Железо (техн.) — Ж. есть наиболее распространенный и наиболее употребительный из металлов. Ж. было известно еще египтянам во время постройки пирамид; у греков упоминается о нем в «Илиаде» Гомера, причем о нем говорится, как о трудно обрабатываемом металле, употребляемом в орудиях земледелия; о таком же назначении Ж. для хозяйственных предметов говорится в Библии (2-я кн. Царств, гл. 12, ст. 31). Несмотря на такую седую древность, современное приложение ко всем отраслям деятельности Ж. получило только в нынешнем столетии. Так, например, его лишь очень недавно начали употреблять на дело цепей для судовых якорей, до тех же пор якоря подвешивались на пеньковых канатах, а Ж. не доверяли. Только в 20-х и 30-х гг. нашего столетия его стали употреблять для мостов. Повсеместное же приложение — к железным дорогам, к судо- и машиностроению, к броням и фабрикации орудий — железо получило преимущественно во второй половине нынешнего столетия. Эти успехи сделались возможными благодаря великому металлургическому перевороту, произведенному г-ми Бессемером и Сименсом. Металлическое Ж. серого цвета, гибко, ковко и чрезвычайно вязко, оно разрывается при нагрузке в 75 кило на квадратный миллиметр; полированное, оно получает прекрасный блеск; наибольший удельный вес его 7,67 до 7,65; кристаллизуется в гексаэдрах и додекаэдрах. Ж. плавится только при температурах Бессемеровского конвертора и регенеративной печи Сименса. Оно обладает весьма замечательным свойством свариваемости, причем две чистые поверхности Ж., нагретые до появления искр ярко-белого каления (варовой нагрев), способны от ударов молота или сильного давления соединиться в одну цельную массу. Под ударами молота мягкое Ж. способно делаться более твердым — наклепываться; новым нагревом — отжигом — легко восстановляется прежняя мягкость. Ниже температуры в 400° Ж. легко притягивается магнитом. Выше 600° и при сплаве с 30% марганца Ж. не притягивается вовсе. Оно не изменяется на сухом воздухе, при обыкновенной температуре. При нагревании покрывается побежалыми цветами, при температуре же красного каления начинает окисляться и покрывается окалиной. Сильное сродство Ж. к кислороду довольно наглядно проявляется в порошке, полученном через восстановление окиси Ж. посредством водорода; порошок такой пирофоричен, т. е. способен самовоспламеняться при соприкосновении с воздухом. На влажном воздухе Ж. медленно окисляется и покрывается слоем гидрата окисла, называемого ржавчиной. На поверхности и в недрах земли существуют громадные скопления масс окисленного Ж. Эти последние, при содержании в них металлического Ж. не менее 35%, служат материалом для получения металла, о чем будет сказано подробнее в статье Руды. До последнего времени особенно ценились так называемые чистые руды, т. е. такие, которые не содержат в себе минералов, заключающих серу и фосфор, причем серу, ежели ее было небольшое количество, удаляли обжигом при усиленном притоке воздуха, фосфор же удалять вовсе не умели и масса богатых и легкоплавких руд оставалась или вовсе втуне лежащей, или шла на самые плохие сорта Ж. В 1878 т. два молодых английских химика доказали, что фосфор легко выделяется из Ж., ежели работу вести в окислительной атмосфере в присутствии извести или магнезии; это произвело переворот в ценности руд, и в настоящее время заводы, ведущие обработку руд на ископаемом горючем, не столько заботятся о чистоте руд, сколько о чистоте горючего материала, так как сера каменного угля гораздо более вредно отзывается при производстве, чем сера в руде. Фосфор, благодаря так называемой работе на основном поде, в печах Мартена или при бессемеровании (томасирование), дает в виде шлака прекрасный материал для удобрения полей, так как содержание фосфорно-известковой соли в них доходит до 20%. Один и тот же кусок Ж., смотря по способу механической обработки, может быть получен или в форме волокнистого, или в форме зернистого Ж. При волокнистом сложении, которое получается при вытягивании Ж. по одному направлению, излом Ж. должен быть нитчатый, крючковатый, чисто серебристо-белый, без всяких грязных нитчатых прослоек; если же Ж. подвергнуть поперечным ударам, то излом получится зернистый, причем зерно должно быть серебристо-белого цвета и мелко, и тем мельче — чем Ж. лучше. В Ж., встречающемся в продаже, различают следующие сорта: 1) Ж. крепкое (Le fer dur; hartes Eisen), оно же называется сталеватым — излом его мелкозернистый, серебристо-белый, для своей ковки и обработки требует несравненно больших усилий; оно ближе всего подходит к стали; способность его свариваться гораздо меньше, чем у Ж. мягкого; 2) Ж. мягкое (Le fer mou, weiches Eisen) — наиболее тягучее, очень удобно обрабатывается как на холоде, так и в горячем состоянии; этот вид Ж. есть наиболее употребительный для общежития; 3) Ж. хладноломкое (fer tendre; kaltbruchiges) — излом его обыкновенно крупнозернистый, серебристо-блестящий; особенность эту Ж. получает вследствие присутствия фосфора; достаточно 0,5% его, чтобы Ж. не могло выдержать холодную пробу изгибом на 180°. Полоса хладноломкого Ж., положенная на морозе на две подставки, ломается при ударе молотом в 16 фунтов (кузнечная балда). Хладноломкое Ж. сваривается и обрабатывается в раскаленном состоянии очень хорошо; 4) красноломкое Ж. (fer metis; rothbruchiges) — имеет обыкновенно жильное строение и очень часто даже чистую жилу; оно узнается тем, что при некоторой температуре между 600 и 800° Ж. не выносит механической обработки, под ударами молота он дает разрывы, портящие изделия; свойство это зависит от присутствия серы; для этого достаточно содержания в 0,01% серы. Замечательно, что как ниже, так и выше известной границы это Ж. (называемое также коллерным) прекрасно выдерживает механическую обработку и в холодном состоянии чрезвычайно прочно и вязко; коллерность Ж. узнают на пробе змейкой (о пробах смотри далее); 5) Ж. хрупко-ломкое или Ж. грязной жилы (fers rouverains, faulbruchiges) — излом его, как видно по названию, грязный, происходящий от массы шлаков. Ж. это хрупко и ломко как в холодном, так и в горячем состоянии; получается оно как результат плохой выработки. Кроме того, различают еще Ж. пережженное, перегретое, чешуйчатое и другие сорта.
Всякое хорошее Ж. должно выдерживать следующие пробы: 1) проба изгибом. Для этого у куска сортового Ж., конец, дюйма в 3, загибают в холодном виде под углом в 180°, до плотного соприкосновения загибаемого конца с полосой, затем образуют вторую такую же складку и т. д. При этом нигде не должно быть замечено ни малейшего разрыва. Для пробы на красноломкость нагревают до белого каления конец прута сортового Ж., на расстоянии аршина, и затем кузнец начинает изгибать его совершенно так, как только что описано было в пробе на хладноломкость. Так как одновременно с загибкой происходит и охлаждение Ж., то этим приемом непременно уловится коллерность, если только она имеется в Ж. Очень часто ту и другую пробу соединяют вместе. Для этого берут широкую полосу, разрубают ее и загибают, как показано на представленной фигуре, и затем одну половину металла пробуют на хладноломкость, а другую на красноломкость бродком, прошивая дыры по возможности одну около другой, т. е. у одной половины прошивают дыры бродком в холодном состоянии, а другая половина металла прошивается, нагретая докрасна. Самая строгая проба на качество Ж. состоит в следующем: берут квадратное сортовое Ж., около дюйма; в нем, отступая от конца четверти на 2 или на 3, просверливают дыру, диаметр которой равен 1/2 ширины взятого Ж., и сгибают образчик, стараясь, чтобы изгиб был сделан непременно в плоскости дыры. При этом металл претерпевает одновременно и растяжение и сжатие, а именно: 1) волокна около одной половины отверстия (как это видно на чертеже) вытягиваются в направлении изгиба, т. е. вдоль полосы, тогда как 2) нижние частицы сжимаются в направлении, к ним прямо перпендикулярном.
Как на особенность Ж. должно указать на то обстоятельство, что листы даже самого лучшего металла, будучи нагреты только до температуры свечения в темноте, т. е. до так называемого темного нагрева, все без исключения делаются хрупкими, как будто они при этом подвергаются перегруппировке. По новейшим исследованиям найдено, что если железную проволоку, нагретую до белого каления, оставить медленно охлаждаться на воздухе, то она при некоторой температуре не только перестанет сжиматься, но, напротив, начинает расширяться. Эти наблюдения, сделанный впервые Гором, были затем подтверждены Баретом, который доказал, что металл при этом не только расширяется, но и разогревается. Эту точку Барет назвал точкой самонагревания (recalescence). Явление это исследовано Г. Эвраром на его автоматически записывающем аппарате. По опытам Эврара, бруски одного и того же металла с содержанием углерода в 0,48%, закаленные в масле, при температуре, соответствующей описанным точкам сжатия и расширения (при нагревании и охлаждении металла), дали следующие результаты:
| [1] | Сопротивление разрыву | Удлинение Т | K | % | |
|---|---|---|---|---|---|
| Кг на кв. мм |
Тонн на кв. дюйм | ||||
| Для A | 72,5 | 48,3 | 14,0% | 5,68 | 89 |
| Для B | 71,l | 47,4 | 15,6% | 6,21 | 97 |
| Для C | 57,2 | 38,4 | 15,3% | 4,96 | 78 |
| Для D | 57,2 | 38,1 | 20,0% | 6,40 | 100 |
| Для E | 58,0 | 88,6 | 18,0% | 5,87 | 91 |
Рассматривая цифры, приведенные в таблице, нельзя не видеть, что наименьшее усилие (в дюймах), потребное для разрушения кубического дюйма одного и того же металла, соответствует точке С, т. е. тому месту, которое отмечено на самопишущем аппарате в виде точки самонагревания Барета и Гора. А так как накаливание (т. е. делание скрытой теплоты — явной) при охлаждении соответствует явлению прекращения расширения (т. е. превращение явной теплоты в скрытую) при нагревании, то очевидно, что в обоих случаях при некоторой температуре происходит внутренняя работа, результатом которой является изменение в свойствах металла. Если Ж. будет долгое время находиться при высокой температуре, то оно делается негодно для работы; такое Ж. называется перегретым; оно может быть исправлено хорошим соковым варом. Ежели же внутри металла при этом произошло окисление, то такой металл называется пережженным и уже исправлен быть не может. Ж., соединяясь с углеродом, способно давать многоразличные соединения. Наименьшее количество углерода встречается в мягком Ж., где оно не превосходит сотых долей процента. В сортах, называемых твердым Ж., его не более 0,3%. Литой продукт с большим содержанием углерода уже способен принимать большую закалку и трудно сваривается и называется уже сталью. Твердость стали, вместе с возрастанием углерода, постепенно увеличивается, и при содержании 1,2% углерода металл получает особенную способность хорошо держать острие и обладает достаточной упругостью; это есть твердая инструментальная сталь. При более высоком содержании углерода Ж., по неудовлетворительности своих качеств, теряет всякое практическое назначение и получает название чугуноватой стали. При дальнейшем повышении содержания углерода, в 2% с небольшим, Ж. снова получает практическое значение и называется уже чугуном. Наивысшее количество углерода, способное соединиться с Ж., может быть выражено следующею формулой: Fe4C, что соответствует 5,08% углерода. О получении металлического Ж. прямо из руд в горнах каталанских и из чугунов в горных кричных — см. Горн, а потому далее будет разбираться только передел чугуна в Ж. по способу пудлинговому.
Способ этот в общих чертах состоит в том, что расплавленный чугун перемешивают со шлаком на поду отражательной печи и подвергают его, таким образом, обезуглероживающему действию кислорода воздуха, который постоянно входит в избытке в печь этого устройства. При этом способе на передел чугуна употребляется сырой горючий материал: дрова, торф, каменный уголь, чаще всего работа ведется без употребления воздуходувного прибора. Это изобретение приписывают Генриху Корту, взявшему на это привилегию в 1784 г., тому самому Корту, который за год перед тем (в 1783 г.) взял привилегию на так называемые валки с ручьями или калиброванные вальцы (см.), известные теперь под общим названием пудлинговых валков. Вначале дела Корта пошли блистательно, но лет через шесть, при изменившихся обстоятельствах, Корт потерпел полное разорение. Прошло немало времени, прежде чем пудлинговое Ж. начало конкурировать на рынке с кричным, причем оно, даже в лучших своих образчиках, всегда считалось хуже кричного. Задача пудлингования, совершенно так же, как и при переделе чугуна по кричному способу, состоит в выжигании углерода чугуна. Работа совершается в печах, конструкция которых видна на прилагаемом при сем чертеже.
К числу условий, благоприятствующих распространению пудлингования, должно причислить: 1) возможность пользования при этой работе газами, например генераторными, теряющимися от домен, и т. п., и 2) при пудлинговании переделывается в Ж. менее чистый чугун, чем при кричном производстве. Различают несколько родов пудлингования: 1) холодное, которое ведется таким образом: расплавленный чугун при уменьшенной температуре смешивается со шлаком и дробится; работа эта делается при опущенной крышке на трубе. 2) Шлаковое пудлингование характеризуется большим количеством шлака, который забрасывается одновременно с насадкой чугуна. 3) Горячее пудлингование — при нем чугун расплавляют очень жидко и долго подвергают окисляющему действию тяги. 4) Водяное пудлингование; при этом способе понижения температуры достигают не вбрасыванием шлака, а взбрызгиванием воды.
Сначала пудлингование делали на песчаном поде, но при этом всегда был большой угар [2]. При пудлинговании различают следующие главные части работы: 1) плавка, 2) промешивание крюком; 3) переборка ломом, 4) изготовление крицы и ее обработка. На устройство печи имеет особенное влияние род употребляемого топлива, сообразно его качеству. Колосники (на которые забрасывается горючий материал) делаются или из квадратных ¾-дюймовых железных брусков (которые кладутся рядами на опорные брусья), оставляя между ними промежутки в ¾ или 1 дюйм; или из широких досок, расположенных в виде лестницы и называемых ступенчатыми колосниками; или, наконец, печь устраивается с дутьем, причем естественную тягу трубы заменяют дутьем вентилятора. В те части печи, которые наиболее страдают от высокой температуры, вставляют чугунные коробки, образующие собой каналы, охлаждаемые или воздухом, или водой, наливаемой в таком случае в особо для того поставленные чугунные колоды. Очень часто при пудлинговой печи за задним порогом делается помещение для предварительного прогрева чугуна, этим сокращается время первого периода работы (плавления), через что получается как сбережение горючего, так и увеличение выделки. Кроме подогревателя, почти всякая пудлинговая печь имеет еще второе дополнительное устройство, которое утилизирует напрасно теряющийся жар, — это паровой котел, отапливаемый газами, уходящими в трубу; пар этот служит для приведения в действие обжимочного молота и прокатных вальцов. Самая работа пудлинговой печи состоит в следующем: за два или за три часа до насадки, чушки чугуна закладывают в подогревательное пространство; когда они прогреются почти добела, их переносят на падину в рабочее пространство, причем стараются куски кострить, т. е. класть так, чтобы огонь мог обхватывать их сверху и снизу. Обыкновенно через ½ часа чугун уже плавится, тогда щупают кочергой, не пристало ли где чугуна к падине и не осталось ли где нерасплавленных кусков. В это же время забрасывают шлаки, через что температура чугуна понижается, и кочергой (взбалтывая чугун со шлаком) можно привести их ко взаимодействию. При очень высокой температуре, т. е. горячем чугуне и жидком шлаке, работа эта идет крайне медленно. Ход реакции наблюдается весьма удобно, потому что при этом вымешивании металл все делается гуще и гуще. При правильной работе, мешая каждой кочергой от 5 до 7 минут, на пятой кочерге уже появляются металлические частицы, отделяющиеся от шлака, и мешанка делается очень трудной. Когда металл загустеет так, что его нельзя уже продернуть кочережкой, тогда начинают работу переборки ломом, которая состоит в том, что рабочий всю железистую массу (севшую на под) поднимает наверх. Затем приступают к деланию криц или шматов; для этого весь металл разделяют, смотря по величине садки, на 4 или 5 кусков и ломом каждую эту часть скатывают в виде кома, располагая их вдоль задней стены. Затем дают минут на 5 сильный сварочный жар, после которого, открыв рабочее окно, ярко-белую губчатую массу передних шматов вытаскивают, захватив их клещами, остающиеся же в печи поворачивают так, чтобы Ж. равномерно подвергалось действию проходящего через печь воздуха. Каждый шмат или крица обжимается под молотом в куски и затем прокатывается в вальцах в широкие полосы от 6 до 7 дюймов шириной, в 1 дюйм толщиной и от ½ до 2 аршин длиной; такие полосы называются мильбарс. Разные периоды пудлингового передела при хорошей работе требуют следующего времени: поправка пода и насадка чугуна 15 минут, плавка чугуна 38 минут, мешанка крючьем и кочергой 30 минут, работа ломом 5 минут, делание комьев 20 минут, выдача 12 минут, итого около 2 часов при насадке не свыше 15 пудов. Сравнивая описание получения Ж. по пудлинговому способу с тем, что было сказано в статье о кричных горнах, нельзя не видеть, что существенная разница обоих способов состоит главнейше в следующем:
| Передел пудлинговый | Передел кричный | |
|---|---|---|
| 1. Способ плавления металла | Одновременно всей массой | Небольшими частями |
| 2. Способ окисления металла | Искусственное и старательное перемешивание со шлаком | Капля по капле при прохождении перед фурмой. |
| 3. Степень чистоты | Масса проникнута частицами шлака | Более плотная масса, образовавшаяся из наплавлявшихся частиц металла |
| 4. Степень однородности | При внимательной работе в одном и том же куске металл всегда можно довести до полной однородности | У одной и той же крицы хвостовая краюшка всегда тверже фурменной |
Дальнейшая обработка мильбарса состоит в разрезании его на куски известной длины и в собирании из них пакета, который в отражательных печах, называемых сварочными, быстро доводится до ярко-белого каления. Сваренные таким образом пакеты прокатываются в вальцах, устройство которых было уже описано (см. Вальцы). Стоимость пудлингового железа слагается из следующих данных:
| Чугун | 55% |
| Топливо | 19% |
| Рабочая плата | 15% |
| Инструменты и материалы | 7% |
| Накладные расходы | 4%. |
Принимая за единицу сравнения стоимость продажного сортового железа в 1 руб. 60 коп., стоимость разных сортов железа можно выразить следующими цифрами: мильбарс — 95 коп., железо односварочное — 1 руб. 25 коп., двусварочное — 1 руб. 40 коп., обыкновенное сортовое — 1 руб. 60 коп., листовое — 2 руб. 30 коп. Сортовое железо, встречающееся в продаже, обыкновенно различается на квадратное, круглое, плоское, угловое и фасонное; профили этого последнего показаны на чертеже (см. Вальцы). В заключение небезынтересно сделать сопоставление данных двух наших заводов — Нижнетагильского, с цифрами 1870 г., когда он бесспорно стоял во главе всех тогдашних русских заводов, и за 1891 г. — Каменского, который в России едва ли имеет себе равных из современных заводов.
Производительность Нижнетагильского завода:
| Затрачено | Получено | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Число суток |
Чугуна и железа |
Горючего материала |
Сходных изделий |
Бракованных изделий |
Обрубки, концы и мякоть |
Угар | |
| Чугун | Угля, кор. | ||||||
| 1. Доменная плавка | 2130 | — | 107645 | 1907066 | — | — | — |
| 2. Выделка кричных полос и каляг | 1731 | 86582 | 7199 | 61082 | 257 | — | 22928 |
| 3. Куски кричные | 2424 | 346767 | 9205 | 73755 | 1234 | — | 71778 |
| Дрова, кв. саж. | |||||||
| 4. Пудлингование | 6829 | 1481234 | 9537½ | 1340957 | — | 10744 | 129533 |
| Железо | |||||||
| 5. Сварочное производство | 1302 | 787449 | 3667 | 627340 | 6384 | 28513 | 125212 |
| 6. Красная болванка | 808 | 500482 | 2388 | 342414 | 29714 | 85232 | 98095 |
| 7. Сортовое железо среднее | 457 | 194739 | 1236 | 126056 | 18339 | 23038 | 27806 |
| 8. Мелкосортное железо | 328 | 192902 | 740 | 149226 | 28086 | 10454 | 10186 |
| 9. Рельсы | 439 | 680559 | 1813 | 405081 | 39162 | 78771 | 57545 |
| 10. Листокатальн. пр. | 876 | 288056 | 1667 | 227235 | 26408 | 34042 | 871 |
| 11. Железо матовое | 159 | 66035 | 207 | 41180 | 5292 | 9458 | 105 |
| 12. Железо глянцевое | 857 | 169972 | 1608 | 100221 | 32495 | 33190 | 4066 |
Производительность Каменского завода.
| Наименование продуктов | Вес |
|---|---|
| Чугуна обыкновенного | 8815310 |
| Чугуна зеркального | 528621 |
| Чугунных изделий из домны | 74126 |
| Чугунных изделий из вагранки | 222050 |
| Пудлингового железа | 596336 |
| Стальных болванок Бессемеровских | 2536921 |
| Стальных болванок Сименса-Мартена | 1035315 |
| Железнодорожных стальных рельсов | 1973172 |
| Рельсов для конно-железных дорог | 29361 |
| Рельсов для рудников | 39240 |
| Балок | 59747 |
| Шин для вагонных колес | 132019 |
| Вагонных осей | 50340 |
| Листового железа из стали | 279930 |
| Торговой и профильной стали | 128601 |
| Такого же железа | 369515 |
| Желез. стальной проволоки | 138319 |
| Рельсовых скреплений | 148169 |
| Огнеупорного кирпича | 262961 |
| Разных изделий | 12832 |
На Каменском заводе прокатывают (железо и сталь) свыше 500 различных поперечных профилей. Главнейшие из этих сортов следующие: 1) рельсы для паровых и конных дорог; 2) рудничные рельсы; 3) рельсовые скрепления; 4) бандажи; 5) паровозные, тендерные и вагонные оси; 6) рессорная сталь; 7) двутавровые балки и коробчатые железо и сталь; 8) колонное железо (Quadranteisen) для колонн; 9) листовое и универсальное железо и сталь; 10) катаные валы для приводов; 11) железная и стальная проволока; 12) тавровое, угловое, полосовое, квадратное, круглое, колосниковое, шинное и обручное железо и сталь; 13) волнистое и шаблонное листовое железо. Затем завод изготовляет: резервуары, металлические стропила, мостовые фермы, переносные рельсовые пути Дековилля и вагончики для них, однорельсовые пути системы Ляртига. Постройка Каменского завода потребовала до 5000000 руб. основного капитала.
