Istoria producerii și utilizării fierului

Istoria producției și utilizării fierului datează din epoca preistorică, cel mai probabil cu utilizarea fierului meteoric . Topirea într -un furnal cu brânzeturi a fost folosită în secolul al XII-lea î.Hr. e. în India , Anatolia şi Caucaz . Utilizarea fierului în topirea și fabricarea uneltelor și uneltelor este de asemenea remarcată în anul 1200 î.Hr. e. în Africa subsahariană [ 2 ] [3] . Deja în primul mileniu î.Hr. e. a fost folosit fier forjat._ _ Prelucrarea fierului este menționată în prima carte a Bibliei ( Geneza 4:22 ).   

Proprietăți ale aliajelor de fier

Materialul denumit în mod colocvial „fier” este de obicei oțel sau fontă și este un aliaj de fier (Fe) , ca element chimic, cu carbon (C) . Pe lângă fier și carbon, aliajul conține cantități minore de alte elemente chimice.

Cu o concentrație de carbon în aliaj mai mică de 0,02% , se obține un aliaj moale, ductil, refractar ( punctul de topire al fierului este de 1539 ° C ), în spatele căruia este atribuit numele ingredientului său principal, fier.

Când concentrația de carbon din aliaj este de la 0,02 la 2,14% , aliajul se numește „ oțel ”. În forma sa originală, oțelul seamănă cu fierul în proprietățile sale, dar, spre deosebire de acesta, poate fi întărit : atunci când este răcit brusc după încălzirea la anumite temperaturi, oțelul capătă o duritate mai mare - un avantaj remarcabil, care, totuși, este combinat cu fragilitatea  dobândită în timpul aceeasi intarire .

Când concentrația de carbon din aliaj este peste 2,14% , aliajul se numește " fontă ". Fonta este un aliaj fragil , cu punct de topire scăzut , potrivit pentru turnare, dar, în general, nu poate fi forjat . Fonta este saturată cu incluziuni de grafit , care o fac neomogenă și fragilă mecanic. Temperatura de început de topire ( solidus ) a fontei este de 1150 ° C , topirea se termină complet la 1200-1400 ° C ( liquidus ), în funcție de compoziție.

Tehnologii pentru producerea și prelucrarea fierului și aliajelor

Mai multe tehnologii au fost folosite istoric pentru producerea fierului, care sunt greu de aranjat în ordine cronologică.

Fier meteoritic

Utilizarea fierului a început mult mai devreme decât producția sa. Uneori oamenii găseau bucăți de metal negru-gri care cădeau pe Pământ cu meteoriți  - fier meteoric , le foloseau pentru a face arme: forjate în pumnale sau vârfuri de lance . Fierul meteoritic era mai durabil și mai ductil decât bronzul și „a menținut” ascuțimea lamei mai mult timp. Deoarece meteoriții de fier conțineau un aliaj fier-nichel, se poate presupune că calitatea unor pumnale unice ar putea concura cu bunurile de consum moderne [4] . Cu toate acestea, aceeași unicitate a dus la faptul că astfel de arme nu se aflau pe câmpul de luptă, ci în vistieria următorului conducător.

Cuptor pentru brânză

Primul dispozitiv pentru obținerea fierului din minereu a fost un cuptor cu vatră brută de unică folosință (cuptor cu vatră brută, domnitsa). În ciuda dezavantajelor, metoda de obținere a fierului folosind un astfel de cuptor pentru o lungă perioadă de timp a rămas singura modalitate de a obține fier din minereu. În Rusia, apariția primei domnitsa datează din secolul al IX-lea [5] .

Pentru prima dată, popoarele Anatoliei au învățat să prelucreze fierul . Grecii antici credeau că oamenii Khalibs au fost descoperitorii fierului . În literatură, acest popor a fost numit expresia stabilă „părintele fierului”. Cuvântul „ oțel ” în greacă („Χάλυβς”) provine de la acest etnonim .

„Revoluția de fier” a început la începutul mileniului I î.Hr. în Asiria . Săbiile de fier au fost învățate să fie făcute de reprezentanții culturii Hallstatt . Din secolul al VIII-lea î.Hr., fierul forjat a început rapid să se răspândească în Europa, în secolul al III-lea î.Hr. a înlocuit bronzul în Galia , în secolul al II-lea d.Hr. a apărut în Germania , iar în secolul al VI-lea era deja utilizat pe scară largă în Scandinavia ; triburile care trăiau pe teritoriul viitoarei Rusii  - cimerienii, iar mai târziu sciții și sarmații - fierul era folosit chiar înainte de Hristos. e. În Japonia, epoca fierului a venit abia în secolul al VII-lea d.Hr.

Cunoscutul popularizator al științei Isaac Asimov descrie istoria tranziției omenirii de la epoca bronzului la epoca fierului [6] :

Undeva prin secolele XV-XIV. î.Hr e. tehnica de topire si cementare a fierului a fost dezvoltata la poalele caucaziene din Urartu . Această țară se afla atunci sub stăpânirea regatului hitit , care se afla la cel mai înalt punct al puterii sale. Regii hitiți au păzit cu grijă monopolul asupra noii tehnologii, pentru că au înțeles importanța acesteia. La început, au fost primite doar cantități mici de fier și, de-a lungul mai multor secole, a costat uneori de patruzeci de ori mai mult decât argintul. Dar chiar înainte ca topirea să poată fi mărită și hitiții să poată profita de ea, s-au încheiat. Regatul hitit a fost distrus în timpul frământărilor care au urmat mișcării „ Poporului Mării ”, iar monopolul de fier al hitit a fost rupt. Tehnologia de topire a fierului s-a răspândit rapid, inclusiv, desigur, în Asiria, care se învecina cu „regatul fierului” Urartu.

Comerțul cu fier a restabilit prosperitatea Asiriei. S-a deschis calea pentru noi cuceriri.

Triburile doriene care au invadat Grecia posedau arme de fier, motiv pentru care i-au supus atât de ușor pe ahei înarmați cu bronz . „Poporele Mării” aveau și ele fier, iar când filistenii au capturat coasta Canaanului, au folosit arme de fier în lupte, dar nu au fost atât de proști încât să dezvăluie secretul topirii fierului. Atâta timp cât au reușit să păstreze acest secret tehnic, israelienii au fost nevoiți să se apere cu arme mai primitive. Datorită fierului, filistenii nu numai că au câștigat cu ușurință un punct de sprijin pe coastă, dar au impus și tribut triburilor cele mai apropiate de ei. Timp de aproximativ două secole (înainte de venirea lui David la putere în 1013 î.Hr.), ei au reușit să domine triburile mai mari israelite .

Primul pas în nașterea metalurgiei feroase a fost obținerea fierului prin reducerea acestuia din oxid . Minereul de mlaștină a fost amestecat cu cărbune și pus în cuptor. La temperatura ridicată creată de arderea cărbunelui, carbonul a început să se combine nu numai cu oxigenul atmosferic , ci și cu oxigenul care a fost asociat cu atomii de fier.

După arderea cărbunelui în cuptor, a rămas așa-numitul " crit " - un bulgăre de fier redus poros cu un amestec de o cantitate mare de zgură. Kritsa a fost apoi reîncălzită și supusă forjării, scoțând zgura din fier. Bara de fier rezultată (în care a rămas încă 2-4% din zgură) a fost numită „bară strălucitoare”. Multă vreme, forjarea a fost principalul proces în tehnologia de producție a fierului și, în plus, a fost ultimul lucru legat de modelarea produsului. Materialul în sine a fost falsificat.

Arme sudate

Oțelul a fost făcut din fier gata preparat prin saturarea acestuia din urmă cu carbon. La temperaturi ridicate și lipsă de oxigen, carbonul, neavând timp să se oxideze, a impregnat fierul. Cu cât era mai mult carbon, cu atât oțelul era mai dur după călire.

După cum puteți vedea, niciunul dintre aliajele enumerate mai sus nu are o astfel de proprietate precum elasticitatea . Un aliaj de fier poate dobândi această calitate numai dacă în el apare o structură cristalină clară, care apare, de exemplu, în procesul de solidificare din topitură. Problema metalurgiștilor antici era că nu puteau topi fierul. Pentru a face acest lucru, este necesar să se încălzească până la 1540 ° C , în timp ce tehnologiile din antichitate au făcut posibilă atingerea temperaturilor de 1000-1300 ° C. Până la mijlocul secolului al XIX-lea , era imposibil să se topească fierul și oțelul cu un conținut de carbon mai mic de 0,4% , deoarece fuzibilitatea aliajelor de fier scade pe măsură ce concentrația de carbon scade.

Astfel, nici fierul, nici oțelul în sine nu erau potrivite pentru fabricarea armelor. Uneltele și uneltele din fier pur erau prea moi, iar cele din oțel pur erau prea casante. Prin urmare, pentru a face, de exemplu, o sabie, a fost necesar să se facă un „sandwich” din două plăci de fier, între care a fost așezată o placă de oțel. La ascuțire, fierul moale a fost măcinat și a apărut un tăiș de oțel.

Astfel de arme, sudate din mai multe straturi cu proprietăți mecanice diferite, au fost numite sudate. Dezavantajele comune ale acestei tehnologii au fost masivitatea excesivă și rezistența insuficientă a produselor. Sabia sudată nu a putut să țâșnească, drept urmare inevitabil s-a rupt sau s-a îndoit atunci când a lovit un obstacol de netrecut.

Lipsa elasticității nu a epuizat deficiențele armelor sudate. Pe lângă deficiențele menționate, de exemplu, a fost imposibil să-l ascuți în mod corespunzător. Era posibil să se acorde fierului orice ascuțire (deși s-a uzat rapid), dar tăișul moale al fierului a fost tocit aproape instantaneu. Oțelul nu a vrut să se ascuți - marginea de tăiere s-a prăbușit. Există o analogie completă cu creioanele aici - o mină  moale este ușor de ascuțit, dar va deveni imediat plictisitoare, iar una tare nu poate fi adusă la o claritate specială - se va rupe de zece ori. Așadar, aparatele de ras trebuiau făcute din fier și reascuțite zilnic.

În general, armele sudate nu depășeau ascuțimea unui cuțit de masă. Numai această circumstanță a necesitat să-l facă suficient de masiv pentru a oferi proprietăți de tăiere satisfăcătoare.

Singura măsură pentru a obține o combinație de claritate și duritate în cadrul tehnologiei de sudare a fost întărirea produsului după ce a fost ascuțit. Această metodă a devenit aplicabilă dacă muchia de tăiere din oțel a fost sudată pur și simplu pe un cap de fier și nu a fost închisă într-un „sandwich” de fier. Sau, după ascuțire, se puteau întări lamele, în care miezul de fier era acoperit la exterior cu oțel. Dezavantajul acestei metode a fost că ascuțirea a fost posibilă o singură dată. Când lama de oțel s-a deteriorat și s-a tocit, întreaga lamă a trebuit reforjată.

Cu toate acestea, tocmai stăpânirea tehnologiei de sudare, în ciuda tuturor deficiențelor sale, a făcut o adevărată revoluție în toate sferele activității umane și a dus la o creștere uriașă a forțelor productive. Pistoalele sudate erau destul de funcționale și, în plus, disponibile publicului. Abia odată cu răspândirea lor, uneltele de piatră au fost în cele din urmă înlocuite și a început epoca metalului.

Uneltele de fier au extins decisiv posibilitățile practice ale omului. A devenit posibil, de exemplu, să se construiască case tăiate din bușteni - la urma urmei, un topor  de fier a doborât un copac nu de trei ori ca unul de cupru, ci de 10 ori mai repede decât unul de piatră. Construcția de piatră cioplită a devenit, de asemenea, răspândită. Desigur, a fost folosit și în epoca bronzului , dar consumul mare de metal relativ moale și scump a limitat decisiv astfel de experimente. Posibilitățile fermierilor s-au extins și ele semnificativ.

Oțel Damasc și Damasc

Metalurgiștii au putut să vadă fierul lichid abia în secolul al XIX-lea , însă chiar și în zorii metalurgiei fierului - la începutul mileniului I î.Hr. - meșterii indieni au reușit să rezolve problema obținerii oțelului cu conținut ridicat de carbon cu o structură compozită. Un astfel de oțel a fost numit bulat , dar din cauza complexității producției și a lipsei materialelor necesare în cea mai mare parte a lumii, acest oțel a rămas un secret indian pentru o lungă perioadă de timp.

O modalitate mai tehnologică de a obține oțel elastic, care nu necesita nici minereu deosebit de pur, nici grafit , nici cuptoare speciale, a fost găsită în China în secolul al II-lea d.Hr. Oțelul a fost reforjat de până la douăsprezece ori, fiecare forjare pliând semifabricatul în jumătate, rezultând un material excelent pentru armă numit „ damasc ”, din care, în special, s-au făcut katana (săbii) japoneze .  Numărul de  straturi de oțel este calculat prin formula Cu fiecare forjare, numărul de straturi s-a dublat, iar după 12 forjare, numărul de straturi a ajuns la 4096, iar straturile au devenit nediferențiate.

Shtukofen

O etapă superioară în dezvoltarea metalurgiei feroase, comparativ cu furnalul pentru brânzeturi, a fost reprezentată de cuptoarele înalte permanente, numite shtukofen în Europa. Era într-adevăr un cuptor înalt - cu o țeavă de patru metri pentru a îmbunătăți tracțiunea. Burduful gukofenului era deja „legănat” de mai multe persoane și, uneori, de un motor cu apă. Shtukofen avea uși prin care puiul era scos o dată pe zi .

Shtukofen au fost inventați în India la începutul primului mileniu î.Hr. La începutul erei noastre, au venit în China, iar în secolul al VII-lea , împreună cu cifrele „arabe”, arabii au împrumutat această tehnologie din India. La sfârșitul secolului al XIII-lea, shukofenul a început să apară în Germania și Republica Cehă (și chiar înainte de asta au fost în sudul Spaniei ) și s-au răspândit în toată Europa în secolul următor.

Productivitatea shukofenului a fost incomparabil mai mare decât cea a unui cuptor brut - producea până la 250 kg de fier pe zi, iar temperatura din acesta era suficientă pentru a carbura o parte din fier la starea de fontă. Cu toate acestea, fonta stucată, când cuptorul a fost oprit, a înghețat la fundul său, amestecându-se cu zgură și apoi au știut să curețe metalul de zgură doar prin forjare , dar fonta nu a cedat. Trebuia aruncat.

Uneori, însă, au încercat să găsească o anumită utilizare pentru fonta stucată. De exemplu, vechii hinduși au turnat sicrie din fier murdar , iar turcii , la începutul secolului al  XIX- lea , au aruncat ghiulele . Este greu de judecat cât de bune erau sicriele, dar miezurile din ele erau de proastă calitate.

Gurile de tun au fost turnate din zgură feruginoasă în Europa încă de la sfârșitul secolului al XVI-lea. Drumurile au fost făcute din blocuri de piatră turnată. La Nijni Tagil se mai păstrează clădiri cu fundații din blocuri de zgură turnate [7] .

Blauofen

Metalurgiștii au observat de multă vreme o legătură între punctul de topire și randamentul produsului - cu cât temperatura este mai mare, cu atât cea mai mare parte a fierului conținut în minereu ar putea fi redusă. Prin urmare, mai devreme sau mai târziu au venit cu ideea de a îmbunătăți shtukofen - pentru a adăuga preîncălzirea aerului și a crește înălțimea țevii. La mijlocul secolului al XV-lea , în Europa a apărut un nou tip de cuptor - blauofen, care a prezentat imediat producătorilor de oțel o surpriză neplăcută.

Temperatura mai ridicată a crescut semnificativ producția de fier din minereu, dar a crescut și proporția de fier carburat față de starea fontei. Acum nu mai era 10% , ca în shtukofen, dar 30% din producție era fontă - „fontă”, nu este potrivită pentru nicio afacere. Drept urmare, câștigul de multe ori nu a plătit modernizarea.

Fonta Blauofen, ca și fierul stucat, s-a solidificat la fundul cuptorului, amestecându-se cu zgura. A ieșit ceva mai bine, deoarece el însuși era mai mare, prin urmare, conținutul relativ de zgură a ieșit mai puțin, dar a continuat să fie de puțin folos pentru turnare. Fonta obținută din blauofen s-a dovedit a fi deja suficient de puternică, dar a rămas totuși foarte eterogenă. Din el au ieșit doar obiecte simple și brute - baros , nicovale , ghiule.

În plus, dacă numai fierul ar putea fi obținut în cuptoarele cu aer brut, care a fost apoi carburat, atunci în shtukofen și blauofen, straturile exterioare ale florii s-au dovedit a fi din oțel. Era chiar mai mult oțel în blauofen kritz decât fier. Pe de o parte, a fost bine, dar s-a dovedit a fi foarte dificil să separă oțelul de fier. Conținutul de carbon a devenit dificil de controlat. Numai forjarea lungă ar putea obține uniformitatea distribuției sale.

La un moment dat, confruntați cu aceste dificultăți, indienii nu au trecut mai departe, ci s-au angajat într-o îmbunătățire subtilă a tehnologiei și au ajuns să obțină oțel damasc . Dar indienii de atunci nu erau interesați de cantitate, ci de calitatea produsului. Europenii, experimentând cu fonta, au descoperit curând procesul de conversie , care a ridicat metalurgia fierului la un nivel calitativ nou.

Furnal

Următoarea etapă în dezvoltarea metalurgiei a fost apariția furnalelor . Prin creșterea dimensiunii, preîncălzirea aerului și suflarea mecanică, într-un astfel de cuptor, tot fierul din minereu era transformat în fontă brută, care era topită și eliberată periodic în exterior. Producția a devenit continuă - cuptorul a funcționat non-stop și nu s-a răcit. În timpul zilei, ea a dat până la o tonă și jumătate de fontă. Era mult mai ușor să distilați fonta în fier în forje decât să o scoateți din cracker , deși încă mai era nevoie de forjare - dar acum zgura erau deja eliminate din fier și nu fierul din zgură.

Deși produsele din fier găsite în China datează din secolul al V-lea î.Hr. [8] , cele mai vechi furnale care produc fontă brută (lingouri) care ar putea fi topite în fontă pură rafinată în cupole datează din secolele III -II î.Hr. Marea majoritate a site-urilor timpurii de producție a furnalelor descoperite datează din perioada de după introducerea monopolului de stat asupra sării și minereului de fier în 117 î.Hr. (domnia împăratului Wu , 141-87 î.Hr.) în timpul dinastiei Han (202 î.Hr.). d.Hr. - 220 d.Hr.). Majoritatea locurilor de prelucrare a fierului descoperite înainte de 117 î.Hr. erau angajate doar în turnarea din semifabricate topite în furnalele înalte în alte zone îndepărtate de așezări [9] [10] .

În Europa, furnalele au fost folosite pentru prima dată la începutul secolelor XV-XVI. În Orientul Mijlociu și India, această tehnologie a apărut abia în secolul al XIX-lea (în mare parte, probabil pentru că motorul cu apă nu a fost folosit din cauza deficitului de apă caracteristic în Orientul Mijlociu). Prezența furnalelor în Europa i-a permis să depășească Turcia în secolul al XVI-lea, dacă nu în ceea ce privește calitatea metalului, atunci în ceea ce privește arborele. Acest lucru a avut o influență fără îndoială asupra rezultatului luptei, mai ales când s-a dovedit că tunurile pot fi turnate din fontă .

George Agricola descrie tehnologia de topire medievală după cum urmează [11] :

Obiceiul topitorilor proeminenti care stiu sa controleze cele patru elemente (adica pamantul, aerul, focul si apa - iesit din cotatie) este urmatorul. Ei amestecă minereuri care conțin pământ în proporții corecte și le încarcă în cuptoare. Apoi toarnă cantitatea potrivită de apă și controlează cu pricepere mișcarea aerului care vine din burduf, aruncând minereul acolo unde arde focul cu cea mai mare forță. Maestrul stropește uniform cu apă interiorul cuptorului, umezind ușor cărbunele, astfel încât particulele mici de minereu să se lipească de el; în caz contrar, aceste particule sunt puse în mișcare de forța exploziei și a focului și sunt purtate de fum.

Agricola explică, de asemenea, corect necesitatea schimbării designului cuptorului în funcție de tipul de minereuri [11] :

Deoarece natura minereurilor de topit este diferită, topitorii trebuie să aranjeze vatra acum mai sus, acum mai jos și să instaleze o țeavă în care se introduc duze cu burduf la un unghi mai mic sau mai mare pentru a sufla mai mult sau mai puțin puternic dacă necesar. Dacă minereurile sunt încălzite și topite cu ușurință, atunci este necesară o vatră joasă pentru lucrul topitoriilor, iar conducta trebuie să fie așezată la un unghi ușor, astfel încât suflarea să fie ușoară. În schimb, dacă minereurile sunt încălzite și topite încet, atunci este necesară o vatră înaltă, iar coșul de fum trebuie instalat cu o pantă abruptă pentru a oferi o suflare puternică. Pentru minereurile de acest fel este nevoie de un cuptor foarte fierbinte, în care se topesc mai întâi zguri, mate sau pietre cu punct de topire scăzut, astfel încât minereul să nu poată arde pe fundul focarului și să închidă orificiul de evacuare.

Procesul de conversie

Începând cu secolul al XVI-lea , așa-numitul proces de redistribuire în metalurgie a devenit larg răspândit în Europa - o tehnologie în care fierul, chiar și la primire din cauza temperaturii ridicate de topire și a carburării intense, a fost distilat în fontă și abia atunci, turnat lichid. fier, eliberat de excesul de carbon în timpul recoacerii în cuptoare , transformat în oțel.

Aplicații de cărbune, cocsificare, bălți, sablare la cald

De la începutul secolului al XVII-lea , Suedia a devenit forja europeană , producând jumătate din fierul din Europa. La mijlocul secolului al XVIII-lea, rolul său în acest sens a început să scadă rapid în legătură cu o altă invenție - utilizarea cărbunelui în metalurgie .

În primul rând, trebuie spus că până în secolul al XVIII-lea, inclusiv, cărbunele nu era practic folosit în metalurgie - din cauza conținutului ridicat de impurități dăunătoare calității produsului, în primul rând sulf . Încă din secolul al XVII-lea în Anglia , cărbunele a început însă să fie folosit în cuptoarele de bălți pentru recoacere a fontei, dar acest lucru a făcut posibilă realizarea doar a unei mici economii de cărbune - cea mai mare parte a combustibilului a fost cheltuită pentru topire, unde era imposibil. pentru a exclude contactul dintre cărbune și minereu.

Consumul de combustibil în metalurgie era deja uriaș la acea vreme - furnalul ( furnalul ) devora un cărucior de cărbune pe oră. Cărbunele a devenit o resursă strategică. Abundența de lemn din Suedia și Finlanda , care îi aparține, a permis suedezilor să extindă producția la o asemenea scară. Britanicii, care aveau mai puține păduri (și chiar și acelea erau rezervate pentru nevoile flotei), au fost nevoiți să cumpere fier în Suedia până când au învățat cum să folosească cărbunele. A fost introdus în uz în secolul al XVII-lea de către Clement Clerk și fierarii și turnatorii săi.

Din 1709, în Colebrookdale , Abraham Darby , fondatorul unei dinastii de metalurgiști și fierari, a folosit cocs pentru a produce fontă brută din minereu într-un furnal . La început, din el s-au făcut doar ustensile de bucătărie, care se deosebeau de munca concurenților doar prin faptul că pereții îi erau mai subțiri și greutatea mai mică. În anii 1750, fiul lui Darby ( Abraham Darby II ) a construit mai multe domenii, moment în care produsele sale erau, de asemenea, mai ieftine decât cele făcute cu cărbune. În 1778, nepotul lui Darby, Abraham Darby III , a construit faimosul Pod de Fier din Shropshire din turnarea sa , primul pod integral din metal din Europa.

Pentru a îmbunătăți și mai mult calitatea fontei, în 1784 Henry Cort a dezvoltat procesul de băltire . Dintre numeroasele meserii metalurgice ale vremii, poate cea mai dificilă a fost meseria de băltoacă. Bălțirea a fost principala modalitate de a obține fier pentru aproape tot secolul al XIX-lea . A fost un proces foarte dificil și laborios. Lucrarea a mers așa. Pe fundul cuptorului de foc erau încărcate lingouri (lingouri) de fontă; lingourile s-au topit. Pe măsură ce carbonul și alte impurități au ars din metal, punctul de topire al metalului a crescut, iar cristalele de fier destul de pur au început să „înghețe” din topitura lichidă. Pe fundul cuptorului a fost colectat un bulgăre de masă lipicioasă. Muncitorii la bălți au început operațiunea de rulare a florii cu ajutorul unei ranguri de fier . Amestecând o masă de metal cu o rangă, ei au încercat să adune un bulgăre, sau kritsa, de fier în jurul rangei. Un astfel de bulgăre cântărea până la 50-80 kg sau mai mult. Kritsu a fost scos din cuptor și alimentat imediat sub ciocan - pentru forjare pentru a îndepărta particulele de zgură și a compacta metalul [7] .

Creșterea producției și îmbunătățirea calității metalului englez până la sfârșitul secolului al XVIII-lea a permis Marii Britanii să abandoneze complet importul de fier suedez și rusesc . A început construcția de canale, care au făcut posibil transportul cărbunelui și metalelor.

Din 1830 până în 1847, producția de metal în Anglia sa triplat. Utilizarea suflului fierbinte în topirea minereului, care a început în 1828, a redus consumul de combustibil cu un factor de trei și a făcut posibilă utilizarea de cărbune de calitate mai scăzută în producție.Din 1826 până în 1846, exportul de fier și fontă din Marea Britanie a crescut de 7,5 ori [12] .

Producția de convertizoare și cuptoare cu vatră deschisă

În 1856, Henry Bessemer a primit un brevet pentru o nouă tehnologie de fabricare a oțelului ( procedeul Bessemer ). El a inventat un convertor  - un dispozitiv în care aerul era suflat prin fier lichid obținut în furnalele înalte . În convertor, carbonul dizolvat în fier este ars , ceea ce face posibilă obținerea de oțel în cantități semnificativ mai mari decât era disponibilă anterior.

O alternativă la utilizarea convertorului pe tot parcursul secolului al XX-lea a fost cuptorul cu vatră deschisă , în care a avut loc și arderea ulterioară a carbonului. Până la sfârșitul secolului al XX-lea, cuptoarele cu vatră deschisă au devenit o tehnologie evident învechită și au fost înlocuite de producția de oțel BOF .

La mijlocul secolului al XX-lea, turboexpansorul a fost inventat pentru a reduce costul producției de oxigen. Oxigenul a devenit suficient de ieftin pentru a fi utilizat pe scară largă în industria siderurgică. Purtarea fierului topit cu oxigen încălzește semnificativ metalul, ceea ce simplifică producția (fierul nu „îngheață”, dar rămâne lichid), permite, de asemenea, aruncarea deșeurilor de metal în convertor pentru retopire și, în unele cazuri, îmbunătățește calitatea metal din cauza absenței azotului dizolvat în metal.

Electrometalurgie

Capacitatea curentului electric continuu de a reduce metalele a fost descoperită chiar la începutul secolului al XIX-lea, dar lipsa surselor puternice de electricitate a limitat utilizarea acestor procese în cercetările de laborator. Apariția unor centrale puternice la începutul secolului al XX-lea a făcut posibilă crearea de tehnologii industriale pentru electrometalurgie. Inițial, astfel de procese au fost folosite pentru producția de metale neferoase, dar până la mijlocul secolului al XX-lea au ajuns și la metalurgia feroasă. Procesele de topire electrică de reducere a minereului au găsit o aplicație largă, în care minereul de fier amestecat cu o cantitate mică de carbon este expus unui arc electric puternic, unde fierul este redus electric la catod și impuritățile sunt arse la anod. În acest fel, se poate obține fontă de înaltă calitate, se reduce consumul de oxigen și se reduce emisiile de dioxid de carbon. Procesele electrometalurgice de conversie fac posibilă topirea fontei în vid, într-un mediu gazos protector, în prezența elementelor de aliere active chimic, ceea ce face posibilă obținerea de oțeluri aliate de înaltă calitate și oțeluri speciale (rezistente la căldură, radiații- rezistent). Oțelurile, a căror producție este posibilă numai prin procese electrometalurgice, se numesc oțeluri electrice .

Reducerea hidrogenului

Producția de furnale și convertoare este un proces destul de modern, dar foarte poluant pentru mediu. În ciuda faptului că cea mai mare parte a fierului este obținut în producția de convertoare de oxigen , emisiile de dioxid de carbon și monoxid de carbon în atmosferă sunt, de asemenea, mari. O alternativă la modă este reducerea directă a fierului din minereu cu hidrogen. În acest caz, particulele de fier rezultate sunt topite în cuptoare electrice, după care se adaugă carbon și se obține oțel.

Prelucrarea metalelor

Fierari-amatori

Primii care au organizat producția de produse din fier au fost fierarii amatori - țărani de rând care făceau comerț cu un astfel de meșteșug în timpul liber de la cultivarea pământului. Fierarul însuși a găsit „minereu” ( minereu de mlaștină lângă o mlaștină ruginită sau nisip roșu), a ars el însuși cărbune, a construit un cuptor cu brânză și a topit fierul, l-a forjat el însuși, l-a prelucrat el însuși.

Îndemânarea maestrului în această etapă a fost în mod natural limitată la forjarea produselor de cea mai simplă formă. Uneltele sale constau din burduf , un ciocan de piatră și nicovală și o piatră de tocitură . Uneltele de fier erau făcute cu unelte de piatră.

Dacă în apropiere existau zăcăminte de minereu potrivite pentru minerit, atunci întregul sat ar putea fi angajat în producția de fier, dar acest lucru era posibil numai dacă exista o oportunitate stabilă de comercializare profitabilă a produselor, care practic nu puteau fi în condiții de existență . agricultura .

Cu o astfel de organizare a producției de fier, nu a fost niciodată posibil să se acopere complet toate nevoile pentru cele mai simple arme și cele mai necesare instrumente pe cheltuiala ei. Topoarele au continuat să fie făcute din piatră , cuie şi pluguri din lemn . Armura metalică a rămas inaccesibilă chiar și pentru lideri . Concentrația produselor din fier a fost de numai aproximativ 200 de grame pe cap de locuitor .

La acest nivel de disponibilitate a fierului erau la începutul erei noastre cele mai înapoiate triburi dintre britanici , germani și slavi . În secolele XII - XIII, balții și finlandezii, luptându-se cu cruciații , au folosit și arme de piatră și oase. Toate aceste popoare știau deja să facă fier, dar tot nu-l puteau obține în cantitatea necesară.

Fierari profesionisti

Următoarea etapă în dezvoltarea metalurgiei feroase au fost fierarii profesioniști, care topiteau ei înșiși metalul, dar alți bărbați erau trimiși mai des să extragă nisip de fier și să ardă cărbune - în schimb în natură . În această etapă, fierarul avea de obicei deja un asistent de ciocan și o forjă echipată cumva.

Odată cu apariția fierarilor, concentrația produselor din fier a crescut de 4-5 ori. Acum, fiecare gospodărie țărănească putea primi un cuțit și un topor personal. Calitatea produselor a crescut și ea. Fierarii erau profesioniști, de regulă, cunoșteau tehnica sudării și puteau trage sârmă . În principiu, un astfel de meșter ar putea obține și Damascul , dacă știa cum, dar producția de arme din Damasc necesita o asemenea cantitate de fier încât nu putea fi încă produsă în masă.

În secolele XVIII - XIX, fierarii sătești au reușit chiar să confecționeze butoaie pentru armele carate, dar în această perioadă au folosit deja echipamente pe care nu le-au fabricat ei înșiși. Transferul producției artizanale din oraș în mediul rural a devenit posibil la o anumită scară într-o etapă a dezvoltării orașului, când costul echipamentelor chiar și destul de complexe s-a dovedit a fi neglijabil.

Fierarii din satele medievale și-au făcut propriile unelte. Cum ar putea. Prin urmare, un meșter obișnuit a reușit, de obicei, să realizeze obiecte de o formă simplă, dar în mod pozitiv i-a fost dificil atunci când era necesar să realizeze un produs tridimensional sau să unească mai multe produse împreună - ceea ce, de exemplu, era necesar pentru a crea un casca de incredere . Pentru a face un produs atât de complex ca declanșator pentru o arbaletă , fierarul din sat a fost insuportabil - pentru asta, până la urmă, ar fi necesare chiar și dispozitive de măsurare.

Nici fierarii artizanali nu aveau specializare - săbiile , ace și potcoavele erau fabricate de același maestru. Mai mult, în orice moment, fierarii rurali s-au ocupat în primul rând în fabricarea celor mai simple unelte industriale și de uz casnic de care au nevoie sătenii, dar nu și a armelor.

Cu toate acestea, acesta din urmă nu neagă deloc faptul că în culturile primitive chiar și cel mai obișnuit fierar era considerat oarecum asemănător cu un vrăjitor , deși, mai adecvat, el poate fi asemănat cu un artist . Forjarea chiar și a unei săbii obișnuite a fost o adevărată artă.

Teoretic, totul părea simplu: trebuie doar să așezi trei benzi de metal una peste alta, să le forjați și lama este gata. În practică, totuși, au apărut probleme - pe de o parte, a fost necesar să se realizeze o sudură puternică și chiar o întrepătrundere a straturilor, iar pe de altă parte, a fost imposibil să se încalce uniformitatea grosimii stratului (și a fost - de la o coală de hârtie) și, în plus, să permită spargerea stratului. Și, la urma urmei, prelucrarea a fost efectuată cu un ciocan greu .

Înainte de împărțirea muncii între oraș și mediul rural, producția anuală de fier nu depășea 100 de grame pe an per persoană, forma produselor era foarte simplă, iar calitatea era scăzută, iar când este descrisă armamentul unor Varangian , se trece cu vederea sistematic că vorbim despre liderul de arme, săpat în movila lui . Barbarii, care nu se bazau pe movile, s-au înarmat mult mai simplu. La acest nivel de dezvoltare a forțelor productive (caracteristic, de exemplu, galilor , francilor , normanzilor , Rusiei secolului al X-lea ), numai aristocrația putea avea arme grele  - nu mai mult de un războinic în armură la 1000 de oameni din populație. .

Industria metalurgică a intrat pe un nou nivel abia atunci când diviziunea muncii și apariția specialităților au devenit posibile. Maestrul a cumpărat fier și, deja de calitatea cerută, a cumpărat uneltele necesare profilului său și a angajat ucenici. Dacă a făcut deja cuțite, atunci le-a predat spre vânzare în cutii. Dacă făcea săbii, atunci nu două pe an, ci patru pe săptămână. Și, desigur, avea multă experiență în fabricarea lor.

Dar pentru apariția specializării, cu siguranță a fost necesar un oraș  - cel puțin pentru câteva mii de locuitori - pentru ca stăpânul să cumpere și să vândă totul. Chiar și așezările foarte mari din jurul castelului (și populația lor ajungea uneori la câteva mii de oameni) nu ofereau o astfel de oportunitate - la urma urmei, nu numai că nu produceau nimic pentru vânzare către alte așezări, dar nici măcar nu exista un schimb intern de mărfuri.

Cu cât schimbul este mai dezvoltat, cu atât mai mulți stăpâni și specializările lor ar putea fi, s-ar putea forma diviziunea muncii. Dar pentru o dezvoltare semnificativă a schimbului au fost necesare bani și stabilitate comparativă.

Și mai multe progrese ar putea fi făcute prin organizarea manufacturii , dar în jurul acesteia a fost necesar să se construiască deja un oraș de 50.000 de locuitori și prezența a mai multor din aceeași în apropiere.

Cu toate acestea, chiar și după concentrarea producției artizanale în orașe, figura colorată a fierarului a rămas un element indispensabil al peisajului pastoral până la începuturi, iar pe alocuri până la mijlocul secolului al XX-lea . Multă vreme, țăranii pur și simplu nu au avut ocazia să cumpere produse urbane. În primele etape ale dezvoltării schimbului, artizanii calificați au servit doar clasele conducătoare, în primul rând moșiile militare.

După răspândirea shtukofen

Cu toate acestea, producția artizanală a fierului a încetat să fie practicată imediat după răspândirea shtukofen . Fierarii au început să cumpere lingouri de fier și chiar mai des fier vechi , pentru a transforma săbiile în pluguri .

Când dezvoltarea comerțului economiei a pus la dispoziția maselor largi produse artizanale, fierarii s-au ocupat multă vreme cu repararea uneltelor fabricate în orașe.

În paralel cu soluționarea problemelor organizatorice, îmbunătățirea metodelor de prelucrare a metalelor a necesitat și îmbunătățirea tehnologiei. Deoarece forjarea a fost metoda principală, ciocanele au fost primele îmbunătățite.

Faptul a fost că, dacă forjarea a fost efectuată cu un ciocan de mână, atunci dimensiunea produsului era limitată de capacitățile fizice ale fierarului. Un bărbat a reușit să falsească o piesă care cântărește nu mai mult de câteva kilograme. În cele mai multe cazuri, acest lucru s-a dovedit a fi suficient, dar în fabricarea, să zicem, de părți ale motoarelor de asediu , nu mai era posibil să se facă fără un ciocan mecanic condus de o roată de apă , catâri sau muncitori.

Problema forjării pieselor masive (până la câțiva cenți) a fost rezolvată încă din antichitate, dar în Evul Mediu a câștigat o nouă urgență, deoarece țipetele obținute din shtukofen nu puteau fi, de asemenea, falsificate cu un baros .

Desigur, era posibil să le împărțim în părți mici, dar, în același timp, fiecare ar avea propriul său, în plus, conținutul de carbon necunoscut, iar apoi, pentru a face un produs mai mult sau mai puțin mare, piesele rezultate ar trebui să fie forjat spate.

Toate acestea au fost extrem de dezavantajoase. A fost necesar să se falsifice kritsa în întregime. Prin urmare, shtukofenul într-un mod bun trebuia echipat nu cu una, ci cu trei mașini de apă - una a pompat burduful , cealaltă a mânuit un ciocan , a treia a pompat apa din mină. Fără a treia, nu exista nicio cale - era imposibil să se furnizeze semifabricate artizanale cu minereu de shtukofen.

Cu toate acestea, volumele de producție depindeau nu atât de tehnologie, cât de organizarea muncii. Dacă metalurgistul nu era distras de alte sarcini, atunci ar putea face mult mai multe cuptoare brute. Deci, la Roma, producția a ajuns la 1,5 kilograme de persoană pe an, iar acest lucru nu a fost suficient - fierul a fost transportat la Roma chiar și din China. În Europa și Asia, chiar și cu utilizarea shtukofen, producția ajungea rareori la un kilogram. Dar odată cu apariția furnalelor în Europa, această cifră s-a triplat imediat, iar în Suedia din secolul al XVII-lea a ajuns la 20 de kilograme pe an. Până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, acest record a fost doborât și în Anglia au început să se producă 30 kg de fier pe cap de locuitor pe an.

În Rusia, după industrializarea lui Petru cel Mare, producția a ajuns la 3 kilograme pe cap de locuitor pe an și a rămas la acest nivel până la sfârșitul secolului al XVIII-lea.

Vezi și

• epoca fierului
• Producția antică de fier  - articol în Wikipedia în engleză

Note

1. ↑ Agricola, 1986 .
2. ↑ Duncan E. Miller și NJ Van Der Merwe. Prelucrarea metalelor timpurii în Africa Subsahariana  (engleză)  // Jurnal de istorie africană. - Cambridge University Press, 1994. - Martie ( vol. 35 , iss. 1 ). - P. 1-40 . - doi : 10.1017/S0021853700025949 .
3. ↑ Stuiver, Minze și van der Merwe, NJ Cronologia radiocarbonului a epocii fierului în Africa sub-sahariană  //  Antropologia curentă. - 1968. - Vol. 9 . - P. 54-58 .
4. ↑ Grakov B. N. Epoca timpurie a fierului. - Moscova: Editura Universității de Stat din Moscova, 1977. - 235 p.
5. ↑ Strumilin S. G. Istoria metalurgiei feroase în URSS / ed. I. P. Bardin - M . : Editura Academiei de Științe a URSS , 1954. - T. 1 (și numai). Perioada feudala (1500-1860). - S. 13. - 533 p. - 5000 de exemplare.
6. ↑ O serie de cărți istorice: Asimov A. Orientul Mijlociu. Istoria a zece milenii - M .: CJSC Tsentrpoligraf, 2004. - 331 p .; Azimov A. Țara Canaanului. Patria Iudaismului și Creștinismului - M .: CJSC Tsentrpoligraf, 2004. - 335 p.
7. ↑ 1 2 Mezenin, 1972 .
8. ↑ Wagner, 1996 , p. 95-97.
9. ↑ Wagner, 2001 , p. 25-27.36-38.85-89.
10. ↑ Pigott, 1999 , p. 177-199.
11. ↑ 1 2 Agricola, 1986 , p. 176.
12. ↑ Capitolul IX. Dezvoltarea capitalismului și creșterea mișcării muncitorești în țările Europei de Vest în anii 30-40 ai secolului XIX. Arhivat pe 20 aprilie 2019 la Wayback Machine // World History. Enciclopedie. - T. 6.

Literatură

• George Agricola. Despre minerit și metalurgie. Editat de S. V. Shukhardin Traducere și note de N. A. Galminas și A. I. Drobinsky în douăsprezece cărți. - al 2-lea. - Moscova: Nedra, 1986. - 294 p.
• Beckert M. Fier. Fapte și legende = Tatsachen und Legenden. - M . : Metalurgie, 1984. - 232 p.
• Grakov B. N. Epoca timpurie a fierului .. - M. : Editura Universității de Stat din Moscova , 1977. - 235 p.
• Mezenin N.A. Interesant despre fier. - M . : Metalurgie, 1972. - 200 p.
• Chernousov P.I., Mapelman V.M., Golubev O.V. Metalurgia fierului în istoria civilizației. - M . : Studiu ( MISiS ), 2005. - 423 p.
• Tehnologia în dezvoltarea sa istorică. Ch. V. Rolul revoluționar al fierului în istorie / S. V. Shukhardin (redactor-șef), A. A. Kuzin , N. N. Stoskova . — M .: Nauka , 1979.
• Vincent C. Pigott. Arheometalurgia lumii vechi asiatice . - Universitatea din Pennsylvania, 1999. - ISBN 0-924171-34-0 .
• Donald B. Wagner. Fier și oțel în China antică . - Brill Academic, 1996. - ISBN 9004096329 .
• Donald B. Wagner. Statul și industria fierului din China Han . - Editura NIAS, 2001. - ISBN 8787062771 .

Link -uri

• Clasificarea produselor din fier // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron  : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.
• Oleg D. Sherby, Geoffrey Wadsworth. Oțel de Damasc // În lumea științei (Scientific American. Ediție în rusă). - 1985. - Aprilie. - S. 74-80.
• Levin, A. Istoria oțelului inoxidabil: cine l-a inventat și când , Mecanica populară (01-07-2016). Preluat la 12 ianuarie 2017.
• Borzunov V.P., Shcherbakov V.A. wutz indian, oțel Damasc, oțel damasc rusesc.
• P. I. Chernousov Tehnologii antice de extracție și prelucrare a fierului
• A. Feuerbach Istoria oţelului de Damasc
• Istoria fierului și oțelului  - site-ul „World of Forging”
• Metalurgia Europei Medievale  — site-ul „Handmade Reserve”
• La 200 de ani de la nașterea lui P. P. Anosov (1799-1999)  – site „Handmade Reserve”
• Trusa de instrumente a unui vechi fierar rus  - site-ul „Prelucrarea metalelor”