Создание томасовского способа получения стали

При бессемеровском и мартеновском способах получения стали было невозможно удаление вредных примесей – серы и фосфора. С. Томас сумел осуществить удаление фосфора из чугуна в шлак, применив для внутренней облицовки конвертера основную огнеупорную массу – доломит. В качестве флюса С. Томас взял обожженную известь. Сталь, получаемая в печах с основной футеровкой, обладала достаточно высокими качествами и, кроме того, давала широкую возможность вырабатывать специальные (легированные) стали.

Бессемеровский, мартеновский и томасовский способы передела чугуна являются завершающим звеном в цепи развития сталеделательной промышленности XIX в. Мировая выплавка чугуна с 70-х гг. до 1900 г. возросла в 16,6 раза, выплавка стали за то же время увеличилась с 0,54 млн. т до 65,4 млн. т, т.е. в 212 раз.

Новая техника проката

Прокат металла осуществлялся при помощи прокатных станов. В 30-40-х гг. XIX в. в связи с массовым железнодорожным строительством в Европе впервые начинается прокат железнодорожных рельсов. В 70-х гг. XIX в. стала доминировать прокатка рельсов. В начале XX в. появляются прокатные станы, способные прокатывать в сутки больше тысячи рельсов с общим весом в 300 т. На прокатку одного рельса тратилось всего около 11 мин., а скорость прокатки колебалась от 1 до 2,5 м /в сек. Прокатка фасонного или сортового железа производилась на прокатных станах с различным количеством валков. Толщину листового железа можно было менять от 0,5 мм до нескольких см.

В 1859 г. русский механик В. Пятов сконструировал первый прокатный стан для прокатки броневых листов. Если раньше для прокатки одного броневого листа требовалось 14 дней, то прокатный стан В. Пятова справлялся с этой работой за 3 дня.

Дальнейшая эволюция техники проката идет по линии изобретения универсальных прокатных станов. Сначала прокатные станы приводились в движение паровыми машинами. В 1897 г. в Германии для привода прокатного стана впервые был применен электродвигатель. С начала XX в. почти все прокатные станы были оборудованы электродвигателями.

Возникновение науки о строении металлов

Развитие металлургии способствовало возникновению металлографии – науки о строении металлов. Выдающуюся роль в развитии науки о металлах сыграл Д. Чернов. Его исследования в области превращения стали при различных температурах и положили начало металлографии. Д. Чернов установил, что внутренние превращения стали, от которых зависит изменение ее механических свойств, происходят скачками и связаны с определенными температурными точками. При нагревании строение и свойства стали изменяются. Рубежи превращений стали под действием изменений температуры получили название «точек Чернова». Точка «а» Д. Чернова, соответствующая темно-вишневому калению, позволила правильно определить температуру закалки стали. Точка «б» дала научное понимание поведению стали при нагревании.

Накопленный металлургами всего мира большой экспериментальный материал по микроструктуре стали и чугуна позволил к 90-м гг. XIX в. дать первый набросок диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, прообраз которой был предложен еще Д. Черновым.

Развитие цветной металлургии

Руды цветных металлов в отличие от железных руд содержат обычно от нескольких процентов до тысячных и десятитысячных долей процента основного металла. Главными особенностями этих руд являются относительно низкое содержание основного металла и их комплексный характер. В рудах медных и свинцово-цинковых месторождений обычно содержатся кадмий, золото, серебро, мышьяк, сера и т.д.

Во второй половине XIX в. сфера применения цветных металлов чрезвычайно расширилась. Заметно увеличилась добыча и производство цветных металлов, золота, никеля, алюминия и др.

Основным сырьем для меднодобывающей промышленности в этот период были медные колчеданы. Почти до конца XIX в. в процессе производства меди колчеданы предварительно обжигались, а затем производилась восстановительная плавка, на которую расходовалось много топлива. В 1880 г. русский инженер А. Ауэрбах построил первые в мире четыре больших конвертера для производства меди на Богословском заводе. Недостатком первых конвертеров для бессемерования штейнов долгое время являлась плохая стойкость кислой (глинисто-кварцевой) футеровки. В 1909 г. была освоена основная футеровка, которая с 1910 г. стала применяться на русских заводах.

В этот период были значительно усовершенствованы методы получения золота. В 1890 г. были открыты исключительные по запасам, но не богатые по содержанию золота конгломераты в Южной Америке. Был создан новый метод извлечения золота из руд под действием цианистых соединений. В 1887 и 1888 гг. американцы Мак-Артур и братья Форрест предложили новый способ получения золота химическим путем. Благодаря его появлению мировая добыча золота в начале XX в. возросла до 691 т в год, тогда как в 70-х гг. она не превышала 190 т.

Общее состояние металлургии в конце XIX - начале XX вв.

Если в 1870 г. мировая металлургия выплавляла всего 11,9 млн. т чугуна, то в 1913 г. выплавка чугуна возросла до 78,4 млн. т. С 1900 г. первое место по производству чугуна и стали на европейском континенте окончательно переходит к Германии. В 1910 г. Германия производила на 600 тыс. т чугуна больше, чем Англия и Франция, вместе взятые, и на 400 тыс. т больше, чем Франция, Россия, Австро-Венгрия и Бельгия.

Металлургия в это время становится ведущей отраслью промышленного производства.

Развитие химической технологии

В последнюю четверть XIX - начале XX вв. значительного развития достигла химическая промышленность. Ее возникновение было связано с потребностями в таких продуктах, как серная кислота и сода. Единственный в начале XIX в. промышленный способ производства серной кислоты (так называемый камерный) в силу своей малой производительности уже не мог обеспечить потребности промышленности в этом важнейшем химическом продукте.

Для промышленных целей серную кислоту получали из минерального сырья – серы, цинковой обманки, гипса, из ферросульфатов, из газов, которые дают печи предприятий цветной металлургии, а также из обжига сульфидных руд и, главным образом, из серного колчедана.

В этот период применялись два способа получения серной кислоты – нитрозный и контактный. Сущность нитрозного способа состоит в том, что сернистый ангидрид при соприкосновении с нитрозой окисляется находящимися в ней окислами азота, образуя в присутствии воды серную кислоту. В конце XIX в. наиболее широко был распространен башенный способ производства серной кислоты – интенсивная форма нитрозного способа.

В этот период в сернокислотной промышленности появился принципиально новый способ получения серной кислоты – контактный. Окисление сернистого газа протекает без воды в присутствии твердых катализаторов. В конце XIX в. платиновый катализатор был заменен более дешевым, но не уступающим ему по активности ванадиевым катализатором.

Преимущество контактного способа производства серной кислоты перед нитрозным заключалось в том, что контактный способ позволял получить серную кислоту любой крепости, в то время как серная кислота, получаемая нитрозным способом, была недостаточно крепка по содержанию.

Новые методы производства соды

Начало промышленного получения соды было положено изобретением французского инженера-химика Леблана. В 1791 г. он предложил способ получения соды из поваренной соли путем обработки ее серной кислотой в специальных печах. На смену методу Леблана пришел новый, более эффективный, аммиачный способ получения искусственной соды, предложенный в 1861 г. бельгийским инженером Э. Сольве. По способу Э. Сольве сода производилась из естественных или искусственно приготовленных растворов поваренной соли, известняка или мела и аммиачной воды. Получение соды по способу Э. Сольве велось непрерывно по замкнутому циклу, причем промежуточные операции были механизированы.