Тигельна сталь
Ти́гельна ста́ль — ливарна сталь, одержувана методом тигельної плавки, тобто — у вогнетривких тиглях переплавкою шихти, основу якої в різні історичні епохи могли складати сиродутне залізо, ковке залізо, одержане пудлінгуванням або кричною переробкою, цементова сталь, чавун, залізна руда. Є твердження, що про тигельну сталь у 4 ст. до н. е. писав Аристотель.[1][2][3] Тигельна сталь була відома з початку 1 ст. н. е. в Індії, Персії, Сирії та деяких інших країнах.[4] До тигельної сталі відносятся стародавні вуц, булат, дамаська сталь (її тигельний «різновид»).[3][4][5] Тигельна сталь була першим видом сталі, одержаної у рідкому, розплавленому, стані. В Європі тигельну сталь почали виготовляти з 1740-х років. У 2-й половині 19 століття, у зв'язку з появою нових способів виробництва ливарної сталі (бесемерівський, мартенівський), роль тигельної плавки значно зменшилася. До середини 20 століття виробництво тигельної сталі зберігалося лише в окремих країнах, зокрема в Англії і Швеції, де основне її призначення було виготовлення високоякісного інструменту.
Історія
ред.Про тигельну сталь у 4 ст. до н. е. писав Аристотель.[1][3] За іншими даними, найдавніше виробництво тигельної сталі, ймовірно, відноситься до початку I тис. н. е., коли її виплавляли у Індії і Центральній Азії. Сталь в Азії одержували шляхом нагрівання ковкого заліза у суміші з матеріалами, багатими на вуглець, такими як деревне вугілля, у закритих сосудах. Вона була відома під назвою «вуц», а пізніше — «дамаська сталь».[4] Тигельна сталь виплавлялася у невеликій кількості, однак була найвищого, навіть за сучасними мірками, ґатунку. Приблизно наприкінці I тис. секрет виплавки тигельної сталі втрачено.
Близько 800 року тигельна сталь потрапила до Північної Європі, можливо, внаслідок торговельних контактів з Середньою Азією. Тут її використовували для виробництва високоякісних «мечей Ульфберта», що ними користувалися вікінги.[4]
В Європі тигельну плавку сталі знову винайшов у 1740 році англійський винахідник, годинникар, Бенджамін Гантсман, якому був потрібен метал для пружин однорідніший, ніж зварне залізо, що його привозили з Німеччини. Гентсман переплавляв у тиглях цементову сталь у суміші з деревним вугіллям, паливом для нагріву тиглів був кокс. Температура нагрівання сягала 1500—1600 °C, що дозволяло плавити метал. На відміну від цементової сталі, що була неоднорідною і мала багато шлакових включень, при тигельній плавці виходила чиста і однорідна за складом сталь. Гантсман тримав у секреті спосіб одержання тигельної сталі і не патентував його, однак, хитрощами про нього дізналися інші виробники металу. Ливарну тигельну сталь виготовляли у 18 ст. переплавлянням цементової сталі або кричного заліза.
Згодом виробництво тигельної сталі розповсюдилося в інших країнах Європи — у 1760-х роках у Швеції, у 1780-х роках у Франції і у 1790-х роках у Австрії, у 1860 році в США, у 1895 році у Японії (в Токіо).[6]
У 19 столітті технологія і техніка виробництва тигельної сталі зазнали певного розвитку. Якщо спочатку у 18 столітті у 1 тиглі перплавляли 6 кг матеріалів, то до 1870 року вагу шихти вже довели до 30 кг.[7] Після 1870 року тигельні горна замінили продуктивнішими печами для тигельної плавки системи Сіменса.[4] У 19 столітті П. М. Обухов запропонував технологію виплавки тигельної сталі з залізної руди.
У різних країнах тигельну сталь масово виплавляли переважно лише в окремих регіонах або на окремих заводах. В Англії основним центром виплавки тигельної сталі був Шеффілд, де у 1873 році, найпродуктивнішому для Англії в цій галузі, виплавили 110 тис. т тигельної сталі — половину світового виробництва.[7] У Швеції на початку 20 століття тигельну сталь виплавляли тільки на 2 заводах — в Остербі і у Вікманшиттані. У Франції центром виробництва тигельної сталі було Центр-Міді і, зокрема, Сент-Етьєн, що забезпечували понад 75 % її французького виробництва у 19 і 20 століттях.[8] У Німеччині — завод Круппа в Ессені, у США — штат Пенсильванія, у царській Росії — Обухівський завод (Петербург).
| Рік | царська Росія[9] | Швеція[10][11] | Велика Британія[11] | США[11] | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Тигельна сталь | Загалом | Тигельна сталь | Загалом | Тигельна сталь | Загалом | Тигельна сталь | Загалом | |
| 1884 | 3,794 | 206,98 | н.д. | 71,241 | 1884,60 | 52,431 | 1526,55 | |
| 1885 | 3,750 | 192,90 | н.д. | 80,55 | 1999,53 | 56,691 | 1684,96 | |
| 1886 | 4,476 | 241,79 | н.д. | 78,231 | 2382,18 | 70,839 | 2522,15 | |
| 1887 | 3,529 | 225,55 | н.д. | 111,57 | 3200,91 | 74,187 | 3286,49 | |
| 1888 | 4,261 | 222,30 | н.д. | 114,53 | 3460,03 | 69,172 | 2853,77 | |
| 1889 | 4,954 | 258,74 | н.д. | 137,82 | 3728,68 | 74,670 | 3332,41 | |
| 1890 | 5,418 | 378,43 | н.д. | 169,29 | 3737,91 | 70,054 | 4209,71 | |
| 1895 | н.д. | 757,77[11] | 0,598 | 197,83 | 3444,20 | 66,600 | 6018,53 | |
| 1900 | н.д. | н.д. | 0,931 | |||||
| 1910 | н.д. | н.д. | 3,385 | |||||
| 1913 | н.д. | н.д. | 2,656 | 121,226 | 31300 | |||
| Примітки. 1. Під «загалом» маються на увазі тигельна, цементна, пудлінгова, бесемерівська і мартенівська сталь. 2. У джерелі[9] вагу вказано у пудах, тут переведено у тони. 3. У джерелі[11] вагу вказано у довгих тонах, тут переведено у тони. 4. н. д. — немає даних. | ||||||||
Через велику собівартість і малу відносну продуктивність тигельної плавки виплавка тигельної сталі у 19 столітті не могла конкурувати зі зварним залізом (сталлю). З появою у 2-й половині 19 ст. способів масового виробництва ливарної сталі (бесемерівської, мартенівської) тигельна сталь не витримувала конкуренції і з ними. Однак, завдяки своїй якості тигельна сталь й надалі ще певний час залишалася єдиним матеріалом для виготовлення відповідальних інструментів і деталей механізмів.
У 1937 році в СРСР було виплавлено 4 тис. т тигельної сталі. В середині 20 століття у низці країн, в тому числі в СРСР, тигельна сталь вже не виплавлялася. Втім, через надзвичайно високу якість тигельного металу його виробництво ще зберігалося в той час у Англії, ФРН, Франції, Швеції і декотрих інших країнах.[12] У Англії виробництво було припинено у 1968 році.[7]
Одержання
ред.
Для виплавлення сталі у тиглях використовують шихту, що забезпечує одержання сталі необхідного складу. Шихта буває металева і рудна. Вона може складатися з пудлінгової, кричної, цементової або якої-небудь іншої сталі, а також з залізної руди. Можуть додаватися флюси. Шихта завантажується у вогнетривкі тиглі у вигляді дрібних шматочків. Тиглі вміщують у плавильні горна або полуменеві регенеративні печі. Передача тепла плавильній шихті і металу відбувається через стінки тигля. Після розплавлення шихти у тиглі проходять реакції окислення вуглецю, марганцю, кремнію і процеси шлакоутворення. Окиснення вуглецю металу з утворенням газоподібного окислу вуглецю дає ефект «кипіння». По завершенню протікання таких реакцій настає період «заспокоєння» сталі. Наприкінці процесу метал розкисляють (зазвичай феромарганцем), тиглі виймають з горну або печі і починають розливку сталі. Рідку сталь розливають у чавунні або піскові форми (виливниці), де вона застигає. Одержаний зливок (болванка) поступає в подальшу переробку для одержання готових виробів методом кування або прокатки. Можливо також одержувати у виливницях готові вироби (фасонні виливки).
При виплавці тигельної сталі до неї іноді додавали деяку кількість піролюзиту або феромарганцю, щоб ввести деяку кількість марганцю, зазвичай від 0,5 до 1 %, який, зменшуючи кипіння сталі при здійсненні відливки, сприяє одержанню щільних виливків.
Властивості
ред.Тигельним процесом можна одержати будь-яку сталь (за винятком м'якої — через високу температуру її плавлення).[12] Чим нижчий вміст вуглецю, тобто чим м'якіше повинна бути сталь, тим вище температура плавлення її і тим важче вести тигельну плавку. Тому зазвичай у тиглях не виплавляли сталь з вмістом вуглецю меншим за 0,4 %. Адже сталь з меншим вмістом вуглецю має вищу температуру плавлення і тим важче вести тигельну плавку.[13]
У добрій тигельній сталі вміст кремнію не повинен перевищувати 0,2 % (дані 1891 року).[9] В той же час, в сталі, призначеній для лиття, вміст кремнію доводили феросиліцій, «сілікошпігель» (містить 30 % марганцю і 8 — 12 % кремнію) або сірий чавун, по меншій мірі до 0,2 %, частіше до від 0,3 до 0,6 %, бо кремній усуває при здійсненні лиття утворення бульбашок.[13] Якщо після завершення плавки перед здійсненням лиття додавали алюміній або фероалюміній для прибирання бульбашок у металі, готова сталь могла містити до 0,1 % алюмінію, але не більше, бо більший вміст призводить до погіршення механічних властивостей сталі.
| вуглець | кремній | марганець | фосфор | сірка | |
|---|---|---|---|---|---|
| Дзвони заводу «Бохумар гусштальфабрік» («Bochumer Gussstahlfabrik») |
1,30 | 0,35 | 0,80 | не виявлено | невиявлено |
| Елемент хрестовини (залізничної стрілки) | 1,31 | 0,09 | 0,98 | 0,13 | 0,05 |
| Кільця для рудних валків | 1,10 | 0,30 | 0,70 | невиявлено | невиявлено |
| Вагонне колесо для залізниці | 1,09 | 0,26 | 0,11 | 0,05 | |
| Циліндр для преса, заводу «Бохумар гусштальфабрік» («Bochumer Gussstahlfabrik») |
0,80 | 0,25 | 0,60 | невиявлено | невиявлено |
| Малі машинні частини, так само звідти, в середньому | 0,50 | 0,20 | 0,50 | невиявлено | невиявлено |
Тигельна сталь вирізняється винятково високими механічними властивостями як вздовж, так і поперек напряму прокатки або куття. Завдяки особливостям тигельної плавки сталь виходить щільною з дуже мізерною кількістю неметалевих включень і низьким вмістом газів. У 1960-х роках якість тигельної сталі все ще вважалася неперевершеною порівняно зі сталями, одержуваними в той час іншими способами.[12]
Використання
ред.У стародавні части тигельна сталь використовувалася для виробництва холодної зброї (в тому числі булатних клинків), гострих ножів і міцних інструментів, пізніше — окрім цього з неї виготовляли ще й бритвенні леза, годинникові пружини і маятники, деталі машин і мехінізмів, деталі вогнепальної зброї і гармат, бронебійні снаряди.
Література
ред.- Тигельна плавка. // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
- Crucible Cast Steel. // Alexander Humboldt Sexton. An Elementary Text-book of Metallurgy. C. Griffin, limited, 1895. pp. 125—126. (англ.)
- Crucible Steel. // O. F. Hudson. Iron and Steel: An Introductory Text-book for Engineers and Metallurgists. D. Van Nostrand Company, 1913. pp. 59 — 61. (англ.)
- The Crucible Process. // H. M. Boylston. An Introduction to the Metallurgy of Iron and Steel. J. Wiley, 1928. pp. 207—212. (англ.)
Посилання
ред.- ↑ а б Тигельний процес // Українська радянська енциклопедія : [у 17 т.] / гол. ред. М. П. Бажан. — 1-ше вид. — К. : Голов. ред. УРЕ АН УРСР, 1959—1965.
- ↑ Учёные записки. — Т. 8. — Адыгейский НИИ языка, литервтуры и истории, 1968. — С. 65. (рос.)
- ↑ а б в Тигельная плавка. // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / главн. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : «Советская энциклопедия», 1969—1978. (рос.)
- ↑ а б в г д Crucible process. https://www.britannica.com. Encyclopædia Britannica, Inc. Jul 20, 1998. Процитовано 1 грудня 2024.
{{cite web}}: Зовнішнє посилання в|website= - ↑ Дамаська сталь. // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
- ↑ Chris Evans. Steel in Britain before and after Benjamin Huntsman: manufacture and consumption in the eighteenth century. // L'acier en Europe avant Bessemer. Toulouse, 2020. p. 285—298. 978-2-912025-70-8 (англ.) (фр.)
- ↑ а б в Steel. History. https://www.britannica.com. Encyclopædia Britannica, Inc. 19.11.2024. Процитовано 1 грудня 2024.
{{cite web}}: Зовнішнє посилання в|website= - ↑ Situation de l'acier au creuset au xpxe siècle par rapport aux autres procédés d’élaboration de l'acier. // Jean Le Coze. Récits sidérurgiques d'hier et d'aujourd'hui: Fers, fontes, aciers : 4000 ans d'affinage et de purification, Les Ulis: EDP Sciences, 2017, pp. 443—460. (фр.)
- ↑ а б в А. Ржешотарский. Δ. Литая сталь // Энциклопедический словарь : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. : Ф. А. Брокгауз, И. А. Ефрон, 1890—1907. — С. 763—778. (рос.)
- ↑ A. J. J. Guinchard. Sweden; historical and statistical handbook. Stockholm, Government printing office, 1914. p. 302. (англ.)
- ↑ а б в г д Annual Report of the Department of the interior. Part V. Washington, Government Printing Office, 1897.
- ↑ а б в Металлургия стали. Общий курс. / Е. В. Абросимов, И. И. Аншелес, В. А. Кудрин ; ред. В. И. Явойский. — Москва: Металлургиздат, 1961. — С. 113—114. (рос.)
- ↑ а б в Adolf Ledebur. Handbuch der Eisen- und Stahlgiesserei. Leipzig, 1901. (нім.)