100 знаменитых - 100 знаменитых изобретений

В качестве движителя Менье предложил использовать винты, вращать которые должны были восемьдесят человек. Длина аэростата составляла восемьдесят метров, диаметр – сорок два. Постройка этого воздушного корабля так и не состоялась.

Теоретические исследования и практический опыт, накопленный первопроходцами управляемого воздухоплавания, привели их к выводу: управляемость аэростата можно обеспечить, поместив источник энергии внутри аэростата.

Паровой двигатель был изобретен практически одновременно с аэростатом. Но долгое время его удельная масса составляла около ста килограммов на одну лошадиную силу. Это делало невозможным применение на аэростате двигателя, обеспечивавшего аппарату скорость, превышавшую скорость ветра.

В 1851 году французу А. Жиффару удалось построить паровой двигатель весом 45 килограммов и мощностью 3 лошадиные силы. Он предназначался для аэростата, созданного годом позже.

Первый полет состоялся 23 сентября 1852 года. Жиффар поднялся на высоту 1800 метров и затем благополучно приземлился. Во время полета аэростат двигался перпендикулярно направлению ветра со скоростью 12 км/ч. Дату этого полета принято считать началом эры управляемого воздухоплавания, а сам аппарат – первым дирижаблем.

Первые дирижабли были весьма беспомощными в полете. Даже слабый ветер становился для них серьезным препятствием. Отсутствие мощного двигателя, позволявшего развивать скорость, превышающую скорость встречного ветра, тормозило развитие дирижаблестроения.

Главной особенностью дирижабля, сконструированного немецким инженером П. Генлейном, было использование газового двигателя системы Ленуара. Топливом был газ, наполнявший оболочку аэростата. Мощность двигателя – 6 л. с. При помощи винта дирижабль развивал скорость до 18,7 км/ч.

В 1883 году французы, братья Тиссандье, построили аэростат, на котором установили электродвигатель мощностью 1,5 л. с. Максимальная скорость дирижабля составляла более 14 км/ч.

В 1884 году французы Ренар и Кребс построили управляемый аэростат, который даже при наличии ветра мог совершать полет по замкнутому маршруту. Передняя часть его оболочки была утолщенной для уменьшения аэродинамического сопротивления. На нем был установлен электродвигатель мощностью 9 л. с. и весом 96 кг. Вес батарей – 400 кг. В передней части гондолы помещался двухлопастный винт диаметром 7 метров, а в задней – вертикальный руль поворота и горизонтальный руль высоты. При их помощи можно было изменять курс корабля. Его назвали «Франция». В первом полете – 9 августа 1884 года – дирижабль за 23 минуты пролетел 8 км. Это был первый по-настоящему управляемый воздушный корабль. Но его максимальная скорость – 21,6 км/ч была недостаточной для практического использования.

В 1896 году на дирижабле «Германия» конструкции Вельферта впервые был установлен бензиновый двигатель. Во время первого же полета корабль взорвался. Несмотря на первую неудачу, в воздухоплавании все же стали применяться бензиновые двигатели.

В 1897 году австриец Шварц построил в Германии первый цельнометаллический дирижабль. Его оболочка состояла из алюминиевых листов толщиной 0,2 мм, прикрепленных к жесткому каркасу из алюминиевых же профилей. Гондола тоже была из алюминия и жестко соединялась с оболочкой. В ней поместили бензиновый двигатель мощностью 12 л. с., вращавший четыре винта. Два из них находились по бокам гондолы и служили одновременно для поворотов и перемещения вперед, один размещался позади гондолы и должен был толкать аппарат вперед. Четвертый – подъемный с вертикальной осью – разместили под гондолой. Первый полет состоялся 3 ноября 1897 года. На высоте 250 м отказал двигатель. Пилоты выпустили избыточное количество газа, дирижабль начал быстро снижаться и при ударе о землю взорвался. Аэронавту удалось спастись. Дирижабль Шварца стал первым управляемым жестким аэростатом и прообразом будущих дирижаблей с жесткой системой.

1900 год ознаменовался появлением первого аппарата конструкции Ф. Цеппелина. С его именем связано целое направление в развитии управляемого воздухоплавания. На Боденском озере в Германии Цеппелин построил гигантский эллинг. Он поддерживался на воде при помощи 80 понтонов. Именно там в 1900 году был построен первый «цеппелин». У него был алюминиевый каркас, разделенный шпангоутами на 17 отсеков. В каждом из них размещался баллон, наполненный водородом. Общий объем баллонов был около 11 300 м³. Длина оболочки составляла 128 м, диаметр – 11,6 м. Под ней размещалась балка длиной 56 м. В каждой находился бензиновый двигатель мощностью 16 л. с. Четыре винта попарно устанавливались по обеим сторонам оболочки. Управлялся дирижабль при помощи вертикальных рулей в носовой и кормовой частях корабля и горизонтального руля в кормовой части. Было сделано три полета с максимальной скоростью 29 км/ч.

Этот дирижабль был самым крупным аэростатом к тому времени, что достигалось благодаря жесткому и упругому каркасу. Размещение подъемного газа в изолированных баллонах повышало надежность корабля А внешняя оболочка препятствовала утечке газа. Удачно были размещены винты, надежная конструкция клапанов и горизонтального руля. В дальнейшем эта конструкция была признана наиболее рациональной и перспективной.

На рубеже XIX–XX веков дирижаблестроение вплотную подошло к практическому использованию управляемых аэростатов. Из-за отсутствия других видов воздушного транспорта дальнейшее их использование рассматривалась как одна из важнейших транспортных и оборонных задач. В начале XX века дирижаблестроение переживало период расцвета. Этому в значительной мере способствовали успехи в разработке бензиновых двигателей.

В 1902 году под руководством инженера Жюлио был построен дирижабль «Лебоди». Мягкая оболочка снизу была укреплена жесткой платформой из стальных труб. В задней части платформы находился киль с рулем направления и горизонтальные поверхности для управления кораблем в вертикальной плоскости. В гондоле установлен бензиновый двигатель мощностью 40 л. с. С обеих сторон на ней крепились два двухлопастных винта, а в нижней части – пирамидальная конструкция из стальных труб для защиты винтов от удара о землю при спуске. Этот дирижабль преодолевал расстояние более 100 км при скорости до 40 км/ч. Он был первым воздушным кораблем, который можно было использовать в практических целях.

Совершенствовались и аппараты мягкой системы. Во Франции был сконструирован «Клеман Баяр», установивший в 1909 году рекорд высоты для управляемых аэростатов – 1500 метров. Наиболее удачную конструкцию разработал немец Парсеваль. В оболочке размещались два баллонета, в которые при помощи вентилятора и шланга подавался воздух. Стабилизаторами служили две горизонтальные и одна вертикальная поверхности в хвостовой части корабля. Воздушный винт состоял из четырех прямоугольных прорезиненных кусков материи, во внешние части которых были вшиты грузы. В нерабочем состоянии мягкие лопасти свободно свисали, а при вращении распрямлялись под воздействием центробежной силы и принимали форму воздушного винта. Такой винт был легче обычного, удобнее при транспортировке и не представлял опасности для оболочки. В 1907 году этот дирижабль развил скорость 55,8 км/ч, совершив беспосадочный полет продолжительностью более 11 часов.

В то же время к созданию нового корабля приступил и Цеппелин. При первом же полете дирижабль сильно повредился и был разобран. Неудача не остановила конструктора. Его следующая модель поражала своими размерами: длина – 128 метров, диаметр – 11,7 метров. Два двигателя мощностью 85 л. с. каждый приводили в движение четыре винта. Две подвешенные на рессорах гондолы соединялись коридором. Этот корабль побил мировой рекорд скорости и грузоподъемности. В 1910 году совершил первый полет новый дирижабль – «Германия», длиной 148 метров и диаметром 14 метров. Он был первым специально предназначенным для пассажирского сообщения.

Лишь в 1907 году начались работы над дирижаблем для российской армии. Первым дирижаблем, построенным в России, стал «Учебный». Летом 1909 года был построен «Кречет», который уже мог конкурировать с лучшими зарубежными образцами. До войны были также построены «Голубь», «Альбатрос», «Сокол» и другие. В 1911 году в Киеве совершил первый полет дирижабль «Киев». К началу Первой мировой войны парк российских дирижаблей насчитывал 15 аппаратов – 7 отечественных и 8 зарубежных. Но к тому времени они уже успели устареть. В 1915 году начались испытания корабля «Гигант». В стране были в то время квалифицированные кадры конструкторов и воздухоплавателей.

С началом Первой мировой войны выпуск дирижаблей в Германии и в других странах Европы возрос. Дирижабли военных лет представляли собой мощное средство воздушного сообщения, разведки и нападения. Только немецкие дирижабли совершили во время войны около 1000 боевых вылетов.

Резко возросли и летные характеристики дирижаблей. Скорость выросла до 122 км/ч, высота подъема достигла 7650 метров. Максимальная продолжительность полета составляла 96 часов, полезная нагрузка – 51 000 кг. Лучшим самолетам того времени они уступали только в скорости. Значительно возросли надежность и безопасность полета дирижаблей.

Во время войны всего было построено 416 дирижаблей. Опыт, накопленный за годы войны, позволил перейти к мирному использованию дирижаблей. В Германии были построены дирижабли «Бодензее» и «Норденштерн». Они предназначались для регулярных пассажирских перевозок. Это были комфортабельные корабли, развивавшие скорость до 130 км/ч.

В 1927 году совершил первый полет дирижабль «Граф Цеппелин». По комфортабельности он не уступал океанским лайнерам. Пассажиры помещались в двухместных каютах, к их услугам были буфет, кухня, умывальные комнаты, даже почта. Дирижабль летал на трансатлантической трассе. За время своей работы «Граф Цеппелин» совершил 143 перелета и перевез 13 110 пассажиров, преодолев при этом расстояние около 1 700 000 км. Самой яркой страницей его истории стал кругосветный перелет по маршруту Фридрихсгафен – Токио – Лос-Анджелес – Лейкхерст (близ Нью-Йорка) – Фридрихсгафен. Он длился 20 суток (из них летное время – 12,5 суток). За это время корабль пролетел почти 35 000 км. Перелет показал, что жесткие дирижабли могут использоваться на линиях регулярного сообщения любого направления и протяженности.

20-е годы прошлого века ознаменовались попытками достичь на дирижабле Северного полюса. В 1925 году известный норвежский полярный исследователь Руал Амундсен купил у итальянского правительства дирижабль, названный «Норвегия». 11 мая 1926 года «Норвегия», на которой кроме Амундсена был конструктор дирижабля Нобиле и еще 13 человек взлетел со Шпицбергена и 12 мая достиг Северного полюса. Два дня спустя он приземлился на Аляске.

В 30-е годы в Великобритании и США создавались гигантские дирижабли для трансокеанских перелетов. На некоторых из них, например на «Акроне» и «Меконе», в качестве несущего газа использовался гелий. Гелий в четыре раза тяжелее водорода, но, в отличие от последнего, не воспламеняется. В марте 1936 года поднялся в воздух крупнейший в истории дирижабль «Гинденбург». Его длина была 250 м, а объем – 200 000 м³. Он совершил 21 перелет через Северную и 16 перелетов через Южную Атлантику. 6 мая 1937 года перед швартовкой в Лейкхерсте «Гинденбург» взорвался. При катастрофе погибло 35 из 97 человек, находившихся на борту. Значительно позже было установлено, что катастрофа была вызвана взрывом мины, установленной одним из членов экипажа. Эта и другие аварии дирижаблей привели к тому, что постепенно от использования дирижаблей отказались.

Научно-технический уровень того времени не позволил дирижаблям раскрыть все свои достоинства. Кроме того, на первый план уже вышли самолеты. Дирижабли состязаться с самолетами не могли.

В последние десятилетия наблюдается возрождение интереса к дирижаблям. Это вызвано, в частности, тем, что для современных самолетов требуются огромные дорогостоящие аэродромы, что они расходуют огромное количество топлива. Грузоподъемность самолетов ограничена. Отказ двигателей самолета приводит к катастрофе, в то время как на дирижаблях это не является неизбежным.

Появление новых материалов позволяет значительно облегчить дирижабли. Производство безопасного, в пожарном отношении, гелия стало значительно дешевле. А применение современных двигателей и компьютеров существенно облегчит управление кораблем. Все это позволяет надеяться, что в ближайшем будущем полеты на новых дирижаблях станут удобными и безопасными.

Доменная печь. Чугун

Доменная печь предназначена для выплавки железа из железной руды. На заключительной стадии процесса плавки железо соединяется с углеродом и превращается в чугун – сплав железа и углерода, содержащий от 2,14 до 6,67 % углерода.

Примерно во втором тысячелетии до н. э. человек овладел искусством получения железа из руды. Сначала для этого использовались костры, позже – специальные плавильные ямы – сыродувные горны. В них помещались руда и древесный уголь. Необходимый для горения воздух первоначально подавался естественной тягой, а затем при помощи мехов. В результате получалось железо в виде тестообразной массы с включениями шлака и несгоревших остатков древесного угля. Из-за низкого содержания углерода сыродувное железо было мягким, изделия из него легко тупились, гнулись, оно не закаливалось.

Постепенно процесс выплавки железа совершенствовался: улучшалась форма горнов, повышалась их мощность. Горны превратились в небольшие печи – домницы (от древнерусского дъметь – дуть). Развитие домниц привело к появлению небольших доменных печей. Часто вместо железа в доменных печах получали высокоуглеродистый сплав, не поддававшийся ковке из-за повышенной хрупкости. Его считали браком. В разных языках сохранились названия, свидетельствующие об отношении к чугуну. В Англии его называли «pig-iron» – свиное железо, русское название произошло от «чушка» – свинья.

Отношение к чугуну изменилось после открытия кричного передела. Он осуществлялся в кричном горне. На слой горящего древесного угля помещали чушки чугуна. Плавясь, чугун стекал вниз и, проходя через окислительную среду, скапливался на поду горна. Там он под окислительным воздействием железистого шлака дополнительно обезуглероживался. В результате образовывалась крица – твердая губчатая масса железа с низким содержанием углерода, кремния, фосфора и серы. После извлечения крицы из горна ее проковывали с целью уплотнения и избавления от шлака.

Позже высокие литейные свойства чугуна стали использоваться для производства артиллерийских орудий, ядер, колонн.

До II половины XVIII в. чугун выплавляли непосредственно из руды в доменных печах. Позже его стали производить из литейного чугуна и лома в небольших доменных печах. Такие печи стали прототипами появившихся во второй половине XVIII в. вагранок.

Из-за постепенного истощения запасов леса для производства древесного угля требовалось новое топливо для выплавки металла.

В 1621 г. англичанин Дод Додлей оформил патент на производство чугуна с применением каменного угля. В патенте указывалось, что «Додлей открыл… секрет, способ и средства выплавки железной руды и производства из нее чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами, причем результаты получились такого же хорошего качества, как и те, что до сих пор производились при помощи древесного угля…»

В ходе дальнейшей ожесточенной борьбы с предпринимателями, производившими чугун на древесном угле, Додлей разорился и был вынужден прекратить работу по усовершенствованию выплавки чугуна.

К использованию в доменном производстве каменного угля вернулись лишь в XVIII в. Эту проблему решали металлурги, владельцы железоделательного завода – отец и сын Дерби. Первые попытки непосредственно использовать каменный уголь в домне не дали результатов, так как уголь содержал большое количество золы и других примесей, особенно серы. Поэтому для выплавки чугуна Абрахам Дерби-младший стал использовать кокс – твердое топливо повышенной прочности. Кокс получали путем нагрева каменного угля до температуры 950–1050 °C без доступа воздуха. Несколько месяцев Дерби-младший добивался нужного сочетания всех условий, необходимых для выплавки чугуна на минеральном топливе. Он испытывал разные марки углей, менял температурные режимы коксования, подбирал флюсы для отшлаковывания примесей.

Наконец в 1735 г. была произведена первая удачная доменная плавка на коксе. Сначала кокс выжигался в кучах, как и древесный уголь. В конце XVIII в. было освоено коксование в полузакрытых камерах, а в 1830 г. – в закрытых.

Использование кокса требовало увеличения количества воздуха, подаваемого в доменную печь. Дерби произвел на своем заводе полное переустройство воздуходувных устройств, применив для привода воздуходувок паровую машину Ньюкомена. Она приводила в действие насосы, которые дважды подавали отработанную воду на водяные колеса, являющиеся двигателем воздуходувных мехов. Это позволило увеличить объем воздуха, подаваемый в домну.

В дальнейшем техника подачи воздуха в домну продолжала совершенствоваться. Росла мощность двигателей, приводивших в движение воздуходувные устройства. Вместо клинчатых мехов стали применяться цилиндрические. Первым их внедрил И. И. Ползунов. Он же впервые использовал в качестве двигателя для воздуходувной машины пароатмосферную машину.

В Англии воздуходувные машины были применены в доменном производстве в 1782 г. С тех пор шло непрерывное совершенствование воздуходувных устройств. В середине XIX в. начали внедряться центробежные воздуходувки, обеспечившие доменное производство необходимым количеством воздуха.

Эффективность новых способов подачи воздуха во многом зависела от применения в качестве двигателя для воздуходувок паровых машин. В 1775 г. впервые успешно внедрил паровую машину в доменное производство английский инженер Вилькинсон. Для этого он купил одну из первых машин Уатта.

Применение новых систем подачи воздуха позволило значительно увеличить размеры доменных печей и ускорить процесс плавки в доменных печах, это привело к резкому повышению выплавки чугуна.

В дальнейшем производительность доменных печей росла за счет подогрева воздуха, подаваемого в домну. Доменный воздухонагреватель впервые применил Дж. Нильсон на заводе Клайд (Шотландия). При первых же опытах нагрев воздуха до 150–300 °C позволил снизить примерно на 40 % расход топлива и резко повысить производительность домен. В 1857 г. англичанин Э. Каупер предложил воздухонагревательное устройство, работавшее на основе использования тепла отходящих газов доменной печи.

Современная домна – это огромное сооружение высотой с 30-этажный дом. Она оборудована сложнейшими машинами и приборами. В ней плавят, как правило, не железную руду, а окатыши или агломерат. Они загружаются в печь слоями, перемежаясь коксом. Так же послойно в домну загружают флюсы – известь и другие вещества. Они заставляют пустую породу и другие ненужные вещества, образующие шлак, всплывать на поверхность жидкого металла, откуда шлак сливают в специальный ковш. Кокс, агломерат (или окатыши) и флюс называются одним словом – шихта.

Домна по форме похожа на большую башню, круглую в плане. Она состоит из 3-х частей: верхняя – колошник, средняя – шахта и нижняя – горн. Внешняя оболочка домны – это прочный стальной кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Кожух непрерывно охлаждается водой.

Шихта загружается в домну через колошник порциями по несколько тонн. Она поступает туда из бункера – склада, куда доставляются агломерат или окатыши, кокс и флюсы. В бункере при помощи автоматизированных вагонов-весов смешивается шихта. Шихта из бункера в колошник подается либо транспортерами, либо (в старых домнах) вагонами-скипами.

Под действием собственного веса шихта опускается и проходит через всю домну. В шахте она омывается газами, образующимися при сгорании кокса. Нагревая шихту, газы вытекают из домны через колошник.

Основная часть доменного процесса происходит в горне. В кожухе домны имеются отверстия, в которые вставлены фурмы – специальные приборы, назначение которых – подавать в печь сжатый горячий воздух. В фурмах имеются специальные окошки, через которые доменщики могут следить за процессом плавки. Внутри фурм сделаны специальные каналы, по которым течет вода для охлаждения. Горячий воздух дополнительно нагревает шихту. Это позволяет снизить расход кокса и повысить производительность домны. Кроме кокса в качестве источника тепла применяют мазут или природный газ. Воздух перед подачей в фурмы нагревается в воздухонагревателях – кауперах.

В горне температура достигает 2000 °C. При такой температуре руда полностью расплавляется. При горении кокса образуется углекислый газ, при высокой температуре превращающийся в оксид углерода СО. СО, отнимая у железной руды кислород, восстанавливает железо из оксида. Помимо железа в домне происходит восстановление кремния и марганца. Сера, попадающая в доменную печь в основном вместе с коксом, частично соединяется с кислородом и водородом и переходит в газ. Но большая часть серы остается в шихте в виде FeS и CaS. При этом FeS растворяется в чугуне. Для его удаления из чугуна добавляют шлаки, содержащие повышенное количество СаО.

Стекая вниз через слой раскаленного кокса, железо насыщается углеродом и превращается в чугун. Жидкий чугун скапливается на дне горна, а более легкий шлак собирается на поверхности.

После того как в горне скопится достаточное количество чугуна, его выпускают через летки – специальные отверстия в нижней части горна. В первую очередь через верхнюю летку выпускают шлак, затем через нижнюю – чугун. Из леток чугун сливают в канавы, откуда его потом сливают в установленные на железнодорожных платформах чугуновозные ковши.

Чугун, предназначенный для производства отливок (литейный чугун), направляется в разливочную машину. Там он застывает в виде брусков – чушек. Чугун, который впоследствии будет переработан в сталь (передельный чугун), перевозится в сталеплавильный цех, где переплавляется в сталь.

Когда-то считавшийся вредным продуктом при выплавке железа чугун стал одним из основных конструкционных материалов современности. Он широко применяется как литейный сплав, заменяя иногда более дорогостоящие сплавы из цветных металлов. По прочности некоторые чугуны не уступают углеродистой стали. Во второй половине XX в. стал изготавливаться легированный чугун с добавками других металлов: алюминия, никеля, вольфрама, хрома и др. Добавки придают чугуну особые свойства: износостойкость, жаропрочность, коррозиостойкость.

Основные виды чугуна различаются по форме включений графита.

Наиболее применяемой разновидностью чугуна является серый чугун. В нем есть включения графита пластинчатой формы. Серый чугун применяется для деталей, испытывающих высокие нагрузки.

В белом чугуне избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбида железа – FeC. Он применяется для деталей простой формы, работающих на износ. Для повышения износостойкости белый чугун легируют хромом, вольфрамом и молибденом.

В половинчатом чугуне часть углерода содержится в виде графита, часть – в виде карбидов. Он применяется для деталей, работающих в условиях сильного трения (например тормозные колодки), или для деталей, требующих повышенной износостойкости.

Ковкий чугун изготавливают из белого чугуна, подвергая его отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Его используют в основном, в автомобиле– и тракторостроении.

Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными свойствами, применяется для замены стальных деталей (коленчатые валы двигателей). В высокопрочном чугуне графит имеет шаровидную или вермикулярную форму. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении.

Железо

Современную цивилизацию невозможно представить без железа, ведь 95 % металлопродукции, производимой в мире, приходятся на различные сплавы железа. На протяжении веков железо играло и продолжает играть роль важнейшего конструкционного металла материальной культуры человечества.

Первое железо, которое стал использовать человек, было в самородном состоянии. Но в отличие от меди, золота или серебра, которые встречаются на Земле довольно часто в виде слитков, железо быстро окисляется кислородом, и в чистом виде встречается очень редко. А самородное железо буквально падало на головы наших предков с неба. Ежегодно на поверхность Земли выпадают тысячи тонн метеоритного вещества, содержащего до 90 % железа. Как правило, такие метеориты весят несколько килограммов. Самый крупный железный метеорит, найденный на Земле, весил около 60 тонн. Не случайно египтяне называли железо «бенипет» – «небесный металл», а греки – «сидерос», то есть «звездный». Да вот беда – метеориты трудно обнаружить.

Одно из самых древних изделий из железа найдено в Египте: это ожерелье из прокованных полосок метеоритного железа. Оно датировано IV тысячелетием до н. э. Примерно к тому же периоду относится и кинжал из метеоритного железа, найденный на юге Месопотамии (современный Ирак).

Но метеоритное железо встречается довольно редко, поэтому перед людьми встала задача научиться получать его из руд. Для восстановления железа из его окислов окисью углерода требуется температура около 700 °C. Однако железо, получаемое таким путем, представляет собой запеченную массу из металла, его карбидов, окислов и силикатов. При ковке она рассыпается.

Первые опыты с окислами железа скорее всего проводили древние гончары, стремившиеся использовать их как красящее вещество. Они применяли флюс вместе с костной смесью (СаО, Р₂O₅). При этом также получались железные крицы, удобные для ковки. При температурах 1075 °C и выше для получения крицы флюсы не требовались. Таких температур достигали, складывая руду и древесный уголь слоями в яму или каменный горн. Уголь поджигали и через эти слои продували «сырой» (неподогретый воздух). Вначале мастера осуществляли продувку при помощи своих легких, вдувая воздух через отверстия внизу горна. Позже стали применять мехи, сшитые из шкур животных.

Сгорая в потоке воздуха, уголь нагревал руду и частично восстанавливал ее до состояния железа. Оставшаяся часть окислов железа вместе с окислами других примесей плавилась и образовывала жидкий шлак. На дне горна получали крицу – комок пористого, тестообразного, пропитанного жидким шлаком металла. Многократной проковкой крицы в горячем состоянии шлак «выжимали» и получали железную поковку, представлявшую собой сварочное ковкое железо, или мягкую сталь. Содержание углерода в такой стали – 0,12–0,26 %; серы, фосфора и других примесей очень мало.

Следует отметить, что железо всегда содержит примеси. Фосфор и сера относятся к вредным примесям, так как повышают хрупкость металла. Техническим железом называют сплав железа и углерода, содержащий 99,8–99,9 % железа, 0,1–0,2 % примесей и 0,02 % углерода. Но такой материал мягкий, поэтому практически не находит применения. Уникальность железа заключается в том, что в соединении с углеродом резко повышается его прочность и твердость. Таким образом, процесс получения железа из руды одновременно повышает механические свойства железа. Все соединения железа с углеродом можно разделить на две группы: стали и чугуны. Стали содержат до 2 % углерода, чугуны – свыше 2 %. Вначале люди использовали только сталь. Чугун, который образовывался при сильном науглероживании железа, не применялся, поскольку был хрупким и не поддавался ковке.

Долгое время для производства стали использовался сыродувный процесс. Но еще в древности металлурги применяли тигльный способ выплавки железа, меди, бронзы. Добытый металл переплавлялся в небольших огнеупорных сосудах – тиглях. Таким образом металл очищался от нежелательных примесей, его структура улучшалась. Тигльная сталь применялась для изготовления холодного оружия – мечей, сабель, кинжалов, отличавшихся необычайной остротой и упругостью. Именно из тигльной стали делали знаменитые дамасские клинки.

На процесс изготовления железа влияет режим термообработки. Уже первые кузнецы заметили, что если нагретый докрасна слиток металла опустить в холодную воду или иную охлажденную жидкость, его твердость резко возрастет. Этот процесс назвали закалкой. В некоторых старых металлургических трудах упоминается «закалка скотинным рогом с солью». По сути, это азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом.

Потребность в стали постоянно росла. Увеличивались размеры горнов, совершенствовалась их форма, повышалась мощность дутья. Высота печей достигала нескольких метров, воздуходувные трубы приводились в движение специальными водяными трубами и огромными водяными колесами. Температура в печах повысилась до 1250–1350 °C, что привело к увеличению количества чугуна, получаемого при плавке. В то время свойства чугуна не позволяли применять его для промышленных нужд. Но в XIII–XIV веках был открыт «кричный передел». Его суть заключалась в том, что чугун загружали в печь вместе с рудой. В результате происходило окисление примесей, в первую очередь углерода. Переплав чугуна позволял получать сталь хорошего качества и в больших количествах. Двухстадийный способ получения стали из руды сохранился и по сей день, являясь основой современных схем производства стали (за исключением бездоменной металлургии).

Технический переворот в металлургии произошел в конце XVIII – начале XIX века с изобретением паровой машины. И как следствие – рост промышленного производства и увеличение числа машин. Это вызвало повышенную потребность в металле и послужило толчком к развитию металлургии. Развитию же препятствовало отсутствие заменителя древесного угля. Он был дорог, запасы древесины для его производства – ограничены. Еще в 1558 г. английская королева Елизавета запретила производить уголь из древесины. Поэтому в качестве топлива стали использовать каменный уголь. Первые попытки использования угля были неудачными: проблемой стала высокая температура его воспламенения. Кроме того, чугун, выплавленный на каменном угле, содержал много серы и фосфора, поэтому для передела в сталь не годился. В 1619 г. англичанин Додлей получил патент на производство чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами. Но внедрить в практику это изобретение ему не удалось, и свой секрет он унес в могилу.