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

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).

Виробництво тигельної сталі у порівнянні з сумарним виробництвом сталі в деяких країнах у 2-й половині 19 ст. — початку 20 століття, тис. т.

Рік	царська Росія[9]		Швеція[10][11] ^:124		Велика Британія[11] ^:68		США[11] ^:59
	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] ^:132	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

Зливання виплавленої сталі з тигля у форму для одержання сталевої заготовки. Малюнок з видання 1891 року.

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

Тигельним процесом можна одержати будь-яку сталь (за винятком м'якої — через високу температуру її плавлення).[12] ^:114 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] ^:24-26

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.

Приклади хімічного складу тигельного фасонного лиття кінця 19 століття, %[13]

	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

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

• 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

1. Тигельний процес // Українська радянська енциклопедія : [у 17 т.] / гол. ред. М. П. Бажан. — 1-ше вид. — К. : Голов. ред. УРЕ АН УРСР, 1959—1965.
2. Учёные записки. — Т. 8. — Адыгейский НИИ языка, литервтуры и истории, 1968. — С. 65. (рос.)
3. Тигельная плавка. // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / главн. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : «Советская энциклопедия», 1969—1978. (рос.)
4. Crucible process. https://www.britannica.com. Encyclopædia Britannica, Inc. Jul 20, 1998. Процитовано 1 грудня 2024. {{cite web}}: Зовнішнє посилання в |website= (довідка) (англ.)
5. 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.
6. 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.)
7. Steel. History. https://www.britannica.com. Encyclopædia Britannica, Inc. 19.11.2024. Процитовано 1 грудня 2024. {{cite web}}: Зовнішнє посилання в |website= (довідка) (англ.)
8. 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.)
9. 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.)
10. A. J. J. Guinchard. Sweden; historical and statistical handbook. Stockholm, Government printing office, 1914. p. 302. (англ.)
11. Annual Report of the Department of the interior. Part V. Washington, Government Printing Office, 1897.
12. Металлургия стали. Общий курс. / Е. В. Абросимов, И. И. Аншелес, В. А. Кудрин ; ред. В. И. Явойский. — Москва: Металлургиздат, 1961. — С. 113—114. (рос.)
13. Adolf Ledebur. Handbuch der Eisen- und Stahlgiesserei. Leipzig, 1901. (нім.)