Чтение онлайн

Снизу, через фурмы, подается хорошо подогретый воздух, который поднимается сквозь всю толщу шихты вверх и выходит уже в виде доменного газа (смеси СО2, СО, Н2 и N2) через газоотвод. В нижней части доменной печи, как наиболее тяжелый, скапливается жидкий чугун — результат плавки, а над ним, как более легкий, — слой жидкого шлака. Жидкие чугун и шлак периодически выпускаются наружу через летки. Все сказанное легко проследить по приведенному рисунку.

Итак, исходные продукты, подающиеся в доменную печь, — это железная руда, флюсы, кокс и воздух; конечные продукты — чугун, шлак и доменный газ. Все три конечных продукта находят практическое использование. Что касается довольно низкокалорийного доменного газа (860—1000 ккал/м3, велико содержание азота — около 60 %), то он обычно используется для подогрева воздуха, поступающего в доменную печь. Шлак чаще всего используется в производстве строительных материалов.

Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода обычно от 2 до 4 %, содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Основное употребление чугуна — выплавка из него стали. Чугуны, идущие в сталеплавильное производство, подразделяются на передельные и специальные (или ферросплавы). В передельном чугуне содержатся постоянные примеси, количество которых определяется способом выплавки стали. В ферросплавах же присутствуют легирующие элементы; ферросплавы с высоким содержанием кремния и марганца или некоторых других элементов выплавляются не в доменных, а в электрических печах. Их применение имеет большое значение для получения высококачественных (высоколегированных) сталей.

Чугун используется также непосредственно, без превращения его в сталь; такой вид чугуна называется литейным. Литейные чугуны подразделяются на серый, ковкий и белый. Из трех названных видов литейного чугуна вследствие его хрупкости и плохой обрабатываемости (хотя и малой изнашиваемости), менее всего используется белый чугун. Однако если отливки из белого чугуна подвергнуть отжигу, то белый чугун теряет хрупкость, приобретает вязкость, получается так называемый ковкий чугун. Из серого высококачественного чугуна отливаются многие изделия в машиностроении, в том числе сложной формы. Русские и советские инженеры и ученые много сделали для развития металлургии. Академик М. А. Павлов (1863–1958) проделал большую работу по совершенствованию доменного процесса, в области металлургии чугуна.

Сталь, сплав железа, углерода (до 2 %) и некоторых других элементов, — наиболее широко применяемый металл, используемый во всех отраслях производства. Сталь обладает прочностью, ковкостью (является деформируемой), в то время как чугун, как правило, хрупок, а чистое железо слишком легко деформируется (является слишком мягким). Эти ценные свойства стали достигаются тем, что по содержанию углерода она стоит между чугуном и железом. В зависимости от химического состава сталь подразделяют на два вида: углеродистую и легированную. Углеродистые стали (машиностроительная, иначе говоря, конструкционная, и строительная) содержат не менее 0,6 % углерода и 0,4–1,1 % марганца. Легированные стали обычно разделяют на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные, отличающиеся друг от друга количеством легирующих добавок (элементов); первые содержат не более 2,5 % легирующих элементов, вторые — 2,5–5,5 %, третьи — свыше 5,5 %. В зависимости от того, какой из легирующих элементов преобладает, сталь именуется никелевой, хромистой, хромоникелевой и т. д. Различные сорта стали могут обладать существенно отличными друг от друга свойствами. Весьма различна и стоимость разных сортов стали. Существуют нержавеющая, жаропрочная, износоустойчивая и другие сорта стали.

Сталь в настоящее время получают главным образом из смеси передельного чугуна со стальным ломом (поэтому годовая выплавка стали существенно больше выплавки чугуна) в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. В этой книге представляется возможным лишь весьма кратко остановиться на существе названных методов производства стали. При этом мы откажемся от применявшегося в основном до сих пор хронологического способа изложения и рассмотрим весь период развития производства стали, вплоть до настоящего времени.

Рис. 24. Кислородный конвертер.

1 — корпус; 2 — днище; 3 — опорные подшипники; 4 — шлем.

Современный кислородно-конвертерный способ производства стали состоит в том, что в стальной сосуд — конвертер (от лат. converto — изменяю, превращаю) загружается стальной лом (скрап) и заливается расплавленный чугун (рис. 24, 25). Изнутри поверхность конвертера обложена огнеупором толщиной до 1 м. Из рисунков видно, что массивный конвертер может поворачиваться на специальных опорных подшипниках. Когда происходит загрузка скрапа (см. рис. 25, а) и заливка жидкого чугуна (см. рис. 25, б), а также выпуск готовой стали и затем жидкого шлака, конвертер находится в наклонном (при выпуске стали, близком к горизонтальному) положении.

Рис. 25. Схема кислородно-конвертерного процесса.

а — загрузка металлолома; б — заливка чугуна; в — продувка.

Кислород подается снизу. Правда, за последнее время начала практиковаться подводка кислорода сверху (см. рис. 25, в), в чем имеются свои преимущества. Какого-либо топлива для конвертера не требуется: необходимое количество тепла выделяется в результате соединения кислорода с находящимися в чугуне примесями — кремнием, углеродом и др. Поэтому металл в конвертере всегда находится в жидком состоянии. Количество углерода в готовой стали регулируется длительностью процесса: чем дольше длится процесс, тем больше углерода выгорает и меньше его остается в стали. Обычно продувка конвертера кислородом длится 15–25 мин. Тепло газов, образующихся во время продувки конвертера кислородом, используется — за конвертером, как правило, устанавливается котел-утилизатор, задачей которого является использование тепла отходящих газов и который собственной топки пе имеет.

Кислородный конвертер способен переплавлять в сталь чугуны с добавкой большого количества скрапа (25 % и более) и руды (до 5 %). Кислородно-конвертерный процесс является очень экономичным. По сравнению с мартеновским процессом экономия на капитальных вложениях составляет 20–25 %, увеличение производительности труда — 25–30, снижение себестоимости стали — 2–4 %.

Продувка чугуна чистым кислородом впервые была применена в 1936 г. советским инженером Н. И. Мозговым. Первый промышленный кислородный конвертер был построен в Австрии в 1952 г.

Значительно раньше в черной металлургии для выплавки стали из чугуна начали применяться конвертеры с продувкой чугуна воздухом снизу. Широкое применение получили бессемеровский и томасовский процессы производства стали.

Английский инженер и изобретатель Г. Бессемер (1813–1898) в 1856 г. предложил новый способ выплавки стали, названный его именем и получивший широкое применение. Однако бессемеровский метод производства стали при всей его внешней схожести с кислородно-конвертерным имел очень существенный недостаток. Дело заключалось в том, что при продувке чугуна воздухом плохо выгорали фосфор и сера, и поэтому, если в чугуне (в железных рудах) содержалось относительно много фосфора и серы, сталь получалась низкого качества. Единственный выход состоял в том, чтобы использовать железные руды, содержащие немного фосфора и серы. Но таких руд оказалось мало.

С. Томас (1850–1885), английский инженер-металлург, предложил в 1878 г. существенную модификацию бессемеровского конвертерного метода выплавки стали, заключавшуюся в том, что он заменил кислую динасовую футеровку бессемеровских конвертеров на основную и для лучшего связывания фосфора вводил известь. Таким путем была достигнута возможность использования более низкосортных железных руд, содержащих много фосфора и серы. Однако качество стали, получаемой томасовским процессом, было низким.

Поэтому, когда в 1864 г. французский металлург П. Мартен (1824–1915) разработал метод выплавки стали, впоследствии названный его именем, а несколько позднее была сооружена первая мартеновская речь, все большее развитие начал получать мартеновский метод производства стали. Хотя мартеновский процесс был медленнее и менее экономичен по сравнению с конвертерными процессами Бессемера и Томаса, он имел неоспоримые преимущества перед ними: меньшую требовательность к составу железорудного сырья, возможность использовать большое количество скрапа и получать сталь более высокого качества. По этой причине в середине XX в. около 80 % всей производимой в мире стали получали в мартеновских печах.

Как следует из сказанного выше, в середине XX в. у мартеновского метода выплавки стали появился сильный конкурент — кислородно-конвертерный метод, соревнование между которыми все более склонялось в пользу последнего. В 70-х годах XX в. строительство мартеновских печей практически было прекращено.

На существе мартеновского способа производства стали с учетом всего сказанного мы остановимся совсем кратко. Плавка стали из чугуна и стального лома происходит в верхней части мартеновской печи — камере из огнеупорных материалов, в которую поступает нагретый горючий газ (например, природный), служащий топливом (иногда в мартеновских печах используется жидкое топливо, например, мазут), и нагретый воздух. Продукты сгорания топлива, образующиеся в камере, поступают в так называемые регенеративные нагреватели, через каждый из которых поочередно пропускаются горячие продукты сгорания, повышающие температуру набивки регенеративных нагревателей (обычно набивка представляет собой кладку из огнеупорного кирпича), воздух и горючий газ; последние нагреваются за счет охлаждения набивки нагревателей, т. е. в конечном итоге за счет тепла продуктов сгорания. Готовая сталь выпускается черев выпускное отверстие в ковш. Все, о чем было сказано, не более чем описание простейшей схемы мартеновской печи и мартеновского процесса.