Техника в ее историческом развитии

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

К 70-м годам XIX в. были достигнуты существенные успехи в разработке научных основ металлургии. Рост производства и применения металлических сплавов поставил перед наукой важные практические задачи: уменьшение выгорания металла в процессе плавки, необходимость замены древесного угля минеральным топливом, изыскание рациональных способов переработки бедных руд, повышение механических свойств металлов и сплавов и многие другие.

Научные основы металлургии начали складываться еще в XVIII в., сначала они базировались на анализе и обобщении разрозненных эмпирических знаний о металлах и сплавах, их получении, свойствах и обработке. Затем эмпирические знания стали связывать с законами физики, химии и других наук. Начало разработки теоретических основ учения о металлах было положено трудами французского естествоиспытателя Р. Реомюра, великого русского ученого М. В. Ломоносова, французского химика А. Лавуазье и рядом их современников.

В разработке теории металлургических процессов в XIX в. трудно переоценить значение трудов Ж. Нруста (закон постоянства состава химических ^ соединений), И.Рихтера (закон эквивалентов), Д.Дальтона (закон простых кратных отношений), а также работ К. Бертолле, Й. Берцелиуса и многих других выдающихся химиков. Основываясь на исследованиях своих предшественников и современников, французские химики Ж. Гей- Люссак и Л. Тенардстановили существование трех основных окислов железа. Большую роль в развитии научной металлургии сыграло открытие немецким ученым Э. Митчерлихом явления изоморфизма, исследования К. Карстена по теории связанного и свободного углерода в железе, а также влияния кремния, серы и других элементов на железоуглеродистые сплавы.

 Весьма плодотворными для развития теоретической металлургии были работы С. Карно, Д. Джоуля, Р. Майера, Р. Клау- зиуса, Г. Гельмгольца и других физиков, внесших большой вклад в разработку учения о теплоте. На основе этих работ была установлена методика исследования эндо- и экзотермических реакций, имеющая важнейшее значение при разработке энергетического баланса технологических процессов в металлургии.

В последней четверти прошлого столетия на базе фундаментальных открытий в области естествознания научные разработки охватили все области производства черных и цветных металлов. В качестве самостоятельной науки оформилась металлография — учение о структуре металлов и сплавов, основы которого были заложены русским металлургом П. II. Аносовым еще в первой половине XIX в.

Крупную роль в создании теории доменного процесса сыграл известный английский металлург И. Белл, который изучил условия, необходимые для лучшего хода процесса восстановления окислов железа в доменной печи. В 1869 г. ученый опубликовал подробный расчет теплового баланса доменной печи. Среди его многочисленных печатных работ широкую известность получила книга «Основы производства чугуна и стали», опубликованная в Лондоне в 1884 г. и переведенная на ряд европейских языков.

Работы Белла в области теории доменного процесса продолжил французский металлург Л. Грюнер. Исследуя восстановление железа в условиях доменной плавки, он показал, что этот процесс осуществляется окисью углерода с образованием углекислоты, а также прямым восстановлением твердым углеродом. В результате второй химической реакции образуется окись углерода. Доменная печь, утверждал Грюнер, работает

тем экономичнее, чем большая часть окислов железа восстанавливается косвенным путем, так как в этом случае реакция восстановления окислов не требует затраты тепла [2, с. 219, 220].

Важные исследования по определению тепла, затрачиваемого на расплавление шлаков, осуществил в 80-х годах шведский ученый Р. Оккер- ман. Его работы позволили установить плавкость шлака различного состава и определить его роль в доменном процессе.

Весомый вклад в развитие науки о металлах внесли русские ученые. В теории доменного процесса важнейшие научные труды написаны выдающимся металлургом М. А. Павловым. В 1885 г. по окончании Петербургского горного института Павлов был направлен на металлургические заводы Приуралья. Молодой инженер внимательно изучает работу доменных печей, вносит существенные исправления в их конструкцию. В 1894 г. в «Горном журнале» появляется статья М. А. Павлова «Исследование плавильного пространства доменных печей» — первое в отечественной научной литературе теоретическое исследование теплового баланса доменных печей.

В 1900 г. начинается более чем полувековая педагогическая деятельность М. А. Павлова. Он заведует кафедрами в Высшем горном училище в Екатеринославе, Петербургском политехническом институте, Горной академии в Москве, Московском институте стали. Ученый не прерывает связей с промышленностью. Один за другим выходят его научные труды: «Атлас чертежей по доменному производству» (1902 г.), «Альбом чертежей по мартеновскому производству» (1904 г.), «Размеры мартеновских печей по эмпирическим данным» и «Определение размеров доменных печей» (обе работы опубликованы в 1910 г.). Эти труды имели большое значение для разработки теории и практики металлургии. Сопоставляя многочисленные опытные и расчетные материалы, М. А. Павлов разработал оригинальные способы определения оптимальных соотношений основных элементов металлургических агрегатов, обеспечивающих в данных конкретных условиях максимальный производственный эффект.

Ряд дальнейших научных трудов М. А. Павлова — «Тепловые балансы металлургических процессов» (1911 г.), «Расчет доменных шихт» и, наконец, монументальный курс «Металлургия чугуна», первое издание которого вышло в 1924 г.,— посвящены теории и практике доменного производства. Они и поныне не потеряли своего первостепенного значения. Ученый многое сделал при проектировании и постройке крупных металлургических заводов.

Уже в начале XIX в. стало предельно ясным, что качество изделий из металлов или сплавов определяется не только процессами их производства. Огромную роль для повышения добротности металла играет его последующая обработка (прокатка, ковка, штамповка), особенно тепловая, термическая обработка. Исследователи многих стран уделили большое внимание изучению химического состава металлических сплавов, влиянию отдельных элементов, входящих в их состав. Особенно тщательно исследовали химический состав стали. Как известно, сталь представляет собой сплав железа с углеродом (до 2%) и другими химическими элементами. Содержание углерода в решающей степени определяет механические свойства стали.

Исследованиями химических связей между железом и углеродом занимались многие ученые второй половины XVIII в. В 1786 г. К. Вер толле, Г. Монж и А. Вандермонд представили Французской академии наук примечательную работу «Различные состояния железа», в которой сделан вывод, что именно содержание углерода в первую очередь определяет различие между железом, сталью и чугуном. Следующая работа этих же авторов «Наставление о выделке стали», опубликованная в Париже в 1793 г. и вышедшая на русском языке в 1804 г., развивает учение о роли углерода в железоуглеродистых сплавах. Эти исследования были успешно продолжены на рубеже XVIII—XIX вв. французом Г. де Морво, англичанином Д. Муше, немцем К. Карстеном, шведским химиком Н. Сефстромом и другими учеными.

Качественные характеристики стали и других металлических сплавов определяются также их внутренним строением — структурой. Металлография рассматривает макро- и микроструктуры металлических материалов. Начало микроскопическим исследованиям травленой поверхности стали положено в 1831 г. П. П. Аносовым. Его эксперименты были продолжены в 1864 г. английским ученым Г. Сорби и другими исследователями.

В 1868 г. выдающийся русский металлург Д. К. Чернов установил зависимость структуры и свойств стали от ее горячей механической (ковка) и термической обработки. Чернов открыл критические температуры, при которых в стали в результате ее нагревания или охлаждения в твердом состоянии происходят фазовые превращения, существенно изменяющие структуру и свойства металла. Эти критические температуры, определенные по цветам каления металла, получили название точек Чернова. Русский ученый графически изобразил влияние углерода на положение критических точек, создав первый набросок очертания важнейших линий классической диаграммы состояния железо—углерод. Исследования полиморфизма железа, завершенные Д. К. Черновым в 1868 г., принято считать началом нового периода в развитии науки о металле, возникновением современного металловедения, изучающего взаимосвязь состава, структуры и свойств металлов и сплавов, а также их изменения при различных видах теплового, химического и механического воздействий.

В 1888 г. французский ученый Ф. Осмонд, использовав термоэлектрический термометр A. Jle Шателье, с большой точностью измерил температуры, характеризующие начало полиморфных превращений в стали. В последующие годы Осмонд описал характер этих превращений и присвоил названия основным структурам железоуглеродистых сплавов.

На рубеже XIX—XX вв. многие видные ученые-металлурги и металловеды: В. Робертс-Аустен (Англия), В. Розебом (Голландия), Ф. Осмонд (Франция), П. Геренс (Германия) и другие положили немало труда для дальнейшей разработки диаграммы железо—углерод, которая является основой современной металлографии черных металлов.

Большое значение для развития теоретических основ и практики металлургического производства имели работы Д. К. Чернова по исследованию структуры литой стали, теории кристаллизации стального слитка, а также интенсификации металлургических процессов и совершенствованию технологии выплавки и тепловой обработки металлов. Труды прославленного русского металлурга были продолжены и развиты его учениками и последователями — А. А. Ржешотарским, А. А. Байковым, Н. С. Курнаковым, Н. Т. Гудцовым и другими, а также иностран

ными учеными Г. Гоу (США), Э. Гейном (Германия), Ф. Осмон- дом и А. Портевеном (Франция) и т. д.

Металлурги начала ХХ;в., учитывая всевозрастающие потребности в^черных и цветных металлах, занялись проблемами интенсификации производственных процессов. Металлургическое производство механизировалось, ручной труд заменялся машинами, большое внимание уделялось подготовке ИСХОДНЫХ материалов для производства чугуна, стали, цветных металлов, более форсированно велись процессы в плавильных агрегатах. В этот же период начаты работы по использованию кислорода для интенсификации пирометаллургических процессов.

Идея форсирования выплавки чугуна и стали обогащением воздушного дутья кислородом была выдвинута более ста лет назад. Великий русский ученый'Д. И. Менделеев в классическом труде «Основы химии» писал о том, что, используя кислород, можно получать очень высокие температуры, полезные в металлургии. Он предвидел время, когда «станут на заводах и вообще для практики обогащать воздух кислородом». Выше указывалось, что Д. К. Чернов еще в 1876 г. поддержал идею Р. Оккермана об использовании кислорода для интенсификации бессемеровского процесса.

 Первые эксперименты по применению дутья, обогащенного кислородом, были проведены на бельгийском заводе Угре-Мари в 1913 г. Небольшая доменная печь этого завода при работе на дутье, содержащем 23% кислорода, дала на 12% больше чугуна и показала экономию топлива на 2,5—3%. В 20-е годы в ряде стран были проведены теоретические расчеты, связанные с применением кислорода в черной металлургии. Специальная комиссия Горного бюро США установила, что повышение концентрации кислорода в дутье до 31 % повысит производительность доменной печи на 18% и снизит расход топлива на 6,7%. Однако в то время кислород не получил в металлургии практического применения. Вместе с тем рассматриваемый период дал ряд научно обоснованных рекомендаций и выводов. Систематическая работа в этом направлении в последующие годы привела к широкому внедрению кислорода, революционизировавшего основные технологические процессы в черной металлургии.

Металлургия черная и цветная

Исторически сложилось разделение металлургии на цветную и черную. К черной металлургии относятся сплавы на основе железа — чугун, сталь, ферросплавы...

Черная металлургия. Черная металлургия в первую очередь служит базой...

Крупнейшими потребителями продукции черной металлургии являются машиностроение и металлообработка, строительная индустрия, железнодорожный транспорт.

Цветная металлургия, одна из составных частей тяжелой промыш¬...

Обеспеченность подотраслей цветной металлургии сырьем: по бокситам — более 100 лет, меди — 85, свинцу и цинку — около 100, олову — 55, никелю — 70, вольфраму — 58, молибдену...

Чёрная металлургия. Производство железа

Чёрная металлургия — основа развития большинства отраслей народного хозяйства. Несмотря на бурный рост продукции химической промышленности, цветной металлургии...

Черная металлургия. Важнейшей проблемой сырьевой базы черной...

Ø Различные условия добычи (как шахтная, так и открытая, на долю которой приходится до 80% всего добываемого в черной металлургии сырья).

МАТЕРИАЛЫ ИЗ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИИ. Доменные шлаки....

Кроме основных компонентов шлаки цветной металлургии могут содержать в небольших количествах неизвлеченные металлы — медь, цинк, свинец, никель и др.

Цветная металлургия. Особенностью цветной металлургии...

Цветная металлургия. Сырьевая база цветной металлургии обладает рядом особенностей. Ø Крайне низкое в количественном отношении содержание полезных компонентов в сырье...

Перспективы развития черной и цветной металлургии. Обязательное...

Комитетом Российской Федерации по металлургии разработаны предложения по развитию сырьевой базы черной металлургии на период 1993-2000 гг...

Предприятие чёрной металлургии. Металлургический завод Серп и молот

Предприятие чёрной металлургии СССР. Выпускает средне- и мелкосортный прокат, катанку, калиброванную сталь, холоднотянутую проволоку, горячекатаную тонколистовую сталь...

Порошковая металлургия. Металлокерамические изделия

А главное, методом порошковой металлургии можно получить изделия таких сложных форм, какие не получишь никакими другими технологическими методами.

Металлургия и металлообработка в древней и средневековой Руси....

В вопросах изучения черной металлургии Древней Руси ситуация выглядит несколько иначе. Единственным обобщающим фундаментальным исследованием по этому вопросу до сих...

›Новгород и Новгородская Земля

Машиностроение. Металлургия. Горное дело

Металлургия. Быстро растущая фабрично-заводская система машин предъявляла все увеличивающийся спрос на металлы. … Это было рождением порошковой металлургии.

 ... металлургическая база - район раннего развития черной металлургии, где

Интенсивное развитие металлургии Центра связано с относительно дешевой добычей железных руд. Почти вся руда добывается открытым способом.

Водоснабжение предприятий черной металлургии

Водоснабжение предприятий черной металлургии. Процесс получения черных металлов состоит, как известно, из добычи и подготовки сырья и топлива...

›Водоснабжение›

...отрасль специализации промышленности Урала — черная металлургия....

В целом по производству чугуна, стали и проката Урал занимает первое место в Российской Федерации. Изменилась и география металлургии Урала.

Уральская металлургическая база является самой крупной в России и...

В масштабах же России она занимает первое место и по производству цветных металлов. На долю Уральской металлургии приходится 52% чугуна...

Черная и цветная металлургия. Металлургический комплекс - это основа...

В металлургический комплекс входят черная и цветная металлургия, охватывающая все стадии технологических процессов...

Черная металлургия Уральского экономического района представлена...

Это одна из важнейших отраслей рыночной специализации Уральского района. В структуре основных фондов Урала на долю черной металлургии приходится примерно 1/3.

Прямое восстановление железа. Металлургия

К середине XIX в. в черной металлургии для получения железа окончательно утвердился так называемый двойной передел: из руды — чугун, из чугуна — железо.

Трубная промышленность, подотрасль чёрной металлургии

Трубная промышленность, специализированная подотрасль чёрной металлургии, на предприятиях которой производятся стальные и напорные чугунные трубы...