01-История теплотехники

а) микроволновая печь б) гриль Рис. Схема микроволновой печи и гриля

Работа гриля основана на воздействии на продукт в основном излучением. Это может приводить к пережогу продукта на поверхности.

6. История развития промышленной печи Медный век.

Начало веку меди положило освоение людьми техники горячей ковки и литья, которому много способствовало распространение гончарного производства. Печи и керамические формы для отливки дали возможность взяться за опыты с медью уже всерьез. Произошло это на Ближнем Востоке примерно в IV тысячелетии до н. э, в Европе и Китае во II—III тысячелетии до н. э, а в Перу только в начале I тысячелетия до н. э…

Литье в высшей степени упрощало процесс изготовления орудия, а медный топор только за счет одного своего большего веса ускорял процесс рубки дерева втрое. Но распространению медных орудий на данном этапе еще препятствовали как трудность отыскания самородков, так и крайняя мягкость меди, значительно ограничивающая сферу ее применения при обработке других материалов.

Витоге, металлургия меди мало повлияла на изменение образа жизни людей, так как медные орудия не только никогда не вытесняли полностью каменных, но и уступали им во многих отношениях, имея решительное преимущество лишь в технологичности. Более того, — в Египте в середине III тысячелетия до н. э. отмечается даже временный спад производства медных орудий и частичный возврат к индустрии камня. Запасы самородной меди стремительно истощались.

Следующий этап развития технологий наступил уже в конце III тысячелетия до н. э., когда была открыта возможность получения металлов из руды. Одновременно, скорее всего случайно, было установлено, что, если в тигль, где плавится медь, подбросить немного олова, качество полученного материала решительно улучшится.

Бронзовый век

Вначале II тысячелетия до новой эры медь стала заменяться бронзой. Приблизительно в эту же пору появились и первые железные изделия, но мягкое железо, как материал для оружия и орудий, было хуже бронзы, — бронзовый век продолжался еще 1000 лет, вплоть до освоения технологий науглероживания, закалки

исварки.

Из бронзы делали даже прямые длинные мечи. Причем, в Китае, где бронза стоила дешево, изготовление оружия из нее продолжалось даже во II веке нашей эры, — то есть уже в эпоху широкого распространения железных орудий. Бронзовый меч тогда, в принципе, получался легче и острее железного, хотя из-за меньшей, чем у стали, твердости рубящей кромки не годился для рубки железных доспехов и фехтования против железного меча.

И позже бронза сохраняла некоторое значение, так как превосходила железо в технологичности, — если форму железному изделию можно было придавать только ковкой (поэтому даже старинные гвозди имели квадратное сечение), то бронзовые орудия можно было отливать.

Изделие сложной формы, например, шлем, проще было именно отлить, чем выковать. Что же касалось прочности, то бронза однозначно была тверже железа и не такой хрупкой как сталь. Бронзовые доспехи, в том числе цельнолитые кирасы, вплоть до начала нашей эры употреблялись в Риме, шлемы же в Европе и в XIX веке делали из бронзы по преимуществу.

Дополнительным достоинством бронзы было ее удобство при массовом производстве. Так китайцы, например, уже в первом тысячелетии новой эры отливали из бронзы детали к арбалетным замкам, наконечники и ушки для арбалетных болтов и многое другое. Бронзовый наконечник, конечно, не обладал пробивной способностью железного, но каждый из железных надо было выковывать и закаливать персонально, а бронзовые отливались в специальным станке по 100-200 штук разом, причем обладали качеством для железных изделий в ту пору почти недостижимым — стандартностью.

С XV века бронза снова стала стратегическим материалом, так как оказалось, что она незаменима для изготовления пушек.

Существенным недостатком бронзы была, однако, ее дороговизна, вследствие которой, в период бронзового века, она не могла вытеснить из употребления каменных орудий и оружия. Ведь, необходимая для изготовления бронзы медь встречается несравненно реже железа, а олово было остродефицитным материалом еще в глубокой древности, — финикийцы плавали за ним в Англию.

Железный век

Более-менее общеизвестно, что материал, в обиходе называемый железом, даже в простейшем случае представляет собой сплав собственно железа, как химического элемента, с углеродом. При концентрации углерода менее 0.3% получается мягкий пластичный тугоплавкий металл, за которым и закрепляется название его основного ингредиента — железа. Представление о том железе, с которым имели дело наши предки, сейчас можно получить, исследовав механические свойства гвоздя.

При концентрации углерода более 0,3%, но менее 2,14% сплав называется сталью. В первозданном виде сталь походит по своим свойствам на железо, но, в отличие от него, поддается закалке — при резком охлаждении сталь приобретает большую твёрдость — замечательное достоинство, однако, почти совершенно сводимое на нет благоприобретенной в процессе той же закалки хрупкостью.

Наконец, при концентрации углерода свыше 2,14% мы получаем чугун. Хрупкий, легкоплавкий, хорошо пригодный для литья, но не поддающийся обработке ковкой, металл.

Первым шагом в зарождающейся чёрной металлургии было получение железа путём восстановления его из окиси. Руда

перемешивалась с древесным углем и закладывалась в печь. При высокой температуре создаваемой горением угля, углерод начинал соединяться не только с атмосферным кислородом, но и с тем, который был связан с атомами железа.

После выгорания угля в печи оставалась так называемая крица

— комок вещества с примесью восстановленного железа. Крицу потом снова разогревали и подвергали обработке ковкой, выколачивая железо из шлака. Долгое время в металлургии железа именно ковка была основным элементом технологического процесса, причём, с приданием изделию формы она было связана в последнюю очередь. Ковкой получался сам материал.

Сталь производилась уже из готового железа путём науглероживания последнего. При высокой температуре и недостатке кислорода углерод, не успевая окисляться, пропитывал железо. Чем больше было углерода, тем тверже оказывалась сталь после закалки.

Как можно было заметить, ни один из перечисленных выше сплавов не обладает таким свойством, как упругость. Железный сплав может приобрести это качество, только если в нем возникает чёткая кристаллическая структура, что происходит, например, в процессе застывания из расплава. Проблема же древних металлургов заключалась в том, что расплавить железо они не могли. Для этого требуется разогреть его до 1540 градусов, в то время как технологии древности позволяли достичь температур в 1000−1300 градусов. Вплоть до середины XIX века возможным считалось расплавить до жидкого состояния только чугун, так как плавкость железных сплавов возрастает по мере увеличения концентрации углерода.

Таким образом, ни железо, ни сталь сами по себе для изготовления оружия не годились. Орудия и инструменты из чистого железа выходили слишком мягкими, а из чистой стали — слишком хрупкими. Потому, чтобы изготовить, например, меч, приходилось делать бутерброд из двух пластин железа, между которыми закладывалась стальная пластина. При заточке мягкое железо стачивалось и появлялась стальная режущая кромка.

Такое оружие, сваренное из нескольких слоев с разными механическими свойствами, называлось сварным. Общими недостатками этой технологии являлись излишняя массивность и недостаточная прочность изделий. Сварной меч не мог пружинить,

вследствие чего неизбежно ломался или гнулся при ударе о непреодолимую преграду.

«Железная революция» началась на рубеже I тысячелетия до н. э. в Ассирии. С VIII века до н. э сварное железо быстро стало распространяться в Европе, в III веке до н. э. вытеснило бронзу в Китае и Галлии, во II веке новой эры появилось в Германии, а в VI веке нашей эры уже широко употреблялось в Скандинавии и в племенах, проживающих на территории будущей Руси. В Японии железный век наступил только в VIII веке нашей эры.

Увидеть железо жидким металлурги смогли только в XIX веке, однако, ещё на заре железной металлургии — в начале I тысячелетия до новой эры — индийские мастера сумели решить проблему получения упругой стали без расплавления железа. Такую сталь называли булатом, но из-за сложности изготовления и отсутствия необходимых материалов в большей части мира, эта сталь так и осталась индийским секретом на долгое время.

Более технологичный путь получения упругой стали, при котором не требовались ни особо чистая руда, ни графит, ни специальные печи, был найден в Китае во II веке нашей эры. Сталь перековывали очень много раз, при каждой ковке складывая заготовку вдвое, в результате чего получался отличный оружейный материал, называемый дамаском, из которого, в частности, делались знаменитые японские катаны.

С VII века в Китае и с XVI века в Европе получил распространение так называемый передельный процесс в металлургии — технология, при которой железо ещё при получении за счёт высокой температуры плавления и интенсивного науглероживания перегонялось в чугун, а уже затем, жидкий чугун, освобождаясь от лишнего углерода при отжиге в горнах, превращался в сталь.

Из передельной стали уже можно было изготавливать кривые мечи (например, сабли), чего не позволяла сделать сварная технология.

Лучшая дамасковая сабля, клинок которой состоял из тысяч или даже десятков тысяч слоев металла, запросто перерубала передельную. Но против рядовых дамасковых клинков, при несравненно меньшей стоимости, мягкая передельная сталь за счёт одной своей высокой упругости показала себя конкурентоспособной.

Первым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная печь. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды.

Древние люди долгое время жили богато и счастливо — каменные топоры делали из яшмы, а для получения меди пережигали малахит, но все хорошее имеет тенденцию кончаться. Одной из причин краха античной цивилизации Средиземноморья стало истощение минеральных ресурсов. Золото кончилось не в казне, а в недрах, олово иссякло даже на «Оловянных островах». Медь, хоть и добывается на Синае и Кипре до сих пор, но те месторождения, которые разрабатываются сейчас, римлянам доступны не были. Среди прочего, кончилась и пригодная для сыродутной обработки руда. Только свинца ещё было много.

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь — с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица.

Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи — в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какоето применение. Например, древние индусы отливали из грязного

чугуна гробы, а турки в начале XIX века — пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались — так себе.

Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта — чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому, рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа — блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз.

Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10%, как в штукофене, а 30% выхода составлял чугун — «свиное железо» ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации.

Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным — из него выходили только предметы простые и грубые — кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра.

Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах

иблауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь

ижелезо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения.

Всвоё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Китайцы, а позже

иевропейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли

передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень.

Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным — печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась — но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков.

Доменные печи впервые были применены в Китае в VII веке, а на рубеже XV-XVI веков независимо изобретены в Европе. На Ближнем Востоке и в Индии эта технология появилась только в XIX веке (в значительной степени, вероятно, потому, что водяной двигатель из-за характерного дефицита воды на Ближнем Востоке не употреблялся). Наличие в Европе доменных печей позволило ей обогнать в XVI веке Турцию если не по качеству металла, то по валу. Это оказало несомненное влияние на исход борьбы, особенно когда оказалось, что из чугуна можно лить пушки.

С начала XVII века европейской кузницей стала Швеция производившая половину железа в Европе. В середине XVIII века её роль в этом отношении стала стремительно падать, в связи с очередным изобретением — применением в металлургии каменного угля.

Прежде всего, надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался — из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, в первую очередь — серы. С XI века в Китае и с XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля — большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.

Устранять серу коксованием научились в Англии в 1735 году, после чего возможность использовать для выплавки железа большие запасы каменного угля, наконец, позволила европейцам

обойти даже хитроумных китайцев. Но за пределами Англии эта технология распространилась только в XIX веке.

Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно — домна пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь.