Константин Рыжов - 100 великих изобретений
Чтобы понять принцип действия огнестрельного оружия, надо хотя бы в общих чертах представлять себе, какие химические реакции происходят в пороховой массе. Если порох был хорошо промешан и правильно приготовлен, достаточно было одной искры, чтобы воспламенить его. Дело в том, что при нагревании свыше 300 градусов селитра начинала выделять свой кислород и отдавала его смешанным с ней веществам, то есть окисляла или сжигала их. Уголь в порохе играл роль топлива, доставляющего требуемый объем газообразных продуктов высокой температуры. Ввиду этого селитра и уголь сами по себе уже образовывали взрывчатое вещество. Серу добавляли потому, что она способствовала образованию большего количества теплоты и облегчала воспламенение пороха (сера загоралась уже при 250 градусах, а уголь только при 350). Как только огонь появлялся в какой-нибудь части этой смеси, горение распространялось с необыкновенной быстротой, потому что, раз начавшись, оно не требовало больше доступа воздуха и образовывало большое количество газов, имеющих высокую температуру. Газы с большой силой расширялись во все стороны, образуя взрывной эффект. Таким образом, горение распространялось одинаково и внутри смеси, и по ее поверхности. Реакцию, происходящую при горении пороха, можно приблизительно описать следующей формулой:
2KNO3 + 3C + S = K2S + 3CO2 + N2,
где K2S — твердый остаток горения, а CO2 и N2 — газы. Классический состав пороха: селитры — 75%, угля — 15%, серы — 10%. Этот состав давал наибольший выход газов. Но и здесь в них обращалось только около 40% пороховой массы. Остальное составляли твердые продукты горения. Они осаждались в виде копоти или вырывались при выстреле в виде густых клубов дыма.
Вскоре после открытия Бертольда Шварца порох получил уже самое широкое распространение, и его изготавливали в самых отдаленных уголках Европы. Каждый из компонентов смеси требовал особой подготовки. Уголь для пороха получали, обжигая ольховое дерево в особых железных ретортах без доступа воздуха. Самородную серу путем плавки освобождали от посторонних примесей. Селитру некоторое время ввозили с востока. Потом открыли, что ее можно получать искусственно, если создать соответствующие условия. С конца XIV века выпуск селитры наладили в Италии и Германии. Ее добывали со стен погребов, предварительно смоченных раствором селитры, или из труб, наполненных винным камнем, известью, солью и мочой людей, пьющих вино. Полученную селитру осаждали с помощью вина и уксуса. Это был наиболее дорогой компонент. Поэтому селитру старались извлечь даже из порченного подмоченного пороха. Для этого порох кипятили в уксусе. В ходе этой операции уголь всплывал вверх, сера осаждалась, а селитра растворялась. Затем ее выпаривали из раствора.
Качество пороха во многом зависело от того, насколько полно и равномерно происходило смешение его составных частей. Для того чтобы вещества лучше смешивались, их подвергали сильному измельчению. Первоначально порох представлял собой тонкий мукообразный порошок. Пользоваться им было неудобно, так как при зарядке орудий и аркебузов пороховая мякоть липла к стенкам ствола. Наконец заметили, что порох в виде комочков гораздо удобнее — он легко заряжался и при воспламенении давал больше газов (2 фунта пороха в комьях давали больший эффект, чем 3 фунта в мякоти). В первой четверти XV века для удобства стали употреблять зерновой порох, получавшийся путем раскатывания пороховой мякоти (со спиртом и другими примесями) в тесто, которое затем пропускали через решето. Чтобы зерна не перетирались при транспортировке, их научились полировать. Для этого их помещали в специальный барабан, при раскручивании которого зерна ударялись и терлись друг о друга и уплотнялись. После обработки их поверхность становилась гладкой и блестящей.
23. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ
На протяжении многих веков железо добывалось в сыродутных печах способом, открытым еще в глубокой древности. Пока на поверхности земли в изобилии встречались легкоплавкие руды, этот способ вполне удовлетворял потребности производства. Но в средние века, когда спрос на железо стал возрастать, в металлургии все чаще пришлось использовать тугоплавкие руды. Для извлечения из них железа требовалась более высокая температура «плавки». В то время знали только два способа ее повышения: 1) увеличение высоты печи; 2) усиление дутья.
Так постепенно к XIII веку из сыродутной печи образовалась более высокая и более усовершенствованная плавильная печь, получившая название штукофена, то есть «печи, выделывающей крицу». Штукофены были первой ступенью на пути к доменной печи. Впервые они появились в богатой железом Штирии, затем в Чехии и других горнопромышленных районах. В этих печах можно было достичь более высокой температуры и обрабатывать более тугоплавкие руды. Шахта штукофена имела форму двойного усеченного конуса, суживавшегося по направлению к колошнику (так называли верхнюю, открытую часть печи, через которую порциями (колошами) загружались руда и уголь) и ко дну. В стенке имелось одно отверстие для фурмы (трубы, через которую в печь с помощью мехов нагнетался воздух) и для вытаскивания крицы. Процесс переделки руды в железо происходил в штукофенах совершенно так же, как в сыродутных печах, но налицо был прогресс: закрытая шахта хорошо концентрировала тепло, а благодаря ее высоте (до 3, 5 м) плавка шла равномернее, медленнее и полнее, так что руда оказывалась более использованной. Независимо от намерений плавильщиков, в штукофенах получались сразу все три вида железного сырья: чугун, который стекал как отброс вместе со шлаком, ковкое железо в крицах и сталь, тонким слоем покрывавшая крицу. (Напомним, что железом, сталью и чугуном в металлургии называют собственно сплав химического железа с углеродом. Разница между ними заключается в количестве углерода: так, в мягком кричном (сварном) железе его не более 0, 04%, в стали — до 1, 7%, в чугуне — более 1, 7%. Несмотря на то, что количество углерода варьируется в таких незначительных пределах, по своим свойствам железо, сталь и чугун очень отличаются друг от друга: железо представляет собой мягкий металл, хорошо поддающийся ковке, сталь, напротив, очень твердый материал, прекрасно сохраняющий режущие качества; чугун — твердый и хрупкий металл, совершенно не поддающийся ковке. Количество углерода заметно влияет и на другие свойства металла. В частности, чем больше его в железе, тем легче оно плавится. Чистое железо — достаточно тугоплавкий металл, а чугун плавится при гораздо более низких температурах.)
Преимущества штукофена были, однако, недостаточны для всех тугоплавких руд. Требовалось более сильное дутье. Человеческих сил для поддержания температуры оказалось уже недостаточно, и для приведения в действие мехов стали употреблять водяное колесо. Вал водяного колеса снабжали посаженными на него в разбивку кулачками, которые оттягивали крышки клинчатых кожаных мехов. Для каждой плавильной печи имелось два меха, работавших попеременно. Появление гидравлических двигателей и мехов надо относить к концу XIV века, так как уже в XV веке многие плавильни в связи с этим передвинулись с гор и холмов вниз — в долины и на берега рек. Это усовершенствование явилось исходным моментом для крупнейшего сдвига в технике металлургии, так как привело к открытию чугуна, его литейных и переделочных свойств.
Действительно, усиление дутья сказалось на всем ходе процесса. Теперь в печи развилась такая высокая температура, что восстановление металла из руды происходило раньше, чем образовывался шлак. Железо начинало сплавляться с углеродом и превращаться в чугун, который, как отмечалось выше, имеет более низкую температуру плавления, так что в печи вместо обычной вязкой крицы стала появляться совершенно расплавленная масса (чугун). Сначала эта метаморфоза очень неприятно поразила средневековых металлургов. Застывший чугун был лишен всех природных свойств железа, он не ковался, не сваривался, из него нельзя было сделать прочных инструментов, гибкого и острого оружия. Поэтому чугун долгое время считали отбросом производства и плавильщики весьма враждебно относились к нему. Однако что же было с ним делать? При восстановлении железа из тугоплавких руд изрядная его часть уходила в чугун Не выбрасывать же все это железо вместе со шлаком! Постепенно негодный чугун стали выбирать из остывшего шлака и пускать во вторую переплавку, сначала добавляя его к руде, а потом сам по себе. При этом неожиданно обнаружилось, что чугун быстро плавится в горне и после усиленного дутья легко превращается в кричное железо, которое по своему качеству не только не уступает, но даже по многим показателям лучше того железа, которое получали из руды. А так как чугун плавится при более низкой температуре, передел этот требовал меньше топлива и занимал меньше времени. Так в течение XV века, сначала бессознательно и ощупью, а затем вполне осознано, было сделано величайшее в металлургии открытие — переделочный процесс. Широкое применение он нашел уже в XVI веке в связи с распространением доменных печей.
