реферат. РЕФЕРАТ ПО ИСТОРИИ. Кафедра электроэнергетики, электропривода и систем автоматизации. История техники и технологий. История развития металлургии

• Название: Кафедра электроэнергетики, электропривода и систем автоматизации. История техники и технологий. История развития металлургии
• Анкор: реферат
• Дата: 10.04.2022
• Размер: 31.32 Kb.
• Имя файла: РЕФЕРАТ ПО ИСТОРИИ.docx
• Тип: Реферат; #460442

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Псковский государственный университет»

Институт инженерных наук

Кафедра электроэнергетики, электропривода и систем автоматизации.

История техники и технологий.

«История развития металлургии»

Реферат.

Выполнил:

Студент группы № 0431-07

Кулагин Павел Алексеевич

Проверил:

Доцент Е.Л. Веселков.

Псков 2021

Металлургия в пер­во­на­чаль­ном зна­че­нии – ис­кус­ст­во из­вле­че­ния ме­тал­лов из руд; бо­лее ши­ро­ко – об­ласть нау­ки и тех­ни­ки и от­расль промышленности, ох­ва­ты­ваю­щие про­цес­сы по­лу­че­ния ме­тал­лов и спла­вов из руд или др. сы­рья, а так­же про­цес­сы, свя­зан­ные с из­ме­не­ни­ем их свойств и из­го­тов­ле­ни­ем раз­но­образ­ных ме­тал­лических из­де­лий.

Ранние этапы развития металлургии

Самые древние попытки человека в металлообработке датируются историками шестым столетием до нашей эры. Разумеется, свои первые опыты в металлургии древний человек проводил с легкоплавкими металлами: серебром, оловом, а также железом метеоритного происхождения. Обработка металлов с более высокой температурой плавки была просто невозможной в те далекие времена. Так, в III тысячелетии до н.э. египтяне научились изготавливать довольно неплохое оружие из метеоритного железа, которое ценилось далеко за пределами Древнего Египта.

На­зва­ние трёх эпох все­мир­но-ис­то­рич. раз­ви­тия (мед­ный, брон­зо­вый, же­лез­ный ве­ка) от­ра­жа­ет не толь­ко гос­под­ствую­щий ма­те­ри­ал для про­из-ва ору­дий, ору­жия и др. из­де­лий, но и кар­ди­наль­ные пе­ре­ме­ны в об­ществ. от­но­ше­ни­ях и идео­ло­гии че­ло­ве­че­ских со­об­ществ.

Пре­ж­де чем на­учить­ся до­бы­вать и пла­вить ру­ду, лю­ди по­зна­ко­ми­лись со свой­ст­ва­ми ме­тал­лов, на­хо­дя и об­ра­ба­ты­вая са­мо­род­ки ме­тал­лов (зо­ло­та, ме­ди и др.) и ме­тео­рит­ное же­ле­зо. Сна­ча­ла ме­тал­лич. из­де­лия из­го­тов­ля­ли пу­тём об­ра­бот­ки ме­тал­лов в хо­лод­ном со­стоя­нии –ков­кой при по­мо­щи ка­мен­но­го мо­ло­та (медь и же­ле­зо с тру­дом под­вер­га­ют­ся та­кой об­ра­бот­ке). Наи­бо­лее ши­ро­ко из са­мо­род­ных ме­тал­лов ста­ло ис­поль­зо­вать­ся зо­ло­то; по срав­не­нию с др. ме­тал­ла­ми его бы­ло лег­че об­на­ружить (из-за яр­кой ок­ра­ски) и об­ра­бо­тать (ков­кость зна­чи­тель­но вы­ше, чем у др. ме­тал­лов), но из-за мяг­ко­сти оно ока­за­лось не­под­хо­дя­щим для из­го­тов­ле­ния ору­жия и ору­дий. Са­мо­род­ная медь (обыч­но поч­ти не со­дер­жит при­ме­сей) в ре­зуль­та­те уда­ров ка­мен­ным ору­ди­ем ста­но­вит­ся бо­лее твёр­дой. По­сле изо­бре­те­ния го­ря­чей куз­неч­ной об­ра­бот­ки про­цесс из­го­тов­ле­ния мед­ных из­де­лий стал бо­лее рас­про­стра­нён­ным.

В при­ро­де поч­ти вся са­мо­род­ная медь встре­ча­ет­ся вме­сте с окис­лен­ны­ми мед­ны­ми ру­да­ми, ко­то­рые так­же во­вле­ка­лись в пе­ре­ра­бот­ку. Ов­ла­де­ние ис­кус­ст­вом плав­ки и по­лу­че­ния не­об­хо­ди­мой фор­мы лить­ём при­ве­ло к рос­ту про­изводства ме­ди и рас­ши­ре­нию её при­ме­не­ния.

Ог­ра­ни­чен­ное ко­ли­че­ст­во ме­сто­ро­ж­де­ний окис­лен­ных мед­ных руд обу­сло­ви­ло не­об­хо­ди­мость ос­вое­ния го­раз­до бо­лее слож­но­го про­цес­са пе­ре­ра­бот­ки суль­фид­ных руд с при­ме­не­ни­ем пред­ва­рит. об­жи­га ру­ды и ра­фи­ни­ро­ва­ния ме­ди пу­тём по­втор­но­го плав­ле­ния. Ком­плекс­ность суль­фид­ных мед­ных руд при­во­ди­ла к по­лу­че­нию не чис­той ме­ди, а спла­вов, пре­им. брон­зы.

Около 5500 лет назад человечество вступает в новую эпоху своего развития – Бронзовый век. Этот переход ознаменовался несколькими важными достижениями. Во-первых, человек научился извлекать олово и медь из горных пород. Во-вторых, ему удалось получить абсолютно новый сплав –бронзу. Однако дальнейшее развитие металлургии нуждалось в более технологичных и более сложных процессах, а потому – затормозилось на более чем два тысячелетия. Для пе­ре­ра­бот­ки суль­фи­дов ис­поль­зо­ва­ли пе­чи об­жи­га ке­рами­ки, в ко­то­рых ме­талл по­лу­ча­ли в рас­плав­лен­ном со­стоя­нии, что по­зво­ли­ло ус­ко­рить про­цесс мас­со­во­го про­из-ва ору­дий и ору­жия . Брон­зо­вые из­де­лия от­ли­ча­лись боль­шей ус­той­чи­во­стью про­тив кор­ро­зии, уп­ру­го­стью, твёр­до­стью, ост­ро­той лез­вия. Кро­ме то­го, из брон­зы лег­че бы­ло от­ли­вать все­воз­мож­ные из­де­лия, т. к. она име­ет бо­лее низ­кую темп-ру плав­ле­ния, чем медь, и луч­ше за­пол­ня­ет ли­тей­ную фор­му.

Железный век в развитии общества начинается с момента появления технология получения железа из рудного тела. Случилось это примерно в 1200 году до нашей эры. Боль­шин­ст­во ме­тал­лов в то вре­мя по­лу­ча­ли в ви­де рас­пла­ва, то­гда как же­ле­зо – в ви­де кри­цы. Металлургия же­ле­за раз­ви­ва­лась мед­лен­но и сло­жи­лась по­зд­нее, не­смот­ря на то, что же­лез­ные ру­ды го­раз­до бо­лее рас­про­стра­не­ны, чем мед­ные. При­чи­на пер­во­оче­ред­но­го раз­ви­тия М. ме­ди за­клю­ча­лась в том, что по­лу­чае­мое же­ле­зо по ка­че­ст­ву зна­чи­тель­но ус­ту­па­ло ме­ди и брон­зе. Тех­но­ло­гия вы­плав­ки же­ле­за (из-за его бо­лее вы­со­кой температуры плав­ле­ния) прин­ци­пи­аль­но от­ли­ча­лась от про­цес­сов по­лу­че­ния др. ме­тал­лов.

Следы развития черной металлургии можно увидеть в различных исторических культурах: в Древней Греции и Риме, Египте, Древнем Китае и Индии. Не лишним будет отметить, что многие из техник и методов обработки металла были изобретены китайцами, а уж затем все они были освоены европейцами. Речь идет, в частности, о выплавке чугуна, изобретении доменной печи или гидромолота. А вот лидерами в сфере ковки металлов и горнорудной добычи, как выяснили недавно исследователи, были древние римляне.
Изобретение сыродутого процесса
Один из самых древних способов получения железа называется сыродутным. Печи рыли прямо в земле, как правило, на склонах рельефа. В небольшие горна с железорудной породой поступал холодный воздух. На ранних этапах освоения данного способа воздушная тяга была естественной, но позже ее заменили искусственной – воздух в печи стали нагнетать.
Дно печей засыпали углем, сверху слоями клали руду и уголь. Последний во время своего горения выделял окись углерода – газ, который выполнял функцию восстановления окислов железа. Стоит отметить, что при сыродутном способе железо не столько плавилось, сколько «варилось», так как этот процесс создавал температуру, недостаточную для плавки железа (около 1200 градусов по Цельсию). Исходя из этого, «вареное» железо в виде губчатой массы, напоминающей тесто, располагалось на дне печи. Эта масса, как правило, включала в себя многочисленные примеси и остатки угля (правда, в отдельных случаях шлаки отводили из печи по специальному желобу).


Чтобы производить из такого субстрата какие-либо изделия, приходилось вначале извлекать из крицы посторонние примеси. Делалось это при помощи ковки – холодной и горячей. В конечном итоге, можно было получить кричное железо для последующего использования. «Изобретение» сыродутного метода железного производства, как предполагают историки, произошло при непосредственной выплавке свинца или меди. Как известно, этот процесс сопровождался добавлением в плавильные печи не только угля и соответствующей руды, но и гематитов. И именно по такому сценарию, скорее всего, и были получены человеком первые крицы железа. Вполне возможно, что печи по выплавке меди просто напросто плавно превратились в сыродутные печи.
Кричное железо практически не содержало в себе углерода, а значит, оно не могло конкурировать с бронзой. Вещи из него были недостаточно твердыми, в сравнении с изделиями из бронзы. Именно по этой причине железо в те времена использовалось в большей мере для изготовления украшений. В производстве железа просто необходимо было что-то менять.

Усо­вер­шен­ст­во­ва­ния сы­ро­дут­но­го про­цес­са (гор­ны строи­ли всё боль­шей вме­сти­мо­сти, бо­лее вы­со­ки­ми; по­да­чу ду­тья ин­тен­си­фи­ци­ро­ва­ли) при­во­ди­ли к по­вы­ше­нию темп-ры в гор­не и к бо­лее про­дол­жи­тель­но­му пре­бы­ва­нию ших­ты в зо­не вы­со­ких тем­пе­ра­тур. В ре­зуль­та­те про­ис­хо­ди­ло (в ря­де слу­ча­ев) за­мет­ное на­уг­ле­ро­жи­ва­ние же­ле­за, а про­дук­том про­цес­са ока­зы­ва­лось вы­со­ко­уг­ле­ро­ди­стое же­ле­зо – чу­гун. Чу­гун не об­ла­да­ет пла­стичными свой­ст­ва­ми; час­то его счи­та­ли не­же­ла­тель­ным про­дук­том и вы­бра­сы­ва­ли. Од­на­ко бы­ло за­ме­че­но, что при за­груз­ке в горн чу­гу­на вме­сте с же­лез­ной ру­дой или в слу­чае про­дол­же­ния опе­ра­ции из ос­тав­ленной в гор­не вы­со­ко­уг­ле­ро­ди­стой кри­цы по­лу­ча­ет­ся низ­ко­уг­ле­ро­ди­стое же­ле­зо. Воз­ник двух­ста­дий­ный спо­соб, со­хра­нив­ший своё зна­че­ние и яв­ляю­щий­ся ос­но­вой современной схемой пе­ре­ра­бот­ки чу­гу­на в же­ле­зо и сталь. Уже в 1-м тыс. до н. э. же­ле­зо за­ня­ло гла­вен­ст­вую­щее по­ло­же­ние сре­ди ма­те­риа­лов, ис­поль­зуе­мых че­ло­ве­ком, и к нач. н. э. М. же­ле­за бы­ла поч­ти по­все­ме­ст­но рас­про­стра­не­на в Ев­ро­пе и Азии.


Освоение технологии цементации и закалки железа
Следующий виток прогресса в развитии металлургического дела заключался в возникновении технологии так называемой «цементации», а также закалки и термического отпуска железа. С освоением этих трех процессов связано начало полноценного Железного века.

Под цементацией подразумевается процесс искусственного насыщения крицы углеродами. Эта технология была освоена человеком в первую очередь. Для цементации кричного железа использовались различные вещества. Вначале кричную массу прокаливали в костном угле, позже – в других веществах с большим содержанием углеродов. Освоение технологии цементации подарило человеку возможность получать первые, хоть и весьма примитивные, образцы стали. «Цементированное» железо уже выигрывало в сравнении с бронзой по своей твердости. При этом степень насыщения крицы углеродами зависела от температуры нагревания железа.
Вслед за открытием техники цементации был обнаружен эффект закалки. Человек с удивлением для себя обнаружил, что насыщенное углеродами и охлажденное железо становится еще крепче. Для такого охлаждения использовалась вода, снег, либо железо просто оставляли на открытом холодном воздухе. Эффект был даже в последнем случае.

Оба вышеописанных процесса, вероятнее всего, были открыты человеком случайно. Вряд ли древние кузнецы могли объяснить истинную природу этих процессов. Об этом свидетельствуют и найденные письменные источники тех времен. В частности, в них можно отыскать весьма любопытные моменты. Так, факт усиления крепости железа при закалке часто объяснялось фантастическими или мистическими теориями. Исходя из этого, древние греки, вероятно, не понимали природу процесса закалки металла, но придавали ему особый, магический смысл.

Закаленная сталь имеет один существенный недостаток – это излишняя хрупкость. Существенно снизить ее позволило открытие технологии термического отпуска железа. Данная технология заключается в нагревании изделий до 727 градусов по Цельсию (это граничная температура деформации структуры железа). Не стоит думать, что освоение технологий цементации, отпуска и закалки железа было одномоментным. На самом деле эти процессы длились около тысячи лет! Но именно открытие и совершенствование этих трех технологий раз и навсегда поставило жирную точку в непримиримой конкурентной борьбе между бронзой и железом.

Развитие металлургии в Средние Века
В эпоху Средневековья плавильные печи уже существенно преобразились. Во-первых, в высоту они достигали двух-трех метров. А во-вторых, они работали при помощи энергии воды: воздуходувы приводили в движение специальные трубы или большие водяные колеса.
В средневековой Европе были распространены так называемые «штукофены» – огромные и высокие печи, которые вывели черную металлургию на новый этап в ее развитии. Эти печи были оснащены 4-х метровой трубой для усиления тяги и водяными двигателями. Иногда мехи приводили в движении несколько рабочих. Железистую крицу извлекали из такой печи раз в сутки. Любопытна история изобретения и проникновения штукофенов в Европу.

По производительности и техническим параметрам штукофен был на голову выше своих предшественников – сыродутных печей. Температура плавки в нем достигалась более высокая, что давало возможность получать полноценный чугун. В сутки штукофен мог выдавать более двух центнеров железа. Правда, чугун из такой установки был, как правило, непригоден. Дело в том, что он оказывался на дне печи, смешиваясь со шлаками. Чтобы очистить его, требовалась ковка, которой чугун не поддавался. Других способов его очистки на то время еще не знали.Все же, некоторые народы все-таки умудрялись находить применение даже такому, «грязному» чугуну. Индусы, например, изготавливали из него гробы для усопших. А вот в Османской империи из штукофенного чугуна делали ядра для пушечных орудий.

Изобретение печей нового типа – блауофенов
Средневековые металлурги установили важную закономерность: чем выше температура плавления руды в печи – чем больше продукта (железа) можно получить на выходе. После этого открытия они начали пытаться модернизировать свои штукофены: увеличивать высоту труб и налаживать систему предварительного нагрева воздуха. Так в XV веке в Европе появились печи нового вида – блауофены.

Однако модернизированные печи почти сразу же неприятно удивили металлургов. Выход конечного продукта действительно вырос, но вместе с этим, на 20 % повысилось и количество отходов – малопригодного чугуна. Грязное, или, как его еще называли – «свиное» железо так само застывало на дне новых печей. Смешанный со шлаками чугун, как и прежде, был абсолютно не пригоден для литья. Как правило, его пускали на производство кувалд, наковален и прочего грубого инвентаря. Правда, пушечные ядра из блауофенного чугуна выходили более качественными.

Еще один позитивный момент блауофенов – количество стали по краям железной крицы в этих печах существенно увеличилось. Разумеется, это порадовали металлургов. Однако, с другой стороны, отделить такую сталь от кричного железа было очень и очень сложно. И в этой ситуации разные народы пошли по разным путям, решая эту сложную проблему.

 Так, в Индии все силы бросили на усовершенствование техники ковки, чтобы добиться более равномерного распределения углеродов в продукте. И эти усилия дали свои плоды – индусы получили булат – очень прочную и упругую сталь, из которой производилось первоклассное на то время холодное оружие. Булат также производился в Иране и Центральной Азии.
Китайцев и европейцев, в отличие от индусов, интересовало вовсе не качество, а количество конечного продукта. Поэтому именно они вскоре открыли так называемый передельный процесс, который невероятно сильно повлиял на развитие металлургии в целом.

Возникновение доменных печей
До 1500 тонн качественного чугуна в день – такое средневековым металлургам даже не снилось. Но это стало обыденной суточной нормой при появлении доменных печей. Благодаря большим размерам, предварительному нагреву воздуха и системе механического дутья, такая печь способна была извлекать железо из рудной массы и превращать его в чугун. Последний при этом выходил наружу в расплавленном виде. Правда, ковка все равно была необходима. Но теперь шлаков было уже намного меньше в массе, а железа – больше. Еще одно достоинство доменной печи заключалось в непрерывности ее работы. Установка функционировала круглые сутки, не останавливаясь и не охлаждаясь.
В XVIII веке в европейской металлургии был открыт еще один процесс – пудлинговый. Он предполагал очищение чугуна в печи с помощью газа, получаемого при сгорании угля или другого минерального топлива. К слову, в Древнем Китае этим способом даже производили сталь еще в Х столетии. При такой технике очистки железистые частицы собирались в комочки. Затем они сваривались в кузнечной или в специальной прокатной машине, и из них получали различные железные заготовки. Пудлинговый метод позволил увеличить производительность железа до 140 кг в час.

Развитие металлургии в XIX и XX веках
Очередной скачок в процессе развития металлургического дела произошел в конце XIX века. В этот период, практически одновременно, в производство металла внедряются три абсолютно новых способа: мартеновский, томасовский и бессемеровский. Все эти методы увеличили объемы производства стали колоссально – до шести тонн в час.
Спустя полвека в металлургию внедряют еще более новые процессы. Это, в частности, непрерывная разливка стали и кислородное дутье. Продувание кислородом расплавленного металла в конверторных печах существенно ускорило скорость химических реакций.

История, как известно, движется по спирали. Это касается и истории промышленного производства. Тысячи лет назад человек строил в земле сыродутные печи и получал, с помощью одностадийного метода, качественное и устойчивое к коррозии железо с малым количеством примесей. И сегодня ученые вновь вернулись к технологии одностадийных процессов, развивая метод обогащения руды и производства стали в электропечах.