Развитие металлургии в 19 веке

Развитие доменного процесса

С развитием техники продолжала модернизироваться системы обслуживания доменного процесса, например, система подачи воздуха в домну. Росла мощность двигателей, приводивших в движение воздуходувные устройства. Клинчатые меха стали заменять цилиндрическими, а позже — центробежными воздуходувками. Применение воздуходувных машин в доменном производстве Англии началось с 1782г. Однако более прогрессивные центробежные воздуходувки получили распространение с 50-х годов XIX в., что разрешило проблему подачи необходимого количества воздуха в домну.

Утилизацию отходящих газов с целью экономии топлива начали использовать еще в конце XVIII – начале XIX в. Известны результаты опытов французского заводчика Оберто. В 1809г. он начал эксперименты использования колошниковых газов для цементации железа, обжига кирпича и пр. В 1811г. Оберто получил привилегию на эти способы.

Доменный воздухонагреватель впервые был применен Дж.Нилсоном на шотландском заводе Клайд. Патент на это изобретение он получил в 1828г. Нагрев подаваемого в печь воздуха до 150-300°С позволил снизить расходы топлива до 40% и таким образом резко повысить производительность доменных печей. В России опыты использования подогретого дутья для доменных печей, работающих на минеральном топливе, осуществили в 1829г. на Александровском литейном заводе в Петербурге. Аналогичные опыты были повторены в 1835г. на Петрозаводском железоделательном заводе, где благодаря использованию подогрева дутья возросла выплавка чугуна и сократился расход топлива.

Горячее дутье применяли в опытном порядке также на Выксунском (1837г.) и Верх-Исетском уральских заводах. Около 1867г. оно было введено на двух домнах Билимбаевского завода. В 1870г. на горячем дутье работала Натальевская доменная печь Кувинского завода (Пермская губерния). Однако широко использовать горячее дутье в отечественном доменном производстве стали в 70-х годах XIX в. В 1876г. на металлургических заводах России действовало около 20 воздухонагревательных устройств.

Рост эффективности и повышение производительности отмечается после изобретения специального аппарата для подогрева воздуха, подаваемого в домну в результате утилизации тепла отходящих газов. В 1857г. англичанин Э.Каупер предложил использовать тепло отходящих газов доменной печи для подогрева специального воздухонагревательного устройства — каупера. Использование кауперов сыграло огромную роль в развитии доменного производства. Оно вызвало важные изменения в конструкции доменных печей и технологии доменного процесса: увеличились размеры, и возросла производительность домен.

Широкую известность в черной металлургии получили многофурменные доменные печи (до 10 фурм) с шахтой эллиптического сечения без распара с постепенным расширением к колошнику. Изобретателем этого типа печей был русский горный инженер В.К.Рашет, получивший на свое изобретение привилегию 22 февраля 1862г. Рашетовские доменные печи отличались выгодным распределением дутья, что позволило увеличить шахту печи и обеспечить более низкую стоимость выплавляемого чугуна. Печи В.К.Рашета были построены в начале 70-х годов XIXв. на ряде Уральских и других заводов. В г.Нижняя Салда работала многофурменная доменная печь Рашета высотой 50футов (20м). Стоимость 1 пуда чугуна, получаемого в домнах Рашета, была почти на 8 % ниже стоимости чугуна, выплавляемого в обычных доменных печах.

В конце XIX в. металлургические заводы Юга России были оснащены крупными доменными печами. Так, например, на Александровском заводе Брянского общества в Екатеринославле (ныне г.Днепродзержинск) работали домны, суточная выплавка которых составляла до 910тыс. пудов чугуна.

Основы теории доменного процесса в 70-80х годах 19века были созданы работами Л.Грюнера во Франции, Л.Белла в Англии, Р.Окермана в Швеции. Наиболее полное изложение теории доменного процесса и обобщение огромного фактического материала, относящегося к работе доменных печей различных металлургических предприятий мира, содержатся в классических трудах российских ученых М.А.Павлова и А.А.Байкова. Технику и технологию доменного производства совершенствовали отечественные металлурги: инж. М.К.Курако, акад. И.П.Бардин, проф. А.Ф.Борисов и др.

Доменное производство входит в состав основного производства металлургического предприятия. Несмотря на развитие бездоменного (бескоксового) технологического процесса производства стали и проката, на многих металлургических предприятиях сохранились доменные цехи, совершенствуются конструкции оборудования и технологические процессы производства чугуна.

Конвертерное производство

Вплоть до второй половины XIX века в производстве железа продолжал господствовать пудлинговый процесс. Однако сварочный металл уже не удовлетворял возросшим требованиям к его качеству, предъявляемым развивающейся техникой. Способ пудлингования был мало производителен.

Решение вопроса нашлось в создании новых процессов массового и дешевого получения литого металла. В 1856-1860годах английский изобретатель Г.Бессемер ввел свой способ передела чугуна на железо и сталь. В 1864году французский инженер П.Мартен получил литую сталь в отражательной печи с регенеративной установкой братьев Сименс. Спустя несколько лет англичанин С.Томас создал основную футеровку – огнеупорную кладку печи из материалов, содержащих основные окислы (магнезит, известь), что позволило решить серьезную проблему получения металла с низким содержанием серы и фосфора.

Изобретения Бессемера, Мартена и Томаса в области массового производства литой стали явились содержанием технической революции в черной металлургии, оказавшей огромное влияние на развитие всей техники последующих десятилетий. "Эти три процесса, вместе взятые, – отмечает Д. Бернал, – открыли век стали благодаря быстрому завершению вытеснения сначала дерева как строительного материала в машиностроении, а затем чугуна как материала для рельс, судов и пушек. Дешевая сталь стала той базой, на которой должен был быть построен империализм конца XIXв. с его упором на заморскую торговлю, эксплуатацию тропических колоний посредством развития строительства железных дорог и портов и все более дорогостоящими приготовлениями к ведению морских и сухопутных войн".

Им были установлены два основных принципа нового процесса: обезуглероживание чугуна струей воздуха и ведение процесса без применения топлива. Эти начальные результаты необходимо было проверить в производственных условиях. Однако первая же попытка перейти к опытам в больших масштабах кончились пожаром мастерской. Изобретатель еще неясно представлял себе бурные реакции, происходившие в металле при продувке.
Во избежание подобных случаев в дальнейшем Бессемер построил в своей мастерской в одном из предместьев Лондона особую оригинальную печь, названную им конвертором -(от латинского "конвертере" - превращать). Этот первый конвертор был сделан в виде неподвижного цилиндрического железного сосуда, выложенного внутри огнеупорным кирпичом. Жидкий чугун заливался через боковое отверстие, расположенное на середине высоты цилиндра. Воздух вдувался через сопла, устроенные у дна конвертора. В мае 1856 года Бессемер запатентовал конвертор со сложным перекрытием для улавливания выброшенного шлака и металла. Газы удалялись через отверстие в своде перекрытия. В этом конверторе Бессемер с успехом провел первую плавку, не вызвав опасности пожара. Однако, около 30 лет понадобилось для победы литого металла над сварочным железом. Главную роль в этой борьбе сыграл бессемеровский металл. Процесс получил широкое распространение в различных странах, прежде всего там, где имелись чистые по фосфору руды,- в Англии, США, Швеции. Англия имела 17 больших бессемеровских цехов, производивших в 1866 году свыше 6 миллионов пудов металла. За 14 лет (1875-1889) производство бессемеровской стали в Англии выросло почти в 2,5 раза: с 725 до 1840 тысяч тонн, что составило 65% от общей выплавки стали в стране.

Освоением бессемеровского процесса активно занимались и русские металлурги. Уже в 1856году проводились первые опыты на ряде заводов. Несколько позже конверторы появились на Всеволодовильневском заводе, с 1859 – на Златоустовском, с 1863 – на Воткинском, Нижнетагильском и Верхнетуринском заводах. На Парижской выставке 1867года уже были экспонированы продукты бессемерования Тагильских заводов с Урала. Известный металлург Н.А.Иосса, руководивший опытами бессемерования на Боткинском заводе в 1866-1867годах, заметил, что красноломкостью обладал металл, полученный и из чистого по сере чугуна. Он высказал предположение, что красноломкость металла происходит от окиси железа, растворенной в металле.

Использование древесноугольных, малокремнистых (химически холодных) чугунов мешало распространению бессемеровского процесса. В 1872году на Обуховском заводе (Д.К.Чернов) и с 1875года – на Нижнесалдинском заводе (К.П.Поленов и В.Е.Грум-Гржимайло) был создан русский вариант бессемерования: в конвертор заливали предварительно нагретый чугун (физически горячий), это давало возможность получить жидкий металл при температуре 1500°С и вести процесс. В России в 1891году было 12 конверторов, в 1901 году - уже 33.

Мартеновское производство

К середине XIX века во всех промышленных странах имелись огромные запасы железного лома. Из-за высокой тугоплавкости его не могли использовать в производстве. Французские инженеры Эмиль и Пьер Мартены (отец и сын) предложили сплавлять этот железный лом с чугуном в регенеративной печи и таким образом получать сталь. В 1864 году на заводе Сирейль они под руководством Сименса осуществили первую успешную плавку. Затем этот способ стал применяться повсюду.

Мартеновская печь относится к типу отражательных печей. Ванна, где идет плавка, выложена огнеупорным кирпичом. Над ванной — сферический свод. Продукты горения топлива, а вместе с ними и тепло отражаются от свода и направляются в ванну, где и расплавляют металл. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение тепла по всей площади ванны.

Топливом в мартене служит газ. Раньше применяли смесь доменного и коксового газов. В последние годы все шире используется природный горючий газ. Но прежде чем попасть в печь, газ и воздух нагревают в 4 регенераторах — камерах, выложенных огнеупорным кирпичом, а затем подают в верхнюю часть мартена. Здесь они смешиваются и сгорают, давая температуру до 1800-2000°С. Такая температура обеспечивает полное расплавление металла.

Для загрузки сырья в передней стене мартеновской печи имеются завалочные окна, закрываемые толстыми стальными задвижками. В задней стене — выпускное отверстие. Через него готовую сталь сливают в ковш. Когда идет плавка, выпускное отверстие забито «пробкой» из огнеупорной глины.

Работа в мартеновской печи происходит в несколько этапов. Сначала в печь загружают холодные материалы (шихту) — железный лом, руду, известь. Их насыпают в стальные ящики — мульды. Завалочная машина своим длинным хоботом захватывает мульду, вносит через завалочное окно в печь, переворачивает, высыпая содержимое. Когда загрузка заканчивается, опускают заслонки над окнами и в печь вводят максимальное количество газа и воздуха, чтобы лом и другие материалы быстро прогрелись и расплавились. После этого к печам подвозят ковши с доменным чугуном. Его доставляют из миксера — огромного хранилища, куда сливают чугун из домен для хранения его в жидком виде. Мостовой кран поочередно поднимает ковши, наклоняет их, и по специальному желобу чугун льется в печь. Выплавка стали продолжается много часов. За это время сталевар несколько раз длинной металлической «ложкой» зачерпывает из печи немного металла и отправляет его в цеховую экспресс-лабораторию, откуда сталевару сообщают, сколько в металле углерода, марганца, кремния, серы, фосфора и др. Сталевар тут же вводит в печь недостающие вещества, чтобы добиться нужного химического состава стали.

На последнем этапе происходит рафинирование стали (очищение ее от вредных примесей) и раскисление — удаление из металла кислорода. Для этого в ванну добавляют раскислители — ферросилиций, ферромарганец, алюминий.

Однако ни бессемеровский, ни мартеновский способ не позволял получать высококачественную сталь из руды, содержащей серу и фосфор. Эта проблема оставалась неразрешенной в течение полутора десятилетий, пока в 1878году английский металлург Сидней Томас не придумал добавлять и конвертер до 10-15% извести. При этом образовывались шлаки, способные удерживать фосфор в прочных химических соединениях. В результате фосфор выгорал — вместе с другими ненужными примесями, а чугун превращался в высококачественную сталь. Значение изобретения Томаса было огромно. Оно позволило в широком масштабе производить сталь из фосфоросодержащих руд, которые в большом количестве добывались в Европе. В целом введение бессемеровского и мартеновского процессов дало возможность производить сталь в неограниченных количествах. Литая сталь быстро завоевала себе место в промышленности, и начиная с 70-х годов XIXвека сварочное железо почти совершенно выходит из употребления. Уже в первые пять лет после введения мартеновского и бессемеровского производств мировой выпуск стали увеличился на 60 %.