(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Железо

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 25-07-2014

Метки: , , , , , , ,

Железо известно человеку столько же времени, сколько известна и медь. И, тем не менее, медь древние люди научились добывать намного раньше, чем железо. В чем же дело? В высокой температуре плавления железа – 1535 градусов, медь же плавится при температуре 1083 градуса. Эта разница означает, что для выплавки железа нужны совершенно иные технологии, чем обычная печь или костер.

Самородное железо встречается еще реже, чем самородная медь. Редкие находки – это обычно остатки упавших на поверхность планеты метеоритов. Небольшие небесные тела, вращающиеся вокруг Земли и, в конце-концов, под воздействием сил притяжения попадающие в земную атмосферу, состоят преимущественно из железа. На самой Земле железо один из самых распространенных металлов, на его долю приходится более четырех процентов массы земной коры, а ядро планеты в значительной степени состоит из расплавленного железа.

В природе железо встречается в виде естественных химических соединений, входящих в состав железных руд. Прежде всего, это всякого рода железняки – красный, бурый, магнитный, шпатовый. Самое большое содержание железа в магнитном железняке – более 72 процентов в руде под названием магнетит. В виде сернистых соединений железо встречается в виде пирита. Оно так же входит в состав морской воды и в состав тканей всех живых существ. Железо необходимый элемент для поддержания жизнедеятельности. Именно железо участвует в процессах транспортировки и запасания кислорода, осуществляемых нашей кровью. В одном литре человеческой крови содержится до 450 миллиграммов железа.

Открытие железа человеком произошло так же случайно, как и открытие меди. Скорее всего, древние люди обратили внимание на серые металлические сгустки, остававшиеся на кострищах, в которые попадали куски железной руды, и на самородные метеоритные куски железа. После нагрева на огне серый металл можно было ковать, придавая ему любую форму. После остывания металл становился чрезвычайно прочным и, таким образом, годился для изготовления орудий труда и оружия. Железные наконечники копий и стрел, мечи и щиты, плуги и топоры были намного прочней медных или бронзовых, долго не тупились и при ударах не сминались.

Впервые железо было выплавлено из руды во втором тысячелетии до нашей эры. Технология железной металлургии из стран Западной Азии распространились на соседние территории. В 9-7 веках до нашей эры железо получило повсеместное распространение в древних государствах и племенах Европы и Азии. Эту эпоху называют железным веком, который сменил собой бронзовый век.

Как выплавляли металл из железной руды? Сначала для этого использовали высокие печи, в которых благодаря большой трубе поддерживалась высокая тяга, а за счет этого и необходимая для плавки железа температура. Позже была изобретена домница – специальная печь, воздух в которую нагнетался мехом.

С 14 века нашей эры для выплавки железа используют домны. К 18 веку процесс выплавки приобрел современные черты. Сегодня для выплавки металла используются домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.

Домна имеет форму высокого, до 40 метров, полого внутри усеченного конуса. Изнутри домна выложена слоем огнеупорного кирпича. Сверху в домну загружается топливо – кокс (уголь, подвергнутый нагреву до 1000 градусов без доступа воздуха), железную руду и необходимые плавильные добавки, способствующие очищению металла от шлака. Снизу в домну под давлением подается воздух или чистый кислород. В результате металл выплавляется из руды, соединяется с углеродом и стекает через специальное отверстие (оно называется клетка) в формы. В домнах из железной руды получают белый и серый чугун. Белый чугун используется для приготовления сталей, а серый чугун называют литьевым. В сером чугуне содержится графит – одна из форм углерода (это легко проверить: серый чугун оставляет след на бумаге). Серый чугун хрупок, тяжел, не поддается ковке, поэтому его применение ограничено. В наше время его используют для производства деталей и предметов, прочность которых не имеет особого значения.

Для получения стали чугун подвергают дополнительному нагреву до высокой температуры в мартеновских печах и кислородных конвертерах. При этом из чугуна выгорает избыточный углерод. Чугун с содержанием углерода не более 1-1,5 процента называется сталью. Сталь обладает совершенно иными физическими свойствами, нежели чугун. Она пластична, упруга, прочна. Из стали изготовляют орудия труда, оружие, наиболее ответственные детали машин. Сталь хорошо поддается прокатке и ковке. В отличие от чугуна, который при охлаждении расширяется, сталь при охлаждении сжимается, уменьшается в размерах. Поэтому после выплавки стальные детали подвергают обжатию на прокатных станах, устраняя тем самым из отвердевшего металла раковины и пустоты.

Сталь – основа современной промышленности. Любая отрасль начинается, прежде всего, с металлургии. В легкой промышленности – текстильной или пищевой – используется оборудование и станки, для изготовления которых необходима сталь. В автомобильной промышленности из стали делают кузова автомобилей и детали ходовой части. Сложная электроника, космическая промышленность – что ни возьми, без стали существовать не может.

Ясно, что изобретение сталей произвело настоящий переворот и в древности. Стальное оружие было гораздо эффективней, чем оружие из бронзы и меди. Стальные орудия труда повлияли на совершенствование основных технологий – строительства, производства сельскохозяйственных продуктов, кораблестроение и так далее.

Из глубины веков дошли до нас легенды об утраченных секретах древней металлургии. Речь идет о высокопрочных и легких дамасских сталях. Кроме специальных способов отливки, ковки и закалки, эти сорта сталей отличаются еще и легированием – введением в металл добавок, изменяющих его свойства. В современном производстве для получения легированных сталей применяют хром, никель, молибден, титан и другие металлы. В результате легированная сталь обладает особой прочностью и упругостью по сравнению с простой сталью. Некоторые сорта легированной стали (нержавеющая сталь) обладают еще и устойчивостью к коррозии.

Коррозия – это образование на поверхности железа рыхлого слоя окисла, который, в отличие от оксидной пленки, не способен защитить металл от дальнейшего окисления. В нормальных условиях поверхность железа покрывается пленкой оксида, который защищает глубинные слои металла. Но при повышенной влажности и в агрессивной среде (например, в соленой морской воде) на поверхности железа появляется ржавчина, которая препятствует образованию защитной пленки. Причина появления ржавчины – в добавках, которые неизбежно присутствуют во всех сортах  сталей. Химически чистое железо не ржавеет, но дело в том, что его очень трудно получить, а потому оно почти не производится.

Склонность к коррозии – явный недостаток железа, как основного материала для изготовления орудий труда и других предметов. Дошедшие до нашего времени железные находки изъедены ржавчиной до такой степени, что точно определить исходную форму предмета очень трудно. И в наши дни для стальных конструкций коррозия является врагом номер один. За десятки лет ржавчина способна уничтожить балки металлического моста, разъесть тросы лифтов, ослабить несущие конструкции зданий. Инженерам приходится специально рассчитывать коррозионную усталость металла, чтобы вовремя заменить проржавевшие детали.

Вместе с тем корпуса современных кораблей изготовлены из стали. При этом металл способен выдержать многолетнее воздействие морской воды. И стальные кузова автомобилей могут прослужить долгие годы без видимых коррозионных повреждений. И крыши домов, покрытые стальными листами, противостоят коррозии десятки лет. Как же удается защитить железные поверхности от ржавчины?

Для этого металлические детали изготовляют из легированных сталей или наносят на поверхность металла защитное покрытие. Но легированная сталь слишком дорога, чтобы использовать ее в массовом производстве, поэтому чаще всего стальные конструкции защищают при помощи специальных покрытий. Суть подобной защиты в том, что на поверхность железа наносят тонкий слой другого металла, который не ржавеет сам и не допускает коррозии железа, перекрывая доступ кислорода к его поверхности. Для этого  используются цинк, хром, никель, свинец и другие металлы. На поверхность стальной детали защитный слой наносят электрохимическим путем (оцинковка, хромирование, никелирование) или в виде краски (свинцовый сурик). К примеру, в автомобильной промышленности для защиты кузовов машин используют первый способ, в кораблестроении – второй.

Коварство ржавчины в том, что она способна развиваться под слоем краски. Поэтому перед нанесением защитной краски стальную поверхность очищают от следов коррозии специальными металлическими щетками. Достаточно пропустить маленькое пятно ржавчины, чтобы через несколько лет она разъела металл под защитной свинцовой или цинковой пленкой.

История постижения древними людьми секретов металлургии любопытна еще и в том отношении, что железо – едва ли ни первый материал, срок службы которого меньше срока жизни самого человека. Глиняный горшок, медный кубок, бронзовый щит пролежат в толще земли тысячелетия, и ничего им не сделается. А железный плуг или стальной клинок будут изъедены ржавчиной всего за пару лет. Оказывается, не все вещи стоит делать на века. Главное, чтобы они были доступны и практичны.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru