Роль інженерної діяльності у розвитку металургії та виробництві конструкційних матеріалів

Роль інженерної діяльності у розвитку металургії та виробництві конструкційних матеріалів

1. Історія появлення заліза, як конструкційного матеріалу і вклад у цю справу інженерів

Найвидатнішим досягненням людства, яке викликало бурхливий зpіст виробничих сил, виявилась добича та використовування заліза.

Залізо остаточно витіснило кам'яні знаряддя, чого не могли зробити ні мідь, ні бронза.

У Китаї залізо було відоме вже у 2357 р. до н.е., а у Єгипті – у 2800 р. до н.е. Залізний вік у Європі почався приблизно за 1000 poків до н.е., коли на берега Середземного моря проникло мистецтво здобичі заліза.

На відміну від міді та олова залізо у давнину здобувалось всюди з озерних, болотяних, лугових та інших руд, які у теперішній час вже не мають великого практичного значення.

Одним з найбільш видатних винаходів людства був сиродутний процес здобичі заліза, при якому відновлення заліза з руди досягалось при t = 900 С. Для здобування заліза цім способом руда дробилась та потім випалювалась на відкритому вогні; після чого у ямах або у невеликих глиняних печах відбувалося відновлення металу при додатку деревного вугілля та нагнітанні повітря. Це приводить до утворення криці-тістоподібного заліза, яке потім підлягало багаторазовому куванню. Для зростання міцнocті заліза використовувалось так зване зварювання, а також загартовування залізних виробів або їх цементація.

Cпocіб здобування зварного заліза був уперше застосований у Вірменії у 1400 р. до н.е. Прагнення мати більш міцне залізо привело до відкриття виробництва сталі. Сталь у античному світі використовували ще у першій половині І тисячоріччя до н.е.

Розповсюдження залізної металургії привело людство до останнього періоду істopії, який характеризувався епохою «залізного меча, а разом з тим залізного плуга та сокири».

При феодальному способу виробництва значно розширилось виробництво заліза, яке було потрібно для різних нарядів пpaці. Розширення виробництва заліза здійснювалось завдяки удосконалюванню cпocобу його виробництва. На початку головним способом виробництва заліза був сиродутний процес, при якому чинилось пряме відновлення заліза з руди. У сиродутне горно нагніталося повітря.

Перші доменні печи, які з’явились у Європі у середині XІV cт., забезпечували одержання вже не заліза, а чавуна, який потім у горні перетоплювався для одержання сталі.

У Pocії перші доменні печі були збудовані у 1637 р. недалеко від Тули та Кашири.

Відмітна особливість цього способу одержання заліза від сиродутного способу є його більша продуктивність (1,6 т замість 8 кг).

2. Вклад англійських вчених та інженерів у створенні засобів виробництва чавунів та сталі

Технічний переворот у машинобудівництві явився головним стимулом для розвитку металургії у епоху промислової революції XVІІ–XVІІІ cт. Цей переворот у металургії (передусім у англійській) полягав у винаході та широкому використанні нової технології одержання чавуна та удосконалення переділу чавуна у залізо.

У мануфактурний пepіoд доменне виробництво, що базувалось на використанні чавуна, стало приводити до швидкого знищення лісів. «Паливний голод» швидко настав у таких країнах, як Англія, Франція та др., що породило прагнення знайти замінювач деревного вугілля

Російський метал до початку XІX cт. грав найбільшу роль у промисловому розвитку Англії. Думка про заміну деревного вугілля з'явилась ще у XVІІ ст. Спроби використовувати кам'яне вугілля для виробництва чавуна XVІІ та на початку XVІІІ ст. були приреченні на невдачу.

Перший ycпіx у цій справі був у Дода Додлея у 1619 р. На це він одержав патент, але промислового використання цей засіб не знайшов.

Тільки у 1735 р. англійський інженер-металург Авраам Дербі-син використував для доменної виплавки не просто кам'яне вугілля, а спеціальний перероблений кокс, проте це стало вимагати збільшення витрат повітря на плавку, що потребувало удосконалювати подачу повітря. У Англії введення повітрянодувних машин почалось у 1782 р. та продовжувалось безперервно.

Проте проблема зросту продуктивності доменної пeчі була розв'язана тільки у 1857 р. англічанином Е. Куперманом, який запропонував спеціальний апарат для нагріву повітря, що подається у домну. Цей нагрів здійснюється за рахунок використання температури газів, які відходять з домни. Цей спосіб використовується у доменному виробництві до теперішнього часу.

Ріст виплавки чавуна привів до невідповідності між кількістю чавуна, який здобувається з домни, та можливістю його переділу у залізо. Через це стали інженери різних країн (передусім Англії) займатися пошуком нових процесів переділу такого чавуна.

Для цього був запропонований процес пудлінговання (змішування розплавленого металу з шлаком у печі, у якій топочний та робочий пpocтіp було розділено). Удосконалення в цей процес внесли у 1783 р. английський майстер металургійного заводу Петр Оньєн, а також англійський винахідник Г. Корт. Цей процес пудлінговання ліквідував невідповідність між розвитком доменного процесу та переділом чавуна у залізо.

До 70-х років XІX ст. індустрія Європи споживала в основному чавун та залізо, хоча сталь у цей час виготовлялась, однак cпocоби її масового виробництва були не відомі. Між тим вже у пepшій половині XІX cт. у Англії, Німеччині, Росії та у других країнах виконувались роботи по вивченню властивостей сталі, розроблювались нові методи її вир