Скачать fb2
Занимательно о железе

Занимательно о железе

Аннотация

    Словом «железо» обозначают всю совокупность черных металлов, изделия из чугуна и стали. В сплавах на основе железа сочетаются прочность, пластичность, способность превращаться в изделия любой формы и противостоять ударным нагрузкам, работать при очень низких и довольно высоких температурах.
    Книга рассказывает о том главном, чем связаны все металлургические профессии — о железе, металле, который добывают и обрабатывают металлурги многих специальностей. Человеку, выбирающему металлургическую профессию, надо знать больше об истории металла, о том, что связано с его производством, обработкой и использованием.
    Читатель встретит в книге любопытные сведения о свойствах железа и его сплавов, узнает биографии железных вещей, познакомится со старинными легендами о железе, с некоторыми новейшими профессиями, с ролью железа в научно-технической революции, заглянет в будущее металлургии.
    Книга рассчитана на широкий круг читателей.



Н.А. Мезенин ЗАНИМАТЕЛЬНО О ЖЕЛЕЗЕ Издание 3-е, переработанное и дополненное

    Железо не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда. И трудно во всей таблице Менделеева найти другой такой элемент, который был бы так связан с прошлыми, настоящими и будущими судьбами человечества.
Академик А.Е. ФЕРСМАН

ЛЮДИ ОГНЕННОЙ ПРОФЕССИИ

Советская черная металлургия 

    Общеизвестны постоянно высокие темпы развития советской металлургии. Особенно значительны достижения этой отрасли в послевоенные годы. В начале 70-х годов советская металлургия вышла на первое место в мире по производству чугуна и стали. Теперь это высокоразвитая отрасль промышленности, оснащенная современными мощными агрегатами, обеспечивает своей продукцией не только народное хозяйство страны, но и поставляет значительное количество сырья и материалов в другие страны. Советская металлургия выплавляет ежегодно миллионы тонн стали, производит более 20 тысяч типоразмеров стальных труб, более 90 тысяч наименований метизов, свыше 4 тысяч разновидностей горячекатаных и гнутых профилей из 2 тысяч марок сталей.
    Важное значение черной металлургии в экономике страны бесспорно. Нет такой отрасли народного хозяйства, которая не потребляла бы черные металлы. Среди главнейших потребителей этой продукции такие отрасли, как машиностроение, строительство и транспорт. Доля черных металлов составляет более 95% всего объема потребления конструкционных материалов отраслями машиностроения. От роста производства этих металлов, расширения их сортамента и улучшения качества во многом зависят рост социалистического производства, ускорение технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства, повышение эффективности производства.
    Известно, что производство металлов — работа трудная. Но, несмотря на это, молодые люди приходят в металлургию, становятся настоящими металлургами, испытывая гордость за свою нелегкую, но такую нужную людям работу.
    Журналисты, описывая металлургическое производство, не забывают рассказывать, как человек, касаясь кнопки, управляет огромной печью высотой до 80 метров. Нажимая на рычаги, перемещает ковш, вмещающий до 300 тонн стали, и заливает металл в изложницы, хватает стальными руками десятитонные слитки и направляет их в прокатные валки.
    Нельзя забывать и о том, что металлург имеет дело с горячим металлом и его профессия не исключает тяжелого физического труда, необычных ситуаций, требующих мгновенной реакции и решимости. Однако настоящего металлурга не пугают эти трудности. Ощущение собственного могущества в укрощении горячего металла в большой степени определяет романтику огненной профессии. Вся страна ежегодно отмечает День металлурга — в этом тоже дань уважения к нелегкому труду.
    В старину говорили: “Человек неученый, что топор неточеный. Можно таким дерево срубить, да трудов много”.
    Для облегчения своего труда человек и приобретает профессию, овладевает специальными трудовыми навыками и теоретическими знаниями.
    Сколько же надо знать металлургу? Горняк и металлург XVI века Агрикола перечислял науки, знание которых необходимо для занятия горным делом и получения металлов. Среди них философия (“дабы он мог знать происхождение и природу подземного мира”), медицина, астрономия, наука чисел и измерений, архитектура, рисование и вопросы права. Вот, чем определялся круг профессиональных знаний металлурга 400 лет назад. Какие же знания необходимы металлургу в наше время? Особое внимание обращается на подготовку специалистов, обладающих не только общенаучными и производственными (практическими) знаниями, но и умеющих оценивать важность новых изобретений, открытий, организовать и осуществить их реализацию.
    Существуют различные формы подготовки специалистов, например профессионально-техническое училище, техникум, институт. По уровню подготовки техническое училище приближается к техникуму, после окончания которого можно продолжать образование и повышать квалификацию.
    Система современного металлургического образования в СССР основана на органическом соединении теоретического обучения с практической подготовкой будущих специалистов. Теоретический фундамент образования в высших учебных заведениях составляют физико-математические и химические науки, механика, металловедение, теория металлургических процессов, электроника, экономика и другие. На старших курсах изучают специальные дисциплины, определяющие специализацию в области металлургии. В соответствии с требованиями НТР в вузах изучают научную организацию труда, автоматизированные системы управления и электронно-вычислительные машины, их практическое применение в металлургии, роботизацию, управление качеством продукции, малоотходные и безотходные технологии, рациональное использование топлива и материалов.
    Ежегодно десятки тысяч молодых специалистов — выпускников вузов и техникумов — примеряют спецовку металлургов. Будущие металлурги обучаются профессиям горновых доменных печей, подручных сталеваров, вальцовщиков, плавильщиков и в профессионально- технических училищах. В области металлургии встречается еще немало трудных проблем, в изучении и решении которых участвуют ученые-исследователи, инженеры-изобретатели, рабочие-новаторы.

Металлургические профессии 

    Говорят, что самой лучшей профессией называют ту, которой отдают все свои силы, энергию, знания. Авторитет профессии во многом зависит от того, как мы сами относимся к ней. “Если вы удачно выберете труд и вложите в него свою душу, то счастье само вас отыщет”, — писал К.Д. Ушинский. Какой же металлургической профессии отдать предпочтение?
    В современном производстве существует много металлургических профессий: доменщик, сталеплавильщик, прокатчик и другие.
    Доменщик стоит у начала металлургического цикла. Он первым встречает огненные реки выплавленного чугуна и направляет их в огромные ковши. Прикрывая щитком лицо, человек повелевает здесь бушующей стихией. Это красиво, увлекательно, но и ответственно, требует сильного характера, настойчивости.
    В доменном цехе трудятся люди разных специальностей — газовщики, горновые, водопроводчики, машинисты вагонов-весов и рудных кранов, мастера, технологи. Но ведущей среди них является специальность горнового — человека, который работает у горна, где накапливается стекающий сверху чугун. Чтобы стать горновым, надо овладеть широким кругом технических знаний: изучить теоретические основы доменного процесса, химические и физические свойства чугуна и шлака, устройство доменной печи, оборудования и механизмов у горна.
    Доменную печь в смене обслуживают несколько горновых. Старший горновой и его подручные перед выпуском плавки специальной электрической буровой машиной просверливают чугунную летку. Огненный ручей металла с шумом течет по литейному двору и по желобу падает в ковш. Сразу становится светло: тысячи искр поднимаются кверху подобно салюту.
    Продвигаясь между желобами, горновые “показывают” чугуну дорогу, разгоняют запруды. Когда же весь чугун вытечет, электропушка вновь забьет отверстие летки глиняной пробкой. Между выпусками горновые готовят площадку к приему следующей плавки, проверяют и обеспечивают исправность устройств и механизмов у горна, наличие заправочных материалов, инструментов, следят за приборами.
    Выплавляют сталь сталевар и его подручные. Работа у них жаркая, ведь температура расплавленной стали только в четыре раза меньше температуры поверхности солнца. От искусства мастеров к науке сталеварения — вот путь металлургии.
    Личное мастерство сталевара и сейчас не утратило своего значения. Пробу металла, взятую в печи, отправляют пневматической почтой в экспресс-лабораторию для анализа. Но еще до лабораторного анализа опытный сталевар может определить, какая сталь у него получается — по тому, как кипит ванна, как выглядит проба на изломе, какие искры взлетают в момент, когда металл из пробной ложки сливается на плиту.
    Множество контрольно-измерительных приборов следят за работой мартеновской и электросталеплавильной печей. Сталевар и его подручные должны понимать язык этих приборов и учитывать в своей работе. Подручные сталевара следят за правильной завалкой шихты, которую ведет машинист завалочной машины, заливают чугун, отбирают пробы, сливают шлак. Принимая участие во всех работах по обслуживанию печи, подручный постоянно готовится к тому, чтобы стать сталеваром.
    Подручных и горновых готовят как в профессионально-технических училищах, так и на металлургических заводах. В училищах молодой рабочий, кроме профессии металлурга, получает и среднее образование.
    Конверторщик, первый и второй подручный — вот бригада, обслуживающая конвертор — наиболее экономичный агрегат для получения литой стали.
    Распределены обязанности здесь так же, как и на мартеновской печи. Бригада следит за температурным режимом, плавкой стали, состоянием днища конвертора, отбирает пробы. Конверторщик определяет готовность плавки по цвету пламени и другим признакам, по внешнему виду жидкого чугуна узнает его температуру, изучает контрольно-измерительные приборы и технологию выплавки стали.
    Сварщик готовит слитки к прокатке, нагревая их в нагревательных печах или колодцах. Управляют блюмингом три машиниста попеременно: двое работают, третий отдыхает. Работа очень напряженная. Сидят машинисты в мягких креслах: их руки лежат на рычагах управления, ноги — на педалях. Руки в непрерывном движении — они управляют прокаткой слитков.
    Прокатный стан обслуживает бригада, состоящая из старшего вальцовщика, вальцовщика, подручного вальцовщика. Они продолжают прокатку заготовок, полученных на блюминге. Прокатанный металл по рольгангам движется на склад, где рабочие по уборке готового металла укладывают его в штабеля с помощью кранов.
    Многие металлургические профессии осваивают и женщины. Они трудятся контролерами ОТК и лаборантами в экспресс-лабораториях, экономистами и учетчиками, машинистами мостовых кранов и исследователями в заводских лабораториях.
    Познакомим читателя с профессией лаборанта в сталеплавильном цехе. Действия лаборанта предельно быстры и четки, постоянно звонят телефоны, в ступке размельчаются пробы. На анализ отводятся считанные минуты. С опозданием он просто никому не нужен. И как приятно, когда твою работу ценят цеховые работники!
    В металлургии, как нигде в другой отрасли, все тесно взаимосвязано. Если сталеплавильщики не получат вовремя чугун от доменщиков, то они задержат плавку и прокатчики останутся без стальных слитков, что приведет к простою стана. Знакомство с разными профессиями необходимо в целом для каждого металлурга.

ЖЕЛЕЗО-ВСЮДУ!

В живой природе

    Француз Мери в XIX веке сделал сенсационное открытие — обнаружил железо в крови человека. Несведущие в медицине люди были поражены сообщением Мери. Кто-то даже предложил чеканить медали из железа, выделенного из крови знаменитых людей, для увековечивания их памяти.
    В истории медицины известен такой печальный случай. Один студент-химик решил подарить своей возлюбленной кольцо, сделанное из железа собственной крови. Выпуская время от времени кровь, он получал соединение, из которого химическим путем выделял железо. Юноша погиб от наступившего малокровия. Он так и не собрал нужного количества железа для изготовления кольца. Бедняга не знал, что общее содержание железа в крови взрослого человека невелико и составляет в среднем 3–4 грамма, чего хватит разве что на два сапожных гвоздика.
    Входя в состав гемоглобина, железо определяет красную окраску этого вещества и, следовательно, цвет крови человека и животных. Железо необходимо каждому из нас, поскольку оно участвует во всех окислительно-восстановительных процессах, происходящих в организме.
    Железо поступает в организм с продуктами питания, главным образом в виде животных белков. В день из организма выделяется 1 миллиграмм железа, столько же должно поступить с продуктами питания. Однако организм усваивает обычно не более одной десятой от принятого с пищей железа. Следовательно, суточная норма пищи должна содержать не менее 10–15 миллиграммов этого элемента.
    Развитию железодефицитных анемий, в частности, способствует нерациональное питание: слишком долгое соблюдение щадящей диеты, увлечение модными разгрузочными днями, пристрастие исключительно к молочной пище, не всегда обоснованное ограничение мяса, яиц, овощей и фруктов.
    Если обнаружен дефицит железа, восстановить его баланс можно, правильно подбирая продукты питания. Больше всего железа содержится в печени, твороге, дыне, яблоках, сливах, абрикосах, тыкве, томатах, картофеле, ржаном хлебе.
    На Филлипинах и в Пуэрто-Рико законодательным путем разрешен выпуск риса только с добавкой витамина и железа. Такой же закон позже приняли в некоторых южных штатах Америки. Эти изменения приходится вносить из-за несовершенства круп в биохимическом смысле.
    Недостаток железа в организме человека необходимо компенсировать лекарственными препаратами, содержащими соли органических кислот. Современная медицина может предложить много различных препаратов, содержащих легкорастворимые соединения железа. При малокровии, упадке сил, после инфекционных заболеваний применяются препараты железа — восстановленное железо, молочнокислое закисное железо, углекислое закисное железо с сахаром, сернокислое закисное железо, таблетки Бло, настойка яблочнокислого железа, аскорбиновая кислота и другие.
    В растительном мире роль железа не менее важна. За исключением железобактерий, все живые организмы — от растений до человека — связывают вдыхаемый кислород в сложные соединения. В центре их молекул находится атом металла. Для растений — это атом магния, для животных — атом железа. Железо необходимо для образования хлорофилла, который обусловливает усвоение растениями углекислоты воздуха при помощи поглощаемой ими энергии солнечного света. Хотя железо не входит в состав хлорофилла, без него этот пигмент не образуется.
    Недостаток железа в почве вызывает железное голодание растений и заболевание — хлороз. Наиболее чувствительны к недостатку железа плодовые деревья — яблоня, груша, слива, персик, цитрусовые, а также малина, виноград. Применение комплексных препаратов, содержащих железо, помогло увеличить урожай яблок и других культур.
    В конце XIX века немецкий ученый Лидге опубликовал исследование о зависимости произрастания различных пород деревьев от содержания в почвах известных минералов. Он заметил, что в Прирейнских провинциях залежи железа покрыты по преимуществу березовым лесом, тогда как в окрестности их, не имеющих железных руд, растут дуб, бук и другие породы деревьев. Ученый установил зависимость роста известных пород деревьев от наличия тех или иных минеральных солей в почве.
    О зеленых разведчиках земных недр, о растениях-рудознатцах было известно давно. Еще М.В. Ломоносов заметил, что растительность над рудными жилами изменяет свой обычный облик. Использовав “ботаническую формулу” великого ученого, геологи открыли месторождения меди в центре Казахстана.
    Поиски руд по растениям теперь изучает специальная наука — био-геохимия. Таких растений — “геологов” известно более 40 видов. Добрым спутником залежей железных руд считают соссюрею или горькушу, многолетнее травянистое растение, произрастающее в Средней Азии, Сибири, на Дальнем Востоке. Ученые также установили, что зола из листьев березы имеет бурый цвет, если она росла на железорудном месторождении. Способность некоторых растений и живых существ накапливать химические элементы из окружающей среды иногда поразительна. Так, биологи обнаружили у морского огурца “умение” синтезировать обыкновенное железо в виде круглых шариков прямо под кожей. Диаметр этих шариков не превышает 0,002 миллиметра. Этот феномен — новое свидетельство того, что живые организмы способны осуществлять процессы, для нормального протекания которых нужны большие температуры и высокое давление. Это наводит ученых на мысль о создании биометаллургии.
    В условиях водно-воздушной обстановки в рудных шахтах минералы окисляются и обогащают рудничную воду железом и серной кислотой. При откачке вод на поверхности везде можно увидеть желто-коричневый осадок гидратов окиси железа. Железо в этих водах окислялось намного быстрее, чем в лабораторных условиях. Виновниками оказались бактерии из рода тиобациллус; из-за способности окислять закисное железо в кислых растворах они были названы ферроксиданс (железоокисляющая). Впервые о них сообщил еще в 1888 году русский микробиолог С.Н. Виноградский. Потребовалось немало времени для их изучения.
    В лабораторных условиях бактерии показали завидную работоспособность: скопление марганца размером со спичечную головку они создавали за две — три недели. Ученые полагают, что именно таким путем в течение многих тысяч и миллионов лет скапливались большие залежи железных и марганцевых руд. Так образовались знаменитое Криворожское месторождение в Советском Союзе и железнорудные залежи в районе Великих озер в США.
    Появились уже первые установки для микробиологической добычи минерального сырья (меди).
    В 1964 году создана первая в СССР бактериальная установка — на Дегтярском месторождении. За три месяца на ней получили несколько десятков тонн первой “бактериальной” меди. Опытно-промышленная установка по извлечению меди из руды методом микробиологической металлургии вступила в строй на Алмалыкском горнометаллургическом комбинате в 1982 году. В так называемой бедной руде поселили микробов, которые питаются серными окислами меди, выделяя при этом медный купорос. В полученный раствор засыпали стальную стружку, и чистый металл осаждался на ней ровным плотным слоем. Микробы-“металлурги” трудятся весьма производительно.

В морской воде и на дне океанов 

    Морскую воду иногда называют жидкой рудой: в ней содержится около 80 элементов. Если извлечь все железо, растворенное в морской воде, то его придется 35 тонн на каждого жителя планеты. Много ли это? Судите сами: за все существование человечества произведено около 6 тонн на каждого человека.
    Как ни велики минеральные ресурсы морской воды, наибольшее внимание ученых и инженеров привлекают сейчас минеральные богатства океанского дна. Об огромных скоплениях железомарганцевых конкреций на дне трех океанов мира известно еще со времен экспедиции английского корвета “Челленджер” в 1873–1876 годах. В последние годы после изучения возможностей промышленной добычи конкреций интерес к ним возрос.
    Типы железомарганцевых отложений разнообразны, начиная с пятен и корок, распространенных повсеместно, включая осколки снарядов морских орудий, на которых слой толщиной в несколько миллиметров нарастает за десятки лет, и кончая гранулами и кусками размером с картофелину. Конкреции могут лежать на дне так близко одна к другой, что общая картина напоминает мостовую. Такая сплошная мостовая из кусков отложений на плато Блейк занимает площадь 5 тысяч квадратных километров.
    Конкреции образуются в глубоких океанских впадинах, в мелких водах, заливах, морях и даже озерах. В центре обычно какой-либо предмет, например зуб акулы, а вокруг него образуется конкреция путем нарастания концентрированных колец осадков. Спорен вопрос о происхождении конкреций. До сих пор отсутствуют доказательства участия биологических процессов в образовании их. Химики надеются, что детальное изучение условий формирования конкреций позволит со временем научиться ускорять их рост и сделать процесс их образования управляемым.
    Конкреции состоят главным образом из гидратированных окислов марганца и железа. Они обладают способностью концентрировать из морской воды такие микроэлементы, как кобальт, никель, цинк, свинец.
    Считается, что в состав конкреций со дна Тихого океана входят 24,2% марганца, 14% железа, около 1% никеля, 0,5% меди, 0,35% кобальта; конкреции со дна Атлантического океана содержат в среднем 16,3% марганца, 17,5% железа, 0,45% никеля, 0,2% меди, 0,13% кобальта.
    Конкреции, содержащие до 20% марганца, 15% железа, по 0,5% никеля, кобальта и меди, имеются в морях, омывающих советскую территорию: в Белом море, в северной части Баренцева моря, в Рижском и Финском заливах и в Аральском море.
    Предлагаются самые различные проекты использования океанских запасов металлов. Так, японские судостроители создали оригинальную многоковшовую драгу для добычи полезных ископаемых с глубины 3 тысячи метров. Ее основа — прочный синтетический трос из пропилена длиной 8 тысяч метров. Он свободно свисает с судна и к нему прикреплены черпаки. Трос спускают с носа корабля, а поднимают у кормы. Обычно рассеянные на морском дне ископаемые добывали с помощью эрлифита — трубы, по которой поднимался воздух, закачиваемый с судна. Он увлекал воду, а вместе с ней добываемую руду, смешанную с водой в виде пульпы. Новый способ оказался вдвое эффективнее.
    В Советском Союзе организована лаборатория технологии подводной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов при Московском горном институте. В 1966 году были проведены опытно-разведочные работы и организовано первое опытное разведочно-эксплуатационное предприятие по добыче со дна моря титансодержащих песков.
    В нашей стране с успехом проведена пробная плавка на шихте из конкреций, собранных в Тихом и Индийском океанах исследовательским судном “Витязь”. Проведенные технологические испытания показали достаточную эффективность переработки конкреций, возможность полного извлечения марганца, никеля, кобальта, меди.
    Академик Л.А. Зенкевич поддерживает гипотезу инженеров-судостроителей А.Н. Дмитриева и М.Н. Диомидова, предложивших использовать давление воды на дне океана для проведения химических реакций в промышленных масштабах. Авторы проекта считают вполне осуществимым в будущем строительство на дне океана химических предприятий, сырьевой базой которых могут служить неисчерпаемые залежи океана. Они предлагают использовать для сбора конкреций ныряющие рудовозы-автоматы.
    Несомненно, минеральные подводные богатства станут основой океанской металлургии.

В земле

    Относительно происхождения планеты Земля высказываются различные гипотезы, согласно которым первоначально химические элементы были распределены в массе Земли более или менее равномерно. В ходе длительного и постепенного развития, связанного с изменением температурных условий на Земле, произошло перераспределение химических элементов.
    Химическим составом Земли, законами распространенности и распределения в ней химических элементов, способов сочетания и миграции атомов в ходе природных процессов занимается геохимия. О строении, составе и свойствах Земли имеются лишь предположительные сведения, так как непосредственному наблюдателю доступна лишь самая верхняя часть земной коры.
    Достижения науки еще в XVII–XVIII веках позволили с помощью сейсмических методов определить массу и среднюю плотность Земли: 5,5 г/см3. Однако плотность наиболее тяжелых пород на поверхности Земли не превышает 3,3 г/см3, поэтому возникло предположение, что плотность Земли повышается при увеличении глубины.
    Находки железных метеоритов и популярные в прошлом теории о происхождении Земли из горячего вещества Солнца привели многих ученых к мысли о концентрации железа в центре Земли. Высказывания французского геолога Дебре (1866 год) о железном ядре Земли вскоре получили поддержку специалистов по изучению колебаний земной коры — сейсмологов.
    Гипотеза о железном ядре Земли была развита в начале XX века в трудах немецкого сейсмолога Вихерта. По его мнению, существование железного ядра позволяет объяснить тот факт, что средняя плотность Земли 5,5 г/см3 больше средней плотности горных пород, встречающихся у земной поверхности (2,8 г/см3). Это представление подтверждается большим содержанием металлического железа в метеоритах. Из этой гипотезы следует, что внутреннее ядро Земли состоит из затвердевшего железа вследствие роста давления при сравнительно меньшем градиенте температуры в ядре.
    Если предположить, что поверхность внутреннего ядра разделяет твердое и расплавленное железо, то современные данные о фазовой диаграмме железа при высоких давлениях позволяют узнать температуру внутри ядра, что очень важно для изучения распределения температур в недрах Земли. Эксперименты с ударным сжатием железоникелевого сплава подтвердили вывод теории конечных деформаций о том, что плотность чистого железа при давлениях, соответствующих земному ядру, приблизительно на 8% больше плотности ядра. Почти наверняка в ядре в качестве примеси присутствует металлический никель. Но его добавление не понижает плотность[1].
    Австралийский исследователь в области физики твердой Земли Стейси считает, что средняя плотность Земли и внутреннее ее строение, по данным сейсмологии, хорошо согласуются с допущением, что Земля обладает жидким железным ядром с плотностью при нулевом давлении 7 г/см3, окруженным твердой мантией из силикатов с плотностью 3,3 г/см3.
    Подтверждением этому может служить находка казахстанских геологов — обломков темной породы, найденных на земной поверхности. После комплексного исследования находки геологи пришли к выводу, что эти куски породы находились в очень давние времена глубоко в недрах планеты. Образцы резко отличаются от окружающих горных пород. В них, например, выявлено повышенное содержание железа, магния, кальция, хрома, титана.
    Ученые Академии наук Казахской ССР полагают, что более 1 миллиарда лет назад эта порода являлась частью древних геологических образований. Она претерпела глубокие изменения под действием огромного давления, превышающего 1000 МПа, и высоких температур: 600–750°С.
    Почему уникальные обломки оказались на земной поверхности? Ответ дает характер геологического строения районов, где они найдены. В тех местах расположены очень давние разломы земной коры, достигающие верхней мантии. В процессе бурного тектонического движения блоков земной коры и были вынесены к поверхности горные породы, залегавшие на глубине в десятки километров.
    По современным представлениям, в 16-километровой толще земной коры содержится 4,5% железа. В следующем слое, лежащем под земной корой, железа находится втрое больше; центр земного шара состоит из железа с примесью никеля и кобальта. В среднем же земной шар состоит на 34,6% из железа. В составе Земли железо преобладает как по массе, так и по числу атомов. Оно является важнейшей составляющей частью в строении нашей планеты.
    Использовав поверхностные скопления минерального сырья, человек вынужден будет обратить внимание на сырье, более бедное по содержанию железа. Уже теперь приходится иметь дело с месторождениями, расположенными в тяжелых горно-геологических условиях.
    В наше время используются традиционные способы добычи руды — подземные или открытые. При такой добыче, по данным академика Н.В. Мельникова, теряется до 25% сырья.
    В этих условиях особую практическую ценность имеют предлагаемые химиками способы прямого извлечения металлов из руд на месте их залегания под землей. Металлы и другие вещества, которые собираются извлечь из руд, переводятся под землей в химический раствор, в жидкое или газообразное состояние. Предлагается это делать с помощью выщелачивания, растворения, расплавления, возгонки. Образующиеся в результате этих процессов так называемые продуктивные растворы извлекаются на поверхность и перерабатываются.
    Геотехнология, или бесшахтные методы добычи некоторых полезных ископаемых, уже используются в нескольких странах: химические, физико-химические, биохимические, микробиологические методы добычи полезных ископаемых на месте их залегания. СССР является родиной технологии почти всех способов бесшахтной добычи минерального сырья.
    Известно, что железо есть не только в руде. Окислы его — важнейшая составная часть многих минералов, образующих земную кору. Железо входит в состав не менее трехсот минералов. В перспективе по мере использования более бедных руд придется, очевидно, обратить внимание на такие горные породы, как базальт, гнейс, сиенит, диабаз, которые содержат до 12% железа. Когда развитие техники позволит осуществить комплексную переработку горных пород с полным извлечением всех или большинства металлов, тогда процессы полиметаллургии станут экономически выгодны.
    Посмотрите, что содержится в базальте: 10–15% оксида и диоксида железа, 42–52% оксида кремния, 6–20% оксида магния, 10–12% оксида алюминия, 1–3% оксида титана. А если их извлечение сочетать с производством каменного литья и получение сталебазальта?
    Академик Д.И. Щербаков считал, что, когда на Земле будут исчерпаны запасы железных руд, наступит век базальтовой металлургии.

В космосе

    Немецкие ученые Бунзен и Кирхгоф методом спектрального анализа с расстояния в несколько километров определили химический состав праздничного фейерверка. Этот метод был использован и для исследования космоса: в 1859–1860 годах по линиям спектра в атмосфере Солнца обнаружили содержание нескольких элементов — натрия, кальция, магния и других.
    Уже в первые годы развития спектроскопии ученые сопоставили теоретические сведения о химическом составе небесных тел с анализом метеоритов — этих единственных в те времена образцов космического вещества на Земле. Исследование метеоритов значительно обогатило наши представления о телах космического происхождения.
    Сейчас во всем мире зарегистрировано свыше 2 тысяч метеоритов, в коллекции АН СССР находится около 400 отечественных и зарубежных метеоритов.
    Все метеориты подразделяются на три основных класса: железные, железокаменные и каменные. В среднем из 16 упавших метеоритов один железный. Железный метеорит содержит 91% железа, до 8,5% никеля и другие элементы. Метеориты двух следующих классов имеют от 1 до 50% железа. Масса метеоритов от долей граммов до десятков тонн.
    От железного метеорита трудно отделить хотя бы небольшой кусок для лабораторных исследований. Однако люди еще в далекой древности пытались использовать метеоритное железо. Есть сведения, что в древности железо с упавших метеоритов использовали для изготовления оружия, орудий труда, а также ювелирных изделий. Этот материал трудно поддавался обработке. Как-то бухарский эмир приказал своим лучшим оружейникам отковать ему меч из куска “небесного железа”. Но сколько они не старались, ничего у них не вышло. Нагретое железо не поддавалось ковке, и эмир казнил неудачников.
    И все-таки рассказывают, что у древнеримского царя Нумы Помпилия (VII век до н.э.) железный щит был сделан из камня, упавшего с неба. Для властелина одного индийского княжества Джехангира в 1621 году удалось изготовить две сабли, кинжал и наконечник пики из метеоритного железа. Шпаги Александра I и Боливара, героя Южной Америки, были сделаны из космического железа.
    Известны и другие факты. Полярная экспедиция Росса в 1818 году обнаружила, что эскимосы Баффиновой Земли делали в то время ножи и наконечники гарпунов из железа, отделяемого ими с большим трудом от крупного метеорита, лежащего на берегу бухты Мельвиль.
    Один исследователь сообщал, что он видел в Аргентине большой метеорит, первоначальная масса которого составляла 15 тонн. В шести местах этот метеорит имел следы отделения больших кусков железа.
    В Мексике найден крупный метеорит с щелью длиной 9 сантиметров, в котором сохранился застрявший сломанный конец медного лезвия. Он попал туда, очевидно, при попытке туземцев добыть кусок столь нужного металла.
    Издавна метеориты были ценнейшим объектом для научных исследований. Сведения, получаемые при их изучении, оказались необходимыми астрономам, геологам, физикам, конструкторам космических кораблей.
    Прежде всего состав метеоритов свидетельствует о единстве материального мира. По присутствующим радиоактивным элементам определяется возраст метеоритов — около 4,5 миллиарда лет, что примерно соответствует возрасту Земли и подтверждает предположение о том, что метеориты возникли в солнечной системе.
    Как отмечал академик А.Е. Ферсман, “метеориты в своем составе как бы продолжают ряд изменений земных пород с глубиною и являются как бы дальнейшими, более глубинными породами, которые нам пока неизвестны”. На основании подобных заключений ученые считают, что каменные метеориты являются образцом вещества нижних зон каменной оболочки Земли толщиной 1200 километров. Предполагают, что оболочка толщиной 1700 километров состоит из вещества железокаменных метеоритов, а центральное ядро — из вещества железных метеоритов. В геохимической литературе приводится вероятный состав ядра Земли: 90,7% железа, 8,5% никеля, что вполне соответствует составу железных метеоритов.
    Сколько же всего падает на Землю железа из космоса? Исследования ученых показали, что на поверхность Земли выпадает куда больше космического вещества, чем считалось раньше: свыше миллиона тонн в год. За миллиарды лет толщина выпавшего на Землю слоя космического вещества должна составлять минимум несколько километров. Теперь же этот слой мало заметен, ибо успел смешаться с веществом планеты.
    Выпадение космического вещества еще не означает, что масса Земли сейчас увеличивается, хотя это не исключено. Выяснено, что скорость вращения нашей планеты вокруг оси замедляется на 0,001 секунды за миллиард лет. В то же время Земля постоянно теряет часть своего вещества в космическое пространство в виде газообразных элементов и различных химических соединений.
    С доставкой на Землю образцов лунного грунта возможности исследования состава космических тел значительно возросли. Рассказывая о результатах исследования грунта, доставленного на Землю станцией “Луна-20”, академик А.П. Виноградов сообщил, что “в частицах лунного грунта было обнаружено тонкораспыленное металлическое железо, сконцентрированное в поверхностных слоях. Это металлическое железо не окисляется на воздухе”. Исследователи занимаются изучением удивительных свойств лунного железа.
    В отделе физических проблем материаловедения Уральского политехнического института было проведено комплексное исследование образцов лунного железа и железноникелевых сплавов, доставленных советскими автоматическими станциями “Луна-16” и “Луна-20”, а также американскими космическими кораблями “Аполлон” из разных районов Луны. Образцы — это в основном мелкие частицы.
    Структуру лунного железа классифицировали, разделив их на первичные образцы и вторичные, подвергшиеся, так сказать, “обработке на Луне”, и установили, что среди образцов есть целый ряд уникальных структур, которые до сих пор не встречались в подобных сплавах земного состава. Среди первичных наиболее ярко выражены кристаллические структуры, среди вторичных — деформации, возникшие в результате метеоритной “бомбардировки”, изменения температуры в течение лунных суток от +120°С до -130°С и другие воздействия.
    Мнений по поводу стойкости лунного железа высказывается много. Вот, какое объяснение дают уральские ученые: дело в строении, в структуре металлов, а структура в свою очередь объясняется условиями ее формирования в космосе.
    Образование необычных форм неокисленных металлов на Луне связывают также с воздействием так называемого солнечного ветра на поверхность Луны. Солнечный ветер — это поток заряженных ионов большой энергии, посылаемый Солнцем, и падающих на поверхность планет, которые не защищены атмосферой. Такая бомбардировка при определенных условиях может увеличить коррозионную стойкость поверхности.
    Член-корреспондент АН СССР В.Л. Барсуков объясняет образование чистого металла на Луне тем, что ее поверхность интенсивно бомбардируется протонами и другими частицами солнечного ветра. При этом протоны, захватив кислород лунного вещества, уносят его в космическое пространство, восстанавливая таким образом окисленный металл.
    Современная астрофизика установила относительную однородность химического состава известной части Вселенной. Изучение образования химических элементов имеет большое практическое значение: знание процесса синтеза химических элементов в природе позволит людям добиться их осуществления сначала в лаборатории, а потом и в производственных условиях.
    Ученые установили закономерности первоначального образования многих элементов. Наибольшая вероятность и распространенность тех или иных ядерных реакций связана с изменением температуры звезд. На первой стадии наибольшее значение для энергетического баланса звезд имеет превращение водорода в гелий, на более поздних стадиях при других температурных условиях — превращение гелия в углерод и кислород, затем в наиболее устойчивое — железо. Химический состав Вселенной свидетельствует о том, что она находится в начале своего пути от водорода к железу.
    По теории эволюции планет, предложенной Рингвудом, вещество планет земной группы находится на разных стадиях окисления, причем на Марсе практически все железо осталось в окисленном состоянии и поэтому не отделилось от силикатов. Большое содержание окислов железа в мантии Марса, по-видимому, явилось причиной того, что поверхность “красной планеты” имеет ржавый оттенок.
    Исходя из факта различной плотности планет земной группы (более близкие к Солнцу состоят из более плотного вещества), американский физико-химик Юри предполагает, что в них содержание железа выше. Вероятное содержание железа (по Юри): на Луне около 10%, на Марсе около 26%, на Земле и Венере около 30%, на Меркурии около 57%.
    Таким образом, железо занимает в природе особое место. Довольно сложное атомное ядро железа имеет большую прочность, чем и объясняется наибольшее количество в природе именно железа. Не только кора Земли, но и атмосфера Солнца и звезд состоят в основном из железа с примесью других элементов.

О СВОЙСТВАХ ЖЕЛЕЗА

Есть ли чистое железо? 

    В книге профессора В.С. Меськина о производстве высококачественной стали можно прочесть: “Технические свойства химически чистого железа еще неизвестны, так как до сих пор химически чистое железо не получено даже в лабораторных условиях”. Удивительно, не правда ли? В мире ежегодно производятся сотни миллионов тонн стали и, оказывается, люди не могут увидеть чистого железа.
    Многие полученные ранее данные о структуре и свойствах железа и его сплавов устарели, так как были определены на недостаточно чистых образцах. Механические, электрические и химические свойства чистейшего железа отличаются от свойств технического железа. Поэтому металловедам очень важно получить чистейшие металлические кристаллы и исследовать их свойства. Сейчас закладываются основы металловедения железа и стали особо высокой чистоты, что, бесспорно, скажется на различных областях техники. Член-корреспондент АН СССР Е.М. Савицкий считал, что вся новая техника построена на вновь выявленных свойствах материалов.
    Изучая чистое железо, выяснили, что оно имеет хорошие магнитные свойства. Магнитная проницаемость его в десятки раз выше, чем обычного технически чистого железа, содержащего около 0,665% примесей. Коэрцитивная же сила ниже, чем у технически чистого железа. Это объясняется тем, что указанное свойство в высшей степени чувствительно к малейшим искажениям кристаллической решетки, вызываемым примесями. Чистое железо обладает очень высокой стойкостью против коррозии. Другие свойства с увеличением чистоты железа изменяются значительно слабее.
    Говоря о чистом железе, интересно отметить, что, кроме самородков золота и платины, встречается в природе и самородное железо. Оно упоминается в “Словаре коммерческом” В. Левшина (1789 год): “Так называется железо, совсем приуготовленное природою в недрах земных и совсем очищенное от веществ посторонних столько, что можно из него ковать без переплавки всякие вещи. Г. Руель получил через Восточно-индийскую компанию кусок такого самородного железа из Сенегала, где находится оное в превеликих глыбах. Сей ученый химик ковал оное в прутки и нашел, что оное без переплавки на всякую поделку способно. В Сибири во многих местах находят самородное железо”.
    Появление самородных металлов на поверхности планеты и до сих пор одна из самых запутанных загадок природы. Геологи считают, что легче найти самородки золота или платины, чем чистое железо. Каждая такая находка считается сенсацией. В 1982 году экспедиция советских геологов в отрогах Кураминского хребта в Киргизии в магматической породе обнаружила самородный хром, рассыпанный мельчайшими шариками, а рядом — выделения самородного железа, когенита и муссанита — тоже редких минералов. Глубинное происхождение самородков подтверждено изотопным анализом. Самородки образовались на глубине около 60 километров и были вынесены наверх потоком магмы.
    В природе есть еще два весьма редко встречающихся естественных железоникелевых сплава: аварюст (FeNi2) и жозефенит (Fe3Ni5), которые найдены в виде гранул и мелкой гальки. Самородное железо встречается очень редко и потому практического значения не имеет. В отличие от метеоритного железа, всегда содержащего сравнительно много никеля, самородное имеет не более 2% никеля, иногда до 0,3% кобальта, около 0,4% меди и до 0,1% платины, оно обычно очень бедно углеродом.
    Однако при известных условиях происходит и образование самородного чугуна, например вследствие контакта раскаленного углерода с железной рудой. В 1905 году геолог А.А. Иностранцев обнаружил в районе Русского острова на Дальнем Востоке небольшие пластообразные скопления самородного чугуна, находящегося на глубине 30–40 метров под скальными породами морского берега. В извлеченных через буровую скважину образцах чугуна оказалось около 3,2% углерода, 1,55% кремния и 0,66% марганца.
    Образование самородного железа в земной коре связывают с процессами застывания магмы. Выделяется оно из окислов или сульфидов железа в результате восстановительных процессов, протекающих при наличии в магме углерода. Поэтому вместе с самородным железом находят минерал когенит — железоникелевый карбид (FeNiCO)3C. По мнению А.А. Иностранцева, самородный чугун с Русского острова образовался в результате извержения огненно-жидкого потока горной породы — кварцевого порфира на поверхность обнаженных слоев каменного угля, среди которых имелось несколько слоев железной руды. В присутствии этой естественной шихты под влиянием высоких температур и без доступа воздуха произошло выделение из каменного угля углеводородов и оксида углерода. Эти соединения химически взаимодействовали со слоями железной руды, превращая их в массу чугуна. Какая же все-таки степень чистоты железа достигнута в наши дни? В наиболее чистом, карбонильном железе содержится всего 0,00016% примесей. Много ли это? В известной железной колонне в Дели, славящейся чистотой железа, примесей содержится 0,28000%, то есть в 1750 раз больше.

Кристалл Д.К.Чернова

    Знаменитый русский металлург Д.К. Чернов — основоположник металловедения железа — занимался разработкой теории и строения стального слитка. С этой целью он собирал коллекцию железных кристаллов. Лишь редкие кристаллы, найденные им в слитках, достигали длины 5 миллиметров, большинство же имело длину до 3 миллиметров и ширину 1–1,5 миллиметра. Встречались иногда хорошо развитые кристаллы с очень тонкими очертаниями, но таких малых размеров, что четко они были видны только при увеличении в 100–150 раз.
    Наиболее ценным в этой коллекции был знаменитый “кристалл Д.К. Чернова”. История этого уникального кристалла такова.
    Капитан морской артиллерии Берсенев, посланный в Англию приемщиком на большой металлургический завод, нашел огромный кристалл в груде стального лома шихтового двора. Как удалось выяснить, кристалл вырос в стотонном слитке стали. Администрация завода охотно отдала кристалл Берсеневу, а тот подарил его своему учителю Чернову, который тщательно исследовал уникальный кристалл. Масса его оказалась 3 килограмма 450 граммов, длина 39 сантиметров, химический состав: 0,78% углерода, 0,255% кремния, 1,05% марганца, 97,86% железа.
    Меньший отросток этого двойного кристалла, разрезанный на несколько частей, был всесторонне исследован не только Д.К. Черновым, но и другими металловедами. Кристалл послужил объектом для ряда дальнейших изысканий и научных докладов Чернова и других русских и иностранных ученых. Теперь он находится в Военно-инженерной академии им. Дзержинского в Москве.
    И в наши дни находили кристаллы-гиганты. Однажды токарь металлургического комбината им. Серова, обрабатывая прокатный валок, увидел в усадочной раковине отливки огромный иссиня-черный металлический кристалл. Он напоминал по форме дерево с разветвленной кроной. Новый “кристалл Д.К. Чернова” был высотой около 400 миллиметров. Немного позже при обработке еще одного валка был обнаружен подобный же кристалл черного цвета.
    Современное металловедение не ограничивается исследованием найденных кристаллов, а ищет способы их получения искусственным путем. К настоящему времени уже разработаны методы выращивания монокристаллов практически всех металлов и многих сплавов. Именно в монокристаллическом состоянии выявились новые свойства привычных нам металлов — железа, вольфрама, никеля, молибдена. Оказалось, что чистые монокристаллы обладают хорошими физическими свойствами. Например, монокристаллы железа высокой чистоты приобретают высокую пластичность вплоть до температур жидкого гелия (-269 °С).
    Особенно привлекают внимание так называемые металлические усы — тончайшие нитевидные кристаллы, всего в несколько микронов толщиной, но с высокой прочностью. Путем восстановления из хлористого или бромистого железа были выращены усы этого металла длиной до 10 сантиметров и диаметром до 1 миллиметра. Предел прочности таких железных усов до 12–13 ГПа, в то время как сталь с прочностью на разрыв 1500–2000 МПа считается высокопрочной, а сталь с прочностью 2000 МПа сверхпрочной.
    Нитевидные кристаллы железа обладают и другими интересными свойствами. Коэрцитивная сила их составляет 500 Э, в то время как у лучших магнитных сплавов 250 Э, а у чистого железа 1 Э. При окислении в потоке чистого кислорода за 100 минут на нитевидных кристаллах окисленный слой составляет 1 мкм, а у обычного железа за 20 минут слой в 4,5 мкм.
    Рентгеноструктурный анализ помог разгадать причины чудесных свойств “усов” — это были бездефектные, “идеальные” монокристаллы чистого железа. Отсутствие дефектов в “усах” объяснялось особенностью их роста и малыми размерами. Они росли настолько быстро, что дефекты не успевали возникнуть: не хватало ни времени, ни места.
    Прочность нитевидных кристаллов зависит от их размеров. Чтобы прочность была значительно выше обычной, необходимо использовать кристаллы диаметром менее 10 мкм. Эту зависимость доказали на примере нитевидных кристаллов железа.
    Поэтому практически использовать огромную прочность усов можно пока только в особых случаях, если, например, изготовить пряжу или ткань для специальных целей. Однако роль монокристаллов в современной технике растет. Они находят все новые области применения.
    Для специальных приборов и конструкций используются не только полуфабрикаты из металлических монокристаллов в виде ленты, прутков, проволоки, но и сами кристаллы. Это связано с рядом преимуществ монокристаллов тугоплавких металлов перед соответствующими поликристаллами: высокой пластичностью, совместимостью с различными средами (парами щелочных металлов, ядовитым горючим), устойчивостью против рекристаллизации вплоть до температур плавления, высокой стабильностью структуры и свойств при различных внешних воздействиях, высокой сопротивляемостью ползучести до температур плавления.
    Так возникла идея изготовить изделие из целого кристалла. Например, прочностью и жаростойкостью турбинных лопаток определяются боевые качества самолетов и экономичность энергетических систем. В жаропрочных сплавах, из которых обычно отливают лопатки, самым уязвимым местом являются границы между зернами.
    Специальный литейный процессе направленной кристаллизацией позволил получить лопатки из монокристалла — они выдерживают вдвое больше тепловых ударов, чем обычные.
    Теперь монокристаллы уже не лабораторная редкость. Учитывая потребности многих отраслей техники, растет промышленное получение монокристаллов.

Железо — магнит

    Все металлы в той или иной степени способны намагничиваться. Однако наиболее сильно подвержены этому такие металлы, как железо, никель, кобальт и гадолиний. Хорошо намагничиваются многие сплавы этих металлов: сталь, чугун и другие, получившие название ферромагнитных сплавов.
    Способность притягиваться магнитом и самому быть магнитом — одно из удивительных свойств железа. Явление магнетизма известно с глубокой древности. Слово магнетизм происходит от названия горы Магнезии в Малой Азии. Здесь существовало богатое месторождение магнитного железняка. Практическое применение магнетизм получил значительно раньше, чем началось его научное исследование. Мореходы издавна пользовались компасом с магнитной стрелкой.
    Явление магнетизма с давних пор вызывает интерес. В старинной книге “Зрелище природы и художеств” (1784 год) удивлялись: “Чудно, как магнит сообщает железу оную силу притягивать или подымать другое железо”.
    Мыслители древности изучали таинственные свойства магнитного камня. Еще тогда пытались найти ему практическое применение, например для лечения людей.
    Научное изучение магнетизма началось с изготовления магнитов. В 1755 году швейцарский ювелир Дитрих впервые изготовил подковообразный магнит. Электромагнит с железным сердечником изобрел в 1823 году самоучка, сын английского сапожника Стерджен. Его магнит состоял из одного слоя голого медного провода, навитого на лакированный железный сердечник. Американец Генри усовершенствовал электромагнит, навив на железный сердечник провод в несколько слоев. Генри изолировал сами провода вместо того, чтобы лакировать сердечник. Навивая на каркас все больше слоев проволоки, Генри делал более мощные электромагниты. В 1831 году он изготовил электромагнит, который мог поднимать 300 килограммов. Широкое практическое применение электромагниты нашли в XX веке. Размеры их, вернее сила притяжения, постоянно увеличивались.
    Явление магнетизма широко используется в современной технике, в первую очередь в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике и телемеханике, где из ферромагнитных материалов изготовляют магнитопроводы генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магнитных усилителей, элементов магнитной записи.
    Современная металлургия производит самые различные магнитные материалы с особыми магнитными свойствами. Разработаны различные методы изготовления этих материалов подбором химического состава, режимов термообработки и специальных физико-химических методов очистки (отжиг в вакууме, в атмосфере водорода).
    В современной промышленности широко используются электромагнитные плиты для перемещения металла в виде слитков, блюмов, чугунного и стального литья. Электромагнитные плиты надежно работают и при перевозке горячего металла. Грузоподъемность плит достигает 65 тонн. Каждый килограмм современного сверхпроводящего магнита создает магнитное поле, равное по силе полю двадцатитонного электромагнита с железным сердечником. Создание сверхустойчивых магнитов — важнейшая задача физиков.
    Магнитными “руками” пользуются в самых различных областях техники. Например, в 5–8 раз сокращается вспомогательное время при работе на металлорежущих станках, если для крепления деталей вместо тисков использовать магнитные плиты и патроны.
    Но в технике нередко используются детали приборов, изготовленные из немагнитного материала. Ранее для этой цели применяли цветные металлы — латунь, бронзу. Известно, что железо утрачивает магнитные свойства лишь выше точки Кюри (770°С). Это явление открыл Гильберт в 1600 году, обнаружив утрату магнитных свойств у стали при температуре красного каления.
    Лишь в 1924 году в Англии был запатентован немагнитный чугун. В США его производили под названием “Номаг” и он явился ценным электротехническим материалом. Сплав имел высокое содержание никеля и марганца и был очень дорог.
    Инженер И.А. Одинг, впоследствии академик (завод “Электросила”), в 1930 году запатентовал немагнитный чугун с пониженным содержанием никеля и марганца. Но из-за снижения содержания марганца для получения немагнитных изделий приходилось подвергать их закалке в воде при температуре свыше 1000°С. Усложнение технологии мешало распространению нового чугуна. В результате исследований в одном из институтов нашли оптимальный состав немагнитного чугуна без никеля. Чугун получали простым и дешевым способом.
    В 20-х годах XX века была получена немагнитная сталь. Теоретически чистое железо при температуре свыше 910°С перестает быть магнитным. Это связано с переходом железа в состояние гамма-железа. Присутствие углерода ускоряет этот переход и при содержании его в железе около 1% получается сталь, которая теряет свои магнитные свойства при 700°С. Если добавить в сплав третий элемент, способный составить твердый раствор с гамма-железом, то гамма-железо сохранится и при комнатной температуре. Таким элементом является, например, марганец: с добавкой его можно получить немагнитную сталь. В индукционных электропечах из немагнитной стали изготовляют каркас, в котором размещаются индуктор и тигель.

Ржа ест железо

    Так народная пословица кратко определила еще одно свойство железа.
    Коррозия — это самопроизвольное разрушение металла, вызываемое химическими или электрохимическими процессами, развивающимися на его поверхности при взаимодействии с внешней средой. Коррозия металла становится причиной досрочного вывода из строя деталей, оборудования и целых сооружений. Известно, что ежегодно вследствие коррозии в мире выбывают из фонда годного миллионы тонн проката черных металлов. В результате значительно сокращается срок эксплуатации оборудования.
    Люди издавна интересовались вопросами защиты металла от коррозии. Древнегреческий историк Геродот (V век до н.э.) и древнеримский ученый Плиний Старший (I век н.э.) упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины. Средневековые алхимики мечтали о получении нержавеющего железа.
    Защита металла от коррозии сейчас осуществляется различными способами: снижением агрессивности коррозионной среды; повышением коррозионной стойкости металла путем его легирования; нанесением на поверхность металла различных защитных пленок, лаков, красок, эмалей. Ученые создали новое стеклокристаллическое покрытие, которое отличалось стойкостью и способностью работать при более высокой, чем металлы, температуре.
    Агрессивные химические вещества быстро разрушают лопасти смесителей, создающих однородную среду в реакционных емкостях. Польские специалисты разработали способ, предохраняющий лопасти от износа. Очищенную деталь помещают в литейную форму, а затем заливают жидким металлом с высоким сопротивлением к коррозии и истиранию. Образовавшаяся твердая скорлупа надежно предохраняет мягкий металл лопасти от повреждений. Этот слой значительно увеличивает срок службы смесителей, тем более что отработавшую скорлупу можно заменить новой.
    Большим достижением металлургов в защите от коррозии явилось создание коррозионно-стойкой стали. В результате снижения содержания углерода в нержавеющей стали до 0,1% стало возможным изготовление из нее листового проката. В 1923 году получили наиболее типичную нержавеющую сталь — хромоникелевую марки 18–8 (18% хрома и 8% никеля).
    Первые тонны нержавеющей стали в нашей стране выплавили в 1924 году в Златоусте. Через несколько лет выплавляли уже десятки тонн стали. Была сделана попытка выплавить коррозионностойкую сталь в мартеновской печи.
    Коллективом лаборатории качественных сталей ЦНИИчермета им. Бардина создан большой ассортимент коррозионно-стойких сталей. Это и сплавы на железохромоникелевой основе, и особо коррозионностойкие никелевые, легированные молибденом и вольфрамом. Листам и пруткам из нержавеющей экономичной стали и никель-хромомолибденового коррозионностойкого сплава, созданным в институте, на металлургическом заводе “Электросталь”, металлургическом комбинате “Запорожсталь” и Ашинском металлургическом заводе, присвоен государственный Знак качества.
    Технический способ получения нержавеющей стали из… старых автомобилей предложили специалисты Комиссии по атомной энергии США, где ежегодно скапливаются горы автомобильного металлолома. К металлолому добавляют оксид железа и никель, затем смесь нагревают в атмосфере аргона до температуры 1650°С в течение одного часа. За это время смесь плавится, никель растворяется, а содержание углерода снижается до заданного. Далее в печи создают вакуум, чтобы испарить медь и олово. И, наконец, печь опять наполняют аргоном, и к смеси добавляют хром. В результате получается сталь высокого качества.
    Чудесные свойства нержавеющей стали открывают ей доступ во все отрасли промышленности, транспорта, строительства. В США нержавеющую сталь давно применяют для изготовления пассажирских вагонов. В Милане выпущены автобусы, многие элементы кузова которых сделаны из нержавеющей стали. Используется эта сталь и в быту. Так, шведские специалисты создали “слоеную посуду”. У кастрюли тройные стенки: слой меди, алюминия и нержавеющей стали. В такой посуде кушанье быстро разогревается, не подгорает и ей нет износа. Отменные качества изделия объясняются свойствами этих металлов. Медь быстро нагревается, алюминий нагревается равномерно, с нержавеющей стали легко счищается любой нагар.
    Двенадцать турбин для Асуана построил Ленинградский металлургический завод им. Кирова. Впервые в истории мирового гидротурбиностроения рабочие колеса турбин мощностью по 175 тысяч кВт каждое в соответствии со специфическими условиями эксплуатации были выполнены из нержавеющей стали.
    А почему с коррозией надо только бороться? Нельзя ли ее привлечь на службу человека, например электрохимическую реакцию, которая так беспощадно “съедает” металл? Так родилась электрохимическая размерная обработка. В специально подобранном электролите ток энергично растворяет металл. Вместо резца используется направленное электрическое поле. Задача, как у скульптора, — убрать все лишнее. За короткое время на наших глазах возникает профиль детали. Причем чистота обработки очень высокая, скорости в 5–15 раз быстрее резания.
    В технике нашла применение и сама ржавчина, как защитное средство. Например, освоена выплавка низколегированных сталей с малым содержанием никеля, хрома и меди. Подобная сталь быстро ржавеет, но под слоем опавшей ржавчины остается плотная черная пленка, которая крепко сцепляется с металлом и практически полностью защищает его от дальнейшей коррозии. Время, необходимое для образования защитного слоя, колеблется от двух до четырех лет. После этого скорость коррозии уменьшается и составляет от 2 до 35 микронов в год в зависимости от условий. В обычных условиях лист из такой стали проржавел бы лишь на… 0,3 миллиметра. Из такой стали построено уже несколько мостов. Можно строить мачты высоковольтных ЛЭП, дымовые трубы.
    Исследователи давно стремились к тому, чтобы сделать металлические сплавы пассивными к разрушению. Пройден еще один шаг на этом пути. В Институте физической химии АН СССР доктор химических наук Н.Д. Томашев и кандидат технических наук Г.П.Чернова открыли явление самопассивирования металлов и сплавов.
    Пассивностью металлов называют состояние их повышенной стойкости к коррозии. При пассивировании на поверхности вещества образуется защитный слой, предохраняющий его от разрушения. Ученые обнаружили, что при введении в состав сплава некоторых металлов (рутений, палладий, платина) пассивируемость и коррозионная стойкость сплава повышается в сотни раз. Эти исследования вносят существенный вклад в теорию коррозионных процессов. В результате открытия появились принципиально новые возможности создания сплавов, стойких к воздействию внешней среды. Они позволяют создать уникальную аппаратуру для химической, атомной и нефтяной промышленности.

Мир сталей и сплавов

    Сталь — сплав железа с другими элементами: углеродом, кремнием, марганцем, серой, фосфором. Это известно нам сейчас. Однако люди научились получать и использовать сталь гораздо раньше, чем узнали ее состав. Египтянам, например, еще до нашей эры известно было, что некоторые сорта железа при погружении в нагретом состоянии в воду “принимают закалку”, другие не принимают. Свойство стали “принимать закалку” и служило потом долгие века единственным признаком для разграничения железа и стали.
    Французский ученый Реомюр в 1722 году высказал мысль, что железо и сталь отличаются друг от друга по химическому составу только присутствием какой-то примеси, названной им летучей солью, которая и определяет различие их свойств. Лишь в 1814 году немецкий исследователь Карстен указал, что такой примесью является углерод. Наконец-то была доказана единая материальная природа всех железоуглеродистых сплавов — чугуна, стали и железа. Только во второй половине XIX века выработалось в основном верное представление о железе и его сплавах.
    Появление в XIX веке новых областей применения металла — машиностроения, железнодорожного строительства — потребовало более точных представлений о качестве металла. Для этого определяли химический состав железных руд, шлаков и различных железоуглеродистых сплавов. Постепенно выявилось более точное влияние на углеродистое железо примесей — кремния, марганца, серы, фосфора.
    П.П. Аносов впервые занялся систематическим изучением влияния различных элементов на сталь. Он исследовал добавки золота, платины, марганца, хрома, алюминия, титана и других элементов и первым доказал, что физико-химические и механические свойства стали могут быть значительно изменены и улучшены добавками некоторых легирующих элементов. Ученый заложил основы металлургии легированных сталей. Замечательное свойство железа — давать сплавы с различными элементами и при этом проявлять новые качества — широко используется в современной технике. Известно более 8 тысяч сплавов, обработка которых дает десятки тысяч марок сталей различного назначения. Созданы самые удивительные марки стали: “деревянная”, свинцовистая, алмазная и мягкая, графитизированная, платинистая и серебряная. О некоторых из них мы расскажем.
    В старину пытались получать стали с добавками благородных металлов. Так, в 1825 году в России были описаны опыты на Гороблагодатских казенных заводах по сплавлению стали с платиной. Шесть фунтов стали расплавили в тигле с восемью золотниками очищенной платины. Жидкую массу вылили в чугунную форму и быстро охладили в холодной воде. “По разломе стального бруска сталь оказалась весьма однородной сыпи и столь мелкой, что простыми глазами невозможно было усмотреть ее сложения. Будучи выточена и закалена без отпуска, она резала стекло, как алмаз, рубила чугун и железо, не притуплялся”.
    Позже нашли более дешевые и широко распространенные легирующие элементы, дающие лучшие результаты. Например, в сплаве платинит нет платины (содержится 48% никеля, 0,15% углерода, остальное железо). Сплав имеет такой же коэффициент теплового расширения, как и у стекла, поэтому применяется для замены платиновых вводов в электролампах. Сплав ковар (29% никеля, 18% кобальта) имеет коэффициент линейного расширения такой же, как у молибденового стекла, и предназначается для спайки с этими стеклами, давая прочное и совершенно газонепроницаемое соединение.
    В 1927 году в Берлине на выставке показывали небольшую кастрюльку с двумя ручками из разных металлов. В ней кипела вода и одна из ручек, сделанная из железа, была горячая, другая теплая. Ручка была сделана из так называемой деревянной стали, в состав которой входили 35% никеля, 1% хрома и 64% железа. Называлась она так потому, что по теплопроводности была подобна дереву. Она относится к прецизионным сплавам, свойства которых достигаются только при совершенно точном составе. Малейшее отступление от рецепта вызывает потерю этих свойств.
    Автором одного из таких сплавов был швейцарский физик и метролог, ставший затем директором Международного бюро мер и весов, профессор Гийом. В 1898 году он определил зависимость физических свойств стали от содержания в ней никеля. Оказалось, что сталь, содержащая более 25% никеля, при нагревании теряет магнитные свойства; сталь, содержащая 36% никеля, отличается самым малым коэффициентом линейного расширения (в 10 раз меньше, чем у платины). Никелевый сплав, состоящий из 36% никеля и 64% железа, Гийом назвал инваром, что значит неизменяемый. В пределах температур от -60°С до +100°С тепловое расширение инвара близко к нулю. Впервые сплав применили для изготовления эталона длины дуги земного меридиана на архипелаге Шпицберген, определенной русско-шведской экспедицией в 1899 году. Несмотря на значительное изменение температуры воздуха, при этих измерениях, длина линеек из инвара оставалась практически неизменной.
    Замечательные свойства инвара позволили применять его в измерительной технике и приборостроении, в частности в вакуумной технике для спайки с различными сортами стекла. Из инвара изготовляют также вставки для разрезных алюминиевых поршней, чтобы уменьшить их тепловое расширение и устранить заедание в цилиндре во время работы двигателя.
    Алмазной сталью названа легированная инструментальная сталь, содержащая 1,25–1,45% углерода, 0,4–0,7% хрома и 4–5% вольфрама. Такая сталь имеет очень высокую твердость, близкую к твердости алмаза. Ее применяют для снятия тонкой стружки с твердых материалов (отбеленного чугуна, стекла).
    Стали с новыми свойствами создаются чаще при комплексном использовании нескольких элементов. Использование редкоземельных элементов в сталях специалисты считают самым выдающимся успехом в сталеварении за последние полвека.
    Для создания новых марок сталей используют, например, азот. Газы в металле — всегда нежелательная примесь, снижающая качество металла. А вот в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР в плазменную печь, где расплавляется металл, специально нагнетается азот. После охлаждения получается сталь, о которой давно мечтали машиностроители: жаропрочная, устойчивая к воздействию кислот и щелочей. Азот превращается в полезный элемент: за счет образования нитридов ванадия, титана, молибдена идет измельчение зерна. Применение азота позволило сократить добавки никеля и совсем не использовать ферросплавы.
    Японским специалистам удалось получить в твердом виде аморфный металл, т.е. без кристаллической структуры. Для этого смешивают железо или никель (90%) с фосфором и углеродом, кремнием, алюминием и бором. Смесь нагревают до 1200°С. Затем сплав очень быстро охлаждают, подвергая вращению со скоростью 5 тысяч оборотов в минуту. Такая сталь во много раз тверже известных сталей и обладает высокой химической стойкостью. Новую марку стали можно применять на атомных электростанциях, в приборах для исследования моря, в химической аппаратуре.
    Специалисты Института прецизионных сплавов ЦНИИчермета занимаются разработкой способов превращения металла в “металлическое стекло”. Принцип получения металла со “стеклообразной” структурой таков: заставить расплавленный металл затвердеть с такой скоростью, чтобы не успела сформироваться кристаллическая решетка. Для этого струя расплавленного металла через профильную форсунку “выстреливается” на холодную движущуюся поверхность.
    Затвердевший металл расплющивается и сматывается серебристой лентой на катушку.
    Структура “металлического стекла” предопределяет уникальное свойство этого материала, названного аморфным прецизионным сплавом. В обычной стали уязвимым местом являются границы между зернами. Именно здесь появляются тонкие трещины, развивается коррозия. Поскольку у нового материала нет кристаллической решетки, он в десятки раз прочнее традиционной стали, обладает повышенной устойчивостью к коррозии, легко поддается намагничиванию. Металлическое стекло незаменимо для изготовления приборов, работающих в агрессивных средах, при низких температурах или высоких механических нагрузках.
    В создании сплавов и марок сталей участвуют прежде всего электрометаллурги. Они ведут плавку в электропечах наиболее совершенным процессом из ныне существующих для массового получения литой стали. Электропечь емкостью 100–200 тонн обслуживают сталевар и один — два подручных. Возможность создать более высокие температуры в электропечи (2500–3000°С) позволяет получать стали и специальные сплавы с высоким содержанием тугоплавких легирующих элементов.
    Большой интерес представляет сплав никеля с титаном — нитинол. При проведении опытов с этим металлом было замечено, что он обладает способностью “запоминать”. Нагревая нитинол, придавали ему определенную форму, затем охлаждали и сплющивали. Потом снова нагревали. И сплав принимал свою первоначальную форму, с высокой точностью повторяя все изгибы и закругления, полученные при первом нагреве.
    Запоминающие сплавы — теперь не сенсация, с ними работают, изучают их новые свойства. Исследования показали, что временные нагрузки, вызывающие в металле те или иные напряжения, после снятия их оставляют в металле какие-то “следы”, и металл постепенно суммирует их. Оказалось, что наиболее легко металлы воспринимают и прочно “запоминают” нагрузки, “перенесенные” ими при очень высокой температуре.
    Попутно исследуются возможные сферы инженерного применения этого необычного свойства. Представьте конструкцию, которая способна собирать самое себя. Антенну для космической станции размером в десятки метров можно упаковать, к примеру, в небольшой контейнер и доставить на орбиту. Достаточно затем прогреть багаж электрическим током или солнечными лучами, и начинается самосборка. С помощью охлаждения антенну можно снова упаковать.
    В наш век повсеместной механизации и автоматизации основным материалом для механизмов остается сталь. А движущиеся металлические части — это неизбежный шум, вибрации. Для борьбы с первопричиной шума ищут новые материалы. Стальной сплав, обладающий свойством гасить колебания и превращать их в тепловую энергию, а также в значительной степени свободный от резонанса, получен на заводе японского концерна “Ниппон Кокан”. В состав сплава входит 12% хрома, причем сплав подвергается специальной термообработке. Перспективы у “тихой” стали большие. Это производство станков, локомотивов, различных крышек и клапанов, головок цилиндров, некоторых приборов. Детали из нее создают меньше шума и обладают большим сопротивлением усталости.
    Оригинальную марку “мягкой” стали создали челябинские специалисты. Добавки свинца и селена делают металл “мягким”, легко обрабатываемым. По другим качествам он не уступает обычной стали, зато производительность труда станочников при обработке деталей повышается, служба инструмента увеличивается.
    Прозрачную нержавеющую сталь выпускают на металлургическом заводе “Меллори” (США). Пропуская свет, она совершенно не пропускает воду. Однако листы, изготовленные из этой стали, скорее напоминают сито, чем стекло: на просвет можно увидеть множество крохотных отверстий (десять тысяч на один сантиметр поверхности), полученных электрохимическим способом.
    На заводе сталь новой марки получают непрерывной прокаткой. Сталь хорошо сваривается, паяется, легко обрабатывается на станках. Помимо прозрачности, она обладает еще способностью исключительно хорошо поглощать шумы. Столь неожиданное свойство, по мнению специалистов, позволит использовать ее для изготовления кожухов турбореактивных двигателей. Однако наиболее перспективное применение дырчатой стали — полости для сыпучих материалов. Продувая сквозь поры воздух, можно заставить муку, цемент, угольную пыль течь, подобно жидкости. Разгрузка железнодорожных вагонов с днищем из такой стали, приспособленных для перевозки порошкообразных материалов, значительно упростится. Новинку можно использовать в строительстве и для декоративной отделки.
    Современной технике нужны металлы и сплавы с самыми необычными свойствами. Нужны стали для работы при давлении в сотни и тысячи атмосфер (в производстве аммиака давление на 100 МПа) и при глубоком вакууме, когда давление близко к нулю (в электронных приборах давление до 0,000133 Па). Хладостойкие стали должны сохранять прочность при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°С). Для атомных реакторов требуется металл с наибольшей магнитопроводностью, для двигателей реактивных самолетов и ракет — сталь, способная сохранять прочность при весьма высоких температурах и больших нагрузках. Теперь такие стали и сплавы есть!

ИЗ ИСТОРИИ ЖЕЛЕЗА

Дороже золота 

    “В бою железо дороже золота” — гласит татарская пословица. И русские говорили: “При рати железо дороже золота. Железом и золото добуду”.
    Имеются веские доказательства того, что было время, когда железо ценилось дороже золота.
    В Египте в период Древнего и Нового царства железо первоначально применялось в основном для ювелирных изделий — амулетов и украшений. Еще в XIV веке до н.э. железо считалось драгоценным металлом и из него, как и из золота, изготовляли украшения. Железо наряду с золотом и серебром входило в состав дани, которую платили покоренные народы Ассирии в IX веке до н.э.
    Известно, что женщины многих африканских племен носили на руках и на ногах железные кольца. Жены богатых людей несли на себе иногда чуть ли не целый пуд таких украшений. Невесту одного из негритянских племен Западной Африки так нагружали железными украшениями, что она не могла двигаться без посторонней помощи.
    Туземцы Африки и островитяне экваториального пояса почти до середины XIX века считали железо дороже всех металлов.
    Английский мореплаватель XVIII века Джеймс Кук рассказывал, что на всех островах Полинезии, известных ему, любимым подарком для жителей было железо. Спутники Кука говорили, что за один крупный гвоздь туземцы охотно давали несколько ярдов местной ткани, а за десяток железных костылей моряки получали десять свиней. Кук приводит пример, как один из вождей на о. Таити, имея у себя два гвоздя, получал за них довольно значительный доход. Он ссужал эти гвозди для пробития отверстий в тех случаях, когда другим способом сделать это не удавалось.
    В конце XVIII века русский просветитель В. Певшин писал в своем “Словаре коммерческом”: “Если бы цена вещей определялась по их полезности, железо должно бы считаемо быть драгоценнейшим из металлов, нет художества, ни рукомесла, в котором не было бы оное необходимо, и надобно бы целые книги наполнить одним описанием таковых вещей”.

Почетная профессия 

    Одна старинная легенда рассказывает о таком случае. Царь Соломон по окончании строительства иерусалимского храма (X век до н.э.) задумал прославить лучших строителей и пригласил их во дворец. Даже свой царский трон уступил на время пира лучшему из лучших — тому, кто особенно много сделал для сооружения храма.
    Когда приглашенные явились во дворец, один из них быстро взошел по ступеням золотого трона и сел на него. Его поступок вызвал изумление присутствующих.
    — Кто ты и по какому праву занял это место? — грозно спросил разгневанный царь.
    Незнакомец обернулся к каменщику и спросил его:
    — Кто сделал твои инструменты?
    — Кузнец, — ответил тот. Сидящий обратился к плотнику, столяру:
    — Кто вам сделал инструменты?
    — Кузнец, — отвечали те.
    И все, к кому обращался незнакомец, отвечали:
    — Да, кузнец выковал наши инструменты, которыми был построен храм.
    Тогда незнакомец сказал царю:
    — Я кузнец. Царь, видишь, никто из них не мог бы выполнить свою работу без сделанных мною железных инструментов. Мне по праву принадлежит это место.
    Убежденный доводами кузнеца, царь обратился к присутствующим:
    — Да, кузнец прав, он заслуживает наибольшего почета среди строителей храма.
    Но так было не только в легенде.
    В старину кузнец, он же металлург, при сыродутном процессе получал железо и превращал его в изделие. Людей поражало, что кузнец делал ценные вещи из куска какого-то бурого камня. Поэтому многие народы считали кузнеца “вещим человеком”, чуть ли не чародеем. Нередко эта профессия была очень почетной.
    “С кузнецом не положено на “ты” говорить, — уважительно отмечает финская поговорка. “Тысяча ударов портного — один удар кузнеца”, — почтительно говорили узбеки.
    Самыми уважаемыми людьми были кузнецы у различных первобытных племен Африки. Немецкий этнограф Ю. Липс сообщает, что даже царям африканских государств южнее Сахары часто было совершенно необходимо знать кузнечное дело. В средние века в одном из больших государств на территории Конго всякий феодал, который хотел стать царем, должен был доказать, что он хороший кузнец.
    У азиатских народов, например у бурят, кузнецом мог стать только тот человек, среди предков которого уже были кузнецы. Обыкновенный человек не мог так просто взяться за это священное ремесло. О происхождении этого занятия рассказывает древний бурятский миф. В нем говорится о тяжелых временах, когда человечество, еще не зная железа, влачило жалкое существование. Но вот однажды тенгри, или добрые духи, решили послать на землю бога Божинтая и его девять сыновей, чтобы те научили людей священному ремеслу. Бог вскоре вернулся на небо, а его сыновья женились на дочерях человека, и их первые ученики стали предками всех кузнецов. У бурят кузнецы принадлежали к высшему классу общества, их освобождали от уплаты налогов и считали как бы сродни богам. У монголов дар хаты — это кузнецы в звании, соответствующем рыцарскому.
    Интересно отметить, что единственным “рабочим” среди богов различных религий был бог-кузнец: Гефест — у греков, Вулкан — у римлян, Сварог — у славян.
    Заглянем в “личное дело” наиболее известного из этих богов — Гефеста. Бог огня и покровитель кузнечного ремесла Гефест вошел в высший сонм двенадцати главных богов греческого Олимпа. Имел он знатное происхождение: сын Зевса и Геры, верховных богов греков.
    Гефест всегда изображался могучим кузнецом с молотом или клещами в руках, в хитоне ремесленника с открытой правой рукой и плечом. В отличие от других олимпийских богов он не проводил время в пирах и праздности, а работал в своей полной чудес кузнице. Посредине мастерской стояла огромная наковальня, в углу горн с пылающим огнем и чудесными мехами, которые повиновались слову бога-кузнеца. Черный от угольной пыли и копоти трудился бог-кузнец в своей кузнице.
    С помощью могучих помощников циклопов Гефест ковал молнии для громовержца Зевса, воздвиг на Олимпе дворец для богов, изготовил для Зевса щит-эгиду, колесницу для солнечного бога Гелиоса, ковал несокрушимое оружие для богов и некоторых избранных смертных, например для грозного Ахилла, героя Троянской войны. Он же выковывал и замечательные по красоте изделия — драгоценные украшения, чаши и кубки. В Афинах в честь Гефеста ремесленники устраивали даже особый праздник кузнецов, совершая бег с факелами.
    И вот однажды титан Прометей, великий благодетель человечества по греческому мифу, тайком пробрался в жилище Гефеста, похитил у него огненное ремесло кузнеца и передал его человеку. Жизнь людей намного облегчилась, но Прометей был наказан богами за похищение огня.
    В этом мифе отразилось отношение людей к замечательной профессии кузнеца. Так было в древности. А как относились к этой профессии позже?
    В средневековой Европе кузнец тоже пользовался большим почетом.
    В Англии, в период роста железоделательного производства, многие удачливые кузнецы богатели и становились даже лордами. Родоначальник одной такой династии заводчиков Фуллер на своем дворянском гербе изобразил кузнечные клещи, а девизом избрал слова: “Углем и щипцами”.
    “Чтобы стать кузнецом, надо ковать”, — говорят французы. Этому надо учиться. Вот, что об этой профессии писали в старинной книге “Зрелище природы и художеств” (1788 год): “Ни которой художник (ремесленник — Н.М.) столько в обществе человеческом не нужен, как кузнец. Полезному сему рукоделию учащиеся выучиваются за плату в два года; а без платы должен работать на мастера четыре или пять лет. Во многих местах за довольный знак искусства в кузнечестве преемлется, ежели кузнец скует хорошо две подковы, навозные вилы и топор”.
    В наше время кузнец работает на молотах, прессах, выполняет работы по ковке простых и сложных деталей, соблюдая установленные припуски и чистоту поверхности. Однако в процессе учебы кузнец овладевает и ручной ковкой.
    Каких высот можно достичь в такой профессии? В народе говорят: “Хороший кузнец и муравья подкует”. И верно. Один тульский умелец имел присловье “Железо ломать — ума не надобно”, а сам мог свободной ковкой отковать портрет или, к примеру, сделать под молотом розан-цветок. Искусство! Обуховский кузнец Иван Агеев ковал стальные розы и ударом пятитонного парового молота мог закрыть крышку карманных часов, лежавших на наковальне.
    В наши дни приходится работать на невиданном в старые времена кузнечном оборудовании. Краматорские кузнецы на исполинском, высотой с четырехэтажный дом ковочном прессе отковали, например, многотонные гребные валы для атомохода “Ленин”. Громадные стальные слитки превращаются в валы турбин для Волжской, Братской, Вилюйской, Красноярской и других ГЭС.
    Кузнец… Когда-то он весь день трудился в угарном цехе, в дымящейся на теле от жары одежде. Продолжительность жизни кузнеца Донбасса была еще меньше, чем шахтера. Сегодняшний кузнец — это повелитель прессов, человек технически грамотный, любящий свою профессию, гордящийся ею.

Железная колонна в Дели

    Среднеазиатский ученый из Хорезма Бируни закончил в 1048 году свой большой труд “Минералогия, или собрание сведений для познания драгоценностей”. В 1963 году книга была впервые опубликована полностью на русском языке. В ней есть интересная глава “О железе”, в которой Буруни с удивлением сообщает:
    “К небылицам о происхождении железа, хотя они и так во множестве упоминаются в летописях, относится и то, что в Кандахаре во время его завоевания арабами был найден железный столб высотой в 70 локтей. Хишам Ибн-Амир приказал откопать его до основания, при этом было обнаружено, что столб был вкопан еще на 30 локтей в землю. Тогда он стал расспрашивать о нем, и ему сообщили, что один Тубба из Йемена вступил в их страну вместе с
    персами, и когда они овладели Индией, то йеменцы отлили из своих мечей этот столб и сказали: “Мы не хотим идти отсюда дальше в другую страну”, — и завладели Синдом. И говорят: “Это слова тех, кто ничего не понимает в деле обработки металлов и изготовления крупных отливок из него”. Это даже глупость, ибо тот, кто нуждается во время завоевания страны в увеличении количества оружия, не стал бы уменьшать его вместо того, чтобы увеличивать, точно он собирался сражаться при помощи столба. Это напоминает рассказ тех людей, которые совершают поездки между Хорезмом и страной гузов, о железной наковальне величиной с большой дом, мимо которой проходят по дороге, ведущей…”.
    К сожалению, на этом обрывается глава о железе — конец ее утерян. Однако сообщение о железном столбе Бируни напрасно отнесено к небылицам. Такой столб уже в его время более 600 лет стоял в Индии. Он сохранился и до наших дней.
    Вот, что пишет Д. Неру в книге “Открытие Индии”:
    “Древняя Индия добилась, очевидно, больших успехов в обработке железа. Близ Дели высится огромная железная колонна, ставящая в тупик современных ученых, которые не могут определить способ ее изготовления, предохранивший железо от окисления и других атмосферных явлений”.
    Колонна была воздвигнута в 415 году в честь царя Чандрагупты II. Первоначально она находилась на востоке страны, была увенчана изображением священной птицы Гаруды и стояла перед храмом. В 1050 году царь Анакг Пола перевез ее в Дели. Теперь она стоит на одной из площадей индийской столицы. Темная поверхность колонны на высоте человеческого роста блестит. С давних времен стекались к ней толпы богомольцев: считалось, что, кто прислонится спиной к колонне и обхватит ее руками, тот будет счастлив.
    Колонна весит около 6,5 тонн, высота ее более 7 метров, диаметр у основания — около 42 сантиметров, у верха — до 30 сантиметров. Она изготовлена почти из чистого металла (99,72% железа) и содержит лишь незначительные примеси углерода, серы и фосфора. Этим и объясняется ее долговечность и антикоррозионность. Однако в наши дни ядовитые вещества и кислоты, содержащиеся в воздухе, “вгрызаются” в старинные дворцы, соборы, статуи. Пятна ржавчины стали появляться и на знаменитой железной колонне в Дели — впервые за многие века ее существования.
    Древняя Индия славилась искусством своих металлургов. О выплавке железа в Индии говорится в Ригведах — священных книгах, относящихся примерно к XIII–XII векам до н.э. Таким образом, ко времени создания колонны металлургия Индии имела, по крайней мере, полуторатысячелетнюю историю, и железо стало таким обычным, что его употребляли для изготовления плугов. Строители храма Солнца в Канараке сделали железный каркас здания. Плиты стен храма скреплены железными прутьями и клиньями, потолок основного зала держится на металлических балках длиной 10 метров и в поперечнике 20 сантиметров. Одни из них кованые, другие сварены холодным способом из широких железных полос.
    Историки сообщают, что применявшиеся при сооружении египетских пирамид орудия из железа для обработки камня изготовляли в Южной Индии, которая вела оживленную торговлю с Римом, Египтом и Грецией. Индия настолько была известна на Востоке своими изделиями из стали, что у персов в разговоре о чем-нибудь излишнем и ненужном бытовала поговорка: “В Индию сталь возить”.
    Известен памятник иранской архитектуры XIV века — купольный мавзолей — мечеть Ольдшайту-хана в Султании. Мечеть была декорирована мозаикой из разноцветных глазурованных и люстровых плиток. Главной достопримечательностью мавзолея были двери гробницы хана, сделанные из тончайшей индийской стали. Из стали была сделана и решетка “толщиной в руку”, окружавшая могилу Ольдшайт-хана. Она, якобы, была изготовлена из одного куска стали, и в Индии над нею трудились более семи лет.
    А теперь вернемся к железной колонне. Наверное, читателей интересует вопрос — как же была изготовлена она?
    Некоторые считают, что современные металлурги до сих пор не научились делать ничего подобного. Это не так. В наши дни научились делать и нержавеющую сталь, и железо такой чистоты, какой не знали древние металлурги. И все-таки искусство старинных мастеров достойно восхищения.
    По вопросу о способе изготовления замечательной колонны до сих пор нет единого мнения. Некоторые авторы заявляют, что она была отлита — это менее всего вероятно. Другие считают, что при выплавке “на глазок”, как это бывало в древности, возможны очень большие отклонения в качестве металла. Вот, дескать, одним из таких исключений и могла быть колонна. Третьи предполагают, что колонна изготовлена методом сварки отдельных криц массой по 36 килограммов и последующей их проковки.
    По мнению одного специалиста, древние металлурги для получения чистого железа растирали губку сварочного железа в порошок и просеивали его. А потом полученный чистый порошок железа нагревали до красного каления и под ударами молота его частицы слипались в одно целое — сейчас это называется методом порошковой металлургии. Из таких кусков железа, возможно, и составлена огромная колонна в Дели.

Булат — знаменитая сталь

    Вальтер Скотт в своем романе “Талисман” рассказывает о состязании в ловкости между султаном Саладином и английским королем Ричардом Львиное Сердце. Во время состязания Ричард мечом разрубил на две части копье одного из рыцарей — все видели высокую прочность стали и огромную силу удара короля. В ответ Саладин подбросил в воздух тонкое покрывало и рассек его саблей — прекрасное доказательство остроты клинка и ловкости воина. Клинок султана был булатный. Эта одна из многих легенд, рассказывающая о чудесных свойствах булата.
    Булат — знаменитая сталь, о которой слышали многие. Первые сведения о булате до нас дошли от участников похода Александра Македонского в Индию — за 2300 лет до наших дней.
    Правители одного из пенджабских княжеств преподнесли Александру Македонскому сто талантов стали (талант — 25,9 килограмма — по тому времени величина изрядная, достойная упоминания в описании похода великого полководца!).
    Да, Индия была родиной булата. Отсюда в восточные страны ввозили вутцы — “хлебцы” из стали. Они имели вид плоской лепешки диаметром около 12,5 сантиметра, толщиной 0,25 сантиметра и массой около 900 граммов. Каждый такой “хлебец” разрубали пополам на равные части, чтобы покупатель мог рассмотреть строение металла.
    Индийские мастера много веков владели искусством обработки стали. Знаменитый арабский путешественник и географ Эдризи в 1154 году писал, что индийцы в то время славились производством стали и выковкой мечей. За сотню лет до этого Бируни, описывая производство стали и мечей, восклицал: “Никогда не будет народа, который лучше бы разбирался в отдельных видах мечей и в их названиях, чем жители Индии!” И далее он рассказывает, что мечи в Индии делали всяких цветов: зеленые (отполированное железо натирали раскаленным порошком медного купороса), синие, белые, цвета фиринд или фаранд (шелковая узорчатая ткань), то есть с узорчатым рисунком из стали, с красным полем и белыми узорами на нем.
    Узоры, рисунки на металле были самой главной внешней отличительной особенностью булатных мечей. На некоторых булатах узоры были видны невооруженным глазом сразу после полировки. На других узоры появлялись только после травления соком растений. Узор мог быть крупным или мелким.
    Мастера Востока тщательно хранили секрет производства булата, передавая его только лишь из рода в род. Было несколько известных центров по изготовлению булата. Особенно славился этим сирийский город Дамаск. Там уже 1800 лет назад существовала первая крупная мастерская по изготовлению стали и производству оружия из индийского вутца. Мечи из Дамаска в середине века попадали даже в африканские государства Гану, Мали и другие. Название “дамасская сталь” позже была собирательным понятием булатной стали, изготовлявшейся в разных странах.
    Булатные клинки ценились очень высоко во все времена. Бируни, сообщая о различных видах индийских мечей, упоминает один из них — маджли, на котором изображались животные, деревья: “Стоимость такого меча равна цене лучшего слона, если же рисунок будет изображать человека, то ценность и стоимость меча еще выше”.
    Знакомство европейцев с булатом началось еще в эпоху римского владычества — около 2 тысяч лет назад. Позднее славу булатного оружия разнесли купцы, приобретавшие его в Дамаске и развозившие по многим странам. С начала III века способ ковки дамасских мечей распространился в Западной Европе. Однако спустя 700 лет секрет производства был снова утерян.
    В средние века производство булатов было и на Руси. Имеются документы, подтверждающие, что в Москве существовало производство булатов. Так, в 1616 году оружейный мастер Дмитрий Коновалов выковал зерцало из булата. В ряде документов встречаются записи: “… сабельные полосы, булат синей, московский выков”, “сабля полоса русская с долами на булатное дело”. Однако к концу XVII века это искусство, видимо, пришло в упадок, а потом и вовсе забылось. Здесь уместно будет затронуть вопрос — почему же так легко были утрачены многие секреты древних мастеров?
    Академик Л.Ф. Верещагин, отвечая на этот вопрос, приводит пример с загадкой дамасской стали. Как удавалось людям средневековья без нынешней техники и без легирующих добавок получать эту изумительную нержавеющую и необыкновенно прочную сталь? Если производство дамасских клинков было уже когда-то освоено, то почему же люди позабыли его? Академик так ответил на этот вопрос: “То, что случайно найдено путем экспериментов и еще не осмысленно, не понято людьми, принадлежит им только наполовину. Человеку выпала большая удача — он нашел самородок золота. Нашел случайно. Он порадовался увесистой находке,, подержал ее в руках, спрятал под куст в надежде вернуться сюда, а потом сколько ни искал, уже не мог ее найти. Примерно тоже случилось и с дамасской сталью. Случай дал ее в руки человеку, случай и отнял”.
    Несмотря на утрату секрета, интерес людей к булатной стали не пропадал. В прошлом веке ученые многих стран пытались разгадать тайну булата. Среди них был и знаменитый английский физик Фарадей, пытавшийся получать булат путем добавки к стали алюминия и платины. Однако тайну булатной стали раскрыл русский металлург Павел Петрович Аносов. После многолетних опытов он в 1833 году изготовил в Златоусте первый булатный клинок. “Полоска булата сгибалась без малейшего повреждения, издавала чистый и высокий звон. Отполированный конец крошил лучшие английские зубила”, — писал Аносов в “Горном журнале”.
    Изготовленные на Златоустовской фабрике булатные клинки были золотистого отлива с крупным сетчатым или коленчатым узором, что, по мнению знатоков, было признаком высшего сорта булата. Эти клинки разрубали кости и гвозди, не повреждая лезвия, и вместе с тем легко перерезали в воздухе газовый платок.
    Так что же такое булат, над тайной которого так долго и упорно бились многие люди? “Железо и углерод и ничего более, — отвечал Аносов. — Все дело в чистоте исходных материалов, в методе охлаждения, в кристаллизации”.
    Да, действительно, булат оказался высокоуглеродистой сталью, полученной в результате естественной кристаллизации. Сущность образования булата заключалась в насыщении сплава большим количеством углерода (около 1,3–1,5%). В условиях медленного охлаждения образовалось и находилось в некотором избытке соединение железа с углеродом — так называемый цементит, который не растворялся, как это бывает в обычной стали, а оставался среди железа во взвешенном состоянии. Прослойки цементита обволакивались медленно остывающим мягким железом. Поэтому при высоком содержании углерода, что придает металлу твердость, булат сохраняет высокую вязкость, упругость. Из-за наличия прослоек хрупкого цементита отковка булата должна производиться крайне осторожно, ударами легкого молота, с многократным нагревом до температуры красного каления, переход за которую ведет к потере булатом своих основных свойств и характерного рисунка. Процесс изготовления булата был очень трудоемким, длительным и требовал высокого искусства.
    Работы Аносова по освоению производства булатной стали оказали большое влияние на дальнейшее развитие металлургии. Ведь в то время мартеновский и конверторный процессы еще не были известны. В Англии, России и других странах литую сталь получали трудоемким длительным и малопроизводительным процессом — путем переплавки цементованных кусков железа в тиглях. Цементация, то есть науглероживание железа, представляла собой еще более длительный процесс, а иногда продолжался несколько дней.
    Аносов во время работы над булатом разработал новый способ получения стали, сущность которого “заключается в сплавлении негодных к употреблению железных и стальных обсечков в глиняных горшках при помощи возвышенной температуры воздушных печей”. Если же сплавляли мягкое железо, т.е. металл с низким содержанием углерода, Аносов соединял процесс плавления с процессом науглероживания железа в газовой среде, при этом операция цементации совмещалась с плавлением. Открытие газовой цементации явилось крупным вкладом в практику металлургии и обеспечивало получение литой стали в сравнительно больших однородных массах.
    Наладив на Урале производство тигельной стали, Аносов с законной гордостью писал: “В Златоусте литая сталь, получаемая из стальных обсечков и тагильского железа, может не уступать английской литой стали: в этом меня убеждают многие сравнительные опыты”.
    Завершая свой рассказ о булате, автор уже предвидит вопрос нетерпеливого читателя: какова судьба булата?
    В 60-е годы нашего века производство булатной стали освоили на Златоустовском заводе. Современная техника нашла много способов получения самых разнообразных сплавов с различными свойствами, которыми не обладала булатная сталь. Однако для специалистов и сегодня булат остается примером редкого сочетания двух почти несовместимых свойств — высокой прочности и пластичности. Не угас интерес к восстановлению особенностей технологии производства булатных изделий и выяснения возможности использования ее в современной металлургии.
    На основе этих исследований в Советском Союзе была создана кар-бонитридная строительная сталь. Авторы технологии были удостоены Государственной премии СССР. В разработке участвовали ученые УралНИИчермета, ЦНИИчермета им. Бардина и другие.
    Древние создатели булата сумели “загнать” карбиды с границ зерен в глубь кристаллов и таким образом сохранить и прочность, и вязкость достаточно высокими. В наших условиях для обеспечения подобных свойств получают сталь с добавкой 0,15% ванадия, который образует в стали стойкие химические соединения с углеродом и азотом — карбиды и нитриды. Затем сталь подвергают нормализации — нагреву с последующим охлаждением на воздухе. Причем режим подобран таким образом, что одна часть карбонитридов при нагреве растворяется в кристаллической решетке железа и после охлаждения остается там в виде мельчайших частиц. Более крупные карбонитриды при нагреве располагаются по границам зерен, сдерживая их рост, но при охлаждении освобождают границы и также уходят внутрь кристалла. В итоге получается сталь с весьма мелкозернистой структурой, а значит высокой прочностью и вязкостью, как у булата.

Уральская марка

    Верхотурский воевода Протасьев 23 января 1697 года доложил в Москву, что в горе у берегов реки Тагил найден железный камень-магнит, а по берегам реки Нейвы — железные руды. Образец магнитного железняка направили для пробы в Амстердам. Оттуда получили ответ, что “лучше того железа добротою и мягкостью быть невозможно”. Найденные месторождения послужили рудной базой для первых уральских железоделательных заводов.
    В 1701 году на Урале были пущены два завода — Каменский и Невьянский. Один из крупнейших заводов Урала появился в Нижнем Тагиле, где в 1725 голу построили плотину и две доменные печи. Позднее появились еще две доменные печи, два молота и плющильная машина. Суточная производительность одной доменной печи в 1727 году составляла 250–400 пудов, а годовая — около 120 тысяч пудов.
    Академик С.Г. Струмилин писал позже о Нижнетагильском заводе: “Завод оказался самым крупным и жизнеспособным наследием той эпохи. В преображенном виде и грандиозно возросших масштабах он и ныне является одним из лучших украшений современного Урала”.
    Вслед за этим возникли и другие заводы Демидовых, входившие в Нижнетагильский горный округ. Заводы Демидовых были самыми крупными в мире по производству чугуна.
    На уральский металл ставили заводское клеймо, на котором был изображен маленький бегущий соболь. Металл с маркой “Старый соболь” выплавлялся из чистых, без вредных примесей уральских руд на древесном угле, не засорявшем металл примесями, и был известен всему миру. Аносов в своем производстве булатной стали использовал тагильское железо, ибо в его процессе успех дела состоял прежде всего в “чистоте исходных материалов”. Уральский металл был таким “добрым” и “мягким”, что его сравнивали с собольим мехом, а потому и. назвали заводское клеймо “Старый соболь”.
    В Нижнетагильском краеведческом музее и сейчас можно видеть старинные изделия из уральского металла — образцы проката, свитые в узлы, самовар, железные бутылки — все они свидетельствуют о замечательном качестве железа и высоком искусстве уральских металлургов. Узлы из круглого железа затянуты в холодном состоянии при помощи строгального станка. Самовар сделан из круглых железных дисков в холодном состоянии постепенным загибом с оттягиванием без единого шва, сварки или склепывания. Железные бутылки оттянуты в нагретом состоянии.
    Великолепные качества уральского железа высоко ценились за границей. Особенно охотно покупали его в Англии. “Демидовское железо “старый русский соболь”, — писала 16 апреля 1851 года английская газета “Морнинг пост”, — …играет важную роль в истории нашей народной промышленности; оно впервые введено было в Великобритании для передела в сталь в начале XV III столетия, когда стал ед ел а тельное наше производство едва начало развиваться. Демидовское железо много способствовало к основанию знаменитых шеффильдских изделий”.
    Марка “Старый соболь” особенно славилась в XVIII веке — золотом веке старой уральской металлургии. Тогда Россия занимала первое место в мире по производству металла, обогнав Англию и Швецию. В России же главной металлургической базой являлся Урал: в середине XVIII века здесь производилось до двух третей всего металла в стране.
    Немалую долю в вывозе русского металла в Англию занимало уральское железо. Английская металлургия в то же время переживала застойный период из-за недостатка топлива, и поэтому Англия развивала свою промышленность в основном за счет русского и шведского железа. В конце XVIII века Нижнетагильский завод вырабатывал ежегодно до 280 тысяч пудов металла, который почти полностью отправляли в Англию.
    Уральские заводы XVIII века и в техническом отношении стояли на первом месте в мире. В центральной России имелись еще заводы, получавшие железо устаревшим сыродутным способом. На Урале же получали железо только из чугуна — технически это был более совершенный способ.
    Уральской металлургии XVIII века принадлежали мировые рекорды и по выплавке чугуна на одну печь и по экономическим показателям расхода топлива и сырья. Доменные печи Нижнетагильского завода по своей величине и производительности значительно превосходили западноевропейские. Высота их достигала почти 13 аршин, в то время как шведские и французские были не выше 10,5 аршина, а немецкие 9–10 аршин. Средняя выплавка одной уральской печи составляла около 100 тысяч пудов в год, а некоторые печи в конце XVIII столетия давали по 150–300 тысяч пудов. Такой производительностью не отличались крупнейшие коксовые печи Англии того времени.
    Однако в XIX веке положение русской металлургии изменилось. В то время как, например, Англия, снабженная русским и шведским железом, проводила технические преобразования своей промышленности, становясь на капиталистический путь развития, Россия отставала от Англии и других стран в социально-экономическом отношении. В стране до 1861 года сохранялось крепостное право. Оно послужило главным тормозом в развитии уральской металлургии. Техника уральских заводов оставалась на прежнем уровне, в то время как в других капиталистических странах она непрерывно совершенствовалась. Россия лишилась заграничных рынков сбыта железа, а внутренний спрос из-за экономической отсталости развивался слабо.
    О положении в горной промышленности того времени сохранилось примечательное свидетельство современника. Корреспондент П. Крапивин с Урала писал в “Промышленном листке”: “Отовсюду слышатся жалобы на дороговизну, а частию и на негодность продуктов нашей горнозаводской промышленности… Если уж в центрах горной производительности, как например, у нас на Урале, железо по цене своей составляет предмет мало доступный земледельцам и вообще массе мелких потребителей, то можно представить в какой мере доступно оно там, где горных заводов в близости нет. Прорежьте Россию по какому угодно направлению, и вы то и дело встретите из десяти крестьянских лошадей подкованную одну, из ста саней подкованные двое — трое, из десяти скатов колес два — три без шин, на четыре дома три топора, целые деревни без железного гвоздя, огромные села без кузницы”.
    Новый рассвет уральской металлургии наступил только при Советской власти. Была осуществлена идея продвижения металлургии на Восток — создание здесь крупного угольно-металлургического центра страны. Большие запасы уральской железной руды, сочетание их с сибирским углем, благоприятное географическое положение создавали необходимые предпосылки для развития на Урале технически передового крупного комбинированного хозяйства и превращения Урала в крупный металлургический центр.
    По этому плану перед Великой Отечественной войной на Урале возникли такие гиганты металлургии, как Нижнетагильский (НТМК) и Магнитогорский (ММК) комбинаты.
    В годы войны особенно сказались все преимущества создания этого металлургического центра. Уральские металлурги снабжали фронт металлом и боевыми машинами. В сложных условиях военного времени освоили много новых процессов: впервые в мире начали выплавлять феррохром в доменных печах на металлургическом заводе им. Серова, ферромарганец в больших доменных печах ММК из уральских бедных марганцевых руд. Сталеплавильщики овладели производством высоколегированной стали в больших мартеновских печах, а также освоили выплавку сталей-заменителей, в которых содержалось незначительное количество дефицитных легирующих элементов.
    В послевоенные годы уральская металлургия продолжает свое развитие, с каждым годом увеличивая выпуск металла для мирных целей. Тагильские металлурги обеспечивают прокатом свыше 6 тысяч заводов и строек нашей страны. Металл, раньше известный под маркой “Старый соболь”, теперь с маркой НТМК и других заводов экспортируется во многие государства мира.

Петровский указ

    6 апреля 1722 года был издан и сразу же разослан по заводам важный для развития русской металлургии указ Берг-коллегии “О пробовании железа”. Вот текст этой “прародительницы” современных инструкций ОТК — так называют сейчас на заводах отдел технического контроля.
    “Его императорское Величество указал послать из Берг-коллегии на все железные заводы, где железо делается, чтобы с сего времени железо пробовали сим образом, и отпускали в указанные места и продавали со следующими знаками:
    Первая проба: вкопать круглые столбы толщиной в диаметре по шести вершков в землю так далеко, чтобы оное неподвижно было, и выдолбить в них диры величиною против полос, и в тое диру то железо просунуть, и об весть кругом столба трижды потом назад его от столба отвесть, и ежели не переломится, и знаку переломного не будет, то на нем сверх заводского клейма наклеймить № 1.
    Вторая проба: взяв железные полосы бить о наковальню трижды, потом другим концом обратя такожды трижды от всей силы ударить, и которое выдержит, и знаку к перелому не будет, то каждое сверх заводского клейма заклеймить его №2.
    На последнее, которое тех проб не выдержит, ставить сверх заводских клейм № 3. А без клеймы полосного железа отнюдь чтоб не продавали”.
    Это, пожалуй, самый первый документ об испытании металла перед использованием его в деле. Указ говорит также о том, что в эпоху Петра I заботились не только о количестве выпускаемого металла, но уже создавали методы контроля его качества. Причем спрос с бракоделов был строгий. В другом указе писалось:
    “Повелеваю хозяина Тульской оружейной мастерской Корнея Белоглаза бить кнутом и сослать в работу в монастырь за то, что он, подлец, дерзнул войску государеву продавать плохие пищали и фузеи. Старшего приемщика Флорку Минаева бить кнутом и сослать в Азов, пусть не ставит клейма на плохо сделанное оружие”.
    В давние времена металлические изделия не подвергались испытанию на прочность. Правда, из средневековья дошла до нас такая история о “контроле” продукции. Рассказывают, что в старину, когда оружейнику заказывали стальную рубашку — кольчугу, то примерку готового изделия производили на мастере. Заказчик брал в руку кинжал и наносил по кольчуге несколько ударов.
    В связи с развитием машиностроения в XIX веке к металлу предъявили строгие требования во всех областях техники. Появилась необходимость в разработке общепринятых методов испытания металлов на прочность. С конца 50-х годов прошлого столетия начинают вводить систематические испытания прочности металла на разрыв, твердость, затем испытания на повторную нагрузку, изгиб, удар. В 1852 году для нужд железных дорог Англии и Германии строились специальные испытательные станки и машины. К этому времени уже во многих странах ведутся регулярные испытания прочности железа, проводятся сравнение и анализ результатов, издаются сводки по отдельным производствам — первая из них опубликована десять лет спустя.
    В России до XX века между потребителями металлических изделий и железоделательными заводами не было соглашений относительно сортов поставляемого металла. Каждый завод имел свой сортамент. Еще в 1885 году профессор Н.А. Белелюбский требовал установить единообразные размеры проката, но только в 1894 году Постоянная совещательная контора железозаводчиков приступила к выработке русского сортамента фасонного железа. В результате пятилетней работы комиссии был принят и опубликован “Русский нормальный сортамент фасонного железа: угловое, тавровое, двутавровое, корытное и зетовое железо”.
    Постоянное изучение способов испытаний и условий приемки материалов началось в 1884 году. Через три года в Стокгольме образовался Международный союз по испытанию технических материалов, который разработал международные нормы по испытанию металлов, условия технической приемки, способствовал созданию единообразия в испытании материалов. Введение механических испытаний значительно снизило брак производства, так как предварительный контроль устранял негодный металл из последующих технологических процессов.
    До мировой войны и в течение нескольких последующих лет основой расчета деталей машин служили показатели статических испытаний: пределы прочности, текучести и модуль упругости. Установление того факта, что ответственные детали подвергаются в большинстве случаев действию различных по величине циклических нагрузок, явилось новым шагом в развитии теории прочности. В 20–30 годах были введены такие понятия, как усталостная прочность, пределы усталости при изгибе, кручении и растяжении-сжатии, предел усталости при знакопеременной нагрузке, конструкционная прочность, не утратившие своего значения и в настоящее время.
    Усложнение методов испытания металлических изделий продолжается. Этого настоятельно требуют заботы о безопасности в использовании технических средств. Ни одна машина, ни один самолет без испытаний статическими и динамическими нагрузками не пойдет в серийное производство. А как испытать на прочность океанский лайнер или железнодорожный мост? Или исполинскую турбину, гигантский пресс?
    Современное машиностроение использует детали в 30–40 метров длиной, диаметром 1,5–2 метра и весом сотни тонн. Такие громадины не испытаешь. Их только рассчитывают. Ошибок не должно быть, чтобы не произошла авария. Вот почему инженеры стараются строить машины или сооружения понадежнее — берут запас в 10–12 раз больше расчетной прочности. Это ведет к огромным убыткам. Поэтому для испытания крупных изделий строят испытательные машины. Шведская разрывная машина “Амелер”, созданная еще в первые десятилетия XX века, в новых моделях способна разорвать, как нитку, стальной стержень толщиной 60–80 миллиметров. Но с валом 300 миллиметров толщины ей не справиться. Нужны другие машины.
    В Москве в Центральном научно-исследовательском институте технологии машиностроения построены уникальные установки. На них можно проверять прочность балок толщиной 400 миллиметров, давать этим балкам статические, динамические нагрузки, определять предел усталости.
    Самые большие в мире испытательные машины стараются разрушить коленчатые валы мощных двигателей, крупные гребные валы морских судов, детали прессов с усилием в десятки тысяч тонн и другие. Однако ученые пытаются постигнуть точные закономерности масштабного фактора. Вот тогда не понадобится ломать дорогие образцы, чтобы определить их прочность. Ответ дадут малые образцы, модели в 1/10, 1/100 долю натуры.
    В наши дни техника контроля обогатилась многими точными приборами, созданными на основе последних достижений науки. На каждом заводе имеется ОТК со штампом специалистов, разбирающихся во всех тонкостях производства. Контролер ОТК — еще одна металлургическая профессия. Задача контролера — проследить за точным выполнением технологической инструкции на всех этапах производства металла, тем самым обеспечить надлежащее качество металла при испытаниях. Контролерами на заводах часто работают женщины. Их аккуратность, прилежность, усидчивость обеспечивают точность контроля.
    А в старину все это началось с петровского указа.

Исчезнувшие профессии

    Перенесемся мысленно в Англию, лет на 100–150 назад. В то время она была наиболее промышленно развитой страной мира и занимала первое место по производству железа. Один французский автор с восторгом писал в 1833 году об английских достижениях в использовании железа:
    “Надобно приехать в Англию, чтобы оценить всю пользу железа. Англичане, будучи принуждены употреблять железо вместо дерева, за недостатком леса, старались выделывать оное самою дешевою ценой, и обратили ко множеству таких употреблений, о которых мы на твердой земле Европы не могли бы и подумать. Здесь на каждом шагу увидите железо, чугун, железные листы, сталь в разных видах: в машинах, столбах, колоннах разного размера, от двух дюймов до четырех футов в поперечнике, в водопроводах, в газопроводах, в колеях на дорогах, в решетках, мостах, полах, кровлях, целых набережных, дорогах и прочем”.
    Впечатляющую картину нарисовал автор. Действительно, в Англии много производилось железа. А как его добывали?
    Вот, как описывает другой автор железоделательное производство графства Стаффорширского, крупного металлургического района Англии:
    “40 000 работников — мужчин, женщин и детей — черных, как циклопы, трудятся беспрестанно под атмосферою, наполненною дымом, вокруг тысячи пылающих горнов, на краях черных болот и пропастей, изрытых в земле еще более черной…”.
    Можно представить себе условия работы у металлургических печей того времени: изнуряющая жара от раскаленного металла и тяжелый физический труд при отсутствии всяких механизмов для перемещения тяжестей.
    Среди многих металлургических профессий того времени, пожалуй, самой тяжелой была работа пудлинговщика. Пудлингование было основным способом получения железа на протяжении почти всего XIX столетия.
    На подину пламенной печи загружались чушки чугуна, их расплавляли. По мере выгорания из металла углерода и других примесей температура плавления повышалась и из жидкого расплава начинали “вымораживаться” кристаллы довольно чистого железа. На подине печи собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали к операции накатывания крицы с помощью железного лома. Перемешивая ломом массу металла, они старались собрать вокруг лома комок или крицу железа. Такой комок имел массу до 50–80 килограммов и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу на молот — для проковки с целью удаления частиц шлака и уплотнения металла.
    Обратимся к свидетельству современника — бельгийскому писателю Лемонье, описавшего в романе “Завод” (1886 год) тяжелую жизнь рабочих-металлургов.
    “Хрипло дыша от напряжения и надсады, ожесточенная толпа пудлинговщиков, пыльная и почерневшая от пламени печей, надрывала свои силы в тяжелой работе, от которой пот, точно слезы, струился длинными ручьями с измученных человеческих тел и стекал на утоптанную их подошвами окалину. Вдруг, в двадцати разных местах открывались заслонки горнил, и множество рук, вооруженных клещами, проникали в пекло, извлекая оттуда страшные шероховатые болванки, покрытые ослепительно сверкающими, белыми как рис, крупинками, напоминая голову медуз, с горящими на них гривами; одна за другой болванки летели в железные фургоны, которые извергали пламя из своих глаз, ноздрей и ртов, уносили их по направлению к паровым молотам.
    … Пудлинговщики… подходили один за другим к чанам с водой, поставленным у входа, и погружали в них голову и тело до самой поясницы; в алом свете дня их лица казались мертвенно бледными и розовые пятна ожогов виднелись на их коже, покусанной палящим дыханием печей. Хрипло вздымались груди, горячими струями вырывалось дыхание из пересохших ртов”.
    Не удивительно, что пудлинговые мастера не желали приучать своих детей к этой работе, которая делала человека неспособным к ней около 45–50 лет жизни. И такая профессия сохранялась кое-где до начала XX века.
    Теперь профессии пудлинговщика нет. Работа сталевара, конверторщика на современных агрегатах проходит совсем в других условиях. Конечно, и сейчас металлург имеет дело с раскаленным металлом, но ему теперь помогают многие механизмы и автоматические устройства.
    А что представляла собой прокатка сто лет назад? Н.И. Покровский, автор книги “Рудник и завод”, изданной в 1864 году, так описывал работу прокатного стана:
    “Машина, приводящая валки в движение, вертится обыкновенно с большой быстротою, чтобы самые валки быстро вертелись и быстро пропускали металл между собою. Нужно удивляться ловкости рабочих, которые с одной стороны валков вдвигают в них добела раскаленный ком железа, а с другой — подхватывают выходящую их них, еще белую от жара металлическую штуку, поднимают ее и передают на другую сторону валков. Вода, падающая на валки из особых трубок, попадает иногда на раскаленный металл в минуту вступления его в валки и, обращаясь мгновенно в пары, производит как бы настоящие ружейные выстрелы. Любопытно видеть прокатку рельсов, когда из толстой массы белого раскаленного металла, длиною не более полутора аршин, после двух или трех первых прокатов уже является рельс в несколько сажен длиною. Как адская огненная змея стремится он из валков и гнется под собственною тяжестью. Рабочие принимают его на железные палки и крючья, чтобы потом приподнять и передать рельс на другую сторону валков для новой прокатки”.
    Прокатные валки могли вращаться только в одну сторону. Они не обладали способностью реверсивного движения, как в нынешних прокатных станах, когда валки вращаются туда и обратно. Кроме того, раскаленную полосу нужно было вручную подавать в валки. Это и делали рабочие-кантовщики.
    Рельсы того времени были сравнительно невелики. А если приходилось прокатывать огромные массы металла? Тогда было так.
    В Шеффильде на заводе Д. Брауна и К° 6 сентября 1867 года была прокатана толстая броневая плита массой около 300 тонн. “Масса железа больших размеров до сих пор не прокатывалась еще нигде”, — отмечали в прессе.
    После нагрева в печи пакет “с величайшими затруднениями был вынут из оной и поднесен к валкам, причем рабочим от невыносимого жара приходилось часто переменяться между собой, несмотря на то, что все они были одеты с головы до ног в парусину, напитанную водой. После попеременной прокатки пакета взад и вперед, длившейся четверть часа, была получена удовлетворительная броневая плита толщиной в 15 дюймов. Эта громадная операция, кончившаяся так удачно, потребовала 200 человек рабочей силы…”
    А теперь? Современный прокатный цех — весьма механизированный и автоматизированный участок на заводе. И пришедшего впервые на металлургический завод новичка больше всего поражает прокатка. Да и не только новичка завораживает работа прокатных механизмов. Каждый раз, попадая в прокатный цех, и бывалый металлург засмотрится на точную работу механизмов, которой руководит оператор за пультом управления. Огромный раскаленный слиток вылетает из валков и бежит по рольгангу, но ролики рольганга уже сменили направление вращения и слиток мчится обратно в валки. В промежутках между проходами слитка линейки манипулятора устанавливают его перед тем или иным калибром и кантуют его — переворачивают с боку на бок, чтобы равномерно проходило обжатие металла. Так исчезла еще одна тяжелая профессия.
    В старых доменных цехах самой распространенной профессией была тяжелая работа каталя. Сейчас металлургам, особенно молодым, надо объяснять о существовании такой профессии.
    Доменная печь, даже небольшая по сравнению с современными гигантами, потребляла много угля, руды, известняка. Загружать все эти материалы в печь входило раньше в обязанности каталя. Изо дня в день тащил он свою “козу” на колошник доменной печи, обливаясь потом, задыхаясь от чада, выбиваясь из сил. Сколько их становилось инвалидами, не способными к работе. Известный доменщик И.Г. Коробов рассказывал о работе каталя на Макеевском заводе, принадлежавшем французскому акционерному обществу:
    “На работу каталя брали только сильных и выносливых. Не каждый может в течение смены нагрузить на “козу”, перевезти и разгрузить около 2000 пудов железной руды… За 12 и более часов работы на заводе платили 70–80 копеек (по копейке за “козу”), а на каждую “козу” грузили ни мало, ни много 25–30 пудов руды. Двор был весь в рытвинах, повороты узкие, колеи разбиты…”
    Теперь на доменные печи подают материалы скипами — подъемными саморазгружающимися тележками-коробами. На новейших доменных печах для этого используется даже транспортерная подача сыпучих материалов, например на Криворожском и Череповецком металлургических комбинатах.
    Загрузку мартеновских печей раньше производили тоже вручную — до революции на русских заводах не было завалочных машин. Все сыпучие материалы — руду, известняк — кидали в печь обычными лопатами. А загрузку тяжелого металлического лома выполняли специальные рабочие. Они забрасывали куски лома на огромную лопату с длинной рукояткой, висевшей на цепи. Иногда груз весил 40–60 пудов. Несколько рабочих-садчиков налегали на ручку груженой лопаты и под “Дубинушку” толкали ее в печь, переворачивая. А теперь в мартеновском цехе эту работу выполняет мощная машина, двигающаяся по железнодорожной колее шириной в 8224 миллиметров. Такая завалочная машина может подать за один прием более 10 тонн лома!
    Так, на примере этих четырех исчезнувших профессий — пудлинговщика, кантовщика, каталя, садчика — можно представить наглядно изменения, внесенные техническим прогрессом в металлургические цехи.
    За годы Советской власти в черной металлургии ликвидированы многие профессии тяжелого физического труда: катали. колошниковые, чугунщики, формовщики — в доменных цехах; завальщики, рабочие по подъему крышек завалочных окон — в мартеновских цехах; смазчики, ломовщики — в прокатных цехах. Взамен появилось немало новых профессий, связанных с управлением технологическими агрегатами, механизмами, аппаратами.

ЖЕЛЕЗНАЯ МОЗАИКА

“В народе без железа, как при обеде без соли”

    Такими словами начинается записка Герасима Раевского, поданная Петру I в 1714 году. В ней содержался проект государственной монопольной торговли железом по образцу уже испытанной тогда соляной торговой монополии.
    В народном фольклоре таких метких изречений о важности и значении железа в человеческом обиходе встречается много. В пословицах и поговорках всех народов мира железо отмечается прежде всего как мерило необычайной прочности.
    “Если ты настоящий человек, будь крепким, как сталь” (киргизская).
    “Терпеливый даже железо разорвет” (татарская).
    “Старательный горы свернет, старанье железную веревку оборвет” (узбекская).
    “Правдивое слово и железо пробьет” (азербайджанская).
    “Крепок, как стальной меч” (японская).
    Человек прочнее железа, тверже камня, нежнее розы” (турецкая).
    Сколько не бей по железу, ему все нипочем” (азербайджанская).
    Но ничто не вечно в этом мире. Даже прочнейшее железо. И тогда говорят арабы: “И железо рассыпается в прах”.
    Есть у железа страшный враг — ржавчина. К чему она приводит, как с ней бороться — и об этом говорит народная мудрость.
    “Человека губит горе, железо портит влага “ (турецкая).
    “Сердца ржавеют, как ржавеет железо” (арабская)
    “Ржа — на железо, а неправда в человеке не утаится” (русская).
    “Береги железо от ржавчины, а одежду от моли” (азербайджанская).
    “Коль меч не чистить, на нем ржа появится” (тамильская).
    “Пока железо в работе, его ржа не берет” (азербайджанская).
    Без руки хозяйской и железо чахнет. Это подтверждают два старинных афоризма: “Жизнь человеческая подобна железу. Если употреблять его в дело, оно истирается, если не употреблять, ржавчина его съедает” (Катон Старший).
    “Железо ржавеет, не находя себе применения, стоячая вода гниет или на холоде замерзает, а ум человека, не находя себе применения, чахнет” (Леонардо да Винчи).
    Железо железу рознь. Эта мысль о разном назначении металла является также содержанием народных изречений.
    “Железо и сталь выходят из одной печи: одно становится мечом, другое — подковой осла” (таджикская).
    “Некаленое железо ни косой, ни серпом не станет” (курдская).
    “Хорошо испытанные клинки кинжалов сгибаются прежде, чем ломаются (немецкая).
    “Хорошее железо узнают при ковке, хорошую лошадь узнают при скачках” (калмыцкая).
    “Из плохого железа меча не выковать” (турецкая).
    “Из пленавого железа добрая сабля не станет” (болгарская).
    “Из гнилого хлопка не будет бязи, из ржавого железа не выкуешь меч” (азербайджанская).
    “Хорошее железо не ржавеет, хороший родственник не забывает” (калмыцкая и монгольская).
    Наибольшая группа народных афоризмов о железе посвящена кузнецу и его ремеслу. Из пословиц и поговорок разных народов можно составить целую технологическую инструкцию по кузнечному делу. Помимо меткой образности изречений, обобщающих различные явления жизни и сохраняющих обычно нравоучительный смысл, эти народные высказывания необычайно точно подмечают и технологические детали кузнечного ремесла.
    “Дело — знатоку, железо — кузнецу” (амхорская).
    “Если железо не ковано, хоть его позолоти — не станет ни косой, ни серпом” (курдская).
    “Холодное железо незачем ковать” (сербская).
    “Не гретое железо не согнешь” (украинская).
    “Железо само не станет мягким” (корейская).
    “Железо куется, когда оно раскалится” (татарская).
    “Куй железо, пока горячо” (русcкая, болгарская, турецкая, киргизская).
    “По мере того как куешь, становишься сам кузнецом” (французская).
    “Куешь железо — не жалей угля; растишь сына — не жалей еды” (китайская).
    “Когда куют железо, многократно бьют по нему” (испанская).
    “Кузнец орудует щипцами, чтобы не обжечь руку” (чеченская).
    “Охладить щипцы еще не значит закончить ковку” (суахили).
    “И наковальня виновата, если ковка плоха” (финская).
    “Кто хороший серп скует, того смело называй кузнецом” (финская).
    “В руках у кузнеца железо струится, как вода” (узбекская).
    Некоторые поговорки имеют определенное историческое содержание. В древней Японии жил знаменитый оружейный мастер Масамуне. Мечи его работы ценились очень высоко. В разговоре о чем-нибудь нелепом японцы стали говорить: “Мечом, изготовленным Масамуне, резать редьку”.
    История болгарского города Самоков в середине века была тесно связана с производством железа. Тамошние кузнецы производили железо замечательного качества, и в Болгарии появилась поговорка:
    “Чистая работа как самоковское железо”.
    Народные изречения всегда поражают богатством своего содержания. Юмор зачастую обогащает их содержание, что несколько смягчает назидательную направленность пословиц и поговорок.
    “О потерянном топоре всегда
    говорят, что он был сделан из хорошего железа” (корейская).
    “Кто не пробовал людского кулака, свой считает железным” (азербайджанская).
    “Заруби деревом на железе” (русская).

Алмазы в железе

    Парч и Хайдингер в 1846 году обнаружили небольшие кристаллы графиты в метеоритном железе из Венгрии. В 1882 году в том же метеорите А. Брезина нашел небольшие алмазы. Русские ученые М.В. Ерофеев и П.А. Лачинов в метеорите “Новый Урей”, упавшем 4 сентября 1886 года, увидели также мельчайшие кристаллики алмаза. Рентгеновское просвечивание метеорита, упавшего в Индии в 1872 году, позволило обнаружить алмаз внутри “небесного камня”.
    Всего пять раз за всю историю “пришельцев из космоса” в них были обнаружены алмазы общим содержанием около 315 карат. Одни кристаллы наблюдались невооруженным глазом, другие различались только в микроскопе.
    Советские ученые академик А.В. Виноградов и Г.П. Вдовыкин выдвинули гипотезу о двух вариантах происхождения метеоритных алмазов: в каменных метеоритах — при соударении астероидов в космосе, а в железных — при ударе метеорита о землю.
    Известный французский химик Муассан, получив сведения о метеорите “Новый Урей”, выписал из России часть его. Проведенный анализ подтверждал присутствие в нем кристалликов алмаза. Это навело его на мысль, что образование алмаза из угля может происходить при очень быстром охлаждении и при высоком давлении. В 1890 году он приступил к опытам по синтезу искусственных алмазов. Муассан решил использовать свойство чугуна при затвердевании расширяться. Расплавленный в дуговой печи чугун он насыщал углеродом, затем резко охлаждал его водой. Корка застывшего металла препятствовала расширению чугуна при отвердевании — внутри получалось огромное давление. Растворив чугун в кислоте, Муассан якобы обнаружил мелкие твердые кристаллики — искусственные алмазы. Однако его опыты никому повторить не удалось.
    На объединенном заседании химического отделения и металлографической комиссии Русского технического общества 15 марта 1907 года Д.К. Чернов сделал сообщение “О кристалликах алмаза и карборунда в стали”.
    Еще в первые годы своей работы на Обуховском заводе Д.К. Чернов исследовал при помощи микроскопа изломы литых стальных болванок. Тогда же он обнаружил у стенок внутренних усадочных пустот очень твердые неметаллические включения характерного кристаллического строения в форме шестиугольных тонких пластинок. Он отправил их французскому металловеду Осмонду с просьбой произвести тщательный химический анализ. В 1902 году Осмонд дал заключение, что это кристаллики карборунда.
    Швейцарский ученый Франк, обнаруживший подобные включения много лет спустя после Чернова, принял их за выделения алмаза, очевидно, по аналогии с крупинками искусственных алмазов, полученных Муассаном при мгновенном затвердевании чугуна. В 1895 году Франк и Россель заявили, что как метеоритное железо, так и искусственно полученное железо и сталь содержат маленькие алмазы.
    Открытие Черновым кристалликов карборунда в стальной болванке явилось весьма важным фактором для выявления взаимоотношения между углеродом и прочими компонентами стали. Работа Чернова доказывала отсутствие выделений углерода в стали в виде алмазов.
    Английский металлург Норберн в опубликованной в 1939 году схеме затвердевания железоуглеродистых сплавов вновь подтвердил невозможность существования в закристаллизовавшейся стали свободного углерода в форме алмаза. Он доказал, что карбид железа, не находящийся в твердом растворе, то есть в форме свободного углерода, легко разлагается с образованием графита.
    В наше время синтетические алмазы получают иначе. Еще в 1939 году ленинградский физико-химик О.И. Лейпунский выяснил, что для превращения графита в алмаз в твердой фазе необходимы давление около 6000 МПа и температура 1700–1800°С. Он указал также на возможное образование алмаза и при несколько меньших давлениях, если использовать вещество с относительно невысокой температурой плавления и достаточной растворимостью углерода. В качестве одного из таких веществ называлось железо.
    Теперь из графита в условиях высоких давлений и температур в мире ежегодно получают несколько миллионов карат синтетических алмазов. Новый материал используется для изготовления абразивного инструмента, а также в виде паст и порошков для доводочных и притирочных работ.
    Используют алмазы и в металле. Если на зерна алмазного порошка нанесено карбидометаллическое покрытие, они приобретают повышенную прочность. Спаянные в агрегаты зерна благодаря ветвистому строению надежно удерживаются в связке шлифующего инструмента, сообщая ему высокую стойкость и работоспособность. Металлизованные агрегированные алмазные порошки используются для получения шлифовальных кругов на органической связке.

Золотистый чугун

    Имеет ли доменная печь какое-либо отношение, например, к добыче… золота? Оказывается, имеет.
    Русский металлург П.П. Аносов, который разгадал тайну булата, в прошлом столетии предложил использовать доменную печь для извлечения золота. Вот история этого необычного предложения.
    Будучи начальником горного округа златоустовских заводов, Аносов много занимался вопросами золотодобычи. На миасских промыслах работала золотопромывочная машина его конструкции. Исследуя существующие способы извлечения золота, он выяснил, что при промывке золотых песков добывали намного меньше золота, чем его содержалось фактически в песках.
    Аносов поставил перед собой задачу — найти новые пути извлечения драгоценного металла из песков. Вскоре он предложил оригинальный метод — доменную плавку песков с высоким содержанием золота. Суть его метода заключалась в том, что при доменной плавке золото перейдет в чугун и потом его можно будет извлечь, растворяя металл в серной кислоте.
    Способ был сначала проверен на плавке в небольших тиглях, а затем начали плавить пески в шахтной медеплавильной и в доменной печах. Опытные плавки дали неплохие результаты: при доменной плавке выход золота был в 28 раз больше, чем при обычной промывке золотого песка.
    Свои опыты с золотом Аносов проводил в начале 1837 года. Первое сообщение о них он отправил в Петербург 20 марта. Обычно медлительная бюрократическая машина империи Николая I начала действовать в спешном порядке — ведь речь шла о золоте! Ученый Комитет Корпуса горных инженеров на специальном заседании заслушал доклад “О последствиях произведенных господином Аносовым опытов над обработкою золотосодержащих песков”.
    “Сей способ, — говорил докладчик, — уже в началах и существе своем весьма важен и принадлежит к числу самых счастливых и богатейших последствиями открытий в области горнозаводского производства. Господину Аносову исключительно принадлежит честь завершить важный переворот в золотом производстве и разлить новый свет на эту отрасль промышленности. Самая простота процесса ручается за его совершенство и выгоды”.
    Ученый комитет 28 апреля принял решение о продолжении опытов Аносова. О них доложили царю, и на докладной записке по этому вопросу тот не замедлил написать резолюцию: “Согласен. Мне любопытно знать подробнее сие производство. 30 апреля 1837 г.”
    Министр финансов направил Аносову письмо: “Объявляю вам мою просьбу и мое приказание обратить на сие дело неусыпное ваше внимание, донося почаще об успехах ваших действий”.
    Летом в Екатеринбург приехал новый начальник заводов Уральского хребта генерал В.А. Глинка. Аносов ожидал от него большой помощи, ведь Глинка был участником совещания Корпуса горных инженеров, на котором опыты получили такую высокую оценку.
    Но изобретатель помощи не дождался. В Екатеринбурге среди горных офицеров нашлись недоброжелатели Аносова. Видимо, под их влиянием Глинка начал действовать против Аносова. В июле он объявил, что лично явится в Златоуст для ревизии опытов.
    В большой спешке проводилась подготовка опытов. Автора изобретения фактически отстранили от дела. Состав песков для плавки предварительно не был проверен, плавка велась без контроля. Одним словом, все делалось иначе, чем при Аносове. Опыты не дали удовлетворительных результатов. Через месяц Глинка послал рапорт, где писал: “Удобства плавки чугуна на песке не подтвердились”.
    Аносов отказался подписать “Журнал действий комиссий” и, несмотря на запрет Глинки, продолжал сам опыты. Ему снова удалось извлечь золото из чугуна и он послал его на Монетный двор. В декабре 1837 года директор Монетного двора сообщал, что получил от Аносова пять пакетов с золотом, извлеченным при плавке песков.
    Сановный чиновник Глинка оказался сильнее горного офицера Аносова. Горный департамент решил прекратить опыты, а министр финансов на докладной записке наложил резолюцию: “Согласен”.
    А опытами Аносова заинтересовались уже за границей. Генерал-майор Андельгонд писал из Парижа, что вся ученая Европа заинтересована опытами Аносова и что французские химики соглашались их продолжать. Спустя год пришел запрос даже из Египта — вести об аносовских опытах дошли и до египетского паши.
    Однако царские чиновники не дали Аносову довести дело до конца.

Опасный сплав

    Доменный цех Челябинского металлургического комбината. У газовой будки лежит более десятка образцов проб выплавляемого на печи ферросилиция — сплава кремния с железом. Горновой печи знакомит молодых выпускников техучилища с образцами.
    — Из этого чугуна отливку не получишь и в сталь не переплавишь, — говорит он. — А для металлургии он нужен, как воздух для человека. Вот, к примеру, чтобы мартеновцам выплавить высококачественную сталь, надо добавить в нее наш ферросилиций, содержащий 10–14% кремния. Добавляется его очень мало, в твердом виде. Служит он как приправа у хозяйки, а для стали — раскислитель. Его плавят на ферросплавных заводах в специальных печах. Но там его получают в небольшом количестве. Чтобы получить в домне такой чугун, нужно специально готовить сырье: восстановить кремний из руды и не дать ему в виде кремнезема уйти вместе со шлаком. Для этого мы и развиваем более двух тысяч градусов температуры в горне — заставляем тем самым кремний переходить в чугун. Жжем кокса в два раза больше, чем на обычном передельном чугуне, а кокс засоряет и горн, и фурмы. И тут с ним беда. В придачу еще фурмы горят да выбрасывают до десятка тонн этого огненного мусора из домны[2].
    … В мае 1908 года из Стокгольма вышел пароход “Улеаборг”. На следующее утро после отплытия пассажиры второго класса и часть команды заболели. Все заболевшие оказались около трюма и чувствовали во время пути исходивший оттуда чесночный запах. Их перевели в каюты первого класса, более удаленные от грузовой части парохода. Тем не менее один из заболевших к вечеру умер. По прибытии в Индию груз отправили на берег, а пароход пошел дальше. Все больные выздоровели, кроме одного матроса, умершего два дня спустя.
    Причиной отравления оказался ферросилиций — сплав, о котором говорилось выше. В начале XX века были зарегистрированы и другие случаи отравления от ферросилиция. Только за 1905–1908 годы было отмечено девять случаев отравления. Это привело к тому, что почти все крупные судовые компании стали отказываться от приемки грузов с опасным сплавом.
    Начались исследования причин подобного действия ферросилиция. Было замечено, что отравления связаны с выделением из сплава газа (ацетилена) с сопутствующими ему примесями. Выяснилось также, что разлагаться и выделять газы могут лишь некоторые сорта ферросилиция с определенным содержанием кремния.
    Русские исследователи Н.С. Курнаков, Г.Г. Уразов и Ю.Г. Жуковский доказали, что ферросилиций под действием влаги и при определенном составе разлагается с выделением ацетилена с примесью мышьяковистого и фосфористого водорода. Смесь этих газов весьма ядовита и обладает чесночным запахом. Особенно легко разлагается ферросилиций с содержанием 50–65% кремния, поэтому сплав с таким содержанием кремния сейчас не производится.
    Ферросилиций выплавляют и в доменных печах, и в специальных ферросплавных электропечах. Дело в том, что с увеличением содержания кремния в сплаве температура восстановления основного элемента возрастает. При низком содержании кремния в железе температура восстановления сравнительно невысока, и это определяет возможность выплавки бедного (9–14% кремния) ферросилиция в доменных печах.
    Восстановление кремния с получением богатого ферросилиция возможно лишь при высоких температурах и, следовательно, только в электропечах специальной конструкции.
    Печь загружается необходимыми материалами. Электрический ток подводится к электродам, нижние концы которых находятся в плавильной ванне. Здесь электрическая энергия превращается в тепловую. В печи создается очень высокая температура (4000°С и выше), при плавлении материалов происходят сложные химические реакции. Когда процесс полностью закончится, готовый металл через летку выпускают в ковш.
    Основные рабочие, обслуживающие ферросплавную печь: старший плавильщик (бригадир), плавильщик, горновой и его подручный.
    Старший плавильщик руководит работой своей бригады, ведет технологический процесс выплавки ферросплавов, принимает участие в ремонтах печи, ведет учет проделанной работы.
    Плавильщик помогает бригадиру и под его руководством участвует во всех работах, связанных с ведением плавки и ремонтом печи. Он заменяет бригадира во время его отсутствия.
    Горновой производит подготовку, разделку и заделку летки, выпуск и разливку металла и шлака из печи, берет пробы металла и шлака, следит за состоянием оборудования у горна.
    Чтобы управлять процессами производства ферросплавов, все рабочие, обслуживающие печь, должны хорошо знать технологию выплавки ферросплавов различных марок, основы электрометаллургии и электротехники, конструкцию и условия эксплуатации печи, контрольно-измерительную аппаратуру, правила техники безопасности. Знакомство с физико-химическими свойствами сплава помогает избежать опасных последствий.

Застывшая музыка в металле

    Поэт Николай Асеев в своих воспоминаниях рассказывает об одном споре между Есениным и Маяковским. Маяковский убеждал Есенина бросить своих неверных попутчиков — “крестьянствующих поэтов”:
    — Что это вы глину на ногах тащите?
    — Я глину, а вы — чугун и железо! Из глины человек создан, а из чугуна что?
    — А из чугуна памятники! — гремел Маяковский.
    Так поэт назвал еще одну область использования чугуна. И тут прежде всего вспоминается знаменитое каслинское чугунное литье.
    Каслинский завод был основан в 1747 году как чугунолитейный, но особенно прославился с начала XIX века своим художественным литьем. Здесь производились из чугуна архитектурные украшения, садовая мебель, решетки, скульптуры и различные бытовые предметы с рельефным и ажурным орнаментом.
    Чугунные изделия каслинцев экспонировались на выставках в Петербурге и Москве, Париже и Вене, в Филадельфии, Копенгагене и Стокгольме и неоднократно удостаивались высоких наград. Шедевр каслинского литья — чугунный павильон, созданный для Всемирной Парижской выставки 1900 года, был восстановлен каслинскими мастерами 50-х годов. Они отлили недостающие детали, а их оказалось более тысячи, любовно собрали его, и мы снова можем любоваться им в Свердловской художественной галерее.
    Многие изделия выполнялись по моделям известных русских скульпторов Ф.П.Толстого, П.К. Клодта и других. Но не меньшее значение имел и кропотливый труд мастеров литейщиков. Каслинские мастера обладали высоким художественным вкусом и сами становились авторами моделей. Одним из таких мастеров-самородков был формовщик Василий Торокин. В свободные от работы часы он занимался лепкой. Учился в заводской скульптурной школе. Тайком от начальства работая по ночам, он вылепил статуэтку “Старуха с прялкой”, история создания которой послужила писателю П.П. Бажову основанием для создания сказа “Чугунная бабушка”.
    В сказе очень хорошо говорится о трудном мастерстве каслинских умельцев: “В чем тут главная точка была, сказать не умею. Кто говорил — чугун здешний особый, только, на мой глаз, чугун — чугуном, руки — руками. Про это ни в каком деле забывать не след.
    В Каслях, видишь, это фигурное литье с давних годов укоренилось.
    Тоже ведь фигурка, сколь хорошо ее не слепит художник, сама в чугун не заскочит. Умелыми да ловкими руками ее переводить доводится. Формовщик хоть и по готовому ведет, а его рука много значит… Чуть оплошал — уродец родится.
    Дальше чеканка пойдет. Тоже не всякому глазу да руке впору. При отливке, известно, всегда какой ни есть изъян случится. Ну, наплывчик выбежит, шадринки высипит, вмятины тоже бывают, а чаще всего путцы под рукой путаются. Это пленочки так по-нашему зовутся. Чеканщику и приходится все эти изъяны подправить: наплывчики загладить, шадринки сбить, путцы срубить. Со стороны глядя, и то видишь — вовсе тонкое это дело, не всякой руке доступно.
    Бронзировка да покраска проще кажутся, а изведай — узнаешь, что и тут всяких хитростей-тонкостей многонько.
    А ведь все это к одному шло. Оно и выходит, что около каслинского фигурного литья, кроме художников, немало народу ходило”.
    Современные каслинские мастера выполняют портреты, скульптурные группы, фигуры животных, композиции для оформления городов, парков, станций метро, мостов, набережных.
    В 1983 году в Каслях обнаружена находка, по ценности едва ли уступающая драгоценному кладу. В обычном деревянном ящике, найденном при реконструкции старинного демидовского цеха, оказалось около 500 моделей художественного литья, снискавшего всемирную славу. Пролежавшие здесь около сотни лет, они считались безвозвратно потерянными. Эта находка дает прекрасный материал для возрождения выдающихся художественных произведений из чугуна. Модели легли на стол реставраторов — забытые произведения ждет новая жизнь.
    Кажется, легкий кружевной занавесь опущен по фасаду семиэтажного здания Челябинского филиала Центрального научно-исследовательского института швейной промышленности. В ажурный орнамент тонко вписаны стилизованные изображения птиц, зверей и растений. Это декоративное панно высотой 25 метров в удачном сочетании с узорной решеткой ворот под въездной аркой — новая творческая работа челябинских архитекторов и мастеров художественного чугунного литья. Около пяти тысяч литейных деталей изготовили мастера. Чугунные узоры, впервые широко использованные в архитектурном оформлении общественного здания, стали достойным украшением главной магистрали Челябинска проспекта им. В.И. Ленина.
    Литейщик — представитель такой же древней профессии, как кузнец. “Зрелище природы и художеств” в 1874 году сообщало: “Литейщики имеют право лить разного рода большие и малые вещи; однако же они обыкновенно льют только малые сосуды, как то церковную утварь, кресты, дароносицы, кадильницы, лампады, подсвечники и проч. Несмотря на то, были литейщики, кои изяществом своей работы себя отличили; ибо они выливали из меди ковчеги, орлов, статуи необыкновенной тяжести и особенного и редкого изображения”.
    Современные литейные профессии включают немало специальностей. Модельщики изготовляют будущую деталь из дерева — модель. Работа виртуозная — по чертежу будущей детали необходимо все перевести в модель, используемую при формовке. Земледел готовит литейную формовочную землю особо огнеупорной стойкости и пластичности, чтобы сохранить форму будущей детали. Формовщик берет модель, использует литейную землю и осуществляет формовку. Форма после сушки поступает к заливщику металла. Готовая отливка после остывания поступает к обрубщику, который удаляет приливы и различные дефекты.
    Продолжим наш рассказ о застывшей музыке в металле — замечательных художественных изделиях из чугуна, железа и стали.
    Помните пушкинские строки “Твоих оград узор чугунный”, “Полнощных стран краса и диво”? Северная столица России славилась решетками мостов и набережных, литых чугунных и кованых железных. Именно их и воспел русский поэт. Они и сейчас служат украшением Ленинграда. Необычный коллекционер главный инженер треста эксплуатации мостов и набережных города П.П. Степнов в своей картотеке зарегистрировал решетки всех мостов и набережных Ленинграда. Протяженность художественных литых чугунных решеток мостов в городе 10 830 метров, а длина кованых железных решеток на набережных 53 570 метров.
    Решетка у Летнего сада со стороны Невы по праву считается лучшей среди декоративных оград. 36 монолитных колонн всей ограды поддерживают выкованные тульскими кузнецами звенья железной решетки. Удивительна гармоничность этого, словно парящего в воздухе металлического кружева из копий, удлиненных прямоугольников и лепных розеток. Ворота в центре ограды украшены более сложным узором. Авторами решетки принято считать русских архитекторов Ю.М. Фельтена и П.Е. Егорова.
    Имеются сведения о том, что в 20-х годах XX века американские бизнесмены предлагали за ограду Летнего сада сотню паровозов, но нарком просвещения А.В. Луначарский от имени Советского правительства с возмущением отверг это предложение.
    Железо как художественный материал использовалось в древности в Египте (подставка для головы из гробницы Тутанхамона около Фив, XIV век до н.э.), Месопотамии (кинжалы, найденные около Керхемиша, 500 год до н.э.), Индии (железная колонна в Дели, 415 год н.э.). Со времен средневековья сохранились многочисленные высокохудожественные изделия из железа в Англии, Франции, Италии, России — кованые ограды, дверные петли, настенные кронштейны, флюгера, оковы сундуков, светцы.
    Кованые сквозные изделия из прутьев и просечного листового железа имеют плоскостные формы, четкий линейно-графический силуэт и эффектно просматриваются на свето-воздушном фоне. Искусство просечного железа относится к отдаленным временам развития кузнечного дела. В древнерусском декоративном искусстве просечной металл распространился очень широко. “Плоскостное узорочье” вплеталось в белокаменную резьбу Владимиро-Суздальской Руси подзорами крыш и куполов, фонарями, дверными петлями. Просечными полосами оковывались сундуки, шкатулки. Просечное железо воронили, лудили, покрывали позолотой.
    Искусством кованого железа издавна славится Болгария. Дом лучшего болгарского мастера по железу Страхила Кокурова на окраине Софии. Здесь из железа уличный фонарь перед домом, перила внутренних лестниц, рама для зеркала, бра, журнальный столик, рабочий стол, чернильный прибор, шкатулки, подсвечники, дверные ручки.
    Создание художественных изделий из железа — глубоко национальное искусство Армении. Традиции ярко проявились в творчестве художника Вартана Оганяна. Созданные им подсвечники, приборы для камина, декоративные украшения привлекают изяществом исполнения, разнообразием форм, изысканным вкусом. Художник часто прибегает к сочетанию металла и дерева. Тогда кованое железо рядом с теплым оттенком дерева приобретает неповторимую красоту и монументальное звучание. Изделия из металла Оганяна прекрасно вписываются в интерьеры, в оформление архитектурных экстерьеров. Сам характер творчества художника предполагает тесное содружество с архитектурой. К примеру, одно из его творений — огромная декоративная люстра — находится в ереванском кинотеатре “Урарту”. Несмотря на свои внушительные размеры, железная люстра кажется легко парящей под высоким плафоном.
    Бельгийский архитектор Орта — один из основоположников и теоретиков стиля модерн в архитектуре — основу своего стиля искал в извилистой линии, получившей название “Удар бича”. По мысли архитектора она выражает физические свойства железа и в то же время воплощает нервный напряженный дух эпохи.
    Известный советский скульптор С.Т. Коненков писал: “Во многом выразительность скульптуры зависит от соответствия идеи и материала. Греки любили нежную поверхность мрамора, а мы чаще обращаемся к граниту, нержавеющей стали, чугуну. Эти материалы более других соответствуют нашему времени”.
    Ранней весной 1937 года открылась Всемирная выставка в Париже. Перед советским павильоном на 33-метровой высоте стояла скульптурная группа В.И. Мухиной “Рабочий и колхозница” высотой 24,5 метра и массой 7,5 тонны. Оболочки фигур выполнены чеканкой по форме листов хромоникелевой нержавеющей стали толщиной 2–3 миллиметра. Нержавеющая сталь, самый современный в технике материал, поразил всех удивительной скульптурной пластичностью, красотой цвета, соответствием материала идее композиции. Теперь “Рабочий и колхозница” занимают почетное место недалеко от главного входа на ВДНХ.
    Листовая нержавеющая сталь как материал декоративный и долговечный все чаще применяется в архитектуре. Примером может служить обработка широкой рифленой полосой из нержавеющей стали пилястров и колонн на станции московского метро “Маяковская”.
    Сооруженный в Днепропетровске и открытый 31 октября 1967 года монумент “Родина” представляет собой сложное архитектурное сооружение. Высота монумента более тридцати метров. На вершине его находится 9-метровая литая скульптура женщины из нержавеющей стали. Толщина стенок отливки всего 10–25 миллиметров. Отливали ее по выплавляемым моделям.
    Два года спустя коллектив Днепропетровского завода металлоконструкций для возводимого в районе Корсунь-Шевченского плацдарма монумента боевой славы изготовил пятиугольную 69-метровую стальную колонну. Вершину ее венчает пятиконечная звезда, в которую вмонтировано 1700 зеркал из полированной нержавеющей стали. Звезда ярко сияет над полем брани, где Советская Армия наголову разгромила полчища фашистских оккупантов.
    Над руинами легендарной Брестской крепости как символ великой Победы вознесся памятник-монумент павшим героям.
    Сложное инженерное сооружение массой около 600 тонн представляет собой стометровый металлический штык. На Молоденческом заводе металлоконструкций рабочие изготовили из самых прочных сталей девять секций штыка и доставили их в Брест на монт