно, в Западной Африке).

Жители Термита на востоке Нигера выплавляли железо около 1500 г. до н.э.

В районе гор Аир в Нигере также есть признаки независимой плавки меди между 2500 и 1500 годами до нашей эры. Процесс не находился в развитом состоянии, что указывает на то, что плавка не была иностранной. Он стал зрелым около 1500 г. до н.э.

Археологические памятники, содержащие печи для плавки железа и шлак, также были раскопаны на участках в районе Нсукка на юго-востоке Нигерии на территории нынешнего Игболенда : датируемые 2000 годом до н.э. на месте Леджа (Eze-Uzomaka 2009) и 750 г. до н.э., а также на этом участке. из Opi (Holl 2009). На территории Гбабири (в Центральноафриканской Республике) были обнаружены свидетельства металлургии железа из восстановительной печи и кузнечной мастерской; с самыми ранними датами 896–773 гг. до н.э. и 907–796 гг. до н.э. соответственно. Точно так же плавка в печах шаровидного типа появилась в культуре Нок в центральной Нигерии примерно в 550 г. до н.э. и, возможно, несколькими веками раньше.

Есть также свидетельства того, что углеродистая сталь была изготовлена ​​в Западной Танзании предками народа хая еще 2300–2000 лет назад (около 300 г. до н.э. или вскоре после этого) с помощью сложного процесса «предварительного нагрева», позволяющего поддерживать температуру внутри печи. чтобы достичь 1300-1400 ° C.

Обработка железа и меди распространилась на юг по всему континенту, достигнув мыса около 200 г. н.э. Широкое использование железа произвело революцию в фермерских общинах, говорящих на банту, которые приняли его, вытеснив и поглотив горные орудия, используя сообщества охотников-собирателей, с которыми они сталкивались по мере своего расширения. для возделывания более обширных территорий саванны . Превосходные в технологическом отношении носители языка банту распространились по югу Африки и стали богатыми и могущественными, производя железо для инструментов и оружия в больших промышленных количествах.

Самые ранние записи о печах шаровидного типа в Восточной Африке - это открытия выплавленного железа и углерода в Нубии, которые датируются 7-6 веками до нашей эры, особенно в Мероэ, где, как известно, были древние цветники, которые производили металлические инструменты для нубийцев. и Кушиты и производили излишки для своей экономики.

Средневековый исламский мир

Технология железа получила дальнейшее развитие благодаря нескольким изобретениям средневекового ислама во время Золотого века ислама . В их число входили различные промышленные мельницы с водяной и ветровой тягой для производства металла, в том числе мельницы с зубчатым приводом и кузницы . К 11 веку в каждой провинции мусульманского мира были действующие промышленные предприятия, от исламской Испании и Северной Африки на западе до Ближнего Востока и Центральной Азии на востоке. Есть также упоминания о чугуне 10-го века , а также археологические свидетельства того, что доменные печи использовались в империях Айюбидов и Мамлюк с 11-го века, что предполагает распространение китайских металлических технологий в исламском мире.

Зерновые мельницы с редуктором были изобретены мусульманскими инженерами и использовались для измельчения металлических руд перед их добычей. Мельницы в исламском мире часто делались как из водяных, так и из ветряных. Чтобы приспособить водяные колеса для измельчения засыпки, для подъема и освобождения отбойных молотков использовались кулачки . Первая кузница, приводимая в движение водяной мельницей с гидроэнергетикой, а не ручным трудом, была изобретена в исламской Испании XII века.

Одной из самых известных сталей, производимых на средневековом Ближнем Востоке, была дамасская сталь, которая использовалась для изготовления мечей и в основном производилась в Дамаске , Сирия , в период с 900 по 1750 год. Эта сталь производилась с использованием метода тигельной стали , основанного на более раннем индийском труде. сталь . Этот процесс был принят на Ближнем Востоке с использованием сталей местного производства. Точный процесс остается неизвестным, но он позволил карбидам выпадать в осадок в виде микрочастиц, расположенных в виде листов или полос внутри корпуса лезвия. Карбиды намного тверже, чем окружающая их низкоуглеродистая сталь, поэтому кузнецы могут производить лезвие, которое режет твердые материалы с осажденными карбидами, в то время как полосы из более мягкой стали позволяют мечу в целом оставаться жестким и гибким. Команда исследователей на базе Технического университета в Дрездене , который использует рентгеновские лучи и электронной микроскопии для изучения булата обнаружили присутствие цементита нанопроводов и углеродных нанотрубок . Петер Пауфлер, член команды Дрездена, говорит, что эти наноструктуры придают дамасской стали ее отличительные свойства и являются результатом процесса ковки .

Средневековая и ранняя современная Европа

Принципиальных изменений в технологии производства чугуна в Европе на протяжении многих веков не происходило. Европейские металлисты продолжали производить железо в цветочных цехах. Тем не менее, средневековый период принес два развития - использование энергии воды в процессе цветения в различных местах (как описано выше) и первое европейское производство чугуна.

Powered bloomeries

Когда-то в средневековье для процесса цветения применялась энергия воды. Возможно, что это было в цистерцианском аббатстве Клерво еще в 1135 году, но определенно использовалось в начале 13 века во Франции и Швеции. В Англии первым явным документальным свидетельством этого являются отчеты о кузнице епископа Даремского недалеко от Бедберна в 1408 году, но это, конечно же, не первый такой металлургический завод. В районе Фернесс в Англии электрические цветники использовались в начале 18 века, а около Гарстанга - примерно до 1770 года.

Каталонская кузница представляла собой разновидность энергетического оружия. Цветочные цветы с горячей струей использовались в северной части штата Нью-Йорк в середине 19 века.

Доменная печь

Производство чугуна описано в " Популярной энциклопедии ", том VII, опубликованном в 1894 году.

Предпочтительный метод производства чугуна в Европе до развития процесса пудлинга в 1783–84. Развитие чугуна в Европе отставало, потому что кованое железо было желаемым продуктом, а промежуточный этап производства чугуна включал дорогостоящую доменную печь и дальнейшее рафинирование чугуна в чугун, что затем требовало трудоемкого и капиталоемкого преобразования в кованое железо.

В течение значительной части Средневековья в Западной Европе железо все еще производилось путем обработки железных заготовок в кованое железо. Некоторые из самых ранних отливок чугуна в Европе происходили в Швеции, в двух местах, Лапфиттане и Винархиттане, между 1150 и 1350 годами. Некоторые ученые предполагают, что эта практика следовала за монголами по всей России на эти места, но четких доказательств этой гипотезы нет. , и это, конечно, не объясняет домонгольские датировки многих из этих центров производства железа. В любом случае, к концу 14 века рынок чугунных изделий начал формироваться, поскольку возник спрос на чугунные пушечные ядра.

Кузница изысков

Альтернативным методом обезуглероживания чугуна была кузница для украшений , которая, похоже, была изобретена в районе Намюра в 15 веке. К концу того же столетия этот валлонский процесс распространился на Пай-де-Брей на восточной границе Нормандии , а затем в Англию, где к 1600 году он стал основным методом производства кованого железа. В Швецию его ввел Луи де Гир. в начале 17 века и использовался для производства железа на рудных месторождениях, который предпочитали английские производители стали.

Вариантом этого была немецкая кузница . Это стало основным методом производства пруткового чугуна в Швеции.

Процесс цементирования

В начале 17 - го века, Ironworkers в Западной Европе разработал процесс цементирования для цементации кованого железа . Прутки из кованого железа и древесный уголь были упакованы в каменные ящики, затем запечатаны глиной для выдержки на красном огне в бескислородном состоянии, погруженном в почти чистый углерод (древесный уголь) в течение недели. За это время углерод диффундировал в поверхностные слои чугуна, образуя цементную сталь или черновую сталь, также известную как закаленная, когда части, завернутые в железо (кирка или лезвие топора), стали тверже, чем, скажем, наконечник молотка для топора. или гнездо вала, которое можно изолировать глиной, чтобы защитить их от источника углерода. Самым ранним местом, где этот процесс использовался в Англии, был Колбрукдейл с 1619 года, где у сэра Бэзила Брука были две цементирующие печи (недавно раскопанные в 2001–2005 годах). Какое-то время в 1610-х годах он владел патентом на этот процесс, но в 1619 году ему пришлось отказаться от него. Вероятно, он использовал железо Forest of Dean в качестве сырья, но вскоре выяснилось, что рудное железо было более подходящим. Качество стали может быть улучшена за счет faggoting , производя так называемый сдвиг стали.

Тигельная сталь

В 1740-х годах Бенджамин Хантсман нашел способ плавления черновой стали, изготовленной методом цементации, в тиглях. Полученная тигельная сталь , обычно отливаемая в слитки, была более однородной, чем черновая сталь.

Переход на кокс в Англии

Начало

В начале выплавки чугуна древесный уголь использовался как в качестве источника тепла, так и в качестве восстановителя. К 18 веку доступность древесины для производства древесного угля ограничивала расширение производства железа, так что Англия становилась все более зависимой от Швеции (с середины 17 века), а затем от Швеции в производстве значительной части железа, необходимого для ее промышленности. примерно с 1725 г. также по России. Плавка с использованием угля (или его производного кокса ) была долгой целью. Производство чугуна с коксом, вероятно, было достигнуто Дадом Дадли около 1619 года, а в 1670-х годах - смешанного топлива из угля и древесины. Однако это был скорее технологический, а не коммерческий успех. Shadrach Fox, возможно, плавил железо с коксом в Coalbrookdale в Шропшире в 1690-х годах, но только для изготовления пушечных ядер и других изделий из чугуна, таких как снаряды. Однако в мире после Девятилетней войны на них не было спроса.

Авраам Дарби и его преемники

В 1707 году Авраам Дарби I запатентовал метод изготовления чугунных горшков. Его горшки были тоньше и, следовательно, дешевле, чем у его конкурентов. Нуждаясь в большем запасе чугуна, он арендовал доменную печь в Коулбрукдейле в 1709 году. Там он стал производить чугун из кокса, тем самым основав первый успешный бизнес в Европе, который сделал это. Вся его продукция была из чугуна, хотя его непосредственные преемники пытались (с небольшим коммерческим успехом) оштрафовать ее до прутка.

Таким образом, прутковый чугун обычно продолжали изготавливать из чугуна на древесном угле до середины 1750-х годов. В 1755 году Авраам Дарби II (с партнерами) открыл новую коксовую печь в Хорсэе в Шропшире, за ней последовали и другие. Они поставляли коксохимический чугун в традиционные кузницы для производства пруткового чугуна . Причина задержки остается спорной.

Новые процессы кузницы

Схематический чертеж пудлинговой печи

Только после этого начали разрабатываться экономически эффективные способы переработки чугуна в прутковый чугун. Процесс, известный как заливка и штамповка, был разработан в 1760-х годах и усовершенствован в 1770-х годах и, по-видимому, получил широкое распространение в Уэст-Мидлендсе примерно с 1785 года. Однако он был в значительной степени заменен процессом пудлинга Генри Корта , запатентованным в 1784 году. , но, вероятно, использовались для работы с серым чугуном только примерно в 1790 году. Эти процессы позволили значительно расширить производство чугуна, что и стало промышленной революцией в черной металлургии.

В начале 19 века Холл обнаружил, что добавление оксида железа к загрузке печи для лужения вызывает бурную реакцию, в ходе которой чугун обезуглероживается , что стало известно как «мокрый лужа». Также было обнаружено, что сталь можно производить, останавливая процесс лужения до завершения обезуглероживания.

Горячий взрыв

Эффективность доменной печи была повышена за счет перехода на горячий дутье , запатентованного Джеймсом Бомонтом Нилсоном в Шотландии в 1828 году. Это еще больше снизило производственные затраты. В течение нескольких десятилетий практика заключалась в том, чтобы иметь «плиту» размером с печь рядом с ней, в которую отходящий газ (содержащий CO) из печи направлялся и сжигался. Полученное тепло использовалось для предварительного нагрева воздуха, вдуваемого в печь.

Промышленное производство стали

Схематический чертеж преобразователя Бессемера

Помимо некоторого производства луженой стали, английская сталь продолжала изготавливаться путем цементации, иногда с последующей переплавкой для производства стали для тиглей. Это были периодические процессы, сырьем для которых был прутковый чугун, в частности железо шведской руды.

Проблема массового производства дешевой стали была решена в 1855 году Генри Бессемером с внедрением конвертера Бессемера на его сталелитейном заводе в Шеффилде , Англия. (Ранний преобразователь все еще можно увидеть в городском музее острова Келхэм ). В процессе Бессемера расплавленный чугун из доменной печи загружали в большой тигель, а затем продували воздух через расплавленный чугун снизу, воспламеняя растворенный углерод из кокса. По мере того как уголь выгорает, температура плавления смеси увеличивается, но тепло от горящего угля обеспечивает дополнительную энергию, необходимую для поддержания расплавления смеси. После того, как содержание углерода в расплаве упало до желаемого уровня, тяга воздуха была отключена: типичный конвертер Бессемера мог преобразовать 25-тонную партию чугуна в сталь за полчаса.

Наконец, основной кислородный процесс был внедрен на заводе Voest-Alpine в 1952 году; модификация основного процесса Бессемера, он направляет кислород сверху на сталь (вместо того, чтобы барботировать воздух снизу), уменьшая количество азота, поглощаемого сталью. Базовый кислородный процесс используется на всех современных сталелитейных заводах; последний конвертер Бессемера в США был списан в 1968 году. Более того, за последние три десятилетия произошел значительный рост бизнеса на мини-заводах, где только стальной лом плавится в электродуговой печи . Сначала эти заводы производили только прутковый прокат, но с тех пор расширились на плоский и тяжелый прокат, когда-то являвшийся исключительной прерогативой интегрированных сталелитейных заводов.

До этих разработок 19-го века сталь была дорогим товаром и использовалась только для ограниченного числа целей, когда требовался особо твердый или гибкий металл, например, в режущих кромках инструментов и пружин. Широкая доступность недорогой стали стала двигателем Второй промышленной революции и современного общества, каким мы его знаем. Мягкая сталь в конечном итоге заменила кованое железо почти для всех целей, а кованое железо больше не производится в промышленных масштабах. За небольшими исключениями, легированные стали начали производить только в конце 19 века. Нержавеющая сталь была разработана накануне Первой мировой войны и широко не использовалась до 1920-х годов.

Современная сталелитейная промышленность

Производство стали (в млн. Тонн) по странам в 2007 г.

Сталелитейную промышленность часто считают индикатором экономического прогресса из-за решающей роли, которую сталь играет в инфраструктурном и общем экономическом развитии . В 1980 году в США было более 500 000 металлургов. К 2000 году количество сталеваров упало до 224 000 человек.

Экономический бум в Китае и Индии вызвал значительное увеличение спроса на сталь. В период с 2000 по 2005 год мировой спрос на сталь увеличился на 6%. С 2000 года известность приобрели несколько индийских и китайских сталелитейных компаний, таких как Tata Steel (которая купила Corus Group в 2007 году), Baosteel Group и Shagang Group . Однако по состоянию на 2017 год ArcelorMittal является крупнейшим производителем стали в мире . В 2005 году Британская геологическая служба заявила, что Китай является крупнейшим производителем стали, на долю которого приходится около одной трети мировой доли; За ними последовали Япония, Россия и США. Большая производственная мощность стали также приводит к значительному количеству выбросов углекислого газа, связанных с основным производственным маршрутом. По оценкам, в 2019 году от 7 до 9% мировых выбросов диоксида углерода приходятся на сталелитейную промышленность. Ожидается, что сокращение этих выбросов произойдет за счет изменения основного производственного маршрута с использованием кокса, большей рециркуляции стали и применения технологий улавливания и хранения углерода или технологий улавливания и использования углерода.

В 2008 году сталь начала торговаться как товар на Лондонской бирже металлов . В конце 2008 года сталелитейная промышленность столкнулась с резким спадом, который привел к множеству сокращений.

Процессы производства стали без выбросов углерода

Смотрите также

Примечания

дальнейшее чтение

  • Эбрей, Уолтхолл, Дворец, (2006). Восточная Азия: культурная, социальная и политическая история . Бостон: Компания Houghton Mifflin.
  • Ноулз, Энн Келли. (2013) Освоение железа: борьба за модернизацию американской промышленности, 1800–1868 (University of Chicago Press) 334 страницы
  • Нидхэм, Джозеф (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Часть 2 ; Нидхэм, Джозеф (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Часть 3 .
  • Плейнер Р. (2000) Железо в археологии. Европейские цветочные заводы , Прага, Archeologický Ústav Av Cr.
  • Паундс, Норман Дж. Г. «Историческая география черной металлургии Франции». Анналы Ассоциации американских географов 47 № 1 (1957), стр. 3–14. онлайн
  • Вагнер, Дональд (1996). Железо и сталь в Древнем Китае . Лейден: Э. Дж. Брилл.
  • Вудс, Майкл и Мэри Б. Вудс (2000). Ancient Construction (Ancient Technology) от Michael Woods Runestone Press
  • Лам, Венчхон (2014) Все старое снова новое? Переосмысление перехода к производству чугуна на равнинах Центрального Китая, Китайский университет Гонконга

внешние ссылки