Использование кокса. Работы А.Дерби

За несколько веков в Европе было срублено множество деревьев и уничтожены тысячи гектаров леса. В некоторых государствах были приняты законы, запрещавшие бесконтрольную рубку леса.

Особенно остро этот вопрос стоял в Англии. Из-за нехватки топлива англичане вынуждены были большую часть необходимого им железа ввозить из-за границы. Идея замены древесного угля в доменном процессе другим видом топлива высказывалась в Англии еще в XVII в.

В 1619г. (по другим сведениям — в 1621г.) англичанин Дод Додлей взял патент на производство чугуна, применив для этого каменный уголь в качестве топлива. При этом изобретатель получил чугун хорошего качества. Несмотря на прогрессивность предложения Д.Додлея, ему пришлось вести ожесточенную борьбу с предпринимателями, изготовлявшими чугун на древесном угле. В результате Д.Додлей разорился и прекратил свои работы по усовершенствованию выплавки чугуна.

Практически проблему использования минерального топлива в доменном производстве осуществил в 1735г. английский инженер-металлург, владелец железоделательного завода в Колбрукдейле Авраам Дерби-сын. Он использовал опыт своих предшественников, но применил для доменной плавки не обычный каменный уголь, а специально переработанный продукт — кокс. Осуществить на практике идею плавки в доменной печи на минеральном топливе было труднее, чем думал Дерби, поэтому ему пришлось изучать физико-химические и технологические факторы, влиявшие на процесс получения кокса. Он испытывал различные новые марки углей, изменял температуру, режимы коксования, подбирал подходящие флюсы для ошлакования примесей. Разрешить проблему доменной плавки удалось лишь после того, как Дерби перешел от применения каменного угля, содержащего большое количество золы и других примесей, преимущественно серы, к использованию кокса. Нововведение, предложенное Дерби, ряд лет не выходило за рамки его собственного производства. Только с 1747г. кокс стали применять на других металлургических заводах Англии. Результаты не замедлили сказаться: к 1796г. в Англии плавка чугуна на древесном угле была прекращена и 121 доменная печь, работающая на коксе, выплавляла около 7750 тыс. пудов чугуна.

Применение более калорийного кокса потребовало увеличения количества подаваемого в доменную печь воздуха. На своем заводе Дерби применил для привода воздуходувок паровую машину Ньюкомена. Она приводила в действие насосы, которые подавали уже ранее отработанную воду на водяные колеса — двигатели воздуходувных мехов. Сам паровой двигатель не обладал универсальностью и был маломощным, поэтому даже этот небольшой дополнительный приток воды на колеса позволял увеличить количество воздуха, подаваемого в домну.

В России первые попытки применить каменный уголь в качестве минерального топлива для доменного процесса были предприняты в 1795г. на Луганском чугунолитейном заводе Донбасса. Организация выплавки чугуна на минеральном топливе была начата в 1845 г. в Керчи, где была построена доменная печь, предназначенная для работы на антраците. Продолжались и другие опыты, которые в 1870г. закончились весьма успешно на Лисичанском казенном заводе. Доменная печь этого завода, работавшая на минеральном топливе, выдала в первый год 200 т, во второй 510 т чугуна.

Работы Б. Гетсмана

В середине XVIII века в городе Шеффилде славился изделиями часовых дел мастер Бенджамин Гентсман. И знал этот часовщик, что для сердца часов — пружины — нужна очень чистая и однородная по составу сталь. Шведская цементованная сталь, получавшаяся науглероживанием сварочного железа, этим требованиям не удовлетворяла (теперь мы знаем, что углерод неравномерно распространялся в ее объеме). И Гентсман понял, что для равномерного распределения «цемента» (углерода) необходимо растворить его в жидком металле. Так часовщик подошел к тигельному процессу производства стали. Он переплавил в глиняном тигле цементованное железо, разлил жидкую сталь в чугунные формы, проковал и получил углеродистую сталь очень высокого качества. Тигельным способом удавалось получать сталь с содержанием углерода1,0—2,0%.

В 1740 году Гентсман основал первую сталелитейную фабрику в Атерклифе близ Шеффилда. Этим было положено начало производству литой стали. Несмотря на высокие свойства инструмента, ножей, бритвенных лезвий, часовых пружин и других изделий, Гентсману не удалось продать шеффилдским фабрикантам свое изобретение. Гентсман тщательно хранил секреты производства своей стали; но все-таки шеффилдский железозаводчик Самуэл Уокер сумел их раздобыть. Способы получения литого металла быстро распространяются в Англии, а потом и в Европе. Наибольшего развития тигельный процесс достиг в первой половине XIX века, после того как немецкая фирма Круппа купила патент Гентсмана.

Однако процесс выплавки тигельной стали продолжал совершенствоваться в разных странах вплоть до 50-60-х годов XIX в.

Прокатное производство

Увеличение объема выплавки стали потребовало создания высокопроизводительных процессов ее обработки давлением (в основном, прокаткой).

Время и место появления первого прокатного стана неизвестны. Однако, бесспорно, что еще до прокатки железа человек начал прокатывать более легко деформируемые материалы — такие цветные металлы, как свинец, олово, медь и сплавы, из которых изготавливались монеты.

Первый известный человеку исторический документ, в виде рисунка и описания механизма, напоминающего конструкцию прокатного стана для обработки мягкого металла — олова, составлен великим итальянским ученым Леонардо да Винчи в 1495 году.

Имеются сведения о том, что в XVI веке в Германском городе Франкфурте эксплуатировался прокатный стан, валки которого имели цилиндрические гладкие бочки.

До конца XVII века валки прокатного стана приводились вручную, а в дальнейшем — от водяного (мельничного) колеса. В начале XVIII века в приводе валков прокатного стана начали применять зубчатые передачи, а изменение направления вращения валков (реверсирование) осуществлялось с помощью муфты переключения.

В этом же веке, на старых уральских металлургических заводах получила развитие горячая прокатка кровельного железа.

В различных странах Европы возникли прогрессивные инженерные замыслы создания принципиально новых для XVIII века конструкций оборудования прокатных станов, вплоть до многоклетевых станов с чередующимися вертикальными и горизонтальными валками. Эти инженерные замыслы требовали создания новых конструкционных материалов, разработки технологии изготовления и механической обработки крупных деталей машин, что опережало возможности машиностроения на несколько десятков лет и поэтому не могли быть реализованы.

Началом возникновения прокатного производства следует считать 1783 год, в котором англичанин Г. Корт ввел в эксплуатацию, сконструированный им стан с калиброванными валками.

В том же XVIII веке был осуществлен привод стана от паровой машины и прокатка, вытеснив малопроизводительную ковку, прочно заняла свое место в производственном цикле металлургических заводов.

Горячая прокатка полос из слитков для из­готовления бандажей вагонных колес была впервые осуществлена в 1854г. на стане, построенном А. Крупном (Германия), а в 1857г. Дж.Фриц (США) построил мощный сортовой стан — трио 450.

С этого момента возникла современная специализация прокатных станов по своему назначению и сортаменту: обжимные, сортовые и листовые станы.

Толчок к развитию производства толстолистовой стали способом горячей прокатки, вместо ковки, дала Крымская война России с Англией, Францией и ее союзниками, которые успешно применяли бронированные плавучие артиллерийские батареи.

В 1859г. русский мастер В.С.Пятов на Златоустовском металлургическом заводе впервые в мире прокатал корабельную броню на построенном им прокатном стане. Но российское Морское министерство отклонило предложение В.С.Пятова, продав его техническую идею (патент на изобретение) своим военным противникам. В 1860г. на английском заводе в г. Шеффилде Браун организовал прокатку броневых плит.

В 1961г. англичанин Б.Лаут приспособил трехвалковый стан для прокатки толстолистовой стали.

В конце XIX века в США появились первые обжимные станы — блюминги и слябинги. В 1885г. братья Маннесманн (Германия) изобрели способ поперечно-винтовой прокатки бесшовных труб. В 1882г. в Чехославакии была впервые применена непрерывная прокатка листов. В 1887г. в Германии был впервые успешно применен нереверсивный электрический привод валков прокатного стана.

Начало холодной прокатки листов относят к 80 годам XIX века, а холодной прокатки труб — к 1930г. (США).

В настоящее время, прокатчики отрасли освоили порядка 6 тысяч различных профи-леразмеров проката из 2800 марок стали, т. е. около 17 миллионов маркопрофилеразмеров готового проката.