Индустриалната революция и строителството на мостове - Трета част

Металургия

Металургията до 18-ти век се характеризира с използване на познатите от миналото технологии за топене и леене на метали. Производството на метали се извършвало в доменни пещи. Това са металургични пещи с непрекъснат режим на работа, в които рудата и въглищата се зареждат отгоре, а металът и шлаката изтичат в долния край. 

Диаграма на доменните пещи

1. Горещ въздух от Каупърови пещи

2. Зона на топене (чаша)

3. Зона на редукция на железен оксид

4. Зона на редукция на железен оксид (комин)

5. Зона за предварително нагряване (гърло)

6. Захранване с руда, варовик и кокс

7. Изгорели газове

8. Колона от руда, кокс и варовик

9. Отстраняване на шлака

10. Отливане на разтопен чугун

11. Отпадъчни газове

Пред 1709 година Ейбрахам Дарби (Abraham Darby) заменя въглищата с кокс в доменната си пещ в Колбрукдейл (Coalbrookdale), вследствие на което получил чугун с много по-високо качество. От него той отливал саксии, както и другите леярни в района, но неговите били с много по-тънки стени и по-здрави, а също и по-евтини. Чугунът не бил подходящ за вторична обработка метал. Той не можел да се подлага на вторична обработка в ковашките работилници, тъй като е крехък и трошлив. Една от причините за това била наличието на сяра в желязната сплав, която се съдържала в кокса и в по-голяма степен във въглищата.

Първата крачка към решаването на проблема била направена през 1750 година, когато в доменните пещи започнали да използват духала, задвижвани от парни двигатели на Нюкомен. Температурата в пещтите се повишила и това позволило да се добави към рудата и кокса достатъчно варовик, който да се елиминира отрицателното влияние на сярата.

За обработката на желязото и използването му като метал за масова употреба обаче трябвало от чугуна да се направи ковко желязо.

Желязото се среща в земната кора под формата на желязна руда, свързано с други елементи, като кислород или сяра. Типични, съдържащи желязо минерали, са хематитът (Fe₂O₃) и пиритът(FeS₂). Желязото се извлича от рудата, чрез отделяне на кислорода и сярата, което става при топене, с използване на химически, редуциращи материали. Тъй като повечето руди са нечисти, често е необходимо да се използва флюс, като варовик, за да се отстрани придружаващият скален пласт. Като резултат, металът се отделя от излишните съединения. При топенето се използва подходящ температурен режим и химически редуциращ агент, за да се отделят и изхвърлят излишните елементи под формата на газове или шлака.

Флюсът и шлаката изпълняват допълнителна роля при производството - да осигурят защита на метала, след завършване на редукционния етап. Те осигуряват разтопено покритие върху пречистения метал, предотвратявайки контакта с кислород, докато е все още достатъчно горещ, за да се окисли лесно. Това предотвратява образуването на примеси в метала.

Топенето не е само процес на загряване на рудата, а и добавяне на подходящи редуциращи вещества, които се свързват с оксидиращите елементи, за да се освободи металът. Редуциращият агент обикновено е източник на въглерод, какъвто е кокса.  В по-ранни времена са използвали въглища, но те водили до значителни замърсявания на желязото.

Сплавите на желязото с въглерод, които съдържат въглерод над 2,14% се наричат чугуни. Чугуните се различават от стоманите по редица свойства – имат по-ниска температура на топене, по-крехки са и могат да се отливат по-добре от тях. Сплавите със съдържание на въглерод под 0,025% са по-близки по свойства до чистото желязо – по-меки са и имат значително по-ниска якост.

До средата на 19 век са били познати и произвеждани два основни вида желязо:

· чугун, който е много трошлив;

· твърдо ковашко желязо.

Твърдото ковашко желязо се получавало от чугун в пудлингови пещи, среща се и като пудалови  пещи, (от англ: puddling - разкалявам), в които с помощта на кис­лород се изгаря излишният въглерод. Процесът бил трудоемък и отнемал много време за производство. През 1783-1784 година Хенри Корт (Henry Cort) патентова пудлинг процеса за рафиниране на чугун.

Айфеловата кула е изработена от ковано желязо, добито в пудлингови пещи

Най-големият кораб между 1858 и 1899 година SS GREAT EASTERN е изработен от желязо, добито в пудлингови пещи

Пудлингът бил една от стъпките при получаване на първите значителни обеми от висококачествено твърдо ковашко (ковашко = ковано) желязо по време на индустриалната революция. В оригиналната пудинг технология се използва разтопен в реверберационна пещ чугун, който се разбърква за да настъпи окисление на въглерода в желязо-въглеродната сплав при което количеството въглерод намалява. Това е един от първите процеси за производство на желязо без бариери в Европа, въпреки че в Китай са съществували много по-ранни методи.
Много индустрии по онова време били ограничени от липсата на стомана, разчитайки само на чугун и ковано желязо. Примерите включват конструкции на железопътни мостове, където коварният характер на чугуна се усеща силно от много инженери и проектанти. Имало много инциденти, когато чугунени греди внезапно се разрушават, както при катастрофата на моста на река Дий (Dee) през май 1847 година, срутването на моста Утън (Wooton) и инцидента с моста Бул (Bull) през 1860 година, катастрофата на моста Тай (Tay) от 1879 година. Неуспехите продължили, докато всички конструкции от чугун били заменени със стоманени конструкции. Конструкциите от ковано желязо били много по-надеждни и с по-малко неуспехи.

Ковано желязо е здрав, ковък, еластичен, устойчив на корозия и лесно заваряем метал. Преди разработването на ефективни методи за производство на големи количества стомана, кованото желязо е най-често срещаната форма на ковък чугун.

Модерният функционален еквивалент на кованото желязо е меката или нисковъглеродна стомана. Нито кованото желязо, нито меката стомана съдържат достатъчно въглерод, който да се втвърдява чрез нагряване и закаляване.

Преди навлизането на стоманата, много предмети са били изработвани от  ковано желязо, включително: нитове, пирони, тел, вериги, релси, железопътни скрепления, тръби, гайки, болтове, подкови, перила, колооси за вагони, декоративни железни изделия, както и за много други неща.

Стоманата е сплав на желязо и въглерод, в която съдържанието на въглерод варира в границите от 0,025% до 2,14%. Стоманите съдържат и легиращи елементи (манган, никел, хром, молибден, бор, титан, ванадий, ниобий) и примеси като фосфор, сяра, силиций, кислород и др.

Кислороден конвертор на Бесемер

Работа с кислороден конвертор

Макар че стоманата се произвежда по различни методи още от дълбока древност, тя започва да се произвежда масово след изобретяването през 1856 г. от Хенри Бесемер на по-ефективен начин за нейното производство, получил впоследствие неговото име – бесемеров конверторен процес. 

Хенри Бесемер го съкратил, като из­лял разтопен чугун в измисления от него конвертор и прекарал през него студен въздух. Така освен полученото качествено желязо за обработка, Бесемер намалява времето за производство до половин час и намалява цената за производство на тон желязо от £40 на £7 паунда.

Полученото желязо било ковко и много добро за обработка, дори е било наречено „меко желязо".

По късно германският индустриалец Алфред Круп започва да произвежда по тази технология стомана с големи обеми в своята компания Круп.

Последвалите подобрения в технологията, като основния конверторен процес, открит от Джилхрист Томас и създадените на негова основа Кислородно-конверторен процес, Мартеновия процес (изобретен от френският учен Пиер Мартен през 1863 г.) и електродъговия стоманодобивен процес, които понижават стойността на стоманата и повишават нейното качество.

Според начина на производство стоманата може да бъде:

·  конверторна – произведена по някои от конверторните процеси в конвертори;

· Мартенова стомана – произведена по Сименс-Мартенов способ в пещи с открит под;

· електростомана – произведена в електродъгови пещи.

Впоследствие стоманата се валцува в различни сортове прокат – листове, армировъчни пръти, тръби, профили, релси и други.

Валцуването е един от най-често използваните методи за металообработка под налягане. Металните заготовки се задвижват през валцовъчни машини където минават между специално оформени ролки.  По този начин се изработват листове и висококачествен металопрокат. Според температурата на процеса се различава горещо и студено валцуване. Горещото валцоване се извършва, когато температурата на метала надвишава температурата на рекристализация на стоманата, а студеното валцуване се извършва при температурата на метала под температурата на рекристализация. (За металургичната промишленост средната стойност на рекристализацията е равна на 0,4 от точката на топене на метала.)

Най-ранното производство на желязни изделия в Европа се извършвало в ковачници, където първоначално ръчно, а после и механизирано желязото било подлагано на температурна и механично обработка, до подобряване на неговите качества и изработването на необходимите предмети.

Механичен ковашки чук от леярните в района на Крозо (Creusot), Франция  - 1878 г.

Рисунка на стара шведска валцувъчна мелница

Валцуването на металите в Европа може да се види на някои рисунки на Леонардо да Винчи. Най-ранните подобия на валцови мелници, но със същите основни принципи са открити в Близкия изток и Южна Азия и датират още през 600 г. пр. Хр. Известно е, че най-ранните валцови мелници, използвани в Европа са били разрязващи мелници, които са изполвани в Белгия и въведени в Англия през 1590. През тях преминавали  плоски отливки, за да образуват желязна плоча, която след това преминавала между нарезни (режещи)  ролки за да се получат железни пръти.

Съвременната практика може да бъде приписана на пионерските усилия на Хенри Корт. През 1783 г. е издаден патент на Хенри Корт за използването на набраздени ролки за валцуване на железни пръти, като елемент от усъвършенстваната от него пудлингова пещ.  С този нов дизайн, мелниците са могли да произвеждат 15 пъти повече продукция на ден, отколкото с чук. Въпреки че Корт не е първият, който използва нарезни ролки, той е първият, който комбинира използването на много от най-добрите характеристики на различни процеси на изработка и оформяне, известни по това време. Съвременниците му са го наричали "баща на модерното валцуване".

Първата железопътна валцоваща мелница е създадена от Джон Биркеншоу през 1820 година, с която той произвежда релси от ковано желязо с дължина от 15 до 18 фута. С напредъка на размера на валцовите мелници нараства, нараства и размерът на валцуваните продукти. Един пример за това е показаната на Голямото изложение* през 1851 година плоча с дължина 20 фута (6,10 метра), ширина 3 ½ фута (1,06 м) и дебелина 7/16 инча (11 мм) и с тегло 1 125 килограма. От подобни листи е изработен и първият железен кораб SS Great Eastern.

Изграждането на SS Great Eastern от 1854 до 1858 год. e изпълнено от железни листи, свързани с нитове

Съвременно валцуване на метали  -  1

Съвременно валцуване на метали  -  2

Съвременно валцуване на метали  -  3

_______________________________

*Забележка: Голямото изложение е международно изложение, първото от поредицата световни изложения в областта на културата и индустрията, които ще станат изключително популярни през 19 век. Провежда се от 1 май до 15 октомври 1851 г. в Хайд Парк, Лондон. Пълното име на събитието е Голямото изложение на произведения на индустрията на всички нации (на английски: The Great Exhibition of the Works of Industry of all Nations или The Great Exhibition).

Край на Трета част

Литература:
1. Encyclopedia Britanica: The Industrial Revolution (1750–1900)
2. Wikipedia

Към:

Индустриалнареволюция и строителството на мостовете - Първа част;

Индустриална революция и строителството намостовете - Втора част;

Индустриална революция и строителството на мостовете - Трета  част.

→  Начало