Чугун

А. ЖУРАВСКИЙ

1. От сыродутных ям к домне

Путь от древнего способа добычи железа к современной домне — это тысячелетний путь борьбы человека с природой, сложный и тернистый путь технического развития.

Чтобы получить железо, надо иметь сырье и топливо. Сырье — это железная руда, а топливо — кокс, получаемый из каменного угля. В древние времена железо получали весьма простым путем. Выкапывали в земле ямы, наполняли их древесным углем, разжигали этот уголь и клали в него куски руды. Чтобы уголь не затухал, огонь раздували самодельными мехами или устраивали вытяжные трубы.

После 4—5 час. такого прокаливания, из маленьких кусочков руды получались кусочки губчатого или сыродутного железа. Дальнейшей проковкой и сваркой эти кусочки превращались в какой-нибудь полезный предмет — топорик, наконечник копья и т. п.

В те времена не понимали, что происходит при этом с кусочком руды. Теперь же мы знаем, что руда состоит из железа, соединенного с кислородом. Когда кусок железной руды попадает в раскаленный уголь, то кислород отнимается от железа и соединяется с углеродом. Железо остается одно, освобожденное от кислорода, в виде губчатой массы. А кислород образует с углеродом углекислый газ.

Вполне понятно, что в таких ямах можно было получить весьма небольшое количество железа. Между тем развивающаяся промышленность потребовала огромного количества металла. Особенно сильно возросла эта потребность к концу XVIII в., когда введение машинной техники резко подняло спрос на железо. Начались усиленные поиски нового способа получения металла в большем количестве и притом более дешево.

Схема отнятия кислорода от железной руды
и соединения его с углеродом

Для увеличения производительности еще в XV в. начали строить печи, похожие на небольшие колодцы или шахты. Эти печи также наполняли углем и рудой. Но каково было удивление тогдашних мастеров, когда они вместо кусков ковкого железа получили совершенно нековкий материал, который разваливался под ударами молота. Прозвали такое железо «свинским железом». Причина этого непонятного по тем временам явления объясняется весьма просто. В больших печах железная руда оставалась значительно дольше, чем в ямах. Поэтому во время прокаливания в печи получалось сначала губчатое железо, затем при дальнейшем прокаливании оно насыщалось или, как говорит, цементировалось углем и в связи с этим изменяло свои отличительные свойства. Таким образом сыродутное железо превращалось в чугун. Чугун — это железо, насыщенное углеродом (около 3,5 проц. углерода). Кроме углерода в чугуне содержится в виде примесей кремний, марганец и помимо этого вредные примеси —  сера и фосфор. Чугун нельзя ковать, даже нагретый он разваливается под ударами молота. Но из чугуна можно получить различные изделия, если разлить его в какие-либо формы и дать ему застыть. Такой способ получения необходимых изделий весьма удобен, так как чугун сравнительно легко плавится и хорошо заполняет формы. Этим свойством воспользовались еще в древности, и таким образом получило начало чугунолитейное производство.

Профиль доменной
печи

2. Доменный процесс

Для получения чугуна начали строить уже большие доменные печи, но первые домны строились иначе, чем теперь.

Еще не так давно металлурги думали, что толщину доменных печей нужно делать очень большой. Внутренняя огнеупорная кладка окружалась толстой стеной из красного кирпича, причем промежуток между внутренней и наружной кладками заполнялся плохим проводником тепла (зола, каменноугольный мусор, толченый шлак и пр).

Таким путем старались по возможности сохранить тепло и дать внутренней кладке свободно расширяться при разогревании. Но практика показала, что огнеупорную кладку следует не защищать от охлаждения, а наоборот, ее следует все время охлаждать, так как при двойных стенках внутренняя кладка сильно разогревается и подвергается быстрому изнашиванию.

В настоящее время доменные печи строят с очень тонкими стенками, и кроме того эти стенки охлаждаются еще водой. Такое охлаждение сберегает от износа огнеупорную кладку. При этом не следует бояться, что охлаждение приводит к большим потерям теплоты. Вся печь наполнена рыхлыми, плохо проводящими тепло материалами, поэтому тепловые потери весьма незначительны.

Факты, подобные приведенному, нередко встречаются в истории техники. То, что раньше считалось необходимым и полезным, оказывается впоследствии ненужным и даже вредным.

Проследим ход плавки в доменной печи. Сверху, через колошник, в домну поступают руда, кокс и флюс. Флюс представляет собой известковый камень, необходимый для расплавления пустых пород, которые попадаются вместе с рудой, и для превращения золы, получающейся при сжигании кокса, в расплавленную стеклообразную массу (шлак). Помимо этого флюсы помогают удалить вредную примесь — серу, переводя ее тоже в шлак.

В середине доменной печи руда сначала отдает кислород углю и превращается в губчатое железо. Затем железо, насыщаясь углеродом, превращается в чугун, который спускается в нижнюю часть домны и расплавляется. Вместе с чугуном расплавляется также и пустая порода, образуя с флюсом шлак. Расплавленный чугун и шлак накапливаются в нижней части домны, в так называемом горне. Шлак как более легкий плавает на чугуне, как сливки на молоке. Примерно пять раз в сутки пробивается отверстие в нижней части горна называемое «леткой», и через него в особые ковши выпускается расплавленный чугун. Перед выпуском чугуна через другое отверстия — шлаковую летку, лежащую несколько выше чугунной летки, выпускают расплавленный шлак в особые шлаковые ковши на тележках.

Чугун, идущий в переработку на сталь, сливается из ковшей в особый сосуд, называемый миксером. Из миксера чугун берется по мере надобности для вливания в мартеновскую печь.

Для работы домны нужна высокая температура, а потому необходимо сгорание кокса. Для того чтобы кокс горел, в нижнюю часть домны вдувается воздух при помощи большой воздуходувной машины. Воздух перед поступлением в домну нагревается в особых аппаратах—кауперах. Около каждой домны имеется три или четыре высоких куполообразных башни—это и есть воздухонагревательные аппараты Каупера. Они устроены следующим образом. Из котельного железа склепан кожух башни, а внутри выложен в клетку кирпич. В каупер подводится доменный газ, выделяющийся из печи и содержащий значительное количество горючего газа (окиси углерода). Сгорая в каупере, этот газ нагревает почти добела кирпичную кладку. Когда кладка нагреется, то вдуваемый в домну воздух предварительно пропускают через каупер, где температура его поднимается почти до 800°. Уже после этого нагретый воздух вдувается в домну через особые отверстия — фурмы. Нагрев воздуха дает значительную экономию топлива (кокса) и увеличивает производительность печи.

З. Техника современной домны

Вновь построенные домны в Советском союзе поражают своей первоклассной техникой. Многие процессы полностью механизированы и обслуживаются прекрасной аппаратурой, освобождающей рабочих от тяжелого физического труда. При постройке новых мощных домен мы ставим себе три основные задачи:

1. Добиться наибольшей производительности доменных печей и наименьшего расхода топлива.

2. Облегчить труд рабочих.

3. Обеспечить безопасность труда и предохранить здоровье рабочего от вредного влияния доменных газов.

Старая домна

Сравним работу и технику обслуживания старой и новой домен. Как подается материал на старых домнах? Рабочие-катали подвозят в вагонетках к домне руду, кокс и известняк. Они вкатывают тележки в подъемник, поднимающий их на колошник доменной печи. Здесь с платформы подъемника тележки везут уже другие рабочие, так называемые засыпщики. Небольшими порциями заваливают они кокс, руду и известняк в домну.

Эта работа по засыпке на старой домне вредна и опасна. Колошниковым рабочим приходится дышать воздухом, насыщенным пылью и угарным газом, который проникает через щели загрузочного аппарата. Опасность же заключается в том, что домна работает осадками или, как говорят, «ухает». Происходит это оттого, что засыпанный в домну материал (кокс, руда и известняк) опускается не всегда равномерно, и в домне иногда образуется подстой.

Нижняя часть заваленного материала постепенно выплавляется, и при этом образуется как бы огромная пещера. Свод пещеры не выдерживает давления вновь засыпанной руды, проваливается сразу вниз, и газы, заполняющие пещеру, с силой вырываются из колошника, обжигая рабочих. На старых домнах осадки часто приводят к несчастным случаям, кончавшимся иногда смертью.

Наши новые домны оборудованы совершенно иначе. На всех опасных и тяжелых участках работы человеческий труд заменили различные механизмы. Кроме того применение машин дало возможность увеличить производительность доменных печей и вместе с этим добиться экономии топлива. Старые домны выплавляли в сутки не более 150 т чугуна, а наши новые домны-гиганты дают 1 тыс. т в сутки. На колошниках мы теперь уже не увидим человека. Завалка материала механизирована. Рабочий-машинист отмеривает необходимое количество шихты с помощью особых вагон-весов. Затем из вагонетки весов материал автоматически сваливается в скип, который сейчас же по наклонному подъемнику идет вверх, а машинист снова подставляет свои вагон-весы для насыпки новой порции шихты.

Скип поднимается на колошник с помощью лебедки Оттиса. Машинист нажимает только кнопку, и лебедка тотчас тащит скип наверх. Когда нужно опрокинуть скип и высыпать материал, лебедка сама останавливается. Как только весь материал из опрокинутого скипа высыпался в воронку засыпного аппарата, лебедка спускает скип обратно вниз. Механизм этот работает настолько надежно, что будка, где находится лебедка, не нуждается в непрерывном наблюдении. Ее посещают только раз в два-три дня смазчики. Остальное время будка заперта на ключ.

Руда, кокс и известняк, поднятые в скипах на колошник совершенно автоматически, без участия человека, сваливаются в засыпной аппарат, откуда уже попадают в домну.

Схема современной домны

Наши новые домны оборудованы засыпными аппаратами Мак-Ки, которые являются последним словом техники в данной области. Принцип действия аппарата Мак-Ки весьма прост. В верхний цилиндр с раструбом из скипа сваливаются попеременно то, руда, то кокс, то известняк. Материал проваливается в нижнюю часть цилиндра, закрытую конусообразной пробкой. Когда засыпана вся порция, конусообразная пробка опускается вниз, и материал сваливается во второе отделение на большую конусообразную пробку (на большой конус). Для того чтобы завалить материал в самую печь, надо опустить нижний большой конус: в образовавшуюся кольцевую щель материал проходит в шахту доменной печи.

Аппарат Мак-Ки

Двойной запор аппарата Мак-Ки конусами устраняет всякую возможность выхода доменного газа наружу, так как при открытии малого конуса закрывается большой, а когда открывается большой конус, то закрыт малый.

Кроме того аппарат Мак-Ки дает возможность заваливать материал в домну так, что крупные куски ложатся ближе к центру, а мелочь располагается кольцом около стенок. Такое расположение материала необходимо для правильного и равномерного горения.

Спустимся теперь вниз и посмотрим, как идет работа у горна. Чугуна и шлака накопилось уже достаточно много. Сначала выпускают шлак через верхнюю летку, а затем приступают к выпуску чугуна. На старых домнах рабочие брали большую кувалду и пробивали ею нижнюю летку: чугун по борозде вытекал на доменный двор. Около каждой старой домны устраивался большой с легким уклоном двор, в песчаном полу которого делались борозды; по этим бороздам и направлялся расплавленный чугун. Когда чугун несколько остывал, специальные рабочие «чугунщики» разбивали застывший чугун на отдельные куски—чушки или, как их называют, «штыки». Для этого употреблялись особые тяжелые молота, которые рабочие поднимали с большим напряжением вручную. Работа чугунщиков была каторжно тяжелой и вредной.

После того, как чугун весь вытекал из горна, летку вновь закупоривали вручную огнеупорной глиной. Заделка летки была также опасной и тяжелой работой, так как брызги чугуна обжигали нередко рабочих.

Советские металлурги освоили новый механизированный способ выпуска и разливки чугуна. Мы добились производства собственных машин и оборудования новейшей механизированной домны, освободив от импортной зависимости металлургическую промышленность. На магнитогорских домнах, на домнах Азовстали и на многих других вы уже не увидите кустарные кувалды или ручные молота. Теперь здесь применяют для пробивания летки бурильную машину, действующую сжатым воздухом или с помощью электричества, наподобие тех бурильных машин, которыми горнорабочие бурят отверстия для закладывания взрывчатых веществ. Чугун уже не разливается по бороздам доменного двора, а сливается в громадный ковш и отвозится на вагонетке к специальной разливочной машине, С введением разливочной машины осуществлена полная механизация разливки и уборки чуугна. Ковш с чугуном, выпущенным из горна, подъезжает на - специальной вагонетке к разливочной машине. Здесь ковш краном опрокидывается, и чугун постепенно выливается в специальный жолоб, из которого по двум отрогам попадает в чугунные формы. Формы эти двигаются в крытом коридоре на двух лентах, напоминающих собой ленты гусеничного трактора. Наполненная расплавленным чугуном форма попадает под струи воды, охлаждающей чугун. В тот момент, когда лента на блоке поворачивается вниз, остывший чугун в виде чушки сам вываливается из формы в подставленные вагоны.

Вагон-весы

Разливкой и погрузкой чугуна в вагоны управляет один человек, который сидит в удобном положении, лишь передвигая рукоятками механизма управления.

После выпуска чугуна из горна необходимо вновь заделать летку. На старых домнах летку забивали специальные рабочие-горновые. Работа их была чрезвычайно тяжелой и опасной. Человек должен остановить поток расплавленного чугуна и запереть домну глиняной пробкой. Малейшее неверное движение грозило горновому ожогом.

На современной домне этот каторжный труд целиком механизирован. Горнового заменила специальная леткозабивочная машина. Машина эта действует при помощи сжатого воздуха или пара. В цилиндре ходит поршень, двигающий шток. Шток в свою очередь толкает забрасываемые в боковое отверстие цилиндра куски глины и забивает этой глиной летку.

Наиболее совершенным видом такой машины является так называемая «пушка» Брозиуса. В отличие от обычной леткозабивочной машины «пушка» Брозиуса имеет два цилиндра, расположенные один над другим, причем верхний цилиндр соединяется с нижним недалеко от носка последнего. Как же действует эта «пушка»? Пар (или сжатый воздух) поступает сначала в золотниковый механизм управления. При этом «пушка» входит своим носком в летку, особые металлические пальцы, которыми рабочий также управляет на расстоянии, плотно прижимают носок к летке. Глина закладывается в верхний цилиндр. Рабочий поворачивает рычаги, и золотниковое управление выпускает пар в заднюю часть верхнего цилиндра. Пар выдавливает глину в нижний цилиндр. Рабочий переводит Другой рычаг, теперь пар направляется уже в заднюю часть нижнего цилиндра. Давление пара доходит до 8 ат, и глина с силой выбрасывается из носка «пушки» в летку.

Пушка Брозиуса.
На схеме: А — носок .пушки";
В — золотники управления,
I ,II, III - Цилиндры управления;
Г— предохранительная плита

Устройство «пушки» и всего механизма управления довольно сложное, производство этой машины представляет много трудностей. Однако советские инженеры и техники сумели разгадать все «секреты» ее производства и работы. Теперь домны Советского союза оборудованы нашими собственными «пушками» Брозиуса, которые мы еще недавно были вынуждены ввозить из-за границы.

4. Электрические домны

Удешевление электрической энергии при использовании силы падающей воды дало возможность применять электричество и к выплавке чугуна. В последние годы мы встречаемся с попытками построить электрические домны.

Особенно блестящих результатов в этой области достигли в Швеции. Тепло, необходимое для расплавления руды, получается от электрической энергии. Самый же процесс отнятия у руды кислорода идет за счет угля.

В горн электрической домны вводятся три угольных электрода. При прохождении электрического тока между электродами образуется вольтова дуга, развивающая очень высокую температуру.

В обыкновенных домнах топливо расходуется примерно следующим образом: одна треть идет на восстановление железа (т. е. отнятие от руды кислорода), две трети—на поддержание нужной температуры. В электрических же домнах получение высокой температуры происходит за счет электрической энергии, следовательно кокс расходуется почти исключительно на отнятие кислорода от железа. Поэтому электрические домны приводят к большой экономии топлива.

5. Что дает домна

В результате доменного процесса получается чугун. Но чугун бывает различных сортов. Чугун может предназначаться для изготовления различных отливок, тогда это будет литейный чугун. Этот чугун должен содержать достаточное количество кремния, иначе отливки будут получаться слишком хрупкими. В литейном чугуне допускается значительное количество фосфора, так как он делает чугун более жидко плавким. Содержание серы в литейном чугуне должно быть возможно меньше.

Разливочная машина. Внизу изображена средняя часть разливочной машины Нижнетагильского металлургического, завода (Урал) Фото М. Савченко

Чугун может итти не только для отливок, но и для переработки в литейную сталь. Для этого чугун перерабатывается в специальных печах бессемеровским и мартеновским способами.

В настоящее время многие детали машин делаются из так называемого ковкого чугуна. Отливки из хрупкого белого чугуна обрабатываются отжигом, — чугун приобретает свойства, похожие на сталь. Детали из такого чугуна можно скручивать, сгибать, но в полном смысле слова ковать нельзя.

Образующийся в домне шлак не выбрасывается, а используется для различных целей. Например шлак выпускают из домны в водяные бассейны. При этом шлак трескается и рассыпается на мелкие песчинки-гранули. Такой шлак называется гранулированным и идет на изготовление строительного шлакового кирпича. Помимо этого шлак применяется в качестве балласта для железнодорожных насыпей или как материал при постройке шоссейных дорог и т. д.

Колошниковый газ, образующийся в домне, используется как топливо. Газ отводят по трубам для нагревания кауперов, котлов, воздухонагревателей и т. п.

Таким образом мы засыпаем в домну руду, кокс, флюсы, вдуваем воздух, а получаем в результате доменного процесса чугун, шлак и колошниковый газ.

Криворожье. Домна № 1 „Комсомолка". Фото М. Савченко