home | login | register | DMCA | contacts | help | donate |      

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


my bookshelf | genres | recommend | rating of books | rating of authors | reviews | new | форум | collections | читалки | авторам | add



Как изобрести

В разделе 10.4.2 мы видели, как с помощью плавильни можно удалить примеси из руды, чтобы получить железо, и как можно отбить это железо в горне, чтобы очистить его. Но что произойдет, если добавить в железо углерод?

Мы скажем, что произойдет: углерод взаимодействует с железом так, что получается сплав с большой стойкостью к растяжению, который мы именуем «сталь». Подобная субстанция годится, чтобы изготавливать самые разные объекты, среди которых:


• мосты;

• железнодорожные пути[147];

• железобетон;

• провода и стальные кабели;

• гвозди, винты, болты, молотки, заклепки;

• иглы;

• банки для консервов;

• шарикоподшипники[148];

• пилы и плуги;

• турбины;

• вилки, ложки, ножи;

• ножницы;

• спицы для колес;

• струны для музыкальных инструментов;

• колючая проволока[149];

• два меча на одном креплении, чтобы вы могли использовать их как пар у ножниц и др.


Разное количество углерода порождает различные сплавы, и только материал с содержанием углерода от 0,2 до 2,1 % носит марку «сталь». И даже внутри этого короткого отрезка разное содержание углерода обеспечивает разную прочность и сопротивление при растяжении, так что вы можете поэкспериментировать, чтобы найти то, что вам понравится. Кухонные ножи – чтобы их было удобно точить и они при этом не ломались – содержат около 0,75 % углерода.

Чтобы ввести углерод в железо и изготовить такую отличную, прекрасную сталь, вы должны поместить железо в ящики с размолотым в порошок каменным углем и нагревать до температуры в 700 °C на протяжении недели. Углерод из угля будет реагировать с размягчившимся железом, создавая тонкий слой стали.

Тем не менее только внешняя часть каждого слитка железа превратится в сталь, так что вы должны расплющивать и сгибать ваш металл на наковальне раз за разом, чтобы он весь целиком обрел новые качества. Очевидно, что это медленный и дорогой процесс, вам снова приходится делать то, чем вы уже один раз занимались, возясь с железом. Наверняка вы не удивитесь, выяснив, что лупить по металлу молотом часами – долгий, горячий, трудный, изнурительный и скучный процесс, в общем, полный отстой, так что вы изобретете кое-что получше пр-р-р-р-рямо… сейчас!

Наши поздравления – вы придумали домну.

Мы уверены, что вы уже в курсе, что домна в основе своей улучшенная версия той же топки. Вместо того чтобы ваша плавильня сама втягивала воздух, теперь вы насильно впихиваете его снизу и заставляете подниматься, проходя по дороге через обрабатываемый материал. Но вместо чередующихся слоев железной руды и каменного угля вы берете железную руду, известняк и дающий более высокие температуры кокс[150].

У вас получается более интенсивное горение, железная руда плавится точ но так же, как и при изготовлении железа, но процесс идет дальше: железо вступает в реакцию с углеродом, формируя новый сплав с точкой плавления около 1200 °С (достаточно низко, чтобы расплавить в вашей домне). Высококарбонизированная жидкость скапливается на дне и вытекает из домны, а после того как она остынет, вы можете забрать свой металл.

Но это еще не совсем сталь.

Проблема в том, что в вашем железе теперь слишком много углерода: вам требуется от 0,2 до 2,1 %, а после прохождения через домну вы можете получить до 4,5 %. Железо с высоким содержанием углерода (его также называют «первичный чугун») очень хрупкое: слишком легко ломается при изгибе или растяжении, чтобы его можно было использовать для строительства мостов или зданий, но его низкая точка плавления позволяет разливать материал по формам, чтобы получить сковородки, трубы и тому подобное.

Чтобы снизить содержание углерода в чугуне до уровня стали, вам придется использовать «бессемеровский процесс», основы которого были открыты в Восточной Азии в XI веке н. э. Идея состояла в том, чтобы подавать холодный воздух на расплавленный металл, и более современная версия (запатентована в 1856 н. э. мужиком, как вы догадались, по фамилии Бессемер) – пропускать воздух через жидкий чугун с помощью мехов или воздушных насосов.

Таким образом в расплав попадает кислород, вступающий в реакцию с расплавленным углеродом, отчего получается диоксид углерода. Он либо сгорает, либо выходит в виде пузырей, оставляя позади более чистое железо, и в качестве бонуса эта реакция также производит тепло, а значит, нагревает расплавленный металл еще сильнее, позволяя процессу не замирать, даже если повышается точка плавления жидкого металла[151].

Очень трудно понять, когда нужно прекратить подачу воздуха для необходимого содержания углерода, так что не беспокойтесь, сожгите весь углерод, который сможете, получив чистое железо, а потом добавьте столько, сколько вам нужно.

Железо – шестой из самых распространенных элементов во вселенной и четвертый – в земной коре, но до того, как люди придумали домны и бессемеровский процесс, было невозможно превращать его в сталь дешево или эффективно. Но вы только что справились с этой задачей, и теперь один из самых распространенных на Земле металлов стал для вас одновременно и самым дешевым.

Прекрасно сделано!

Если в вашей цивилизации уже появились инженеры, то они определенно поблагодарят вас за это.

И последнее замечание по поводу стали: вы можете производить стальную проволоку высокого качества, используя высокую прочность на разрыв, которой характеризуется сталь, и технологию под названием «волочение». Все, что вам нужно сделать, – изготовить грубую проволоку из стали, а затем протянуть ее через отверстие в форме конуса, вот так (рис. 33).

Таким образом вы получите проволоку с одинаковой толщиной по всей длине, и весь «отжатый» материал никуда не денется, а только сделает вашу проволоку еще длиннее. Последовательно используя несколько отверстий с уменьшающимся диаметром, вы сможете изготовить проволоку куда более тонкую, чем вручную.

Храповик (приложение Н) можно использовать для продвижения стали вперед, и что особенно удобно, все это можно делать при комнатной температуре: просто требуется некоторое количество смазки. И вот этот момент неожиданно оказывается сложным. Вернувшись в XVII век н. э., мы обнаружим, что тогда использовали жир или растительное масло, но они работают только с мягкой сталью, а слишком сильное трение заставит вашу проволоку сломаться.


Как изобрести все

Рис. 33. Устройство для волочения проволоки, вид сбоку


В 1650 н. э. некто Иоганн Гердес «случайно» обнаружил, что если сталь достаточно долго продержать в моче, то на ней появляется слой мягкого материала (теперь мы называем этот процесс коррозией), и он уменьшает трение при изготовлении проволоки. Это процесс, названный «искусственное ржавление», использовался 150 лет, пока кто-то не заметил, что разбавленное пиво на самом деле ничуть не хуже мочи, и только около 1850 н. э. люди догадались проверить, нельзя ли обойтись водой.

Можно. Она справляется замечательно.

Действуйте лучше, чем мы, не замачивайте сталь в моче без особой на то причины.


Предпосылки | Как изобрести все | 10.10.3. Сварка