Черная металлургия — это металлургия железа и его сплавов . Самые ранние сохранившиеся доисторические железные артефакты, датируемые 4-м тысячелетием до нашей эры в Египте , [1] были изготовлены из метеоритного железо-никеля . [2] Неизвестно, когда и где началась выплавка железа из руд , но к концу 2-го тысячелетия до нашей эры железо производилось из железных руд в регионе от Греции до Индии, [3] [4] [5 ] ] и страны Африки к югу от Сахары . [6] [7] [8] [ нужна страница ] Использование кованого железа (обработанного железа) было известно с 1-го тысячелетия до нашей эры, и его распространение определило железный век . В средневековый период кузнецы в Европе нашли способ производства кованого железа из чугуна , в этом контексте известного как чугун , используя изысканные кузницы . Для всех этих процессов в качестве топлива требовался древесный уголь .
К 4 веку до нашей эры южная Индия начала экспортировать волокнистую сталь с содержанием углерода между чугуном и кованым железом в древний Китай, Африку, Ближний Восток и Европу. [ нужна цитата ] Археологические свидетельства существования чугуна появляются в Китае в V веке до нашей эры. [9] Новые методы его производства путем цементации железных прутков в процессе цементации были разработаны в 17 веке. Во время промышленной революции появились новые методы производства пруткового железа путем замены древесного угля коксом , которые позже были применены для производства стали , открыв новую эру значительного увеличения использования железа и стали, которую некоторые современники описывали как новый «железный век». ". [10]
В конце 1850-х годов Генри Бессемер изобрел новый процесс производства стали , который включал продувку воздухом расплавленного чугуна для сжигания углерода и производства мягкой стали. Этот и другие процессы производства стали в XIX веке и позже вытеснили кованое железо . Сегодня кованое железо больше не производится в коммерческих масштабах, его заменяет функционально эквивалентная мягкая или низкоуглеродистая сталь. [11] : 145
Железо добывалось из железо-никелевых сплавов , которые составляют около 6% всех метеоритов, падающих на Землю . Этот источник часто можно с уверенностью идентифицировать благодаря уникальным кристаллическим особенностям ( структурам Видманштеттена ) этого материала, которые сохраняются при обработке металла в холодном состоянии или при низкой температуре. К таким артефактам относятся, например, бусина V тысячелетия до н.э., найденная в Иране [2] , а также наконечники копий и украшения из Древнего Египта и Шумера около 4000 г. до н.э. [12]
Эти ранние варианты использования, по-видимому, носили в основном церемониальный или декоративный характер. Метеоритное железо встречается очень редко, и этот металл, вероятно, был очень дорогим, возможно, дороже золота . Известно, что ранние хетты обменивали железо (метеоритное или плавленое) на серебро по цене, в 40 раз превышающей вес железа, с Ассирией в первых веках второго тысячелетия до нашей эры . [13]
Метеоритное железо также использовалось в качестве инструментов в Арктике , когда народ Туле в Гренландии начал делать гарпуны , ножи, улусы и другие острые инструменты из кусков метеорита Кейп-Йорк . Обычно кусочки металла размером с горошину штамповали в диски и прикрепляли к костяной рукоятке. [2] Эти артефакты также использовались в качестве товаров для торговли с другими арктическими народами: инструменты, сделанные из метеорита Кейп-Йорк, были найдены в археологических раскопках на расстоянии более 1000 миль (1600 км). Когда в 1897 году американский полярный исследователь Роберт Пири отправил самый большой кусок метеорита в Американский музей естественной истории в Нью-Йорке , он все еще весил более 33 тонн . Другим примером позднего использования метеоритного железа является тесло , датируемое примерно 1000 годом нашей эры, найденное в Швеции . [2]
Самородное железо в металлическом состоянии встречается редко в виде мелких включений в некоторых базальтовых породах. Помимо метеоритного железа, жители Туле в Гренландии использовали самородное железо из региона Диско . [2]
Выплавка железа — извлечение полезного металла из окисленных железных руд — более сложна, чем выплавка олова и меди . В то время как эти металлы и их сплавы можно подвергнуть холодной обработке или плавить в относительно простых печах (например, в печах для гончарного дела ) и отлить в формы, выплавленное железо требует горячей обработки и может быть плавлено только в специально спроектированных печах. Железо является распространенной примесью в медных рудах и иногда железную руду использовали в качестве флюса , поэтому неудивительно, что человек освоил технологию выплавки железа только после нескольких тысячелетий бронзовой металлургии . [12]
Место и время открытия выплавки железа неизвестны, отчасти из-за трудности отличить металл, добытый из никельсодержащих руд, от горячедеформированного метеоритного железа. [2] Археологические данные, похоже, указывают на Ближний Восток, во времена бронзового века в 3-м тысячелетии до нашей эры. Однако артефакты из кованого железа оставались редкостью вплоть до XII века до нашей эры.
Железный век традиционно определяется как повсеместная замена бронзового оружия и инструментов на железные и стальные. [14] Этот переход произошел в разное время в разных местах по мере распространения технологии. К 900 г. до н. э. Месопотамия полностью вступила в железный век. Хотя Египет производил железные артефакты, бронза оставалась доминирующей до ее завоевания Ассирией в 663 г. до н.э. Железный век начался в Индии около 1200 г. до н.э., в Центральной Европе около 800 г. до н.э. и в Китае около 300 г. до н.э. [15] [16] Около 500 г. до н.э. нубийцы , которые научились у ассирийцев использованию железа и были изгнаны из Египта, стали крупными производителями и экспортерами железа. [17]
Один из самых ранних артефактов из выплавленного железа, кинжал с железным лезвием, найденный в хаттской гробнице в Анатолии , датированный 2500 годом до нашей эры. [18] Около 1500 г. до н.э. в Месопотамии , Анатолии и Египте появилось все большее количество неметеоритных предметов из плавленого железа . [2] Девятнадцать предметов из метеоритного железа были найдены в гробнице египетского правителя Тутанхамона , умершего в 1323 году до нашей эры, в том числе железный кинжал с золотой рукоятью, Глаз Гора , подставка для головы мумии и шестнадцать моделей инструментов ремесленника. [19] При раскопках Угарита были найдены древнеегипетский меч, носящий имя фараона Мернептаха , а также боевой топор с железным лезвием и украшенным золотом бронзовым древком . [18]
Хотя железные предметы, датируемые бронзовым веком , были найдены по всему Восточному Средиземноморью, в этот период, по-видимому, преобладали изделия из бронзы. [20] По мере распространения технологии железо пришло на смену бронзе в качестве доминирующего металла, используемого для изготовления инструментов и оружия в Восточном Средиземноморье ( Левант , Кипр , Греция , Крит , Анатолия и Египет). [14]
Первоначально железо выплавляли в печах , где сильфоны использовались для подачи воздуха через груду железной руды и горящий древесный уголь . Оксид углерода , образующийся при использовании древесного угля, восстановил оксид железа из руды до металлического железа. Однако печь была недостаточно горячей, чтобы расплавить железо, поэтому металл собирался на дне печи в виде губчатой массы или налета . Затем рабочие неоднократно били и складывали его, чтобы вытеснить расплавленный шлак . В результате этого трудоемкого и трудоемкого процесса было получено кованое железо — ковкий, но довольно мягкий сплав. [21]
Одновременно с переходом от бронзы к железу было открыто науглероживание — процесс добавления углерода в кованое железо. Хотя железный блюм содержал некоторое количество углерода, последующая горячая обработка окислила большую его часть. Кузнецы на Ближнем Востоке обнаружили, что кованое железо можно превратить в гораздо более твердое изделие, нагрев готовое изделие в слое древесного угля, а затем закалив его в воде или масле. В результате этой процедуры внешние слои детали превратились в сталь , сплав железа и карбидов железа , с внутренним сердечником из менее хрупкого железа.
Развитие выплавки железа традиционно приписывалось хеттам Анатолии эпохи поздней бронзы . [22] Считалось, что они сохраняли монополию на обработку железа, и что их империя была основана на этом преимуществе. Согласно этой теории, древние народы моря , которые вторглись в Восточное Средиземноморье и разрушили Хеттскую империю в конце позднего бронзового века, были ответственны за распространение знаний в этом регионе. Эта теория больше не поддерживается основной наукой, [22] поскольку нет никаких археологических свидетельств предполагаемой хеттской монополии. Хотя из Анатолии бронзового века есть некоторые железные предметы, их количество сопоставимо с железными предметами, найденными в Египте и других местах того же периода времени, и лишь небольшое количество этих предметов было оружием. [20]
Более поздняя теория утверждает, что развитие технологии производства железа было вызвано нарушением торговых путей меди и олова из-за распада империй в конце позднего бронзового века. [22] Эти металлы, особенно олово, не были широко доступны, и металлистам приходилось перевозить их на большие расстояния, тогда как железные руды были широко доступны. Однако никакие известные археологические данные не свидетельствуют о нехватке бронзы или олова в раннем железном веке. [23] Бронзовые предметы оставались в изобилии, и эти предметы содержат тот же процент олова, что и предметы позднего бронзового века.
История черной металлургии на Индийском субконтиненте началась во II тысячелетии до нашей эры. На археологических раскопках на равнинах Ганга были обнаружены железные орудия, датированные 1800–1200 годами до нашей эры. [24] К началу 13 века до нашей эры выплавка железа практиковалась в больших масштабах в Индии. [24] В Южной Индии (современный Майсур ) железо использовалось с 12 по 11 века до нашей эры. [4] Технология металлургии железа развивалась в политически стабильный период Маурьев [25] и в период мирных поселений в 1-м тысячелетии до нашей эры. [4]
На нескольких археологических памятниках Индии были обнаружены железные артефакты, такие как шипы , ножи , кинжалы , наконечники стрел , миски , ложки , кастрюли , топоры , долота , щипцы , дверная фурнитура и т. д., датированные 600–200 гг. до н.э. [15] Греческий историк Геродот написал первый западный отчет об использовании железа в Индии. [15] В индийских мифологических текстах, Упанишадах , также есть упоминания о ткачестве, гончарном деле и металлургии. [26] Римляне высоко ценили качество стали из Индии во времена Империи Гуптов . [27]
Возможно, уже в 500 г. до н.э., хотя определенно к 200 г. н.э., высококачественная сталь производилась на юге Индии тигельным методом . В этой системе кованое железо высокой чистоты, древесный уголь и стекло смешивались в тигле и нагревались до тех пор, пока железо не расплавилось и не поглотило углерод. [28] Железная цепь использовалась в индийских подвесных мостах еще в 4 веке. [29]
Сталь Wootz производилась в Индии и Шри-Ланке примерно с 300 г. до н.э. [28] Сталь Wootz известна еще с классической античности своей долговечностью и способностью удерживать заточку. Когда царь Порус попросил его выбрать подарок, Александр , как говорят, выбрал вместо золота или серебра тридцать фунтов стали. [27] Сталь Wootz изначально представляла собой сложный сплав, основным компонентом которого было железо, а также различные микроэлементы . Недавние исследования показали, что его качества могли быть обусловлены образованием в металле углеродных нанотрубок . [30] По словам Уилла Дюранта , технология перешла к персам , а от них к арабам , которые распространили ее по Ближнему Востоку. [27] В 16 веке голландцы привезли эту технологию из Южной Индии в Европу, где она производилась массово. [31]
Сталь производилась на Шри-Ланке с 300 г. до н. э. [28] в печах, продуваемых муссонными ветрами . Печи были вкопаны в гребни холмов, а ветер отводился в вентиляционные отверстия длинными траншеями. Такое расположение создавало зону высокого давления на входе и зону низкого давления вверху печи. Считается, что поток позволил достичь более высоких температур, чем могли бы производить печи с сильфонным приводом, что привело к получению железа более высокого качества. [32] [33] [34] Сталь, произведенная в Шри-Ланке, широко продавалась внутри региона и в исламском мире .
Одной из величайших металлургических диковин в мире является железная колонна , расположенная в комплексе Кутб в Дели . Столб изготовлен из кованого железа (98% Fe ), имеет высоту почти семь метров и вес более шести тонн. [35] Столб был возведен Чандрагуптой II Викрамадитьей и выдержал 1600 лет воздействия проливных дождей с относительно небольшой коррозией .
Историки спорят о том, распространилась ли обработка железа когда-либо в Китай с Ближнего Востока. Одна теория предполагает, что металлургия пришла через Среднюю Азию. [36] В 2008 году на месте Могуу в Ганьсу были раскопаны два железных фрагмента . Они были датированы 14 веком до нашей эры и принадлежали к периоду культуры Сива , что предполагает независимое китайское происхождение. Один из фрагментов был сделан не из метеоритного, а из цветущего железа. [37] [38]
Самые ранние железные артефакты, изготовленные из цветущих растений в Китае, датируются концом 9 века до нашей эры. [39] Чугун использовался в древнем Китае для войны, сельского хозяйства и архитектуры. [9] Около 500 г. до н.э. мастера по металлу в южном штате Ву достигли температуры 1130 °C. При этой температуре железо соединяется с 4,3% углерода и плавится. Жидкий чугун можно отливать в формы — метод гораздо менее трудоемкий, чем ковка каждого куска железа по отдельности из блюма.
Чугун достаточно хрупок и непригоден для ударных инструментов. Его можно обезуглероживать до стали или кованого железа, нагревая его на воздухе в течение нескольких дней. В Китае эти методы обработки железа распространились на север, и к 300 г. до н.э. железо стало предпочтительным материалом по всему Китаю для изготовления большинства инструментов и оружия. [9] В братской могиле в провинции Хэбэй , датируемой началом III века до нашей эры, похоронено несколько солдат вместе с оружием и другим снаряжением. Артефакты, извлеченные из этой могилы, изготовлены из кованого железа, чугуна, ковкого чугуна и закаленной стали, и лишь несколько, вероятно, декоративного, бронзового оружия.
Во время династии Хань (202 г. до н. э. – 220 г. н. э.) правительство установило государственную монополию на обработку железа, которая была отменена во второй половине династии и вернулась к частному предпринимательству , а также построило в провинции Хэнань серию крупных доменных печей , каждая из которых была способна производить производя несколько тонн железа в день. К этому времени китайские металлурги научились очищать расплавленный чугун, перемешивая его на открытом воздухе до тех пор, пока он не потеряет углерод и его можно будет ковать (ковать). На современном китайском языке этот процесс теперь называется чао , что буквально означает «жарка с помешиванием» . Чугунный чугун известен как «необработанное железо», а кованое железо — как «вареное железо». К I веку до нашей эры китайские металлурги обнаружили, что кованое железо и чугун можно плавить вместе, чтобы получить сплав с промежуточным содержанием углерода, то есть сталь. [40] [41] [42]
По легенде, таким способом был изготовлен меч Лю Банга , первого ханьского императора. В некоторых текстах той эпохи упоминается «гармонизация твердого и мягкого» в контексте обработки железа; эта фраза может относиться к этому процессу. Древний город Ван ( Наньян ) с периода Хань был крупным центром черной металлургии. [43] Наряду со своими оригинальными методами ковки стали, китайцы также переняли методы производства стали Wootz - идея, импортированная из Индии в Китай в 5 веке нашей эры. [44]
Во времена династии Хань китайцы также были первыми, кто применил гидравлическую энергию (т.е. водяное колесо ) для работы сильфонов доменной печи. Это было зафиксировано в 31 году нашей эры как нововведение китайского инженера-механика и политика Ду Ши , префекта Наньяна. [45] Хотя Ду Ши был первым, кто применил силу воды к сильфонам в металлургии, первая нарисованная и напечатанная иллюстрация его работы с силой воды появилась в 1313 году нашей эры, в тексте эпохи династии Юань, названном Нонг Шу . [46]
В XI веке есть свидетельства производства стали в Китае Сун с использованием двух методов: «берганесского» метода, при котором производилась низкокачественная гетерогенная сталь, и предшественника современного бессемеровского процесса, в котором использовалась частичная декарбонизация путем повторной ковки под холодным дутьем. . [47] К 11 веку в Китае произошла значительная вырубка лесов из-за потребности металлургической промышленности в древесном угле. [48] Однако к этому времени китайцы научились использовать битуминозный кокс вместо древесного угля, и благодаря этому переключению ресурсов многие акры первоклассных лесных массивов в Китае были сэкономлены. [48]
Самый ранний предмет из выплавленного железа в Европе - это лезвие ножа катакомбной культуры на территории современной Украины, датируемое ок. 2500 г. до н.э. [49] На протяжении большей части среднего и позднего бронзового века в Европе железо присутствовало, хотя и в недостаточном количестве. Его использовали для личных украшений и небольших ножей, для ремонта бронзы и биметаллических изделий. [50] Ранние находки плавленого железа из Центральной Европы включают железный нож или серп из Гановце в Словакии, возможно, датируемый 18 веком до нашей эры, [51] железное кольцо из Форволде в Германии, датируемое примерно 15 веком до нашей эры, [52] и железное долото из Хегермюле в Германии, датируемое примерно 1000 годом до нашей эры. [53] [54]
Металлургия железа начала практиковаться в Скандинавии во время позднего бронзового века , по крайней мере, с 9 века до нашей эры. [55] В 11 веке до нашей эры железные мечи заменили бронзовые мечи в Южной Европе, особенно в Греции, а в 10 веке до нашей эры железо стало преобладающим металлом в использовании. [56] В Карпатском бассейне наблюдается значительное увеличение количества находок железа, датируемых 10 веком до нашей эры, причем некоторые находки, возможно, датируются уже 12 веком до нашей эры. [57] Железные мечи были найдены в Центральной Европе и датируются 10 веком до нашей эры, однако железный век начался всерьез с гальштатской культурой 800 года до нашей эры. [58]
С 500 г. до н. э. в культуре Ла Тен наблюдался значительный рост производства железа, при этом металлургия железа также стала распространенной в южной Скандинавии. На севере Швеции производство стали началось примерно в 0 году нашей эры в результате миграции охотников-собирателей с востока на запад в Северную Шапку . [59] [60] Распространение обработки железа в Центральной и Западной Европе связано с кельтской экспансией. Кельтские кузнецы производили сталь примерно с 800 г. до н.э. как часть производства мечей, [61] а производство высокоуглеродистой стали засвидетельствовано в Великобритании примерно после 490 г. до н.э. [62] К I веку до нашей эры нориковая сталь славилась своим качеством и пользовалась большим спросом у римских военных .
Годовой объем производства железа в Римской империи оценивается в 84 750 тонн . [63]
Археометаллургические научные знания и технологические разработки зародились во многих центрах Африки; центры происхождения располагались в Западной Африке , Центральной Африке и Восточной Африке ; следовательно, поскольку эти центры происхождения расположены во внутренней Африке, эти археометаллургические разработки, таким образом, являются местными африканскими технологиями. [64] Развитие металлургии железа произошло в 2631 г. до н.э. – 2458 г. до н.э. в Ледже, в Нигерии, в 2136 г. до н.э. – 1921 г. до н.э. в Обуи, в Центральноафриканской Республике, в 1895 г. до н.э. – 1370 г. до н.э. в Чире Ума 147, в Нигере, и в 1297 г. до н.э. – 1051 г. до н.э. в Декпассанваре, Того. [64]
Хотя существует некоторая неопределенность, некоторые археологи полагают, что металлургия железа развивалась независимо в странах Африки к югу от Сахары (возможно, в Западной Африке). [65] [66]
Жители Термита на востоке Нигера выплавляли железо около 1500 г. до н.э. [67]
В районе гор Аир в Нигере также есть признаки независимой выплавки меди между 2500 и 1500 годами до нашей эры. Процесс находился в неразвитом состоянии, что указывает на то, что плавка не была иностранной. Он стал зрелым около 1500 г. до н. э. [68]
Археологические памятники, содержащие печи для выплавки железа и шлак , также были раскопаны в районе Нсукка на юго-востоке Нигерии , на территории современного Игболенда : датируемые 2000 г. 750 г. до н. э. и на месте Опи (Холл, 2009). [66] На месте Гбабири (в Центральноафриканской Республике) обнаружены свидетельства металлургии железа: восстановительная печь и кузнечная мастерская; с самыми ранними датами 896–773 до н.э. и 907–796 до н.э. соответственно. [70] Точно так же плавка в печах типа «блумери» появилась в культуре Нок в центральной Нигерии примерно к 550 году до нашей эры, а возможно, и на несколько столетий раньше. [6] [7] [71] [ сомнительно ] [65] [70]
Есть также свидетельства того, что углеродистая сталь производилась в Западной Танзании предками народа хайя еще 2300–2000 лет назад (около 300 г. до н.э. или вскоре после этого) с помощью сложного процесса «предварительного нагрева», позволяющего поддерживать температуру внутри печи. достигать 1300-1400°С. [72] [73] [74] [75] [76] [77]
Обработка железа и меди распространилась на юг по континенту, достигнув мыса примерно в 200 году нашей эры . общества, с которыми они столкнулись по мере того, как расширялись и обрабатывали более обширные территории саванны . Технологически превосходные люди, говорящие на языке банту, распространились по южной Африке и стали богатыми и влиятельными, производя железо для инструментов и оружия в больших промышленных количествах. [6] [7]
Самыми ранними упоминаниями о печах типа «блумери» в Восточной Африке являются открытия плавленого железа и углерода в Нубии , которые датируются периодом между 7 и 6 веками до нашей эры, [78] [79] [80], особенно в Мероэ , где, как известно, были древние цветочные заводы, производившие металлические инструменты для нубийцев и кушитов и производившие излишки для их экономики.
Технология железа получила дальнейшее развитие благодаря нескольким изобретениям в средневековом исламе , во время исламского золотого века . В их число входили различные промышленные мельницы с водяным и ветровым приводом для производства металла, в том числе мельницы с редуктором и кузницы . К XI веку в каждой провинции мусульманского мира работали эти промышленные мельницы, от исламской Испании и Северной Африки на западе до Ближнего Востока и Центральной Азии на востоке. [81] Есть также упоминания о чугуне 10-го века , а также археологические свидетельства использования доменных печей в империях Айюбидов и Мамлюков с 11-го века, что позволяет предположить распространение китайской металлотехнологии в исламском мире. [82]
Мельницы с редуктором [83] были изобретены мусульманскими инженерами и использовались для дробления металлических руд перед добычей. Мельницы в исламском мире часто делались из водяных и ветряных мельниц. Чтобы адаптировать водяные колеса для измельчения зерна, использовались кулачки для подъема и отпускания молотков . [84] Первая кузница , приводимая в движение водяной мельницей с гидроприводом , а не ручным трудом, была изобретена в исламской Испании 12 века. [85]
Одной из самых известных сталей, производимых на средневековом Ближнем Востоке, была дамасская сталь, используемая для изготовления мечей , и в основном производившаяся в Дамаске , Сирия , в период с 900 по 1750 год. Она производилась с использованием метода тигельной стали , основанного на более раннем индийском вуце . сталь . Этот процесс был принят на Ближнем Востоке с использованием сталей местного производства. Точный процесс остается неизвестным, но он позволил карбидам выпадать в осадок в виде микрочастиц, расположенных в листах или полосах внутри тела лезвия. Карбиды намного тверже, чем окружающая их низкоуглеродистая сталь, поэтому оружейники могли изготавливать лезвия, которые разрезали твердые материалы с помощью осажденных карбидов, в то время как ленты из более мягкой стали позволяли мечу в целом оставаться жестким и гибким. Группа исследователей из Технического университета Дрездена , которая использует рентгеновские лучи и электронную микроскопию для исследования дамасской стали, обнаружила наличие цементитных нанопроволок [86] и углеродных нанотрубок . [87] Питер Пауфлер, член дрезденской команды, говорит, что эти наноструктуры придают дамасской стали ее отличительные свойства [88] и являются результатом процесса ковки . [88] [30]
Принципиальных изменений в технологии производства железа в Европе на протяжении многих столетий не произошло. Европейские металлурги продолжали производить железо в цветочных цехах. Однако период Средневековья принес с собой два события: использование энергии воды в процессе цветения в различных местах (описано выше) и первое европейское производство чугуна.
Где-то в средневековый период для процесса цветения применялась сила воды. Вполне возможно, что это было в цистерцианском аббатстве Клерво еще в 1135 году, но оно определенно использовалось во Франции и Швеции в начале 13 века. [89] В Англии первым четким документальным свидетельством этого являются отчеты о кузнице епископа Дарема , недалеко от Бедберна , в 1408 году, [90] но это, конечно, не был первый такой металлургический завод. В районе Фернесс в Англии цветочные заводы с электроприводом использовались до начала 18 века, а недалеко от Гарстанга примерно до 1770 года.
Каталонская кузница представляла собой разновидность мощного блума. Блумери с горячим воздухом использовались в северной части штата Нью-Йорк в середине 19 века.
Предпочтительный метод производства железа в Европе до разработки процесса лужи в 1783–84 гг. Развитие чугуна в Европе отставало, потому что кованое железо было желаемым продуктом, а промежуточный этап производства чугуна включал в себя дорогостоящую доменную печь и дальнейшее рафинирование чугуна до чугуна, что затем требовало трудоемкого и капиталоемкого преобразования в кованое железо. [11]
На протяжении большей части Средневековья в Западной Европе железо все еще производилось путем обработки железных заготовок в кованое железо. Некоторые из самых ранних отливок железа в Европе произошли в Швеции, в двух местах, Лапфиттане и Винаритане, между 1150 и 1350 годами. Некоторые ученые предполагают, что эта практика последовала за монголами по всей России в эти места, но четких доказательств этой гипотезы нет. и это, конечно, не объясняет домонгольскую датировку многих из этих центров производства железа. В любом случае, к концу 14 века начал формироваться рынок чугунных изделий, поскольку возник спрос на чугунные ядра.
Альтернативным методом обезуглероживания чугуна была кузница для украшения , которая, по-видимому, была изобретена в районе Намюра в 15 веке. К концу того же столетия этот валлонский процесс распространился на Пай-де-Брэ на восточной границе Нормандии , а затем в Англию, где к 1600 году он стал основным методом изготовления кованого железа. В Швеции его представил Луи де Гир. в начале 17 века и использовался для производства железа , любимого английскими сталелитейщиками.
Разновидностью этого была немецкая кузница . Это стало основным методом производства пруткового железа в Швеции.
В начале 17 века мастера по металлу в Западной Европе разработали процесс цементации кованого железа . Кованые железные прутья и древесный уголь упаковывали в каменные ящики, затем запечатывали глиной и выдерживали при красном калении, постоянно поддерживая в бескислородном состоянии, погружая в почти чистый углерод (древесный уголь) на срок до недели. За это время углерод диффундировал в поверхностные слои железа, образуя цементную сталь или черновую сталь , также известную как цементируемая, когда части, обернутые железом (кирка или лезвие топора), становились тверже, чем, скажем, головка молотка топора. или гнездо вала, которое можно изолировать глиной, чтобы защитить их от источника углерода. Самое раннее место, где этот процесс использовался в Англии, было в Коулбрукдейле в 1619 году, где сэр Бэзил Брук имел две цементационные печи (недавно раскопанные в 2001–2005 годах [91] ). Какое-то время в 1610-х годах он владел патентом на этот процесс, но был вынужден отказаться от него в 1619 году. Вероятно, он использовал железо Леса Дина в качестве сырья, но вскоре было обнаружено, что железо рудных земель более подходящее. Качество стали можно улучшить за счет фаготирования , получения так называемой сдвиговой стали.
В 1740-х годах Бенджамин Хантсман нашел способ плавки черновой стали, полученной методом цементации, в тиглях. Полученная тигельная сталь , обычно отлитая в слитках, была более однородной, чем черновая сталь. [11] : 145
Ранняя выплавка железа использовала древесный уголь как источник тепла и восстановитель. К XVIII веку наличие древесины для производства древесного угля ограничивало расширение производства железа, так что Англия становилась все более зависимой в значительной части железа, необходимого для ее промышленности, от Швеции (с середины 17 века), а затем от Швеции. примерно с 1725 г. также и на Руси. [ нужна цитата ] Плавка угля (или его производного кокса ) была давней целью. Производство чугуна с коксом, вероятно, было осуществлено Дадом Дадли около 1619 года [92] , а с использованием смешанного топлива из угля и древесины - снова в 1670-х годах. Однако, вероятно, это был лишь технологический, а не коммерческий успех. Шадрах Фокс, возможно, выплавлял железо с коксом в Коулбрукдейле в Шропшире в 1690-х годах, но только для изготовления пушечных ядер и других чугунных изделий, таких как снаряды. Однако в мирное время после Девятилетней войны на них не было спроса. [93] [94]
В 1707 году Авраам Дарби I запатентовал метод изготовления чугунных горшков. Его горшки были тоньше и, следовательно, дешевле, чем горшки его соперников. Нуждаясь в большем количестве чугуна, он арендовал доменную печь в Коулбрукдейле в 1709 году. Там он начал производить железо с использованием кокса, основав таким образом первый успешный бизнес в Европе, занимающийся этим делом. Вся его продукция была изготовлена из чугуна, хотя его непосредственные преемники пытались (без особого коммерческого успеха) превратить ее в пруток из железа. [95]
Таким образом , стержневой чугун продолжали обычно изготавливать из угольного чугуна до середины 1750-х годов. В 1755 году Авраам Дарби II (с партнерами) открыл новую печь для сжигания кокса в Хорсхей в Шропшире, за ним последовали и другие. Они поставляли коксовый чугун в кузницы традиционного типа для производства пруткового железа . Причина задержки остается спорной. [96]
И только после этого начали разрабатываться экономически выгодные способы переработки чугуна в прутковый чугун. Процесс, известный как заливка и штамповка, был разработан в 1760-х годах и усовершенствован в 1770-х годах и, по-видимому, получил широкое распространение в Уэст-Мидлендсе примерно с 1785 года. Однако он был в значительной степени заменен процессом заливки Генри Корта , запатентованным в 1784 году. , но, вероятно, стал работать с серым чугуном только примерно в 1790 году. Эти процессы позволили значительно расширить производство железа, что представляет собой промышленную революцию в черной металлургии. [97]
В начале 19 века Холл обнаружил, что добавление оксида железа в шихту печи для лужи вызывает бурную реакцию, в ходе которой чугун обезуглероживается , это стало известно как «мокрая лужа». Также было обнаружено, что можно производить сталь, останавливая процесс лужи до завершения обезуглероживания.
Эффективность доменной печи была повышена за счет перехода на горячее дутье , запатентованное Джеймсом Бомонтом Нейлсоном в Шотландии в 1828 году . [92] Это еще больше снизило производственные затраты. В течение нескольких десятилетий рядом с ней появилась «печь» размером с печь, в которую направлялся и сжигался отходящий газ (содержащий CO) из печи. Полученное тепло использовалось для предварительного нагрева воздуха, подаваемого в печь. [98]
Помимо некоторого производства луженой стали , английскую сталь продолжали производить методом цементации, иногда с последующим переплавом для производства тигельной стали. Это были периодические процессы, сырьем которых было железо в слитках, особенно железо из шведских рудников.
Проблема массового производства дешевой стали была решена в 1855 году Генри Бессемером с внедрением бессемеровского конвертера на его сталелитейном заводе в Шеффилде , Англия. (Ранний преобразователь до сих пор можно увидеть в городском музее острова Келхэм ). В бессемеровском процессе расплавленный чугун из доменной печи загружался в большой тигель, а затем воздух продувал расплавленный чугун снизу, воспламеняя растворенный углерод из кокса. По мере выгорания углерода температура плавления смеси увеличивалась, но тепло от горящего углерода давало дополнительную энергию, необходимую для поддержания смеси в расплавленном состоянии. После того как содержание углерода в расплаве упало до нужного уровня, тягу воздуха отключали: типичный бессемеровский конвертер мог за полчаса превратить 25-тонную партию чугуна в сталь.
В 1860-х годах развитие регенеративных печей и более высокотемпературной огнеупорной футеровки позволило выплавлять сталь в мартеновском поде . Это было медленно и энергозатратно, но позволило лучше контролировать химический состав продукта и перерабатывать железный лом.
Кислотная огнеупорная футеровка бессемеровских конвертеров и ранних мартенов не позволяла удалять фосфор из стали известью, что продлевало срок службы пудлинговых печей для утилизации фосфористых железных руд, изобилующих в континентальной Европе. Однако в 1870-х годах был разработан процесс Гилкриста-Томаса , а позже основная футеровка была принята и для мартеновских горнов.
Наконец, основной кислородный процесс был внедрен на заводе Фост-Альпайн в 1952 году; модификация базового бессемеровского процесса: он подает кислород сверху стали (вместо барботирования воздуха снизу), уменьшая количество поглощения азота сталью. Кислородный процесс используется на всех современных сталелитейных заводах; последний бессемеровский конвертер в США был выведен из эксплуатации в 1968 году. Кроме того, за последние три десятилетия наблюдался значительный рост бизнеса мини-заводов, где в электродуговой печи плавится только стальной лом . Сначала эти заводы производили только прутковую продукцию, но с тех пор расширились до плоского и тяжелого проката, который когда-то был исключительной сферой деятельности сталелитейных заводов.
До этих событий 19-го века сталь была дорогим товаром и использовалась только для ограниченного числа целей, где требовался особенно твердый или гибкий металл, например, в режущих кромках инструментов и пружинах. Широкая доступность недорогой стали стала движущей силой Второй промышленной революции и современного общества, каким мы его знаем. Мягкая сталь в конечном итоге заменила кованое железо практически для всех целей, и кованое железо больше не производится в промышленных масштабах. За небольшим исключением, легированные стали начали производить только в конце 19 века. Нержавеющая сталь была разработана накануне Первой мировой войны и широко не использовалась до 1920-х годов.
Сталелитейную промышленность часто считают индикатором экономического прогресса из-за решающей роли, которую сталь играет в инфраструктурном и общем экономическом развитии . [99] В 1980 году в США работало более 500 000 сталеваров. К 2000 году количество сталеваров упало до 224 000. [100]
Экономический бум в Китае и Индии вызвал резкий рост спроса на сталь. В период с 2000 по 2005 год мировой спрос на сталь увеличился на 6%. С 2000 года известность приобрели несколько индийских [101] и китайских сталелитейных компаний, [ по мнению кого? ] , такие как Tata Steel (которая купила Corus Group в 2007 году), Baosteel Group и Shagang Group . [update]Однако по состоянию на 2017 год ArcelorMittal является крупнейшим в мире производителем стали . [102] В 2005 году Британская геологическая служба заявила, что Китай является ведущим производителем стали, на долю которого приходится около одной трети мировой доли; За ними последовали Япония, Россия и США соответственно. [103]
Большие производственные мощности по производству стали приводят к значительному количеству выбросов углекислого газа, связанных с основным производственным маршрутом. По оценкам, в 2019 году от 7 до 9% мировых выбросов углекислого газа приходится на сталелитейную промышленность. [104] Ожидается, что сокращение этих выбросов произойдет за счет изменения основного производственного маршрута с использованием кокса, увеличения переработки стали и применения технологии улавливания и хранения углерода или технологии улавливания и утилизации углерода.
В 2008 году сталь начала торговаться как товар на Лондонской бирже металлов . В конце 2008 года сталелитейная промышленность столкнулась с резким спадом, который привел к многочисленным сокращениям. [105]
Одним из недооцененных аспектов степной металлургии ранней бронзы и средней бронзы были эксперименты с железом. … В могиле катакомбного периода в Герасимовке на Донце (западная Россия/Украина), датируемой, вероятно, около 2500 г. до н. э., находился нож с ручкой из мышьяковой бронзы и лезвием из железа. Железо не содержало магнетита или никеля, как можно было бы ожидать от метеоритного железа, поэтому считается, что оно было выковано. Железные предметы были редкостью, но они были частью экспериментов, проводимых степными мастерами по металлу в эпоху ранней и средней бронзы.
технология производства железа практиковалась в Скандинавском регионе, по крайней мере, с девятого века до нашей эры (Hjärthner-Holdar 1993; Serning 1984).