Жидкая, а не тестообразная, или Как закалялась сталь
Привет, Пикабу! О самом интересном из мира металлургии рассказывает Университет МИСИС. Сегодня пост об эволюции стали.
На протяжении многих столетий почти все железо получали сыродутным способом. Оно изготавливалось в тестообразном, а не в жидком состоянии. Такое железо даже после многочисленных проковок было насыщено шлаковыми включениями, что в дальнейшем снижало прочность изделий. Единственным исключением была литая сталь, которую производили на Ближнем Востоке.
Ближневосточные мастера-металлурги освоили производство жидкой стали в тиглях (огнеупорных сосудах), нагреваемых в специальных печах до температуры плавления металла. Наибольшее распространение он получил в Персии, Индии и Сирии. В некоторых регионах Азии тигельный способ изготовления железа (стали) из руд просуществовал до конца XIX в., а в кустарном производстве применяется до сих пор. Расцвет тигельной стали высочайшего качества — вуца (вутца), дамаска, булата — приходится на V-XIII вв. Этот способ подразумевал «прямое» получение стали из руды, минуя стадию кричного железа. Крица — это рыхлый ком размягчённого губчатого железа в смеси со шлаком и частицами несгоревшего угля, образующийся при плавке железной руды. По-видимому, история возникновения этого способа восходит к более древней технологии выплавки бронзы, для чего также применялся тигельный способ. Из-за низкой производительности и высокой трудоёмкости достижения мастеров использовались, преимущественно, в оружейном производстве и не влияли на развитие экономики в целом.
Ситуация изменилась в XVIII в., когда британской промышленности, вышедшей на невиданный ранее уровень в результате индустриальной революции, потребовалось много качественной стали. Перевернул игру английский часовой мастер Бенджамин Хантсмен (Benjamin Huntsman) (1704-1776 гг.) из Шеффилда (знаменитого города металлургов и кузнецов). Ему долгое время не удавалось найти подходящий металл для изготовления пружин и маятников. Так он начал искать способ производства более качественной стали, насыщая углеродом железную заготовку, полученную при проковке крицы.
Образец сильно вспученной газовыми пузырями цементированной стали (blister steel). Экспонат Лондонского Музея Науки
В это время уже существовал способ передела чугуна в железо путём обезуглероживания при переплаве в токе воздуха. Только при этом получалась всё та же насыщенная шлаком губчатая железная масса — крица. Если же требовалась сталь, то плотную железную заготовку, полученную после проковки крицы, помещали в специальную цементационную печь, где она насыщалась углеродом в твёрдом состоянии. Разумеется, насыщение шло неравномерно, что ухудшало качество.
Ещё до начала опытов Хантсмен понял, что главные недостатки цементированной стали — её неоднородность по твёрдости (т.е. по содержанию углерода) и загрязнённость шлаковыми и другими включениями. Он пришёл к мысли что эти проблемы поможет решить переплавка цементированной стали в тигле. Опыты длились несколько лет, пока, наконец, не увенчались успехом. В 1740 г. Хантсмен построил в Атерклифе (предместье Шеффилда) первый в мире сталелитейный завод, на котором производили изделия и инструменты из тигельной стали. Этот год считается датой изобретения тигельного процесса.
Скульптура в честь производителей тигельной стали в торговом центре Meadowhall в Шеффилде
Музей Abbeydale Industrial Hamlet, Шеффилд, Великобритания — бывший завод по производству тигельной стали
По способу Хантсмена цементированную сталь переплавляли под слоем флюса из зелёного стекла в огнеупорном тигле, установленном в печи с естественной тягой и отапливаемой коксом. Работая над процессом, изобретатель убедился: добавляя в тигель различные материалы — графит, чугун, железо — можно получать сталь разной твёрдости, пригодную для изделий различного назначения. Этот способ стал ведущим в производстве высококачественных сталей на протяжении полутора столетий, вплоть до появления электросталеплавильного процесса.
Так в середине XVIII в. английский часовщик произвёл революцию в металлургии, в результате которой не только появилась возможность получать высококачественную сталь, но и в дальнейшем проводить опыты по влиянию легирующих добавок на её свойства.
В 1850-60-х гг., когда возникла необходимость производства артиллерийских орудий и броневых листов из литой стали, был разработан способ одновременной выплавки во множестве тиглей литой стали, которую затем выливали в одну ёмкость. В России это сделал Павел Обухов, а в Германии — Альфред Крупп. Но, как говорится, это уже совсем другая история.