Министерство образования Российской Федерации
ВлГУ
Кафедра химии
Реферат по истории химии:
«Развитие металлургии в XIV – XVIII вв.»
Выполнил: ст. гр. ХП – 200
Репин П.И.
Руководитель: Диденко С.В.
Владимир 2000 год
Введение
Черная металлургия – основа экономического и оборонного могущества государства. В наших планах, в том числе и на перспективу, развитию этой решающей отрасли народного хозяйства отводиться должное место. Металлы являются верными друзьями и надежными помощниками человека. Современную жизнь без них невозможно даже представить.
Тысячи лет назад люди научились пользоваться металлами и добывать их из природных соединений. Почти три четверти менделеевской таблицы химических элементов, из которых построено все существующее во Вселенной, составляют металлы. Десятки из них широко применяются в технике и быту. Остальные с каждым годом все глубже внедряются в практику. Еще большее распространение получили сплавы, состоящие из нескольких металлов и неметаллических элементов. Как правило, такие сплавы обладают свойствами, превосходящими свойства чистых металлов.
Большой путь прошла отечественная металлургия. Это был путь труда и неутомимых исканий ученых – металлургов, инженеров, техников и рабочих. Труды русских ученых – металлургов явились достойным вкладом как в науку, так и в практику металлургического производства. Именно в России впервые зародилась и от десятилетия к десятилетию успешно развивалась наука о металле, сложилась прославленная школа ученых – металлургов, традиции которой передавались от одного поколения ученых к другому.
Археологи утверждают, что человек научился получать железо с незапамятных времен. Применение метеоритного железа – первый шаг по пути отказа от бронзы. С этого начался переход от бронзового века к железному. Бронза, как известно, сохраняется в земле, точнее – в ее культурном слое, тысячелетия. Железо, напротив, довольно быстро возвращается в первозданное состояние – ржавление превращает его снова в своего рода руду, т.е. в соединения железа с кислородом. Тогда почему же можно говорить о применении железа в незапамятные времена? Основанием для этого служат остатки, говоря современным языком, металлургического оборудования, которым пользовались наши предки, отходы древнего “металлургического производства” в виде шлака, неиспользованное сырье в виде угля и т.д. Производство железа на территории нашей страны было известно еще в доисторические времена. Археологические раскопки древних поселений в центральной части СССР, на Урале, Украине, в Белоруссии, Закавказье и в ряде других районов показывают, что наши далекие предки уже 2,5 – 3 тысячелетия тому назад умели получать железо из руд и изготовлять из него оружие, орудия труда и предметы домашнего обихода.
Конечно, уровень мастерства древнего сталеделателя поначалу был не очень высок, а костровая металлургия давала не железо, а , скорее, хрупкий чугун. Позже чугун стали нагревать в горне вместе с куском железной руды, что позволило превратить этот хрупкий чугун в ковкий металл – в сталь, вполне пригодную для изготовления нужных человеку предметов быта, орудий охоты, войны. Костровая металлургия сменилась горновой.
Много веков существовал сыродутный способ получения железа. Железная руда нагревалась в небольших горнах – ямах, вырытых в земле и выложенных обоженной глиной. В дальнейшем появились и наземные печи – домницы. В качестве топлива использовался древесный уголь. При нагревании происходило восстановление железа из его окислов с помощью углерода топлива. На дне горна образовывалась крица – раскаленный ком железа, по структуре напоминающий губку. Его проковывали под молотом для уплотнения и выдавливания шлаков.
Производительность таких сыродутных горнов была незначительной. Вес железного кома – крицы редко превышал 20 – 25 кг. Появление в середине XIV в. доменных печей открыло возможности для значительного увеличения выпуска металла. Демидовская металлургия знала кричное железо, домницы, а потом домны, литейный чугун, прокатное производство. В конце XVIII в. англичане вырвались вперед: появилась тигельная плавка стали. Новая технология предусматривала ведение процесса под силикатным шлаком, т.е. под битым бутылочным стеклом (мы сказали бы теперь, что это был кислый сталеплавательный агрегат).
Нужно было найти замену древесному углю: развитие металлургии привело в свое время к тому, что в Англии и Ирландии леса были практически уничтожены. Еще во времена Кромвеля здесь предпринимались попытки выплавлять доменный чугун сперва на каменном угле, которым богата Англия, а потом и на каменноугольном коксе. В конечном счете двести лет тому назад была создана, как мы говорим теперь, коксовая доменная металлургия. Появление доменной печи и бессемеровского конвертера, которым ознаменовалась новая эра в черной металлургии, одновременно означало и конец тысячелетней эпохи “чистой” стали и начало нового периода – “грязной” стали. Доменные печи существуют и сегодня, а последние в нашей стране бессемеровские конвертеры Днепровского металлургического завода им. Дзержинского потушены – в 1983 г.! На их место пришли современные конвертеры с комбинированной продувкой – сверху и снизу. Древние металлурги действительно умели делать из булатной стали мечи, превосходные латы и кольчуги. Они “выжали” все, что можно было, из углеродистой стали, т.е. из сплавов железо – углерод. Но им и в мечтах не могло представиться, что сделает человек из железа, если он введет в него помимо (а то и вместо!) углерода различные легирующие примеси. Легирование железа открыло новую эру в металлургии, а значит, и в сфере потребления ее продукции.
Все эти удивительные изобретения были сделаны почти столетие назад. Они не утратили своего выдающегося значения в наши дни, не утратят и в обозримом будущем.
Нам остается лишь преклоняться перед древними мастерами, отнюдь не владевшими теорией металлургических процессов, но умевшими тысячу лет тому назад ковать мечи из непревзойденной и сегодня булатной (дамасской) стали, готовить латы и шлемы, удивительной вязки стальные кольчуги. В XVI – XVII вв. на Руси создаются первые железоделательные заводы. Они строятся вблизи старинных русских городов – Тулы, Каширы, Серпухова, в Новгородском крае и других районах страны. Уже к концу XVII в. их суммарная производительность достигает 150 тыс. пудов. В начале XVIII в. отечественная металлургия развивается еще более быстрыми темпами. Это была славная эпоха Петра I, которой отлично понимал, что для решения поставленных им задач – укрепить Русское государство, завоевать выходы к морям, “прорубить окно в Европу” - потребуется немало металла, чтобы обеспечить сооружение кораблей и производство вооружения. Однако разведанных рудных запасов и лесных ресурсов Центра России было явно недостаточно. Нужно было создать новую металлургическую базу страны. Ею явился Урал, с его богатейшими запасами высококачественной железной руды и древесноугольного топлива.
При Петре I Урал становится ведущим горнометаллургическим районом России. Туда направляются специалисты с тульских и других старых заводов; привлекаются опытные заграничные мастера. Один за другим на Урале возникают крупные по тому времени железоделательные заводы – Каменский, Невьянский, Уктусский, Алапаевский и др. Одновременно продолжается расширение и строительство предприятий в центральной части страны, близ Москвы, Липецка, Воронежа, в северо – западных районах. Эти заводы впоследствии сыграли большую роль в материальном обеспечении русской армии и флота. Достаточно сказать, что только один первенец уральской металлургии – Каменский завод с 1702 по 1709 г. выпустил 854 артиллерийских орудия и свыше 27 тыс. пудов снарядов к ним. Они помогли русскому народу одержать победу в решающем сражении со шведами под Полтавой.
В петровскую эпоху выдвинулось немало талантливых людей, поставивших своей целью изучить природные богатства русской земли, создать рудники, построить заводы, укрепить экономическое могущество Родины.
Усилия металлургов петровской эпохи не пропали даром. Выплавка чугуна и производство железа росли в первой четверти XVIII в. стремительными темпами. По данным акад. С.Г. Струмилина, металлургическая промышленность России произвела в 1725 г. 1165 тыс. пудов чугуна, т.е. свыше 19 тыс. т. Производительность английских заводов не превышало в это время 17 тыс. т3. Таким образом, за четверть века производство черных металлов в России увеличилось почти в восемь раз. В области черной металлургии наша страна вышла в то время на первое место в мире, оставив позади себя Англию, Францию, Германию и другие страны.
Русский металл отличался высоким качеством. Это не удивительно. Ведь на Урале он выплавлялся из прекрасной руды – магнитного железняка, на чистом древесном угле, опытными металлургами. Вместе с тем он приобретал все большую популярность на мировом рынке. В 1716 г. наиболее индустриальная страна того времени – Англия ввезла первую партию русского железа – 2200 пудов. 16 лет спустя эта цифра увеличилась почти в 100 раз, а через несколько десятилетий более трети применяемых в Англии черных металлов имели клеймо русских заводов. Россия стала основным поставщиком металла для Англии, вступившей в это время на путь создания крупной машинной индустрии. “Без импортного железа, - указывает акад. С.Г. Струмилин, - промышленный переворот в Англии задержался бы, несомненно, на целые десятки лет”. Конечно, оживленный заграничный спрос на русское железо и расширение отечественной промышленности, прежде всего оружейной, стимулировали дальнейшее развитие русской металлургии.
В результате увеличения производства металлов уже в первой половине XVIII в. начали складываться предпосылки для разработки научных основ металлургии, вся препятствующая история которой начиная с глубокой древности не выходила за пределы эмпиризма. Она “была цепью непрерывных практических исканий новых способов получения металлов, передела их и производства специальных сплавов”. Древние и средневековые мастера хорошо знали приемы получения и обработки железа, передаваемые из поколения в поколение. Часто эти приемы и накопленный опыт были достоянием отдельных семей или небольших групп мастеров и хранились в тайне.
Все большая потребность в металлах, необходимость получать для изготовления различных изделий сплавы с разными свойствами заставили многих представителей науки XVIII в., прежде всего физиков и химиков, заняться разработкой теоретических основ металлургических процессов, постараться выяснить зависимость свойств металла от его состава, методов получения и характера обработки.
Зачинателем науки о металлах на Руси по праву считается наш великий соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов. Это был замечательный ученый, один из образованнейших людей своего времени, человек большого, многогранного таланта.
Он многое сделал для выяснения существа геологических процессов, для изыскания способов рациональной промышленной разработки полезных ископаемых. Ломоносов впервые создал стройную, подлинно научную теорию металлургического производства, сыгравшую огромную роль в развитии горнозаводской промышленности.
Металлургическая техника России в конце XVIII в. не уступала западноевропейской, а во многом даже превосходила ее. Уральские доменные печи, например, считались в то время крупнейшими в мире. Их высота доходила до 13 м, т.е. была почти предельной для печи, работавшей на древесном угле. Наибольший диаметр такой печи (в распаре) составлял почти 4 м, а ее недельная выработка достигала 200 – 300 т. Такая высокая производительность по свидетельству видного немецкого историка металлургии Л.Бека, была недостижимой тогда для самых больших английских домен, работавших на коксе.
Размеры и производительность доменных печей того времени больше всего зависели от количества и давления воздуха, нагнетаемого в печи. Русские изобретатели XVIII в. успешно работали над совершенствованием воздуходувных устройств доменных печей. В 1743 г. крепостной мастер уральских заводчиков Демидовых Григорий Махотин предложил вдувать воздух в доменную печь не через одну, а через две фурмы. Это мероприятие улучшило работу печи и ускорило процесс плавки.
Однако этого было мало. Крупные доменные печи требовали большего давления вдуваемого в них воздуха. Эту задачу успешно решил выдающийся русский теплотехник и изобретатель Иван Иванович Ползунов (1728 - 1766). В 1765 г., за три года до английского изобретателя Смитона, он сконструировал цилиндрическую воздуходувку, заменив ею малопроизводительные меха ящичного типа. Ползунов предложил также оригинальную конструкцию воздушного аккумулятора, названного им “воздушным ларем”. Это был большой деревянный ящик, связанный трубами с несколькими воздуходувками, обеспечивающими печи воздухом. По другим трубам воздушное дутье подавалась в домну. “Воздушный ларь”, подобно резиновой груше пульверизатора, обеспечивал равномерное и непрерывное поступление воздуха в печь.
Во второй половине XVIII в. в России выдвинулось немало талантливых организаторов и умелых руководителей горнозаводского дела, людей просвещенных, хорошо понимавших интересы и потребности развивающейся промышленности. Одним из них был Аникита Сергеевич Ярцов (1737 - 1819).
Аникита Ярцов известен и как историк горнозаводского дела в России. В начале XIX в. он завершил работу над капитальным трудом “Российская горная история”.
Итак, XVIII в. вошел в историю нашей Родины как век большого подъема горнометаллургической промышленности. В XVIII в. были заложены основы науки о металле, созданы первые технические школы – начальные, средние и высшие – для подготовки квалифицированных кадров горнозаводского дела.
Заключение
Как только не называют наше время – космической эрой, веком кибернетики и автоматики, эпохой генной инженерии и атомной техники…
Каждое из этих определений верно, но не всеобъемлюще. Более точно звучит “железный век”. И на самом деле: без железа нет авиации и космонавтики, нет кибернетики и автоматики, нет генной инженерии и атомной техники.
Железо – это основа всей современной земной цивилизации. Нет сомнений, что в начале третьего тысячелетия нашей эры, железо останется основным конструкционным материалом, из которого строят машины и механизмы, мосты и суда, приборы и инструменты.
Литература
1. А.С. Федоров. «Творцы науки о металле», М.: Наука, 1968. 224с.
2. Б.И. Медовар. «Металлургия вчера, сегодня и завтра», Киев наукова думка 1986 г. – 132с.
3. С.Г. Струмилин «История черной металлургии в СССР», т. I М.:, 1954, 184с.