Из чего делают вещи

Вольфрамовая руда, в основном, содержит вольфрам. Содержание вольфрама в руде составляет сотые доли процента.

Еще в древности люди научились отливать объемные предметы. Для этого из воска делали модель фигурки человека или животного. Затем на восковую модель наносили слой глины. После ее высыхания, полученную конструкцию нагревали до температуры плавления воска (температуры плавления 70 градусов по шкале Цельсия, то есть в горячей воде). Воск переходит в жидкое состояние и его сливают через специальное отверстие. Затем в это отверстие заливают жидкий металл. После его затвердевания разбивают глиняную форму и получают готовое литое изделие.

Совершенствование металлургических печей позволило плавить железо (температура плавления железа 1539 градусов по шкале Цельсия). На смену бронзовому веку пришел железный век (3-4 тысячи лет назад). Вначале люди использовали метеоритное железо. Это железо находят в местах падения метеоритов. Метеоритное железо почти не содержит углерода, а вот никеля и хрома может содержать до 7-8 %. Железо такого химического состава почти не подвергается коррозии.

В Индии, недалеко от Дели, до сих пор стоит цельная колонна, изготовленная из метеоритного железа в 3-4 веках до нашей эры. Высота колонны 18 метров, а вес 17 тонн. Предполагается, что колонна была отлита и ковкой доведена до нужной формы. Колонна за прошедшие 2400 лет существования не покрылась коррозией. Массовое изготовление железных предметов началось в 5-3 веках до нашей эры. К этому моменту люди научились из железной руды выплавлять железо. Метеоритного железа было недостаточно для массового изготовления и использования железных предметов. Железная руда имелась во многих регионах Европы и Азии. Орудия труда и воинское снаряжение из железа были намного прочнее и пластичнее бронзовых, но со временем подвергались коррозии. Поэтому от древних времен железные предметы до наших дней практически не сохранились.

На Руси начало железоделательного или кузнечного дела и изготовление изделий из железа относится к 6-8 веках нашей эры в районе Старой Ладоги (одна из древнейших столиц Древней Руси, ныне территория Ленинградской области). В то время использовали болотное железо, благо эти места изобилуют болотами. Болотное железо – это естественные отложения оксида железа, практически без примесей железная руда, на корнях болотных растений.

С 16 века русские начинают осваивать богатство Урала. Здесь были найдены залежи железной руды, самородной меди, медной руды, серебра и золота. Руду добывали открытым способом и шахтным в Уральских горах.

2600 лет назад в Древнем Китае был изобретен совершенно иной способ переработки железной руды. В древних странах средиземноморья и впоследствии в средневековой Европе железную руду нагревали в печах с помощью сжигания дров. В результате этого получалось ковкое железо, то есть которое можно ковать. В Китае впервые при переработке железной руды был использован каменный уголь или просто уголь. Каменный уголь представляет собой углерод с добавлением примесей, в основном, серы и фосфора. В рудоплавильной печи топливо находится вместе с рудой. Топливо горит потому, что в нем содержится углерод. При сжигании углерода выделяется тепло. Кроме того при горении происходит насыщение руды углеродом. В дровах содержится намного меньше углерода, чем в угле. Поэтому в конечном продукте, если в плавильной печи топливом служили дрова, получается ковкое железо. А если в качестве топлива использовался уголь, то получается железо непригодное к ковке. В любом случае происходит насыщение железа углеродом. При сжигании в рудоплавильной печи дров содержание углерода в железе меньше, чем при сжигании угля. По современной терминологии ковкое железо содержит углерода в количестве 0,05 до 2,14 % и называется сталью. Нековкое железо содержит углерода от 2,14 до 6,67 % и называется чугуном.

На Руси технологию получения чугуна переняли от монголо-татар в 13-14 веках, которые в свою очередь, завоевав Китай, узнали об этом. Вплоть до 16-17 веков Россия поставляла чугун в Европу, когда там стали производить его. Из чугуна лили пушки и ядра к ним. Изготавливали колокола, пищевые котлы, сковородки и другое.

Работа кузнецов.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e8/Kr?yer_-_Smedje_i_Hornb?k.jpg?download (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e8/Kr%C3%B8yer_-_Smedje_i_Hornb%C3%A6k.jpg?download)

Каслинское чугунное литье

История рождения каслинского чугунного литья начинается с 1747 года когда был организован Каслинский железоделательный и чугунолитейный завод (ныне город Касли Челябинской области). Уже через несколько лет чугунолитейная продукция завода стала известна в Европе. Чугунное каслинское литье покрывается специальной черной эмалью.  Для Парижской всемирной выставка прикладного искусства 1900 года, каслинские мастера отлили огромный чугунный павильон. В центре павильона стояла скульптура «Россия», изображающая женщину-воина, оберегающую мир и готовую к новым победам. Павильон был признан шедевром литейного искусства и получил высшую награду – «Гран-При». В настоящее время мастера завода поддерживают старые традиции и добиваются новых результатов.

Скульптура из чугуна «Россия», 1896 год

Автор: Н.А. Лаверецкий (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%B5%D1%86%D0%BA%D0%B8%D0%B9,_%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B0%D0%B9_%D0%90%D0%BA%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87) Местонахождение: Екатеринбургский музей изобразительных искусств (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%BA%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BD%D0%B1%D1%83%D1%80%D0%B3%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BC%D1%83%D0%B7%D0%B5%D0%B9_%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%B8%D1%81%D0%BA%D1%83%D1%81%D1%81%D1%82%D0%B2)https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3f/1896_Laveretski_Skulptur_Russland_anagoria.jpg/440px-1896_Laveretski_Skulptur_Russland_anagoria.jpg (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3f/1896_Laveretski_Skulptur_Russland_anagoria.jpg/440px-1896_Laveretski_Skulptur_Russland_anagoria.jpg)

В настоящее время Россия занимает первое место в мире по открытым запасам железной руды. Наиболее крупные месторождения железной руды в России:

– Курская магнитная аномалия расположена в Курской, Орловской, Белгородской и Воронежской областях. Содержание железа в руде составляет 60-65 %,

– Западно – Сибирский железорудный бассейн, крупнейшее в мире месторождение (Томская область), содержание железа в руде более 30 %.

– Качканарский железорудный бассейн (Свердловская область), содержание железа в руде более 16 %.

– Бочарское месторождение (Томская область), содержание железа в руде до 57 %.

В основном железная руда добывается открытым способом в карьерах. Производится подрыв горной породы и большие шагающие экскаваторы своими огромными ковшами грузят ее в большегрузные автомобили. Объем ковша шагающего экскаватора достигает 100 метров кубических, то есть в таком ковше может поместиться двухкомнатная квартира. Грузоподъемность карьерных самосвалов достигает 450 тонн. Этот груз можно перевести на семи железнодорожных вагонах. Автомобили вывозят руду из карьера на поверхность земли и перегружают в железнодорожные вагоны. Железнодорожные составы доставляют руду на обогатительные фабрики. Суть обогащения состоит в том, что различными технологическими методами руду очищают от песка, глины и других посторонних минералов. Оставшаяся руда называется железным концентратом, в нем содержится до 90 % железа. В России первую промышленную технологию по обогащению железной руды разработал великий русский ученый-энциклопедист Михаил Васильевич Ломоносов.

Михаил Васильевич Ломоносов великий русский ученый-энциклопедист (1711-1765) .Его работы по химии, физике, металлургии, стекловарению нашли практическое применение в промышленности. Кроме этого он написал первую историю Русского государства, занимался языковедением, писал стихи и оды.

За тысячи лет человечество прошло путь от первых металлоплавильных печей до современных доменных печей.

Домна – устройство для плавления железной руды и получение чугуна.

Чугун – железо содержащее углерод в пределах 2,14 – 6,67% .

Доменная печь представляет вертикальный полый цилиндр. Внутренность цилиндра облицована огнеупорным кирпичом. В доменную печь сверху с помощью вагонеток послойно засыпают железную руду, известняк и каменноугольный кокс.

Ломоносов М.В. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Mikhail_Lomonosov_%281757%29.jpg/548px Mikhail_Lomonosov_%281757%29.jpg (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Mikhail_Lomonosov_%281757%29.jpg/548px%20Mikhail_Lomonosov_%281757%29.jpg)

Известняк это горная порода содержащая карбонат кальция. Широко применяется в строительстве, так как камень хорошо обрабатывается режущим инструментом, имеет белый, бело-желтый или розовый цвет.

Каменноугольный кокс – продукт, получаемый при нагревании угля без доступа воздуха при температуре 1000 градусов по шкале Цельсия. По химическому составу кокс это почти чистый углерод.

Получают кокс на коксохимических заводах. В коксовые батареи загружают высококачественный уголь (коксующийся уголь). При температуре около 1000 градусов по шкале Цельсия без доступа воздуха из угля выводится сера и другие вредные примеси. Остается почти чистый углерод. При сжигании кокс дает большую температуру нагрева, чем уголь.

При сгорании кокса температура в домне повышается до 2000 градусов по шкале Цельсия. При такой температуре оксиды железа восстанавливаются, то есть получается чистое железо. Соединяясь с углеродом, содержащимся в коксе, образуется чугун. При такой температуре чугун находится в жидком состоянии. Температура плавления чугуна зависит от содержания углерода и изменяется от 1150 до 1600 градусов по шкале Цельсия. Жидкий чугун стекает вниз доменной печи и накапливается до определенного объема.

Затем через специальное отверстие (летку) сливается в ковш и разливается по изложницам. После затвердевания (кристаллизации) чугуна в изложнице образуется слиток. Его извлекают из изложницы и направляют в прокатный цех. Масса слитка составляет 6-10 тонн.

Изложница похожа на огромный стакан, немного расширяющийся к верху. Высота ее составляет около двух метров. Изготовлена изложница из чугуна.

Дамасская сталь и булат

Одним из главных применений железа, особенно в прошлые времена, было изготовление холодного оружия: ножей, мечей, сабель, наконечников копий, доспехов, кольчуг и других военных принадлежностей. К холодному оружию предъявляются два основных требования: они должны быть твердыми и сохранять остроту при применении, а с другой стороны пластичными, чтобы не раскрашивались при ударах. Чем выше твердость стали, тем острее можно заточить оружие и дольше оно не тупиться. Пластичность это свойство материала сопротивляться деформации под действием приложенной внешней нагрузки. Чем меньше нагрузка сопротивления деформации, тем больше пластичность материала. Для обычной стали высокая прочность сопровождается низкой пластичностью. Таким сочетанием свойств обладает оружие, изготовленное из дамасской стали. Свое название она получила по городу Дамаск в Передней Азии. Есть предположение, что в начале нашей эры в Дамаске был крупный рынок холодного оружия.

Дамаск – город в Передней Азии с пятитысячелетней историей, сейчас столица Сирии.

Эффект одновременного сочетания высокой прочности и пластичности достигается способом изготовления. При изготовлении, например, сабли, несколько тонких пластин с разной твердостью в горячем состоянии проковывают, добиваясь их сцепления между собой на уровне атомных взаимодействий. Это называется сваркой под давлением. В результате такой обработки несколько сваренных пластин образуют монолит, то есть единое целое. Пластины с высокой твердостью придают изделию твердость, а с высокой пластичностью – пластичность. На поверхности готового изделия из дамасской стали хорошо был виден узор, которого у обычной стали не было. Этот узор на каждом изделии был свой. Появление узора обусловлено технологией сварки при ковке нескольких пластин.

Часто саблям из дамасской стали в художественной литературе приписывают небывало удивительные свойства: необычайные твердость и пластичность. Это, конечно, преувеличения и к такой информации необходимо критически относиться.

В России аналогом дамасской стали является булат. Первые мечи и сабли из булата были привезены из Персии и Индии. Однако привезенное из южных стран оружие зимой на морозе при ударе крошилось и рассыпалось. Русские мастера изменили технологию получения булата. Они скручивали несколько полос стали и проковывали до получения формы нужного изделия. Технология получения булатной стали держалась в большом секрете и передавалася от отца к сыну. Но со временем технология была утрачена. Многие западные ученые пытались разгадать тайну булатной стали, но тщетно.

Тайну булатной стали удалось раскрыть великому русскому ученому – металлургу Павлу Петровичу Аносову в 1839 году. В то время он работал управляющим Златоустовских железоделательных заводов на Урале. Проводя многочисленные опыты по выплавке и ковке стали он добился высокой твердости, сочетающейся с высокой пластичностью. На выставке в Лондоне при ударе булатным клинком по английскому клинку на последнем оставалась большая зазубрина, а на аносовском – еле заметная царапина. Да и после изгиба форма булатного клинка полностью восстанавливалась. Узор на булатном изделии получается вследствие технологических действий, а не специально наносится.

Великий русский металлург П.П. Аносов.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ca/Anosov.jpg (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ca/Anosov.jpg)

Клинок ножа из булата

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bulat1.JPG?uselang=ru (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bulat1.JPG?uselang=ru)

До сих пор холодное оружие из булатной стали пользуется большим спросом у коллекционеров

История прокатного производства

В Древнем Риме для изготовления листовых металлических предметов использовалась ковка. Отлитая заготовка из меди, бронзы или свинца подвергалась горячей или холодной ковке для придания ей плоской формы толщиной в несколько миллиметров. Такие плоские листы или пластины использовали как кровельный материал или защиту от вражеских стрел и копий в оборонительных сооружениях.

Перекрытия крыши собора Нотр – Дам (собор Парижской Богоматери) в Париже были изготовлены из дубовых балок и покрыты тонкими свинцовыми пластинами.

Среди рисунков великого инженера, художника и мыслителя Леонардо да Винчи (15-16 века) обнаружен рисунок первого устройства похожего на современный прокатный стан. Остается лишь загадкой: то ли великий инженер сам его придумал, то ли где-то увидел.

Леонардо да Винчи. Автопортрет.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/ba/Leonardo_self.jpg (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/ba/Leonardo_self.jpg)