Металлообработка — это древнее искусство. Достаточно вспомнить золотые и серебряные драгоценности, датируемые четвертым-пятым тысячелетия до нашей эры, которые можно увидеть во многих музеях. Учитывая, что развитие обработки металла зависит от нескольких отраслей знания: химической, физической, технологической и т. д. Легко понять, что металопрокат — это чрезвычайно сложно.
Тем не менее, уровень обработки металла сегодня настолько высок и технологичен, что на рынке представлено огромное количество продукции см. например здесь https://uralmet-spb.ru/profilnaya-truba очень высокого качества, в большом ассортименте.
История производства сырья для металлических изделий
Материал, обрабатываемый пластической деформацией, возник в истории из-за холодного использования металлов, присутствующих в природе в естественном состоянии, таких как золото и серебро. Впоследствии, с введением возможности плавления материалов, мастера перешли на медь, бронзу и сравнительно недавно на сталь. С другой стороны, появление алюминия среди металлов, используемых в производстве, является настолько недавним, что трудно даже трудно говорить о его истории.
Введение использования железа в производстве было настолько важным, что оно даже дало название эпохе, именно «железный век», который начался примерно за тысячелетие до нашей эры. До эпохи средневековья сталь получалась исключительно простым способом. Мастера использовали первичные печи, по существу, некие отверстия, покрытые глиной, где они складывали чередующиеся слои железных руд (главным образом оксидов) и древесного угля. После того, как огонь разгорался, он усиливался соответствующей вентиляцией для повышения его температуры, которая в любом случае не превышала 1200 градусов. Мастера получали восстановление оксидов железа в практически чистом железе, которое в конце процесса появлялось в виде губчатой массы, смешанной со шлаками. В этот момент начинался утомительный процесс ковки и последовательный нагрев массы для отделения железа от примесей. В результате получалась очень мягкая сталь, легко обрабатываемая, называемая также «кованым железом», которая поставлялась в прутьях.
В Индии и Древнем Востоке были другие методы, основанные на нагреве в плавильном котле особо чистой железной руды, стекла и углерода. В древние времена также была известна практика карбюрации: мягкая сталь оборачивалась слоем угольного порошка, который затем воспламенялся, поэтому он получал высокий процент углеродной пыли снаружи, в то время как ядро оставалось мягким.
Со временем доменная печь для получения чугуна становилась все более и более важной. Это печи, полностью находящиеся вне земли, в которые железные руды и древесный уголь вносились сверху, чтобы достичь таких температур, при которых образуется расплавленный чугун, который затем выливался из отверстия в днище.
В начале восемнадцатого века мастерам также удалось добыть чугун, используя каменный уголь. В любом случае производительность была очень хорошей, но полученный материал очень хрупким. Они столкнулись с проблемой, противоположной той, которая была в предыдущих веках, и было необходимо обезуглеродить полученный продукт путем рафинирования. Начиная с семнадцатого века были опробованы многочисленные решения, но ни одно из них не было особенно продуктивным и экономичным. Самым интересным был, конечно, так называемый пудлинг. Чугун нагревали до разжижения в реверберационных печах, где материал не вступал в контакт с продуктами сгорания. Оператор постоянно выталкивал металл в присутствии потока горячего воздуха, чтобы высвободить углерод, а затем превратить его в сталь.
Основополагающим было введение преобразователя Бессемера в 1857 году, используемого в промышленном производстве стали. Это была первая печь, которая позволила производить сталь за один этап обработки. Операция концептуально проста: большое количество воздуха, проходящего через ванну, откачивается снизу. Высокий процент содержания углерода, высокая температура ванны и кислород, содержащийся в воздухе, провоцируют характерные взрывы, при которых углерод сжигается, тем самым уменьшая содержание его в ванне и, таким образом, получается сталь без использования дополнительного топлива. В первый раз процесс был неприменим для чугунов с высоким процентным содержанием фосфора. Но впоследствии было найдено и решение этой проблемы. Эта технология использовалась до шестидесятых годов, когда она была вытеснена аналогичной, которая использует кислород, вдуваемый в ванну сверху, процесс BOF (Basic Oxygen Furnace).
В настоящее время наиболее используемой технологией для рафинирования чугуна являются процесс BOF для чугуна в доменной печи и электрические печи для переплавки чугуна.
Производство тонкого листа
Тонкие листы драгоценных металлов изготавливались в предыстории с помощью холодной пластичной обработки очень пластичных материалов, таких как золото и серебро. Мягкое железо было пригодно только для горячей обработки, что вызывало много проблем. Реальный поворотный момент в производстве листового металла произошел с введением прокатного стана. Первая известная конструкция прокатного стана датируется временами Леонардо Да Винчи, который на одном из своих рисунков 1480 г. впервые описывает возможность «прохождения материала» между двумя цилиндрическими роликами с параллельными осями, способными изменять его толщину.
Есть сообщения о двух прокатных станах в шестнадцатом веке: один использовался для получения золотых листов одинаковой толщины, из которых можно чеканить монеты, второй — для разрезания уже сформированных листов на полоски.
Первое промышленное предприятие, о котором у нас есть определенные сведения, было использовано в 1615 году для получения свинцовых и оловянных пластин.
В 1682 году в Ньюкасле в Англии был представлен стан холодной прокатки. Первое подробное описание процесса датируется несколькими годами позже; это завод в Галлесе, который обрабатывал прутки длиной 700 мм и шириной 100 мм, которые могли получать листы размером 1500 × 700 мм, это первый очевидный свидетель процесса прокатки стали для производства листового металла, приводимая в движение водяными колесами.
Galles останется основным европейским производителем тонких листов до конца 1700 года. В восемнадцатом веке они также начали прокатывать более сложные формы: круги, квадраты, рельсы, двутавровые балки и т. д.
В начале девятнадцатого века конструкция прокатного стана стала по существу современной: прочная чугунная клеть с двумя стальными цилиндрами и возможностью регулировки с помощью винта расстояния между роликами.
Уже в то время мастера поняли, что прокатка является очень производительным процессом, способным переработать огромное количество полуфабрикатов. Размеры продукции постоянно увеличивались, и на «Британской большой выставке» в 1851 году был представлен листовой металл длиной более 6 метров, шириной 1 метр и толщиной 11 мм, весом более 500 кг.
После получения драгоценного листа необходимо было обработать его, разрезая деталь, и, как правило, деформируя его в ортогональном направлении относительно самого листа, процесс обычно происходил (и все еще происходит) в холодных условиях. Резка листового металла обычно выполнялась с давних времен с использованием ножниц, то есть двух лезвий, расположенных в параллельных плоскостях, слегка смещенных друг относительно друга (как в бытовых ножницах). Техника концептуально не изменилась до наших дней, но она заметно изменилась в режущей способности по толщине и длине, мы перешли от ручного (большие ножницы) к настольному с фиксированным лезвием. За последние десятилетия были разработаны несколько других форм резки: гидроабразивная, лазерная, кислородная резка, плазменная резка и т. д.
Как вы можете видеть, история листового металла сопровождает человеческую цивилизацию, в значительной степени участвуя в ее развитии. С древних времен металл всегда играл первостепенную роль во всех технологических достижениях, внося свой вклад в них. Сегодня, несмотря на действительно многочисленные альтернативные материалы (полимеры), он все еще играет фундаментальную роль.