Путь стали
Железо и сталь... Вещи настолько хорошо знакомые нам и привычные, что кажется - они существовали всегда. Однако так ли просты эти старые знакомцы? Отнюдь нет! Сама история знакомства человечества с этими материалами загадочна и неполна. Много тайн хранят дошедшие до нас уникальные изделия из этого «обычного» металла. А уж современные технологии получения и обработки железа и вовсе кажутся космическими...
Рождение железа
Самые первые изделия из железа буквально свалились с неба. И это не фигура речи! В древних Шумере и Египте, где впервые начали делать железное оружие, доступных месторождений попросту не было. Однако плавить металл в небольших горнах, создавая там высокую температуру, уже научились. А в переплавку пускали... метеориты! И не стоит думать, что «небесного железа» было совсем уж мало: обломки «падающих звезд» зачастую не так уж невелики. Так, относительно недавно - в 1920 году - на юго-западе Африки был обнаружен метеорит «Гоба», весящий 60 тонн! Вполне возможно, что древние кузнецы находили не меньшие объекты.
Понятно, что «небесные» орудия, полученные из метеоритов, рядовыми не были и приличествовали лишь богам и вождям: как правило, применяли их в ритуальных целях. Например, наиболее известной археологической находокой стал железный кинжал царя древнего государства Ур-Мешка. Он невообразимо древний - относится к середине III тысячелетия до н.э. А нашли его в захоронении владыки среди сокровищ - золотых кубков, доспехов и украшений...
Когда человечество научилось добывать железо из руды - доподлинно неизвестно. Понятно лишь одно: толчком к поиску послужило истощение доступных месторождений руд меди и олова. Именно они служат ингридиентами для получения наиболее распространенного сплава, определившего историческое развитие целых эпох - бронзы. К этому времени - середине II тысячелетия до н.э. - стало известно, что железо можно получить из окатышей, в изобилии встречающихся на болотах и пустошах. Первооткрывателями метода стали полулегендарные халибры, населявшие тогда Закавказье. Они разработали технологию восстановления древесным углем оксида железа, из которого большей частью и состоят рудные окатыши. В сыродутных горнах, куда воздух нагнетался при помощи кожаных мехов, руда превращалась в ковкое, так называемое «кричное» железо. Это был настолько таинственный процесс, что на многие века за кузнецами закрепилась репутация людей, близко знакомых с магией...
Тайным метод оставался недолго. Достаточно быстро по историческим меркам, всего за несколько веков технология распространилась по миру. И славу лучших металлургов надолго захватили индусы. Доказательством тому - знаменитая Кутубская колонна, расположенная недалеко от Дели. Она сделана из железа почти 1600 лет назад, но до сих пор на ней нет ни пятнышка ржавчины! Столп в 7,5 м и диаметром 40 см сварен из отдельных дисков-криц, состоящих из высокоуглеродистого и очень чистого металла. Лишь относительно недавно современные технологи научились добиваться столь высокой степени очистки...
На европейском Западе, где залежей железных руд всегда было много, первыми кузнецами стали кельты, расселившиеся к середине I тысячелетия до н.э. по большей части Центральной и Южной Европы. По-видимому, оттуда технология обработки добралась и до Севера, где признанными металлургами стали финны. Более того, это, пожалуй, один из немногих народов, у которого выплавка и обработка металла стала ведущей темой целого эпоса - «Калевалы». Там довольно подробно описывается процесс добычи и переделки железа из руды, которым занимается первокузнец Ильмаринен:
«Из болот железо взяли,
Там на дне его отрыли,
Принесли его к горнилу.
Положил кузнец железо,
Поместил в огонь горнила
И мехи привел в движенье...».
Интересно, что за века развития технология практически не изменилась: чтобы стать железом, руда должна пройти через огонь. Однако между горном древнего кузнеца и современным конвертором лежит огромная пропасть...
«Как калилась сталь в горниле...»
Хотя сегодня переработка железа уже не является мистерией, масштабы этой индустрии впечатляют. В наше время, как и века назад, путь стали начинается от горнодобычи, благо разведанных запасов хватает пока с лихвой. Сегодня, по базовым оценкам, в мире существует 160 млрд. тонн железных руд, содержащих около 80 млрд. тонн чистого железа. По данным US Geological Survey, крупнейшими месторождениями обладает Украина, за ней вплотную идут Россия и Бразилия. Среди европейских стран наиболее активно разрабатывает свои запасы Швеция, где качество руды очень высоко.
Прежде чем руда попадет на переработку, она обогащается до железного концентрата. Это достаточно сложный процесс, содержащий множество стадий, включающих механическое, физическое и химическое воздействие. Руду измельчают, сортитруют на специальных сетках-грохотах, подвергают магнитной сепарации, при которой пустая порода отделяется и идет в отвалы. Полученная масса, содержащая высокую концентрацию железа, доводится до кондиций, которые нужны перерабатывающим предприятиям.
Итак, обогащенная руда прибыла на металлургическое производство. Мы уже знаем, что с древнейших времен, для того чтобы стать железом, ей нужно пройти через огонь. Понятно, что при помощи ручного горна миллион тонн окатышей обработать невозможно. Сегодня руду плавят, используя специальные, весьма сложные сооружения - домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.
Наиболее распространенным является доменный процесс, который является первичным для превращения руды в сталь. В гигантскую доменную печь при температуре 2000°C углерод в виде кокса, железная руда в виде окатышей и оптимизирующая процесс добавка - флюс (обычно известняк) подаются сверху. Снизу мощные компрессоры нагнетают горячий воздух. Именно в этот момент начинается таинство получения металла. Горящий кокс выделяет угарный газ, который восстанавливает оксид, из которого состоит руда, до очищенного железа.
Флюс помогает избавиться от вредных примесей, ухудшающих качество металла - силикатов, таких как кварц (диоксид кремния). В результате образуется легкий шлак, который также находится в расплаве, но, будучи более легким, чем железо, всплывает и сливается через специальные отверстия. Надо учитывать, что шлак - вовсе не мусор и востребован, например, в строительстве и сельском хозяйстве.
Металл из доменной печи - чугун - это полуфабрикат, поскольку содержит слишком много углерода, делающего его хрупким. Впрочем, часть чугуна идет на последующую обработку - он широко применяется в технике.
Доменное производство - масштабное и непрерывное. Это значит, что просто «выключить» домну, если металл не нужен, нельзя. Процесс остановки и запуска печей сложен и требует времени.Кроме доменного, часто применяются процессы прямого получения железа. В этом случае рудные окатыши обрабатывают в шахтной печи не угарным газом, а раскаленными продуктами разложения метана, содержащими чистый водород - сильнейший восстановитель. Эта технология удобна тем, что загрязнение серой и фосфором, неизбежное при использовании кокса, в этом случае минимально. Железо получается сразу твердым и дальше обрабатывается в электрических печах. Однако этот метод имеет свои ограничения - для заводов такого типа необходимо наличие источника природного газа.
Алхимия железа
Чтобы чугун стал качественной сталью, сначала нужно убрать из него ненужное - лишний углерод и вредные примеси (обычно серу и фосфор), ухудшающие качество металла. Это происходит в мартеновских или, чаще, в кислородно-конвертерных печах, где они фактически выгорают. Получающиеся в итоге углеродистые стали - основной конструкционный материал, широко применяющийся в самых разных отраслях промышленности. В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S≤0,035% и Р≤0,035%). Но, несмотря на универсальность, углеродистые стали не могут удовлетворить всех потребностей современных технологий. Поэтому с целью получения особых свойств, сталь изменяют - модифицируют специальными легирующими добавками. В результате прочность и пластичность разных марок легированной стали может отличаться в разы, а некоторые из них сопоставимы по твердости с таким материалом, как корунд.
Но просто очищенное и даже модифицированное легирующими добавками железо - еще не готовая к употреблению сталь. Замечательные свойства этого металла - твердость, стойкость к истиранию, упругость - во многом определяются еще и процессами закалки.
Это особый вид сложной термической обработки изделий из металлов и сплавов, включающей в себя неоднократный дозированный нагрев с промежуточным охлаждением в специальных растворах. В древности методы такой обработки были тайной тайн и выглядели зачастую весьма кроваво. Вот как осуществлялся один из способов закалки знаменитой дамасской стали (рецепт нашли в храме Балгала в Малой Азии): «Булат греют до тех пор, пока он не потеряет блеск и станет как восходящее солнце в пустыне, после чего нужно остудить его до цвета королевского пурпура и затем вонзить в тело могучего раба... Сила раба перейдет в клинок и придаст прочность металлу».
К счастью, кровавые методы остались в далеком прошлом. Однако и сегодня способов закалки - множество, как традиционных, так и инновационных, позволяющих добиться новых свойств у металла.
Путь стали от руды до изделия - долог и тернист. Металл действительно проходит тяжкие испытания «огнем, водой и медными трубами». Но результат того стоит, иначе этот удивительный материал не стал бы основой основ всей нашей цивилизации...
