История человечества неразрывно связана с добычей и обработкой металлов. Неслучайно в их честь названы целые исторические эпохи: медный, бронзовый и железный века. Новые металлы и способы их обработки двигали прогресс и меняли общественное устройство. В этой статье рассказываем об истории металлургической промышленности от каменного века до наших дней.
Древний мир
Историки полагают, что первые металлы, которые попали в руки человеку, были метеоритного происхождения. Первые археологические находки из железа датируются VI веком до нашей эры — каменным веком. В начале медного века, IV—III тысячелетия до н. э, люди еще не умели добывать металлы и создавать сплавы. Большую часть бытовых предметов и орудий для возделывания почвы они изготавливали из камня, но уже находили золотые и медные самородки, пробовали создавать из них украшения и простые инструменты.
Все изменилось после открытия восстановительной металлургии — процесса высвобождения металла из его оксида (то есть окисление наоборот). Правда, на тот момент самого термина не существовало. Просто люди заметили, что некоторые минералы под воздействием огня образуют шлак с вкраплениями блестящей меди. Так как теперь получать этот металл стало гораздо проще, довольно скоро медные инструменты стали по-настоящему доступными и получили широкое распространение.
Бронзовый век: IV—I тысячелетие до н.э.
Во время экспериментов с огнем и кусками медной и оловянной руды древние люди случайно получили сплав, который оказался прочнее обоих металлов, — это была бронза. Изготовленные из нее наконечники для стрел и инструменты ознаменовали новый исторический и технологический период — бронзовый век. Именно этот век можно считать временем зарождения металлургии, хотя само это слово появилось позднее. Обнаруженные археологами предметы и следы медных и оловянных рудников свидетельствуют о том, что наши предки на тот момент уже владели технологиями добычи и обработки металлов.
Железный век, освоение цементации и закалки железа
Когда люди исчерпали найденные месторождения олова, они обратили внимание на железную руду. Она встречалась куда чаще, правда, изделия из нее были мягче бронзы и быстро ржавели. Но наши предки научились закаливать металл, освоили ковку и примитивное литье металлических изделий.
Железо в то время получали сыродутным способом. На склонах в земле рыли печи и помещали в них руду. Ниже уровнем выкапывали технологические отверстия для доступа воздуха и естественной тяги. Позже воздух в печи стали нагнетать.
Сыродутные печи не давали нужной температуры для плавки железа. Полученный материал (крица, или кричное железо) содержал остатки шлака и несгоревшего угля. Чтобы производить из такого субстрата изделия, сначала требовалось насытить крицу углеродами и извлечь из нее посторонние примеси — этот процесс называется цементацией. С помощью этой технологии человечество получило первые образцы стали.
Следом открыли эффект закалки: люди обнаружили, что насыщенное углеродами железо становится в разы тверже, если его охладить. Правда, закаленная сталь была хрупкой, и тогда первые металлурги решили еще раз ее нагреть и случайно изобрели технологию термического отпуска железа.
Длились эти эксперименты в общей сложности 10 веков. Опытным путем, сменяя циклы нагрева и охлаждения, наши предшественники выработали формулу прочной и долговечной стали, которая пришла на смену бронзе. Археологические памятники железного века — монеты, стальное оружие, сельскохозяйственные приспособления, швейные иглы, рыболовные снасти и украшения.
Металлургия в Средние века
Потребность в металлах росла вместе с численностью людей на планете. Руду к этому моменту добывали уже в штольнях, а для получения железа в нужных объемах требовались большие плавильные печи.
Средневековье ознаменовалось появлением штукофенов — массивных железоделательных печей. Они достигали 3 метров в высоту и были производительней своих предшественниц. Работали печи за счет энергии воды: водяные колеса приводили в движение воздуходувы, обеспечивая постоянную тягу.
В погоне за производительностью средневековые металлурги модернизировали штукофены: увеличивали высоту труб и апробировали системы предварительного нагревания воздуха. Получившиеся печи назвали блауфенами. Их высота достигала 5—6 метров, а железо и чугун в них плавились одновременно. Из чугуна делали ядра для пушечных орудий, из железа — оружие для ближнего боя и бытовые инструменты.
Доменные печи
Прорывом в развитии железного производства стали доменные печи. Люди поняли: если сделать печь достаточно большой, можно долго поддерживать в ней нужную температуру, подбрасывая уголь и руду. Расплавленное железо, чугун и шлаки выходили из печи через отдельные лётки.
Печи работали круглые сутки без остановок. Одна печь выдавала до 1500 тонн чугуна в сутки, что было рекордом для XV века. Именно благодаря этой технологии Европа смогла обогнать мир по выплавке металла на душу населения, а следовательно, и по артиллерийской мощи.
Развитие металлургии с XVII века по наши дни
В это время ученые открывали новые металлы, иногда этот процесс сопровождался очень необычными обстоятельствами. Например, на рудниках Саксонии горняки очень досадовали, когда им попадалась «ложная медь». Они не знали, что порода содержит очень ценный металл, впоследствии получивший название «никель». В чистом виде этот металл смогли получить только в начале XIX века.
В 1938 году советский ученый Авраамий Завенягин привез с Таймыра на Большую землю кусочек чистого никеля. Этот факт предопределил судьбу Норильска, так как вместо скромного комбината руды, который предполагался изначально, город получил мощные электростанции, развитую инфраструктуру и предприятие с рабочими местами для высококлассных специалистов.
А в 1803 году химик Ричард Ченевикс купил по объявлению другой неизвестный металл. На самом деле это был палладий, однако ученый не поверил продавцу и решил, что это всего лишь сплав платины с ртутью. На его статью в научном журнале обратили внимание другие химики. Они-то и выяснили, что палладий — действительно новый металл с уникальными свойствами. И сегодня он занимает достойное место в корзине металлов «Норникеля».
В XVIII веке в Европе открыли еще одну технологию, которая позволила кратно увеличить выработку чистого железа без примеси чугуна — пудлингование. Чугун очищали в печи с помощью углерода, получаемого при сгорании угля или другого минерального топлива. Пудлинговый метод позволил увеличить производительность железа до 140 кг в час.
Поворотным моментом в истории металлургии стала индустриальная революция XVIII—XIX веков. Изобретение парового двигателя подстегнуло развитие прокатных станов, что позволило массово производить металлопрокат различных форм и размеров. На новый уровень вышли такие отрасли промышленности, как строительство, судостроение и машиностроение.
Позже, в XIX веке, ученые открыли сразу три способа быстрого получения качественной стали: мартеновский, томасовский и бессемеровский. Эти методы привели к скачку производительности и позволили получать до 6 тонн стали в час.
Мартеновские печи и их вклад в победу в Великой Отечественной войне увековечены в песне композитора Давида Тухманова на слова Владимира Харитонова «День Победы» — «Дни и ночи у мартеновских печей не смыкала наша Родина очей». За один только 1943 год в стране выплавили 8,5 млн тонн стали. Последняя мартеновская печь работала в России до 2018 года на Выксунском металлургическом заводе, ей было 85 лет.
В ХХ веке металлургия продолжала развиваться с учетом новых потребностей общества. Изобрели новые сплавы, например нержавеющую сталь и алюминий, которые стали неотъемлемыми элементами современной жизни.
Настоящее время
Сегодня металлургия осваивает новые технологии обогащения руды и производства стальных сплавов в электро- и конверторных печах, куда подается кислород и окисляются металлы. Металлопродукцию изготавливают не только из руды, но и из переработанного вторсырья.
Внутри самой металлургии выделяют черную и цветную. Черная специализируется на обработке чугуна и стали, которые получают из железной руды. Цветная отвечает за добычу и обработку цветных, благородных и редких металлов, в которых нет железа. Это медь, алюминий, никель, палладий, платина, золото, титан и другие.
Один из крупнейших в мире производителей цветных металлов — «Норникель». Компания производит медь, никель, золото, платину, палладий.