Кричный горн
Чугун, получаемый в результате доменного процесса, не поддается ковке. Он хрупок и от ударов раскалывается. Между тем подвижные части станков и машин, все детали оборудования, подверженные ударам и сильным сотрясениям, необходимо делать из более вязкого и твердого металла, поддающегося механической обработке (о получении чугуна см. «Т.М.» № 6 за 1933 г.).
Получение ковкого металла — железа и стали — имеет свою весьма интересную историю. Ознакомление с ней поможет нам легче уяснить современную металлургическую технику.
 |
| "Выплавляемый из домны чугун отдельными кусками накладывали на раскаленный уголь в горн, похожий на наш кузнечный" |
Хрупкость чугуна объясняется наличием в нем различных примесей: углерода, кремния, марганца и др. Чтобы получить ковкое железо или сталь, нужно удалить эти примеси. Первоначальный, весьма древний способ получения из чугуна ковкого железа назывался кричным способом. Заключался он в следующем: выплавляемый из домен чугун отдельными кусками накладывали на раскаленный уголь в горн, похожий на наш кузнечный. Чугун постепенно расплавлялся, стекая по капле вниз. Попадая по дороге в струи вдуваемого в горн воздуха, углерод, находящийся в чугуне, выгорал, соединяясь с кислородом вдуваемого воздуха. Капельки чугуна как бы очищались от углерода и превращались в ковкий металл, слипаясь в большой ком, который назывался «крицей». Крицу из горна вытаскивали клещами, проковывали молотом и получали «кричное» или «сварочное» железо.
Однако подобный процесс получения железа был очень медленный и обходился весьма дорого.
Пудлингование
С изобретением паровой машины и развитием промышленности в конце XVII столетия потребность в железе стала сильно возрастать. Для получения чугуна и кричного железа топливом служил древесный уголь. Леса очень быстро истреблялись. Возникла опасность остаться без топлива. Тогда были сделаны попытки вести кричный процесс на каменном угле, но каменный уголь содержит большое количество серы, которая, попадая в железо, делает его ломким при ковке. Первоначальные попытки заменить древесный уголь каменным долгое время не удавались.
 |
| "В пудлинговой печи топка (слева) была устроена отдельно от рабочего пространства (справа)" |
Пудлинговая плавка велась следующим образом: на под печи насыпалась сначала руда или железная окалина, получающаяся при окислении обрабатываемого горячего железа, а затем через специальное окно загружался чугун. Когда чугун расплавлялся, то его углерод соединялся с кислородом руды или окалины. Таким образом примеси из чугуна выгорали, и получалось ковкое железо в виде небольших кусочков, которые при перемешивании слипались и скатывались в ком. Раскаленный добела ком, называемый также крицей, проковывали большим молотом и получали сварочное пудлинговое железо.
Способ Бессемера
Почти 70 лет люди перерабатывали чугун в железо пудлинговым способом. Но железа получалось мало и стоимость его была довольно высокой. А потребность в железе все возрастала.
В середине XIX столетия в Европе началось широкое строительство железных дорог. Для прокладки рельсовых путей потребовалось огромное количество стали. Инженеры и техники усиленно работали над вопросом увеличения добычи металла.
В 1855 г. английский инженер Генрих Бессемер открыл новый способ переработки чугуна в железо, пропуская сжатый воздух через слои расплавленного чугуна.
 |
| Конвертер Бессемера. "В конвертер вливается чугун, а затем через отверстия в днище вдувается воздух" |
В дальнейшем Бессемер вместо тигля стал применять клепаную из железа реторту, называемую конвертером. Внутри эта реторта была выложена огнеупорным материалом — кварцевой набойкой. В конвертер вливается чугун, а затем через отверстия в днище вдувается воздух. Кислород воздуха проходит через расплавленный металл, соединяется при этом с углеродом, кремнием и марганцем и таким образом выжигает их. Кремний и марганец при сгорании переходят в шлак. Шлак — это соединение окислов кремния и марганца с окислами железа и других элементов.
Через 15—20 мин. такой продувки получалось от 5 до 10 т мягкой ковкой стали, которую выливали в ковш вместе со шлаком, опрокидывая конвертер. Из ковша расплавленный металл разливали в чугунные формы — изложницы. Таким путем получали слитки литой стали (подробнее о Бессемере см. «Т. М.» № 2).
Разливка стали производится через отверстие, устроенное в дне ковша. Отверстие это закрывается особой пробкой, изготовленной из огнеупорного материала. Пробка укрепляется на железном штоке, обложенном кольцами, тоже из огнеупорного материала. Разливка стали через отверстие в дне производится потому, что на поверхность расплавленной стали всплывает шлак, как более легкий. Если бы мы стали сливать через край, то шлак попал бы в сталь и тогда получился бы бракованный металл.
Томассирование
Изобретение Бессемера произвело переворот в металлургии. Бессемерование дало возможность получать из чугуна ковкий металл в большом количестве и значительно дешевле, чем при пудлинговании. Однако получение ковкого металла по способу Бессемера натолкнулось на одно препятствие. Большое количество проплавляемых руд содержит в виде примеси фосфор. Фосфор при доменной плавке целиком переходил в чугун. Для чугунных отливок, не требующих большой прочности, фосфор иногда даже полезен, так как делает чугун жидкоплавким. Но при переработке такого чугуна в ковкий металл по способу Бессемера фосфор целиком оставался в стали, которая делалась от этого хладоломкой. Например изготовленная из фосфорного железа ось экипажа ломалась при первом же более или менее сильном толчке.
Такой же хрупкостью отличались и другие изделия из фосфорного железа и стали.
Таким образом бессемерование можно было применять только для чугуна, не содержащего фосфора. Начались усиленные поиски какого-либо средства, устраняющего этот недостаток.
В 1878 г. англичанин Томас нашел такое средство. Он предложил выкладывать стенки конвертера не кварцевой набойкой, а особой массой из доломита. В конвертере с доломитовой набивкой фосфор переходил из чугуна в шлак, и сталь получалась совершенно чистой и крепкой. Процесс этот был назван томассированием. Он позволил перерабатывать на сталь любой сорт чугуна. Шлак, получающийся при томассировании, служит прекрасным удобрительным средством.
Мартеновский способ
На всех фабриках, заводах, ремонтных мастерских накапливается с течением времени большое количество различного железного лома. Долгое время металлурги не знали, что делать с этим ломом. Переплавлять его обратно в слитки они не могли, так как не умели строить соответствующих печей, в которых можно было бы получить достаточно высокую температуру. Для расплавления железа нужна температура выше 1 500°. Такую температуру металлурги того времени получать не умели.
Обилие железного лома начало носить в отдельных промышленных районах характер бедствия. В некоторых пунктах его накопилось так много, что пришлось выкапывать ямы и зарывать в них «железный мусор».
 |
| "Горючий газ, а также и воздух, поступающие в печь для получения пламени, предварительно нагреваются в особых камерах—регенераторах. Регенераторы похожи на большую комнату, выложенную в клетку огнеупорным кирпичом" |
У входа в рабочее пространство печи нагретый газ смешивается с нагретым воздухом и при горении дает чрезвычайно сильный жар (1 650—1 700°).
Французский инженер Мартен решил использовать печь Сименса для переплавки железного лома в слитки литой стали. Он пригласил Сименса во Францию для по стройки и испытания новой печи. В 1865 г. на заводе Мартена была пущена первая сталеплавильная печь системы Сименс-Мартена.
Первое время печь работала очень плохо и давала небольшое количество металла — около 1,5 т в сутки. При этом она пожирала чрезвычайно много топлива. Кирпич, из которого была сделана печь, плохо выдерживал сильный жар и плавился, работу часто приходилось останавливать из-за прогаров в верхней части печи. Однако задача получения расплавленной стали на поду пламенной печи была решена, необходимо было только усовершенствовать конструкцию печи и добиться получения более огнеупорного кирпича.
Постепенно стали строить мартеновские печи все больших и больших размеров, которые давали в сутки уже десятки тонн металла и расходовали топливо гораздо экономнее. В конце 1889 г. была построена первая мартеновская печь в России на Сормовском заводе.
В настоящее время мартеновские печи строятся двух систем: печи стационарные с неподвижным плавильным пространством и печи качающиеся, у которых плавильное пространство может наклоняться, что позволяет легко выливать металл и шлак.
Печь имеет как бы два этажа. В нижнем этаже расположены регенераторы. Верхний этаж — это рабочее пространство, где происходит плавление загруженного материала. Называется оно плавильным пространством и представляет собой камеру, нижняя часть которой имеет вид чаши-ванны. Металл находится в этой ванне на так называемой подине.
В передней стенке плавильного пространства устроены посадочные окна для завалки материала, а внизу задней стенки делается особое отверстие для выпуска металла. Отверстие это во время плавки заделывается огнеупорным материалом.
Размеры плавильного пространства в прежнее время делались небольшие. Еще не так давно строились печи емкостью в 15 т расплавленного металла. Теперь же размеры мартеновских печей значительно увеличены. В Советском союзе за последние годы введены первоклассные мощные печи емкостью в 150 т, представляющие собой последнее слово металлургической техники.
 |
| "Кран захватывает огромными клешами изложницу" |
На больших сталелитейных заводах сырьем для мартеновского процесса служит расплавленный чугун, выпущенный из домны. К чугуну добавляется железная руда. Кислород руды соединяется с примесями чугуна, и получение чистой стали идет довольно быстро. Железо, получающееся из руды идет в общее количество стали. Такой способ плавки называется рудным процессом в отличие от скрапного процесса, когда плавка ведется главным образом на различном ломе, на металлических остатках и обрезках (эти остатки называются скрапом).
Точно согласовать момент выпуска чугуна из домны с моментом вливания его в мартеновскую печь чрезвычайно трудно, поэтому выпущенный из домен чугун сливается в громадный копильник, называемый миксер. Миксер представляет собой клепаную гигантских размеров бочку, выложенную внутри огнеупорным кирпичом. Бочка эта может поворачиваться на особых роликах при наливании чугуна в ковш.
Миксер вмещает 1 300 т чугуна. Когда приходит время залить чугун в мартеновскую печь, к миксеру подъезжает на вагонетке большой ковш, миксер нагибается, и металл, как из рожка чайника, льется в подставленный ковш. Затем ковш подвозится к мартеновской печи, подхватывается краном, и расплавленный чугун вливается в мартеновскую печь.
 |
| "Миксер представляет собой клепаную гигантских размеров-бочку, выложенную внутри огнеупорным кирпичом. Бочка эта может поворачиваться на особых роликах при наливании чугуна в ковш" |
Механизация плавки
На старых сталелитейных заводах загрузка лома и чугуна в печь производилась вручную тяжелыми лопатами.
Работа эта была крайне изнурительна для рабочих и сильно затягивала время завалки.
Приходилось загружать материал при открытых окнах печи под действием горячих лучей. От большого жара пекло лицо, куртки рабочих начинали дымиться. Помимо этого плиты, скрепляющие печную кладку, нагревались настолько сильно, что на большом расстоянии от печи была нестерпимо высокая температура.
Совсем иную картину видим мы на наших вновь построенных гигантах металлургии. Завалка производится при помощи специальных завалочных машин (шаржир-машин).
 |
| "Мульды подхватываются хоботом завалочной машины, вдвигаются в печь и там опрокидываются" |
Вся завалка производится одним человеком. Он сидит в будке завалочной машины, не испытывая жара. В работе ему не приходится напрягаться. Поворотом рукоятки управляющего механизма он заставляет завалочную машину подойти к стеллажам, взять на свой хобот мульду и повернуться к печи, у которой в это время механически открывается крышка. Хобот всовывает мульду в печь, поворот другой рукоятки — хобот опрокидывает мульду, опять поворот рычагом — и хобот вытаскивает опорожненную мульду обратно. Завалка производится быстро и чисто.
Условия труда рабочих у мартеновских печей, установленных на наших металлургических гигантах, коренным образом улучшены. Печи имеют особую систему охлаждения чугунных плит арматуры. Плиты эти делаются пустотелыми. Внутри их протекает вода. Теперь мастер или старший сталевар может вплотную подойти к печи, не испытывая страшного жара. К тому же при такой системе охлаждения арматура печи сохраняется значительно дольше.
Новейшей конструкцией мартеновской печи является качающаяся печь. Работа на такой печи отличается многими преимуществами. Плавильное пространство печи может нагибаться. В любой момент можно слить или, как говорят, скачать образовавшиеся на металле шлаки или отлить нужное количество стали, не выпуская из печи всего металла. Качающиеся мартеновские печи вводятся сейчас на многих наших металлургических заводах. Например на Уралмашзаводе установлены мощные качающиеся печи конструкции «Демаг».
При расплавлении металла в мартеновской печи происходит выгорание примесей чугуна: углерода, кремния и марганца. Для удаления вредных примесей в печь забрасывают известняк, который связывает серу и фосфор, переводя их в шлак.
В конце плавки часть метала зачерпывают «ложкой», отливают в маленькую форму и получают брусок — пробу. Этот брусок ломают и по виду излома судят о том, насколько выгорели примеси. Кроме того пробу подвергают пробной ковке под молотом. Если сталь хорошо куется и при сгибании не ломается, то следовательно примеси выгорели. Теперь сталь можно выпускать из печи и разливать в формы-изложницы.
 |
| "Разливка стали производится через отверстие, устроенное в дне ковша. Отверстие это закрывается особой пробкой из огнеупорного материала" |
Здесь стальные слитки вынимаются из чугунных форм с помощью специальных стрипперных кранов. Стрипперными они называются от английского слова «стриппен», что значит раздевать. Такой кран захватывает огромными клещами изложницу и особым штоком выталкивает из нее слиток. Это оборудование намного упрощает работу по выниманию слитков из изложниц.
Из стрипперного отделения вынутые слитки поступают в другой цех — в прокалку.
Плавна в электрических печах
Условия плавки стали в мартеновских печах не дают возможности получить металл, совершенно чистый от вредных примесей — серы и фосфора. Незначительное количество этих вредных примесей в мартеновской стали все же остается. В высоких сортах инструментальной стали эти примеси даже в самых незначительных количествах приносят большой вред. Для очищения или, как говорят, для «рафинирования» стали применяют плавку в электрических печах.
 |
| "Стальные слитки вынимаются из чугунных форм и закладываются в печь с помощью специальных стрипперных кранов" |
Главное преимущество электроплавки заключаемся в том, что металл плавится не под действием пламени топлива, а теплотой, полученной от электрической энергии. Пламя в мартеновских печах всегда имеет некоторое количество свободного кислорода, поэтому при ударе о поверхность металла оно сильно окисляет железо. Для удаления вредных примесей необходимо скачивать с поверхности стали несколько раз шлак и вновь забрасывать флюс для связывания серы и фосфора. Но если мы в мартеновской печи скачаем с металла шлак, то пламя начнет сильно окислять железо. В электрических печах пламени нет, а потому мы можем спокойно скачивать шлак, не боясь окисления.
Электрические печи бывают различных систем. Наглядное представление об устройстве электропечи дает схема печи Геру. В этой печи через свод пропускают угольные электроды. Электрический ток, проходя через электроды, образует вольтову дугу, жаром которой и расплавляется металл.
В электрических печах выплавляется сталь с прибавкой никеля, хрома, вольфрама, ванадия и других примесей. Прибавка хрома делает сталь твердой, а прибавка никеля — более вязкой. Вольфрам же добавляется в быстрорежущие стали.
В течение первой пятилетки мы провели значительную реконструкцию наших старых сталелитейных заводов. Кроме того в Советском союзе построены новые заводы — «Электросталь», «Красный Октябрь», вырастают колоссальные металлургические комбинаты — Азовсталь, Запорожсталь. На этих заводах производятся специальные сорта высококачественной стали, которые еще недавно ввозились из-за границы. Теперь мы освободились от этой зависимости.
Комментариев нет:
Отправить комментарий