В 1932 г. в газете «Техника» появилось сообщение, что 20 августа задута кислородная домна на Чернореченском химическом заводе, построенная Институтом азота.
Весьма немногие понимали в то время, что это краткое сообщение обозначало новый исторический этап в развитии металлургии. Более ста лет прошло со времени постройки первого прототипа современной доменной печи. С тех пор прогресс доменной техники шел в основном только в сторону увеличения размеров домны и отдельных конструктивных улучшений механизмов. Сущность доменного процесса оставалась такой же, как и раньше.
Основные сырьевые материалы доменного процесса — железная руда и кокс — загружаются в высокую шахтную печь. В нижней части печи установлены фурмы, через которые вдувается воздух, необходимый для сжигания кокса. При горении кокса в печи температура доходит до 1600°. При этой температуре кокс и руда взаимодействуют между собой, и в итоге процесса получается чугун, который стекает на дно домны. Примеси, имеющиеся в руде, сплавляются с золой кокса и дают шлак, который также стекает вниз домны. Шлак значительно легче чугуна, поэтому он плавает на его поверхности.
Шлаки плавятся при довольно высоких температурах, и для облегчения их плавления в домну добавляют так называемые флюсы. Одновременно шлаки связывают серу, имеющуюся в коксе и руде, так как переход серы в металл сильно ухудшает его качества.
Получаемые в домне металл и шлак в жидком виде выпускаются периодически из домны через специальные отверстия — летки.
Необходимое условие бесперебойной работы домны — это поддержание в ней высокой температуры. В нижней ее части температура должна быть равна примерно 1600°. Но такая температура не может быть достигнута при вдувании в домну холодного воздуха. Поэтому все существующие современные доменные печи снабжены мощными воздухонагревательными аппаратами, называемыми кауперами. Воздух нагревается в кауперах за счет горючих газов, отходящих из доменной печи (колошниковые газы).
Но колошниковые газы обладают очень существенным недостатком: при их сгорании развивается незначительное количество тепла. Происходит это потому, что в состав колошниковых газов входит очень много негорючего азота и сравнительно мало горючей окиси углерода. Дело в том, что горючая часть газа, т. е. окись углерода, получается за счет сгорания углерода кокса в кислороде вдуваемого воздуха. Кислорода же в воздухе всего только 21%, а негорючего азота — 78%. Азот, входя в доменную печь в громадных количествах, не только является бесполезным балластом, но и прямо вредит процессу, так как на нагрев его тратится большое количество тепла и тем самым снижается температура в домне.
В силу большого содержания азота колошниковые газы являются малоценным топливом и не могут помимо этого быть использованы для каких-либо химических целей.
Таким образом, современная металлургия производит наряду с чугуном громадное количество малоценных продуктов в виде шлаков и колошниковых газов.
Необходимо, очевидно, как-то избавиться в доменном процессе от азота и, наоборот, увеличить количество кислорода, вдуваемого в домну.
Уже в конце XIX и в начале XX столетия начинаются знаменитые работы французского инженера Клода и немецкого инженера Линде по промышленному получению жидкого воздуха и разделению его на азот и кислород (см. «Техника — молодежи» № 3, 1937 г.). Но эти работы не могли быть использованы для улучшения доменного процесса. Чтобы заменить хотя бы частично вдуваемый в большую домну азот кислородом, потребовалось бы такое количество последнего, которое не могли произвести все имеющиеся до мировой войны кислородные установки. К тому же кислород, получаемый по этим методам, был слишком дорог. Тогда стали проводиться опыты по частичному обогащению воздуха кислородом.
Накануне мировой войны в Угре (Бельгия) ставятся непродолжительные опыты в доменной печи: вместо обычных 21% содержание кислорода в дутье доводилось до 23%. Опыты были прерваны войной, и детального их описания в литературе не появилось. Все же они показали, что даже такое незначительное увеличение кислорода в дутье способствует увеличению производительности печи и уменьшению расхода топлива.
В 1923 г. в США была создана специальная комиссия крупнейших металлургов, которая должна была выяснить преимущество вдувания в домну воздуха, обогащенного кислородом. Работа комиссии была чисто расчетной и теоретической, но результаты ее оказались все же поразительными. Было доказано, что, увеличивая содержание кислорода в доменном дутье только до 25—30%, можно отказаться от сооружения дорогостоящих кауперов, так как температура внутри домны настолько повышается за счет введения дополнительного кислорода, что отпадает нужда в подогреве воздуха. Было также доказано, что расход топлива при этом на выплавку чугуна уменьшается. Наконец, применение воздуха, обогащенного кислородом, позволяет легко увеличить производительность печи.
Но эти теоретические выводы комиссии нигде не были проверены. Вопрос упирался в слишком высокую цену на кислород. Кроме того, немало крупных ученых с мировым именем выдвигало ряд теоретических возражений против применения кислорода в доменном производстве.
Только крупный и продолжительный опыт работы домны на кислородном дутье мог решить эту спорную проблему.
Но вот в 1924 г. немецкий инженер Френкль предложил новый способ сжижения воздуха, который дал возможность получать очень большие количества кислорода по сравнительно дешевой цене. Только в 1931 г. этот способ был осуществлен и проверен на опытной установке.
Теперь разрешение вопроса о применении кислорода в доменном процессе требовало крупного решающего опыта. Но владельцы металлургических предприятий в капиталистических странах не были в нем заинтересованы. Расходы на опыт, на переоборудование домен не оправдывались необходимостью, так как из-за кризиса некому было сбывать чугун и даже приходилось закрывать работающие домны.
*
Проблема кислородного дутья была вновь поднята и поставлена совершенно по-новому у нас, в Советском Союзе. Работники Института азота П. А. Чекин, А. И. Семенов и И. С. Галынкер предложили использовать кислородное дутье так, чтобы домна превратилась в сверхмощный аппарат, вырабатывающий газы, необходимые для получения ценнейших химических продуктов: аммиака, бензина, спирта и т. д. Чугун в такой домне должен производиться как побочный продукт, так как стоимость его по сравнению с получаемыми при этом химическими продуктами очень незначительна. Количество получающегося чугуна должно быть значительно больше, чем дает обычная домна.
Путь, предложенный советскими химиками, был совершенно отличен от тех путей, которыми шли Западная Европа и Америка. Это был путь социалистического комбинирования металлургии с химией.
Если в зарубежных работах весь вопрос сводился только к незначительному обогащению доменного дутья кислородом для улучшения металлургического процесса, то предложение советских химиков заключалось в кардинальном изменении всего процесса. По этому предложению, в домну нужно подавать дутье, в котором содержание кислорода достигало бы 50%. Такое дутье должно резко снизить содержание азота в колошниковых газах и сделать их пригодными для химической промышленности. Одновременно это ведет к увеличению содержания в газе горючей окиси углерода. Если количество кислорода в дутье увеличить еще больше, то можно получить из домны газ, необходимый для синтеза бензина, спиртов и т. д. Наоборот, при уменьшении в дутье доли кислорода ниже 50% из домны получается газ, обладающий такой высокой теплотворной способностью, что его можно использовать для приведения в действие газовых машин, для работ мартеновских печей, прокатных станов и т. д.
Кислородное дутье всесторонне разрешало не только чисто химические задачи. Также совершенно исключительные перспективы открывались и перед металлургическим процессом.
Увеличение кислорода в дутье резко повышает температуру сгорания кокса в доменной печи. Например, при дутье с содержанием кислорода в 60% температура в домне теоретически поднимается до 3400°.
Подогрев в кауперах воздуха, идущего на дутье в современные домны, дает возможность достичь температуры только в 1750°. Такой температуры можно свободно достигнуть без всякого подогрева в кауперах, доведя содержание кислорода в дутье лишь до 30%. Между тем для выплавки специальных высокосортных чугунов необходимы температуры не ниже 1750— 1800°.
Получаемые при выплавке некоторых сортов чугуна шлаки настолько тугоплавки, что спустить их из современной обычной домны удается с большим трудом, а иногда и совершенно невозможно. Поэтому плавка некоторых особенно важных сортов чугуна связана в обычной домне с большими трудностями, высоким расходом топлива и риском вывести домну из строя, а иногда такая плавка и вовсе исключена.
Кислородное же дутье, которое дает возможность получить любые практически необходимые температуры доменного процесса, позволяет плавить в печи любые виды чугуна и выпускать из домны любого состава шлаки. В первую очередь это относится к таким сортам чугуна, как ферросилиций, ферромарганец, хромистые чугуны, весьма необходимым для нашей качественной металлургии.
Но этого мало. Применение дутья с таким количеством кислорода обещало, кроме всего прочего, резкое увеличение производительности доменных печей.
Возьмем, например, современную мощную домну. Она может дать ежегодно примерно 450 тыс. т чугуна. При переводе такой домны на кислород она сможет дать совершенно свободно не менее 800 тыс. т чугуна и, кроме того, еще добавочно газ для производства 400 тыс. т аммиака, стоимость которого в несколько раз превышает стоимость чугуна. По существу, чугун в такой домне получался бы бесплатно как побочный продукт при аммиачном производстве. При переводе, например, одного только Магнитогорского завода на кислородное дутье мы смогли бы не только получить 1 млн. т добавочного чугуна, а еще и аммиак в количестве, приближающемся к мировому производству этого продукта в 1936 г., т. е. свыше 2 млн. т. И все это мы получаем, не увеличивая расхода кокса в домне. Наоборот, применение кислорода дает еще некоторую экономию кокса при плавке чугуна. А между тем, чтобы получить такое количество аммиака обычным способом, потребовалось бы затратить дополнительно около 4 млн, т кокса.
Вот какие замечательные перспективы открыло перед нашим социалистическим хозяйством предложение, использовать кислородное дутье в доменном процессе. Разумеется, что такое титаническое дело, ставящее совершенно по-новому вопросы металлургии и тяжелой химии, возможно было осуществить только в Советском Союзе.
В лабораториях только что возникшего Института азота была построена маленькая доменная печь, на которой авторы проекта хотели проверить в малом масштабе некоторые свои выводы. Модель домны скоро была пущена в ход. Газы необходимого состава были получены, но одновременно выяснилось, что чугуна на этой модели получить нельзя.
Многие весьма крупные металлурги доказывали, что чугун не получился потому, что он вообще не может получиться при кислородном дутье. Основываясь на теоретических соображениях, они утверждали, что при высокопроцентном кислородном дутье получаемый чугун неминуемо сгорит. Но авторы проекта держались иного мнения. Точными расчетами они доказывали, что неудача первых опытов произошла не «по вине» кислорода, а только в силу малой величины модели, которая не позволяла осуществить условия работы доменной лечи. Авторы настаивали на проверке своего предложения в условиях настоящей полузаводской домны. Спор мог разрешить только крупный опыт, связанный с большим техническим риском.
Вопрос был передан на рассмотрение в высшие правительственные организации и лично т. Орджоникидзе. Через некоторое время последовало разрешение построить опытную домну. Место для строительства было выбрано на Чернореченоком химическом заводе, где имелся отбросный кислород, остающийся при производстве синтетического аммиака. Сюда и приехала бригада Института азота.
20 августа 1932 г. печь была задута. Это была первая в мире кислородная домна.
В течение 60 часов весь коллектив не отходил от печи, наблюдая за ее работой и снимая необходимые показания. Приближался момент спуска из домны чугуна. Будет чугун или нет?
С огромным напряжением следили все работники домны за тем, как старый уральский доменный мастер Брылев открывал летку, через которую должен был потечь чугун. Старик-мастер, пустивший на своем веку немало домен, сам заметно волновался. Еще один удар лома, и... чугун потек из домны ослепительно белой огненной струей, заполняя заранее приготовленные формы.
Это была первая решительная победа кислорода. Кислородная домна вступила в нормальную эксплуатацию. Она представляла довольно странный вид. Не было кругом традиционных кауперов, по своим размерам не уступающих самой домне, не было видно тяжелых футерованных труб, по которым обычно к домне подводится горячее дутье. К домне были протянуты только тонкие резиновые шланги, по которым шел кислород.
Исследования исходящих из домны колошниковых газов также подтвердили все предположения авторов. Действительно, домна бесперебойно выдавала газы, которые можно с успехом использовать в химической промышленности.
Высокие температуры позволяли выпускать из домны шлаки самого различного состава, в том числе и очень тугоплавкие, которые из обычной домны получить нельзя.
Как известно, цементы также представляют собой шлаки, но с высоким содержанием извести. Подбирая определенным образом состав исходных материалов, загружаемых в кислородную домну, можно получить шлак, соответствующий по своему составу портланд-цементу. Между тем случайное образование в обычной домне шлака такого ценного состава приводит к аварии: печь выходит из строя вследствие образования так называемого «козла», закупоривающего сечение домны.
Таким образом, кислородная домна может одновременно служить и грандиозной цементной печью.
Опыты шли бесперебойно в течение трех месяцев. Первая кислородная домна работала исправно. Регулировка процесса, которая для обычных домен является делом чрезвычайно трудным, сделалась тоже весьма легкой и несложной. В руках человека оказался такой мощный рычаг воздействия на работу печи, как кислород.
*
В конце 1932 г. т. Орджоникидзе заслушал отчет Института азота о работе первой кислородной домны. На основании полученных данных было решено приступить к переводу одной из работающих домен Союза на кислородное дутье.
Одновременно продолжались работы и на опытной домне в Черноречье для выяснения возможности плавки высококачественных чугунов и замены дефицитного и дорогого кокса дешевым торфом. На домну выехал наш крупнейший металлург — академик М. А. Павлов. Проведенные опыты показали полнейшую возможность плавить при кислородном дутье ферросилиций, ферромарганец и другие качественные чугуны.
С таким же успехом прошли и опыты с применением торфа взамен кокса. При этом, наряду с чугуном и газами, получились весьма ценные для химической промышленности смолы. Эти смолы являются сырьем для производства пластмасс, различных красителей, смазочных масел и т. п.
Кислород окончательно победил, оправдав самые смелые предположения и надежды. Опубликованные результаты опытов стали известны далеко за пределами Союза. В 1934 г. эти опыты были повторены в Германии с теми же результатами.
У нас переводятся на кислородное дутье две домны: одна из крупнейших домен Союза — на Макеевском металлургическом заводе им. Кирова, и другая — на ДЗМО в Днепропетровске.
В самое последнее время выяснилось еще одно крупнейшее преимущество применения кислорода в доменном процессе. При получении для доменного процесса в огромных количествах кислорода оказалось возможным получать в качестве побочных продуктов инертные газы — криптон и ксенон. Наполнение электроламп смесью этих газов весьма повышает долговечность ламп и, кроме того, уменьшает расход электроэнергии на 30%. Криптон и ксенон — очень редкие газы, которые содержатся в воздухе в ничтожных количествах, поэтому постройка специальных аппаратов для выделения их невыгодна. Кислородное же дутье позволяет попутно с производством кислорода получать эти ценные газы весьма дешево и сравнительно в больших количествах. Одна только кислородная установка на Макеевской домне может давать ежегодно около полумиллиона литров криптоно-ксеноновой смеси. За счет этих газов стоимость кислорода может быть еще более снижена.
 |
| Около ряда мощных домен расположена кислородная станция. Получаемый в ней воздух, обогащенный кислородом, подводится к фурмам доменных печей. Попутно извлеченная из воздуха криптоно-ксеноновая смесь идет на станцию, где этой смесью наполняются специальные баллоны. Полученные из домны газы идут по трубам на аммиачный завод, на завод синтетических спиртов, на завод синтетического бензина и в мартеновское производство. Чугун, получаемый в домнах, сливается в ковши, а шлаки идут на цементный завод, где они после механической обработки грузятся в железнодорожные вагоны. |
*
Каким же будет выглядеть новый химико-металлургический комбинат на кислородном дутье?
Около ряда домен вместо колоссальных кауперов стоит мощная кислородная станция. Кислород, получаемый на станции, подводится по системе труб к фурмам доменных печей. В домну загружается сырье, рассчитанное на получение высококачественных сортов чугуна и цементных шлаков. Получаемый из домен чугун перевозится в ковшах к мартеновским печам, где он перерабатывается в высококачественную сталь. Обогрев мартенов производится разом высокой теплотворной способности. Газ получается в этих же домнах. Часть доменного газа идет на заводы синтетического аммиака. Шлаки, выходящие из печи и представляющие собой высококачественный цемент, идут после размола на строительство.
Такова картина будущего химико-металлургического гиганта. Это будет новое социалистическое предприятие, где нет отходов, где каждая частица загружаемого сырья полностью используется.
Так кислородное дутье осуществляет в грандиозных масштабах комбинирование металлургии с химией.
Комментариев нет:
Отправить комментарий