Железо и сталь, или Гефест средь чертовых мельниц
Я пошлю им локомотив, он будет Великим Миссионером.
Древесина и камень всегда были наиболее распространенными материалами конструкций,металлы же - относительно новое приобретение техники. Поэтому все мы осознаемноваторскую роль металлов, хотя, как мы видели, общий тоннаж используемыхметаллов все еще уступает старым материалам. Но металлы, особенно железо,как нельзя лучше подошли для того рода машин, которые были проклятием иславой промышленной революции. Именно благодаря разработке дешевых методовполучения и обработки железа в больших количествах появилась возможностьмеханизации труда. Сталь, как известно, стала дешевым материалом тольково второй половине XIX века, когда главные события промышленной революциибыли уже позади.
Однако, будучи материалом необходимым, железо использовалось в большинствепервых машин, даже в паровых машинах, все же весьма ограниченно. В первомфултоновском пароходе, плававшем по Гудзону, даже котел (невероятно!) былдеревянным; нагрев воды производился в отдельном устройстве из железныхтруб. Правда, американцы считали, что это уж чересчур, но и на американскихречных пароходах дерево использовалось тогда в такой степени, которая современномуинженеру кажется почти невероятной. А ведь такие пароходы обеспечивалибольшую часть внутриамериканского грузооборота вплоть до 60-х годов прошлогостолетия.
Вообще говоря, использование металлов требует решения двух проблем.Во-первых, металл должен быть получен из руды, этим занимается металлургия.Во-вторых, нужно перевести металл в наиболее полезное состояние с точкизрения твердости, прочности и вязкости; подсказать здесь необходимые путипризвано металловедение. Как мы уже видели, чистые металлы обычно оченьмягки, поэтому металловеды занимаются в основном торможением дислокаций,но лишь в такой мере, чтобы упрочнить металл, не вызвав его охрупчивания.Поскольку металлы из руды часто получаются в нечистом виде, их экстракция(извлечение) и последующая обработка должны рассматриваться совместно.
Химические и технологические особенности обработки могут варьироватьсяочень широко, но в каждом случае цепь остается одной и той же: управлениеподвижностью дислокаций путем изменения структуры и размеров кристаллов(дислокации могут пересекать границы между отдельными зернами, но для этогоони должны преодолеть определенное сопротивление) или с помощью добавоклегирующих элементов. Легирование сплавов может дать такой результат, которыйзатормозит дислокации как раз в нужной степени. Очень малые частицы, дажеединичные атомы примеси, могут застопорить продвижение дислокационной линии,если эта линия натолкнется на них. Можно вычислить напряжение, необходимоедля того, чтобы сначала выгнуть дислокацию в дугу между точками закрепления,а затем и оторвать ее от них. Это напряжение зависит от расстояния междуэтими точками, которое становится, таким образом, полезным и мощным средствомуправления свойствами сплава. Почти любая добавка к металлу будет влиятьна его механические свойства в лучшую или худшую сторону, а иногда и вту и в другую сторону сразу: некоторые добавки полезны, когда они рассеяныпо всему объему, и вредны, когда, собираясь на границах зерен, серьезноослабляют металл (см. главу 3).
Если мы возьмем число всех пластичных металлов и умножим его на числовозможных механизмов упрочнения, то окажется, что количество взаимосвязейи комбинаций в металловедении будет весьма большим, отчего сам предметпокажется уже очень сложным. Однако для неспециалиста, интересующегосялишь принципами и конечными результатами, все следствия происходящих вметаллах процессов можно представить в достаточно простом виде.
Посмотрите на табл. 2 (гл. 10). В нее внесены многие технические металлы, ихотя плотность их весьма различна - от 10,5 г/см3 у молибдена до 1,7 г/см3у магния, - модуль Юнга, деленный на плотность, удельный модуль Юнга,оказывается для них всех величиной постоянной. Существуют, правда, некоторыешироко применяемые металлы и сплавы (например, медь и латуни), для которыхудельный модуль упругости немного ниже. Но пластичных металлов с более высокойудельной жесткостью нет. Таким образом, почти все используемые металлы дают тужесткость, за которую заплачено их собственным весом, - ни больше, ни меньше.
Как уже говорилось, все эти металлы в чистом состоянии очень мягкие,и задача металловедов состоит в том, чтобы поднять их прочность и твердость,не допуская чрезмерного охрупчивания. Если судить по деформации, успехиметалловедения отличаются удивительным постоянством. Обычно максимальнаяупругая деформация, которую можно получить на металле без придания емунедопустимой хрупкости, колеблется около 1%. Однако в большинстве случаевинженеры считают металлы в таком состоянии малопластичными и потому малопригоднымии, как правило, вынуждены ограничиться максимальной упругой деформациеймежду 0,25 и 0,5%, тогда , как остаточное удлинение может доходить до 50-60%.
Следовательно, весьма приближенно все металлы можно считать членамиодного семейства с очень схожими удельными жесткостями, удельными прочностямни удлинениями. Конечно, это очень грубое обобщение, и уж совсем не такстоит вопрос для металловедов, которые упорно продолжают предприниматьпопытки получить лучшие комбинации удельной прочности и вязкости (с удельнойжесткостью ничего не поделаешь), хотя возможности их здесь довольно ограниченны.Металловеды достигли успехов в попытках сохранить прочность с повышениемтемпературы. Во многих случаях это важнее, чем повышение прочности прикомнатной температуре.
Нет нужды описывать здесь специальные металлургические процессы и различныевиды обработки всех металлов и сплавов. На эту тему написано множествокниг. Однако огромная социальная и техническая значимость железа и стализаставляет рассказать о них немного подробнее. Приступая к делу, я слишкомхорошо отдаю себе отчет в размерах и трудностях этого предмета. Возможноперед началом я должен принести какую-то жертву Гефесту, кузнецу и оружейникуОлимпа, единственному технологу, принятому в круг главных богов.
Железо
Прочность железа и стали определяется чрезвычайно сильным влиянием углерода,содержащегося в кристалле железа, на движение дислокаций. Конечно, дислокационныеявления оказались понятными лишь совсем недавно. Да что там дислокации,даже сравнительно простая химия процесса получения железа из руды былаосознана к концу периода промышленной революции. Однако практическая металлургияжелеза была разработана и без этого, и сейчас она во многом остается традиционнымпроцессом. Подобно тому как текстильное дело с его прядением и ткачествомуходит в доисторические времена, а вклад современных фабрик сводится кмеханизации и рационализации простых ручных операций, так и производствостали основано сейчас на усложненных схемах, которые сами по себе существуютс незапамятных времен. Именно поэтому процессы черной металлургии лучшевсего понимаются на историческом фоне.
Величайшая трудность древних металлургов (исключая, конечно, их научноеневежество) была связана с получением достаточно высокой температуры впечи. Современное металлургическое оборудование дает в руки металлургавысокую и регулируемую температуру. Это сокращает время получения металлови сплавов, так как позволяет объединять в один процесс несколько операций.Естественно, сейчас и масштабы другие. Современная печь может дать тысячутонн стали в день, тогда как средневековый мастер был бы доволен, получивкилограммов пятьдесят металла.
Не в пример бронзе, которая может плавиться при 900-1000° C, что как разобеспечивают обыкновенные дрова, чистое железо плавится при 1535° C, а этатемпература веками лежала за пределами технических возможностей. Однако ужедовольно малые добавки углерода значительно понижают температуру плавленияжелеза, а углерод всегда под рукой - ведь для нагрева руды использовали вкачестве топлива древесный уголь. Самая низкая температура плавления,достижимая на этом пути, - около 1150° C, она получается, когда 4-4,5% углеродапродиффундировало (то есть просочилось) в металл[46]. Достижение такойтемпературы представляло определенные трудности для древних, но все же ее можнобыло получить на древесном угле, поддувая в него воздух мехами.
Железные руды состоят в основном из окислов железа; чаще всего встречаетсякрасный железняк Fe2O3. Между прочим, окислы железа используются в красках(охра, железный сурик, мумия).
Первое, что необходимо сделать с рудой, - удалить кислород. Если нагреватьруду с помощью древесного угля или кокса, это получается почти автоматически:3Fe2O3 + 11С → 2Fe3C + 9CO.
Кислород вместе с частью углерода уходит прочь в виде окиси углерода(угарного газа), оставляя карбид железа, называемый обычно цементитом (внем содержится 6,7% углерода). На практике вместе с первой идет и другаяреакция:Fe2O3 + ЗС → 2Fe + 3CO.
Таким образом получается также и некоторое количество чистого железа,в конце процесса мы имеем смесь железа и карбида железа, содержащую в целомоколо 4% углерода. Железо и карбид могут взаимно растворяться, и именноэтот раствор, имеющий низкую температуру плавления, был ключом того процесса,который использовали древние для получения железа. Он же идет и в современнойдомне.
Железные руды содержат не только окислы железа, но и различные минеральныепримеси - главным образом, окислы других металлов. Сами по себе они имеютвысокие температуры плавления, и если бы руда нагревалась в контакте тольколишь с углеродным топливом, то вряд ли удалось расплавить ее полностью.Здесь на помощь приходит флюс, который добавляют обычно в виде извести(СаО) или известняка (СаСО3). В данномслучае известь выполняет те же функции, что и в стекловарении, то естьона снижает температуру плавления нежелезных окислов, образуя вместе сними легкоплавкую стекломассу. Эта масса называется шлаком. На вид онагрязно-коричневого или серого цвета. По нынешним временам она иногда перерабатываетсяв шлаковату, используемую для теплоизоляции.
Таким образом, на дне печи получается смесь железа, карбида железа ишлака. В самых первых печах эта смесь проплавлялась неполностью, ее извлекалив виде тестообразного куска, слитка, содержащего древесный уголь и другиевключения. Включения эти составляли самостоятельную проблему, а, крометого, из карбида железа негоже было делать оружие и инструмент - карбидочень хрупок. Причина хрупкости карбида железа в том, что в отличие откристаллов почти чистого железа, построенных на металлической связи, котораяблагоприятствует движению дислокаций, он частично построен на ковалентныхсвязях, которые не обеспечивают заметной подвижности дислокаций вплотьдо температуры около 250° C. Поэтому в таком виде металл куется лишь в горячемсостоянии, при комнатной температуре он хрупок.
Такое железо и попадало в руки первых кузнецов. Нагревая это железодо 800-900° C, они ковали его с громадным трудом. Вначале труд был ручным,затем начали использовать силу воды (“кузнечные пруды”!). Ковка имела дваследствия. Во-первых, она механически выдавливала большинство включенийи часть шлака и снижала содержание углерода в железе. Второе следствиезаключалось в следующем. Железо, нагретое до умеренных температур на воздухе,образует окисную пленку, обычно FeO. Нагретое и расплющенное ударами молотажелезо кузнец сгибал вдвое и снова начинал по нему бить. Пленка окислапопадала между слоями горячего слитка, контакт между слитком и пленкойпод ударами молота становился практически идеальным, в результате чегоначиналась реакцияFe3C+FeO → 4Fe + СО.
Когда требовалось железо высшего качества, поочередное расплющиваниеи складывание вдвое повторялось многократно, порой тысячи раз. Вот почемуна мечах заметен изящный волнистый рисунок -это тонкие слои металла и следыударов молота. Если вся работа выполнялась надлежащим образом, то удалялсяпочти весь углерод. Такое кованое железо (его называют сварочным или ковочным)с небольшими примесями кремния, в целом полезными, содержало также прожилкишлака, тоже до некоторой степени полезные. Дело в том, что очищенное железобыло, вообще говоря, слишком мягким, и стекловидные волокна шлака несколькоограничивали его текучесть. Кроме того, сварочное железо обычно прекрасносопротивлялось коррозии. Частично это объясняется чистотой самого железа,но существует и другое объяснение. Многие полагают, что начальная пленкаржавчины удерживалась на поверхности с помощью шлаковых включений. Онане отлетала со временем и служила защитой от последующей коррозии.
Сварочное железо прямо с наковальни было слишком мягким, чтобы делатьиз него оружие и инструмент, поэтому его нужно было сделать потверже, увеличивсодержание углерода; для этого достаточно было насытить углеродом поверхность.Почти этот же процесс находит широкое применение и до сих пор. Он называется“цементацией”. Мечи (или другое оружие) погружались в среду, содержащуюв основном углерод, а также некоторые секретные приправы сомнительной эффективности.Все это нагревалось в течение такого времени, которое необходимо, чтобыуглерод проник на глубину 0,5-1,0 мм.
Поверхностное науглероживание резко повышает твердость, но еще лучшийрезультат дает последующая закалка быстрым охлаждением в жидкости. Механизмзакалки очень сложен. Коротко дело обстоит так. Горячая сталь состоит изаустенита, то есть из раствора углерода в такой модификации железа, котораянестабильна при комнатной температуре. Процесс распада аустенита с выделениемуглерода определяется особенностями охлаждения. При сравнительно медленномохлаждении получается перлит. Под микроскопом структура такой стали выглядитпереливчатой, отсюда и название - “перлит” значит жемчужный. Переливы даютчередующиеся полоски или слои чистого железа (феррит) и карбида железа(цементит). Сталь с такой регулярной структурой получается вязкой и довольнопрочной, но не особенно твердой. Если аустеинт охлаждать очень быстро,то в основном получится мартенсит -другой вариант железоуглеродистого кристалла,в котором положение атомов углерода среди атомов железа таково, что исключаетвозможность движения дислокаций, и кристалл получается крайне твердым.Обычно эустенит превращается в мартенсит с очень высокой скоростью (что-нибудьоколо 5 км/час), для получения большого количества мартенсита охлаждатьизделие нужно с наибольшей возможной скоростью.
Закалку можно производить в воде, обычно так и делается; но исторически,вероятно, всегда отдавалось предпочтение разным биологическим жидкостям,например моче[47]. Оказывается, действительно такая практика имеет двапреимущества. Первое состоит в более быстром охлаждении металла. Когда горячийметалл попадает в воду, вокруг него образуется оболочка из пара, которая непозволяет жидкой воде касаться металла, что затрудняет передачу тепла. Если призакалке применяется моча, на поверхности металла при испарении воды образуетсяслой кристалликов. Это улучшает теплопередачу, поскольку паровая прослойкауменьшается. Более того, содержащиеся здесь соединения азота - мочевина иаммиак - разлагаются и азот проникает в железо, то есть происходит азотированиеповерхности, при этом образуются твердые игловидные кристаллы нитрида железаFe2N, а отдельные атомы азота внедряются в кристаллическую решетку железа,становясь так называемыми примесями внедрения, которые закрепляют дислокации.Правда, степень азотирования в процессе такой закалки очень невелика. Всовременной практике азотирование проводят путем выдержки изделия в течениедвух-трех дней в мочевине или аммиаке. Столь продолжительная выдержка делаетэту обработку довольно дорогой, поэтому ее применяют только в случаях крайнейнеобходимости[48].
Интересно заметить, что весь металлургический процесс состоит из ряда стадий,каждая из которых заходит дальше, чем нужно, и на каждой последующей стадииполученные результаты корректируются. Так, сначала получают чугун, которыйсодержит слишком много углерода, а потому слишком тверд. Потом удаляютпочти весь углерод и обнаруживают, что железо стало слишком мягким, и поэтомуснова в него следует добавить углерод. Если мы хотим получить твердый инструментили оружие, то полученная сталь должна быть закалена быстрым охлаждениемв жидкости. Закаленные стали (и цементованное железо) часто слишком хрупки,и требуется еще одна, на этот раз последняя, обработка - отпуск.
В процессе отпуска закаленный металл нагревается до температур 220-450° Cи после этого охлаждается на воздухе. Отпуск делает сталь несколько мягче,в процессе отпуска часть мартенсита переходит в более мягкую и пластичнуюструктуру. С повышением температуры эффективность отпуска увеличивается.Между прочим, существует традиционный способ определения температуры отпускапо цвету окисной пленки на поверхности металла - по цветам побежалости.С ростом температуры цвет окисной пленки изменяется от желтого до коричневого,затем становится фиолетовым и, наконец, синим. Ясно, что простые углеродистыестали нельзя использовать при повышенных температурах, так как их свойствапри этом резко ухудшаются.
Чугун
Мы уже говорили о том, что вряд ли в первых домнах железо всегда проплавлялось,его извлекали из печи в виде грязноватого кома. Однако к середине V векадо н. э. (времена Перикла) греки уже научились плавить железо и даже выливалиего из печи в изложницы. В античной Греции чугун уже был известен, но из-засвоей хрупкости использовался он ограниченно и значительной роли вэкономике не играл. В дело шло преимущественно сварочное железо.
С падением Римской империи упала и температура в печах и, по-видимому, вЗападной Европе чугун не делали вплоть до XIII века. Однако после изобретенияпороха положение изменилось. Правда, вначале стволы пушек ковали из сварочногожелеза и стягивали железными обручами подобно бочкам. Но росло умение, росли иобъемы печей. Пушки начали отливать. Первые литые стволы рвались почти так жечасто, как и стволы из кованых плит. Но литье обходилось намногодешевле[49]. Традиционные сорта чугуна не только очень хрупки, носодержат еще малые прослойки, прожилки, углерода в форме графита, которыедействуют как внутренние трещины. В результате чугун был непрочен и ненадеженпри растяжении. Именно поэтому он был малоподходящим материалом для пушечныхстволов, ведь ствол работает как сосуд давления. Однако примерно до 1860 годачугун продолжал оставаться единственным недорогим материалом, так как цены налатунь и бронзу были, как правило, слишком высокими. Чугунные стволыприходилось делать очень толстыми, поэтому пушки были чрезвычайно тяжелы.Например, пушка, стрелявшая 32-фунтовыми ядрами (основное вооружениеанглийского корабля “Виктория”, сражавшегося при Трафальгаре), весила около 4-5т. Таким образом, вес пушек составлял около 15% от водоизмещения боевогокорабля[50].
Было время, когда отливки получали непосредственно из домны. Сейчас этоне практикуется. Отчасти потому, что доменные печи стали намного больше,и разливать из них чугун в малые формочки было нерационально, а отчастипотому, что такой чугун обычно тверд, хрупок и непрочен. Сейчас почти весьчугун первоначально отливается в чушки. Часть этих чушек перерабатываетсяв сталь, часть переплавляется, при этом состав чугуна регулируют, чтобыполучить нужные свойства. В настоящее время ценой небольших ухищрений можнополучить достаточно вязкий чугун с довольно хорошей прочностью на разрыв.Ну а поскольку детали сложной формы, например, блоки цилиндров автомобильныхдвигателей) обычно дешевле получать путем отливки чугуна, чем штамповкойстали, то до сих пор ведутся работы по улучшению свойств чугуна.
В Англии железо вначале получали из руды с помощью древесного угля.Но в первой половине XVIII века взамен древесного угля, ресурсы которогопостепенно скудели, научились использовать кокс. В Англии переход на коксбыл практически завершен примерно к 1780 году, в континентальной Европеэто произошло позже.
К концу XVIII века англичане могли сравнительно легко делать большиеотливки, длиною до 20 м, и транспортировать их по воде. По современныммеркам у этих отливок была довольно низкая прочность на растяжение, поэтомуих можно было применять в конструкциях, работающих главным образом на сжатие.Например, в мостах. Здесь из чугуна можно было делать арки, подобные каменным.Каменные арки выкладывали из клинчатых камней, каждый такой камень нужнобыло вырезать из камня-заготовки, на что затрачивалось много ручного труда.Первые чугунные мосты делали из такой же формы литых полых элементов, которыеподгонялись один к другому, как и в каменной кладке.
Знаменитый Железный мост, переброшенный через реку Северн у Колбрукав 1779 году, был как раз примерно такого типа. Это было первое большоежелезное сооружение. Его пролет несколько больше 30, общая длина 60, авысота 15 м. На него ушло 378,5 т чугуна, строили его три месяца. Стоилмост 6000 фунтов стерлингов и даже по ценам 1799 года был намного дешевлетакого же моста из любого другого материала.
Железный мост получился удачным, но вместе с ним возникли и новые проблемы.Арочный мост, как и любая арка, давит на опору с силой, направленной наружу.В готических соборах эта сила компенсировалась контрфорсами, в мостах -кладкой и земляной насыпью. Нам как-то не приходит в голову, что чугунможно назвать легким материалом; а между тем в сравнении с камнем, которыйиспользовался для мостов до него, так оно и оказалось (с учетом прочности).В результате арка Железного моста обнаружила - по-видимому, впервые в историитехники - недостаток, противоположный обычным особенностям каменных ароки куполов: она оказалась слишком легкой, чтобы противостоять давлению земляныхнасыпей, которые, стремясь сползти в реку, давили на чугунную арку. Поэтомуобычные насыпи пришлось заменить чугунными вспомогательными арками. Наверное,здесь инженеры впервые почувствовали, к чему приводит попытка залить новоевино в старые бутыли.
Пудлинговое железо
После того как в доменных печах с механическим поддувом начали применятькокс, чугун стал сравнительно дешевым. Получали его теперь вполне достаточно.Но использование чугуна в таком виде ограничивалось его хрупкостью и низкойпрочностью на разрыв. Для большинства изделий требовалось более прочноеи вязкое сварочное железо, а поскольку ковка требовала больших затрат труда,такое железо оставалось дорогим и дефицитным материалом даже после появлениямолотов, приводимых в действие водой. И все же основным материалом промышленнойреволюции было железо, так называемое пудлинговое железо. Сталь с ее различнымисортами появилась в нужных количествах гораздо позже, и ее социально-экономическоевоздействие было менее важным.
По-видимому, пудлингование (по крайней мере в его практических формах)было изобретено Генри Кортом (1740-1800), который запатентовал этот процессв 1784 году. Корт сконструировал работающую на каменном угле пламеннуюпечь. В мелкую ванну пудлинговой печи заваливали чугун, который, расплавляясь,окислялся кислородом газовой среды печи до образования двойного силиката.Последний стекал под слой шлака, оставшегося от предыдущей плавки, и окалины,специально заброшенной в печь. Для увеличения поверхности соприкосновенияметалла со шлаком прибегали к перемешиванию (пудлингованию) ванны длиннойжелезной клюшкой, по форме несколько напоминающей мотыгу.
При перемешивании окись железа, содержащаяся в шлаке и окалине, реагировалас углеродом чугуна и образовывался угарный газ, который выходил на поверхностьв виде пузырей. Выход газа сопровождался “кипением” металла, при этом изпечи удалялась большая часть шлаков. С удалением углерода температура плавленияжелеза увеличивалась, а поскольку температура печи оставалась около 1400° C,железо начинало “успокаиваться” и затвердевало. Из полученного таким образомжелеза “накатывали” крицы весом около 50 кг каждая. Затем крицы одну задругой извлекали из печи. И хотя пудлингование было очень тяжелой работой,оно позволяло одному человеку выплавить около тонны железа в день, то естьпроизводительность труда при этом процессе была в 10-20 раз выше, чем припроизводстве сварочного железа. В то же время новый процесс требовал иопыта, и навыков. Так что после наполеоновских войн английские металлургидолго еще зарабатывали на этом в европейских странах.
Вслед за пудлингованием нагретое железо пропускали через валки. За несколькопроходов здесь получались плиты или прутки. В процессе прокатки горячаяповерхность железа окислялась. Когда железо остывало, окалина отслаивалась,и ее отправляли обратно в печь. Таким образом, химически весь процесс былэквивалентен процессу получения сварочного железа в старые времена, ноон был значительно более производительным. В наше время пудлингование практическине применяется, так как даже механизированная пудлинговая печь может датьдо сотни тонн металла в день, а производительность бессемеровского конвертера,в котором воздух продувается через расплавленное железо, может доходитьдо 800 т стали в день. Да и спрос на железо сейчас невелик, потому чтосталь и дешевле, и прочнее его.
Решение многих технических проблем зависит от того, какую прочностьи вязкость материала можно получить при заданных затратах. Всю промышленнуюреволюцию в целом следует рассматривать и оценивать на фоне постепеннопадавших цен на железо и малоуглеродистую сталь. Этот процесс очень яркоиллюстрируется историей железных дорог.
Железные дороги начинались с деревянных шахтных рельсовых путей, которыеукладывались для того, чтобы облегчить перемещение вагонеток на коннойтяге. К концу XVIII века такие деревянные рельсы стали заменять чугунными,более долговечными и с меньшим трением качения для колес. Чугунные рельсыпозволили одной лошади тянуть по горизонтальному пути 4-5 груженых вагонеток.Для перевозки породы это считалось вполне удовлетворительным, и, можетбыть, вскоре дальнейших улучшении и не потребовалось бы, если бы в периоднаполеоновских войн резко не поднялись цены на корм для лошадей.Пришлось задуматься об использовании для привода вагонеток добываемогов тех же шахтах угля. На шахтах к тому времени уже интенсивно использовалисьпаровые машины для откачки и для привода лебедок, но эти слишком громоздкиеи тяжелые (по отношению к их мощности) стационарные машины низкого давления(0,2 ат) для транспортных целей совсем не годились.
Изобретателем локомотива повышенного давления был Ричард Тревитик (1771-1833),гений, умерший в бедности. Стефенсоны в отличие от него оба жили и скончалисьв почете и богатстве. Первый локомотив с повышенным давлением (3,5 ат)Тревитик построил в 1804 году, второй - в 1805 году (рис. 55). Обе машиныбыли удачными, но обе оказались заброшенными. Корень зла был один - рельсы.
Рис. 55. Локомотив Тревитика (1805 год).
Локомотивы были дороги как в постройке, так и в эксплуатации. Стоимостьгодовой эксплуатации паровоза, включая амортизацию и т.д., оцениваласьпочти в 400 фунтов стерлингов. Несмотря на большую разницу цен на сенои уголь, это, конечно, намного превышало стоимость содержания одной лошади,хотя стоимость одной “лошадиной силы” паровой машины была меньше цены наживую лошадь. Локомотив мог быть экономичным лишь тогда, когда он либотянул свой груз быстрее, либо тянул больший груз. Но увеличить скоростьмешали работавшие на тех же линиях лошади, поэтому машина должна была потащитьбольше вагонеток.
Как известно, получить достаточное сцепление между гладкими металлическимиколесами и рельсами, необходимое для того, чтобы тянуть любой заданныйгруз, не так уж трудно. Для этого на ведущие колеса должен приходитьсятакой вес, который не позволит им буксовать. Но именно тут и заключаласьтрудность. Прочность тогдашних чугунных рельсов была небольшой - они надежновыдерживали лишь вес бывшей тогда в ходу трехтонной вагонетки. Паровоз,который сам весил три тонны, естественно, не мог потянуть тридцать вагонетоктакого же веса. А более тяжелый паровоз не выдерживали рельсы, так чтолокомотивы Тревитика пришлось переделать для стационарного использования.
После этого в истории развития железных дорог начинается период поисковтакого сцепления колес с полотном, которое не разрушало бы рельсы. Сложностьв том, что первые машины не имели рессор - не было достаточно прочной пружиннойстали. Следовательно каждый толчок давал перегрузку на рельсы. Паровозыстроили с восемью ведущими колесами, так что нагрузка распределялась междуними (рис. 56). Одним из наиболее популярных решений той же задачи былилитые рельсы с зубцами, которые сцеплялись с зубьями колес, как это делаетсяна современных горных дорогах (рис. 57). Эти сооружения имели много недостаткови никогда не работали нормально.
Рис. 56. Локомотив, в котором нагрузка распределялась между восемьюсвязанными между собой колесами. Амортизация обеспечивалась только гибкимиспицами.
Рис. 57. Паровоз Бленкинсопа.
Джордж Стефенсон обошел отсутствие пружинной стали, снабдив свои машины“паровыми пружинами”: он подвесил оси на поршнях, плавающих в цилиндрах,заполненных острым паром - такая подвеска была очень похожа на подвеску,недавно примененную в автомобилях. Однако как только появились пружинныестали, Стефенсон отказался от таких подвесок из-за трудностей с уплотнениемпоршня.
В 1821 году Дж. Биркеншоу запатентовал метод получения рельсов двутавровогосечения путем прокатки пудлингового железа. Одним из первых эти рельсыприменил Стефенсон, который занимался тогда строительством железнодорожнойлинии Стоктон-Дарлингтон. В паровозе Стефенсона “Ракета” (1829 год) паклевуюнабивку заменили поршневые кольца.
Стоимость тонны железных рельсов Биркеншоу была примерно вдвое вышестоимости чугунных. Однако эффективная стоимость на милю пути оказываласьпример- но такой же, потому что железные рельсы были прочнее, что позволялоделать их более легкими. Длина каждого рельса была 4,5 м. (Напомним, чтодлина кованых прутков, сделанных в Акрагасе в 470 году до н.э., была такойже.)
Некоторое время спустя в Америке ту же проблему решали уже иначе. Правда,американцы, по-видимому, вернулись к системе, использовавшейся на шотландскихшахтных линиях что-нибудь в 1785 году. Так, на массивный деревянный рельсони укладывали сверху тонкую полоску сварочного железа. Пути получалисьдовольно хорошими, но из-за того, что полосы железа крепились к деревугвоздями и костылями, такие крепления, ослабевая, время от времени выходилииз строя. В этом случае конец полосы под тяжестью вагонов нередко завивалсявверх, пробивая при этом пол идущего над ним вагона (порой с роковыми последствиямидля сидящих там пассажиров).
Позже такого типа пути были реконструированы. Комбинированные рельсызаменили обычными железными. Но в Америке еще очень долго они были болеелегкими, чем в Европе, и опирались на очень часто уложенные шпалы. Этоотражало соотношение цен на древесину и железо в Америке.
Примерно к 1860 году появилась дешевая сталь, но, чтобы вытеснить пудлинговоежелезо, потребовалось почти тридцать лет. В 1883 году примерно 70% доменногочугуна, произведенного в Великобритании, переделывалось на пудлинговоежелезо, вряд ли на сталь шло более 10%. К 90-м годам сталь и железо, еслиможно так сказать, поменялись местами. Железо так долго не сходило со сцены,надо думать, потому, что, будучи слабее, а иногда дороже стали, оно небез оснований считалось более надежным.
Первый сенсационный успех новой бессемеровской стали связан с прорывомблокады северян во время гражданской войны в Америке. Стальные пароходыюжан (а среди них и знаменитый “Банши”) были построены в начале 60-х годов.Имея скорость около 20-22 узлов, они с почти пренебрежительной легкостьюотрывались от флота северян, самые быстроходные суда которых развивалискорость не более 15 узлов. Некоторые из этих стальных пароходов закончилисвою службу сравнительно недавно. Но хотя применение стали давало оченьбольшую экономию в весе судов, нередко бывали и катастрофы, поэтому неслучайно Британское адмиралтейство не использовало сталь в судовых корпусахпримерно до 1880 года.
Первым примером использования стали в действительно больших и ответственныхконструкциях следует считать, по-видимому, железнодорожный мост через рекуФорт в Шотландии, построенный из мартеновской стали в 1889 году.
Сталеварение
Производство стали, особенно современной, - дело весьма сложное. Мырасскажем о нем лишь весьма кратко. Углеродистыми сталями мы называем сплавыжелеза с углеродом, содержащие до 2% углерода. Кроме углерода, в сталиможет быть немного шлаковых включений, а также контролируемые добавки другихэлементов (например, кремния и марганца). Традиционное сварочное железо,как вы уже знаете, почти не содержало углерода, но имело значительные шлаковыевключения, в небольшом количестве входили в него и другие элементы. Какмы уже говорили, самая большая трудность первых железоделателей состоялав том, что, удаляя углерод из чугуна, они повышали точку плавления егопримерно с 1150 до 1500° C, то есть за'пределы возможностей их печей. Поэтомунельзя было удалить шлак, а чтобы получить нужную прочность и твердость,следовало вернуть в железо часть углерода; это можно было сделать, насыщаяуглеродом горячую, но уже твердую поверхность железа кузнечными методами.
Однако со временем температуру печей удалось несколько поднять, и примернов 1740 году Бенджамин Хант научился плавить сварочное железо с небольшойдобавкой углерода в установленных в печах глиняных тиглях. Ему удавалосьпроплавлять до 40 кг металла. При этом шлак, будучи более легким, всплывална поверхность и его удаляли. Оставалось железо с небольшим количествомуглерода и с прежними включениями. Содержание углерода можно было подогнать,так чтобы получить желаемую прочность и твердость, а свободную от шлакасталь вылить в изложницу.
Тигельная сталь была дорогой, отчасти потому, что исходным сырьем длянее служило довольно дорогое сварочное железо. Кроме того, качество еебыло не всегда одинаковым, потому что никакие примеси, кроме шлака, неудалялись и не контролировались. Но даже и в таком виде тигельная стальобычно была и дешевле, и лучше большинства “сталей”, из которых кузнецыковали мечи, из нее делали высококачественный инструмент.
Если инструмент и оружие из прежних сталей имели дьявольски твердуюповерхность и мягкую сердцевину, то из тигельной стали получались “насквозь”прочные изделия. Однако в некоторых случаях и эта сталь подвергалась науглероживанию(цементации), с тем чтобы уменьшить износ режущего лезвия. Так делаетсяиногда и до сих пор. Правда, никто сейчас не получает обычную углеродистуюсталь в тиглях, разве что делают это в экспериментальных целях или привыплавке дорогих легированных сталей в небольших количествах.
Бессемеровская сталь
Вплоть до середины XIX века тигельная плавка была единственным способомполучения стали, для больших конструкций использовались лишь чугун и сварочноежелезо. Начало широкого промышленного производства стали связано с именамиГенри Бессемера (1813-1898) и Роберта Мюшета (1811-1891). Бессемер былплодовитым изобретателем. Чутье бизнесмена позволило ему успешно запуститьв дело несколько изобретений, в том числе способ изготовления “золотой”краски и уплотнения графита для изготовления карандашей. Получением сталион заинтересовался после истории с непрочными стволами чугунных пушек вовремя Крымской войны.
Поставив несколько опытов, Бессемер пришел к совершенно новой идее -удалять избыток углерода и других включений, продувая воздух через расплавленныйчугун. В 1855 году он запатентовал этот способ. Вначале качество получаемойБессемером стали было очень плохим, так как она содержала избыток окислови серы. Но в 1856 году Мюшет получил патенты на очень сходный с бессемеровскимпроцесс, отличие которого состояло в том, что содержание включений, невыжигаемых полностью потоком воздуха, регулировалось добавкой так называемогозеркального чугуна, содержащего марганец. Именно добавка марганца в концепродувки обеспечила успех бессемеровского процесса.
Весь процесс ведется в устройстве, называемом конвертером, который представляетсобой тигель грушевидной формы, установленный на цапфах так, что его можнонаклонять. Конвертер не имеет наружных источников тепла. Воздух продуваетсячерез отверстия в его дне.
Чтобы запустить конвертер, его наклоняют и через горловину заливаютв него расплавленный чугун (от 5 до 30 т железа, содержащего около 4,3%углерода и небольшие добавки кремния и марганца при температуре около 1200° C).Наполненный конвертер остается лежать на боку, при этом его содержимоерасполагается так, что не блокирует донных отверстий, в которые под давлениемподается воздух. Затем конвертер поворачивается в свое рабочее вертикальноеположение - в этом положении воздух должен “пробулькивать” через расплавленноежелезо. Вначале он окисляет содержащиеся в расплаве марганец и кремний.Образующийся шлак всплывает на поверхность. По традиции процесс контролируетсянаблюдением за цветом и характером пламени, вырывающегося из горловиныконвертера. На этой стадии оно короткое и красновато-коричневое.
Через несколько минут марганец и кремний полностью окислены, доходиточередь до углерода. Цвет пламени изменяется до слегка желтоватого, языкиего становятся длиннее и беспокойнее. Наконец, весь углерод удален, пламяспадает, и продувка выключается. В период продувки сжигание углерода, марганцаи кремния, которые все вместе составляют до 6% плавки, дает очень многотепла. Его с избытком хватает для того, чтобы поднимать температуру в конвертереи поддерживать ее выше точки плавления, возрастающей в процессе выгоранияуглерода, приходится даже добавлять железный лом, чтобы немного охладитьрасплав, иначе повреждается огнеупорная футеровка конвертера.
К концу продувки получается почти чистое железо. Обычно в него требуетсядобавить немного углерода и марганца, иногда - кремния. Для этого используетсятвердый углерод в том или ином виде и зеркальный чугун, который имеет высокоесодержание названных элементов. Марганец нужен в стали сам по себе каклегирующий элемент, а кроме того, он регулирует содержание серы котораяне удаляется бессемеровским процессом.
Сера доставляет много забот сталеварам. Она не окисляется до SO2,как можно было бы ожидать а образует сульфид железа FeS, который имеетту особенность, что растворяется в жидком железе и не растворяется - втвердом. Поэтому сульфид железа выделяется на границах зерен при охлаждениистали и ослабляет сталь (см. главу 3). Добавка марганца превращает FeSв MnS, который нерастворим в жидкой стали и поэтому переходит в шлак. Марганецснижает также растворимость кислорода в стали, что опять-таки полезно,поскольку кислород стремится осесть на границах зерен.
На конференции сталеваров в 1856 году Бессемер описал свой процесс вдокладе “О производстве ковкого железа и стали без топлива”. Энтузиазмаудитории и авторитет Бессемера были таковы, что немедленно было собранопо подписке в счет патентного вознаграждения 27 тысяч фунтов стерлингов,после чего участники собрания разъехались по домам и принялись за устройствосвоих конвертеров.
Но случилось так, что никто из них не смог получить сколько-нибудь удовлетворительнойстали: бессемеровский процесс был очень чувствительным к сорту чугуна и,кроме того, требовал некоторых навыков. Не удивительно, что репутация Бессемеразначительно пострадала. Тогда он построил полноразмерную действующую модельсвоего конвертера у себя в лаборатории на Сент-Панкрас и стал демонстрироватьпроцесс сталеварения тем, кто купил у него лицензии. Но при этом он нестолько стремился “обменяться опытом”, сколько старался показать некомпетентностьслушателей и зрителей. Поэтому антпбессемеровские настроения росли, и новыйспособ получения стали никто не хотел внедрять. В конце концов в 1850 годуБессемер построил собственный сталелитейный завод в Шеффилде, его стальпользовалась большим спросом. Особенно покупали ее французское и прусскоеправительства для производства пушек. Явный успех бессемеровской стализаставил металлургов всего мира покупать у него лицензии.
Часть доходов Бессемера пошла на строительство парохода “Бессемер”,который должен был курсировать через Ламанш. Его большой роскошный салонпервого класса был подвешен, подобно конвертеру, на цапфах. Предполагалось,что он будет всегда сохранять одно и то же положение относительно уровняморя. Бороться с морской болезнью пассажирам должен был помогать свежийвоздух, в изобилии подававшийся в салон с помощью прихотливой системы труб,заделанных в пол. Однако на практике оказалось, что даже при весьма спокойномморе салон раскачивался совершенно угрожающе. Едва судно вышло в свой первыйрейс, как раздались истошные крики пассажиров. Салон “Бессемера” сохранилсяи до наших дней, но в качестве… оранжереи в каком-то саду неподалекуот Дувра.
В настоящее время сталь, полученная прямым бессемеровским путем, составляетлишь около 10% общего производства стали, но непрерывно развиваются модернизированныеи более сложные варианты бессемеровского процесса. В процессе Калдо, например,конвертер продувается не воздухом, а кислородом; добавочное тепло, получающеесяпри этом, используется как для плавки флюса, изгоняющего из стали серу,так и для переплавки лома. Однако большой износ огнеупоров и стоимостькислорода могут свести на нет преимущества этого процесса.
Мартеновская сталь
Можно сказать, что бессемеровский процесс погубил сам себя. Дело в том,что он сделал сталь обычным и дешевым материалом. Столь же обычным и стольже дешевым стал и стальной лом. Наличие лома оказало важное влияние навсю экономику сталеварения. Это и понятно, ведь в настоящее время околополовины выплавляемой стали возвращается на металлургический завод в виделома. Бессемеровский процесс, однако, в своей традиционной форме в основномперерабатывает в сталь доменный чугун. В нем используются лишь небольшиеколичества лома для поглощения избытка тепла.
В мартеновском процессе большую часть шихты составляет стальной лом,его преимущества в том, что он дешев и из него уже удалены излишки углеродаи других примесей. Кроме того, он содержит полезную в данном случае ржавчину.А бессемеровский конвертер не мог перерабатывать много лома, так как этопотребовало бы больше тепла, чем получается при продувке.
В 1856 году братья Фредерик Сименс (1826-1904) и Чарльз Вильям Сименс(1823-1883), подобно Бессемеру наделенные изобретательским талантом и духомпредприимчивости, разработали регенеративную печь. В этой печи вход и выходпопеременно меняются ролями, они имеют форму извилистого лабиринта и насадкииз огнеупорного кирпича. Дым из печи проходит по одной из насадок, отдаваякирпичу значительную часть своего тепла. Благодаря тому что газ подаетсяв печь поочередно то через одну, то через другую насадку, он всегда проходитмежду нагретыми кирпичами, забирая с собою в печь часть тепла отработанныхгазов. Обычно эти печи топятся газом, и их конструкция позволяет поднятьрабочую температуру до того предела, который может выдержать огнеупор.На практике она оказывается несколько выше 1500° C, что достаточно для плавкичистого железа.
Вначале использование печи Симменсов в сталеварении рассматривалосьлишь как удобный и экономичный способ плавки тигельной стали. Но позжеСимменсы применили регенеративный принцип к традиционному методу пудлингованияи получали сталь, расплавляя чугун с железной рудой. В 1864 году Пьер Мартенпредложил вводить в состав шихты большое количество лома.
Мартеновская печь загружается примерно равными количествами стальноголома и чугуна, некоторым количеством железной руды (например, Fe2O3)и флюса (обычно известняка). При нагревании все расплавляется, и железнаяруда удаляет содержащийся в чугуне углерод. Флюс переводит в шлак не тольконежелезные окислы руды, но также и содержащуюся в стали серу. Поэтому добавкамарганца может оказаться ненужной. Одним из преимуществ мартеновского способаявляется возможность точнее следить за составом стали. В настоящее времяв мартеновских печах получают около 85% рядовых углеродистых сталей.
Для еще более точного управления составом и чистотой стали применяютэлектрические печи. В таких печах выплавляется сравнительно небольшое количествоочень важных высококачественных сталей.