Страницы истории науки и техники

Кириллин Владимир Алексеевич

Было сделано немало попыток разработки парового локомотива (от лат. loco moveo — сдвигаю с места), были построены действующие модели, но обычно выделяется построенный талантливым английским изобретателем Джорджем Стефенсоном (1781–1848) в 1829 г. паровоз «Ракета», изображенный на рис. 21.

Рис. 21. Паровоз Стефенсона «Ракета».

Стефенсон родился в рабочей семье, работал на угольных копях Ньюкасла, где работали также его отец и дед. Он много занимался самообразованием, изучал физику, механику и другие науки, всегда интересовался изобретательской деятельностью. Выдающиеся способности Стефенсона привели его на должность механика, а в 1823 г. он был назначен главным инженером компании по строительству первой железной

дороги общего пользования Стоктон — Дарлингтон; это открыло ему большие возможности конструкторской, изобретательской работы.

В 1823 г. Стефенсон организовал первый паровозостроительный завод в г. Ньюкасле.

«Ракета» была не первым паровозом, сконструированным и построенным Стефенсоном, но этот превосходил другие по многим показателям и был признан лучшим локомотивом на специальной выставке в Рейхилле и рекомендован для новой железной дороги Ливерпуль— Манчестер, ставшей в то время образцовой.

Железные дороги начали играть в XVIII в. огромную роль. Их значение очень велико и в настоящее время. Паровоз долгое время занимал монопольное положение на железных дорогах. Но во второй половине XX в. был практически полностью вытеснен электровозом и тепловозом.

В России первые паровозы были построены русскими механиками и изобретателями Черепановыми — Ефимом Алексеевичем (отец, 1774–1842) и Мироном Ефимовичем (сын, 1803–1849), работавшими на Нижнетагильских заводах и бывшими крепостными заводчиков Демидовых. Черепановы занимались самообразованием, посещали заводы Петербурга и Москвы, Англии и Швеции. За изобретательскую деятельность Мирону Черепанову и его жене в 1833 г. была дана вольная. Ефиму Черепанову и его жене вольная была дана в 1836 г. Черепановы создали около 20 различных паровых машин, работавших на Нижнетагильских заводах. В 1834 г. ими был построен первый русский паровоз, а в 1835 г, — второй, более мощный (изображение его модели [232] показано на рис. 22). Была проложена железная дорога между медным рудником и Выйским заводом, которая некоторое время эксплуатировалась. Первая пассажирская железная дорога по решению царского правительства была построена иностранными предпринимателями в 1837 г. между Петербургом и Павловском; ее протяженность 27 км. Двухколейная железная дорога Петербург — Москва начала действовать в 1851 г.

232

Музей железнодорожного транспорта в Ленинграде.

Рис. 22. Модель паровоза Черепановых.

Попытки использовать паровую машину в водном транспорте предпринимались с начала XVIII в. Известно, например, что не раз уже упоминавшийся ранее французский физик Папен построил лодку, приводившуюся в движение паровой машиной. Правда, успеха в этом деле Папен не достиг.

Первый успех был достигнут американским изобретателем Робертом Фултоном (1765–1815), родившимся в г. Литл-Бритон (теперь г. Фултон) в штате Пенсильвания. Любопытно отметить, что первые большие успехи в создании паровых машин для промышленности, железнодорожного и водного транспорта выпадали на долю талантливых людей, овладевших знаниями путем самообразования. В этом отношении не составлял исключения и Фултон. Ставший впоследствии инженером-механиком, Фултон, происходящий из небогатой семьи, вначале много занимался самообразованием, работал подмастерьем у ювелира, занимался живописью. Фултои жил в Англии, где занимался строительством гидротехнических сооружений и решением других технических задач. Находясь во Франции (в Париже), он построил подводную лодку «Наутилус» и паровое судно, которое было испытано на р. Сене. Но все это было только началом.

Рис. 23. Схема доменной печи.

Настоящий успех пришел к Фултону в 1807 г.: вернувшись в Америку, он построил колесный пароход «Клермонт» грузоподъемностью 15 т, приводимый в движение с помощью паровой машины мощностью 20 л. с.; в августе 1807 г. этот пароход совершил первый рейс от Нью-Йорка до Олбани протяженностью около 280 км.

Дальнейшее развитие пароходства — как речного, так и морского — пошло довольно быстро. Этому содействовали переход от деревянных к стальным конструкциям судов, рост мощности и быстроходности паровых машин, введение гребного винта и ряд других факторов.

В дальнейшем на судах стали преимущественно устанавливаться не паровые поршневые машины, а паровые турбины и дизели.

В XVII и XVIII вв. росла потребность в металле, что создавало стимул к развитию металлургии. Требовалось больше металла, причем более высокого качества.

Получали развитие доменные печи, в которых выплавлялся чугун. На рис. 23 изображена схема доменной печи, представляющей собой относительно высокое сооружение, в верхнюю часть которого — колошник — загружается шихта — смесь, состоящая из рудного концентрата, флюса (материалов, вводимых в печь для образования шлаков нужного качества и температуры плавления) и топлива. Прежде в качестве топлива использовался древесный уголь, но ввиду его высокой и растущей стоимости, а также необходимости беречь леса (последнее особенно относилось к Англии, где леса уже в XVII в. находились под угрозой истребления) во второй половине XVIII в. древесный уголь в большинстве доменных печей был заменен коксом — продуктом, получаемым обычно из каменного угля путем нагревания последнего до 950— 1050 °C без доступа воздуха в коксовых печах и содержащим более 96 % углерода. Для получения кокса используются обычно коксующиеся угли, которые при нагревании спекаются.

Снизу, через фурмы, подается хорошо подогретый воздух, который поднимается сквозь всю толщу шихты вверх и выходит уже в виде доменного газа (смеси СО₂, СО, Н₂ и N₂) через газоотвод. В нижней части доменной печи, как наиболее тяжелый, скапливается жидкий чугун — результат плавки, а над ним, как более легкий, — слой жидкого шлака. Жидкие чугун и шлак периодически выпускаются наружу через летки. Все сказанное легко проследить по приведенному рисунку.

Итак, исходные продукты, подающиеся в доменную печь, — это железная руда, флюсы, кокс и воздух; конечные продукты — чугун, шлак и доменный газ. Все три конечных продукта находят практическое использование. Что касается довольно низкокалорийного доменного газа (860—1000 ккал/м³, велико содержание азота — около 60 %), то он обычно используется для подогрева воздуха, поступающего в доменную печь. Шлак чаще всего используется в производстве строительных материалов.

Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода обычно от 2 до 4 %, содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Основное употребление чугуна — выплавка из него стали. Чугуны, идущие в сталеплавильное производство, подразделяются на передельные и специальные (или ферросплавы). В передельном чугуне содержатся постоянные примеси, количество которых определяется способом выплавки стали. В ферросплавах же присутствуют легирующие элементы; ферросплавы с высоким содержанием кремния и марганца или некоторых других элементов выплавляются не в доменных, а в электрических печах. Их применение имеет большое значение для получения высококачественных (высоколегированных) сталей.

Чугун используется также непосредственно, без превращения его в сталь; такой вид чугуна называется литейным. Литейные чугуны подразделяются на серый, ковкий и белый. Из трех названных видов литейного чугуна вследствие его хрупкости и плохой обрабатываемости (хотя и малой изнашиваемости), менее всего используется белый чугун. Однако если отливки из белого чугуна подвергнуть отжигу, то белый чугун теряет хрупкость, приобретает вязкость, получается так называемый ковкий чугун. Из серого высококачественного чугуна отливаются многие изделия в машиностроении, в том числе сложной формы. Русские и советские инженеры и ученые много сделали для развития металлургии. Академик М. А. Павлов (1863–1958) проделал большую работу по совершенствованию доменного процесса, в области металлургии чугуна.

Сталь, сплав железа, углерода (до 2 %) и некоторых других элементов, — наиболее широко применяемый металл, используемый во всех отраслях производства. Сталь обладает прочностью, ковкостью (является деформируемой), в то время как чугун, как правило, хрупок, а чистое железо слишком легко деформируется (является слишком мягким). Эти ценные свойства стали достигаются тем, что по содержанию углерода она стоит между чугуном и железом. В зависимости от химического состава сталь подразделяют на два вида: углеродистую и легированную. Углеродистые стали (машиностроительная, иначе говоря, конструкционная, и строительная) содержат не менее 0,6 % углерода и 0,4–1,1 % марганца. Легированные стали обычно разделяют на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные, отличающиеся друг от друга количеством легирующих добавок (элементов); первые содержат не более 2,5 % легирующих элементов, вторые — 2,5–5,5 %, третьи — свыше 5,5 %. В зависимости от того, какой из легирующих элементов преобладает, сталь именуется никелевой, хромистой, хромоникелевой и т. д. Различные сорта стали могут обладать существенно отличными друг от друга свойствами. Весьма различна и стоимость разных сортов стали. Существуют нержавеющая, жаропрочная, износоустойчивая и другие сорта стали.