История развития металлургии

Запасы металлов на нашей планете оценены довольно точно. В земной коре (литосфере) на глубине приблизительно до 1 км содержатся следующие элементы (их доля указана в весовых процентах): кислород – 46,6; кремний – 27,7; алюминий – 8,0; железо – 5,0; магний – 2,1; титан – 0,6; медь – 0,01; никель – 0,01; олово – 0,004; цинк – 0,004; свинец – 0,0016; серебро – 0,00001; золото – 0,0000001.

Довольно много на земле металлов, таких, как алюминий, железо, магний и титан. Но только часть металлов находится вместорождениях такой концентрации, которая делает добычу их рациональной, с технической и экономической точек зрения. На земле мало тяжелых цветных металлов: меди, никеля, олова, цинка и свинца. Поэтому народное хозяйство во все большей степени должно покрывать часть потребностей в металлах путем повторного использования металлолома и других отходов.

С древнейших времен губчатое железо получали путем "прямого восстановления" непосредственно из руды в сыродутном кричном горне (рисунок 1). В рабочее пространство горна слоями загружают древесный уголь и измельченную руду. Количество вдуваемого воздуха регулируется специальной задвижкой. Кузнечные меха приводили в движение вручную или потоком воды. Из горна через боковое отверстие стекал шлак. После 4-6 часов тяжелого ручного труда рабочие при помощи железных стержней извлекают из горна слипшуюся губчатую массу, содержащую железные зерна вместе со шлаковыми включениями – крицу. В зависимости от размеров горна крица может иметь массу до 150 кг. Затем крицу долго обрабатывали молотами, чтобы уплотнить её и выдавить часть шлака. Затем разделяли на части, которые проковывали на наковальне, придавая им форму изделия.

Сыродутные горны постоянно совершенствовались. Вначале появились небольшие шахтные печи с естественной тягой, которые устанавливали на открытом месте, а позднее – шахтные печи с открытым выпускным порогом и мехом для дутья. Измельченную руду и древесный уголь загружали через верхнее отверстие, крицу из печи извлекали также сверху.

В 15в. металлурги Германии пользовались сыродутными горнам средним объемом 1,1– 1,7 м³. Они давали за сутки 1200 – 1300 кг металла, а выработка на одного рабочего составляла примерно 250 кг за последующие 200 лет эти показатели возросли соответственно до 3,4– 4,5 м³ и 1800– 2100 кг на одну печь и до 390 кг на одного рабочего.

С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией труда возрастало и содержание углерода в железе. При этом темпе­ратура плавления железа оказывалась ниже и часть его вытекала из горна в расплавленном виде вместе со шлаком. Таким образом, металлурги стали получать побочный продукт, который в твердом состоянии был хрупким и легко разбивался молотком. Это был чугун. Вначале его просто выбрасывали, но потом научились использовать.

Открытие и освоение такого способа обработки позволило постепенно перейти от кричных сыродутных горнов к рудоплавильным печам – домницам. В них стали получать жидкий чугун, который затем превращали в мягкое железо, удаляя избыточный углерод. Так возник двухступенчатый процесс - через промежуточный продукт (чугун) – способ производства стали.

Вместе с ростом потребности в ковком железе и стали возрастал спрос на древесный уголь, однако в богатых рудой районах леса 6ыли вырублены. Но шахтные печи для выплавки чугуна (их стали называть домнами), как и печи для дальнейшего его передела, нуждались в древесном угле. Каменный уголь былне пригоден, т.к. содержащаяся в нем сера переходила в сталь.

Англичанин Генри Корт в 1784 г. изобрел пудлингование (от английского puddle - месить, перемешивать) – что явилось началом современной металлургии стали. В пудлинговой печи топливо уже не соприкасается с чугуном. Пудлингование – это очистка чугуна впламенной печи (рисунок 2).

Рисунок 1 – Сыродутный горн

1 – дымовая труба; 2 – боковое окно; 3 – коксовая топка; 4 – пудлинговый горн; 5 – жидкий металл; 6 – топочный порог

Рисунок 2 – Печь для пудлингования железа

Процесс начинается с загрузки чугуна вгорн. Чтобы ускорить плавку куски чугуна массой 10 – 30 кг (всего обрабатывается 150 кг) помещают вблизи порога топки, где температура самая высокая. Примерно через 45 минут чугун расплавлялся. В загрузочное окно железной штангой с крюком на конце и приводили борозды по тестообразной чугунной массе. При этом чугун хорошо перемешивается и поверхность ванны увеличивается. Закрывая горн, наводят шлак, затем добавляют песок, который, выступая в химическую реакцию с футеровкой печи, образует дополнительный шлак; последний окисляет углерод в чугуне. В период кипения ванна сильно бурлит за счет окисления углерода, и чем больше его окисляется, тем сильнее разжижается ванна, и железные зерна собираются там в комья.

Пудлинговщик ломом много раз переворачивает массу и, наконец, разделяет ее на 3-5 частей – криц. Они еще горячими попадают к кузнецу, который к каждой крице приваривает железный стержень дюймовой толщины и покрывает их в «колбаски» диаметром 7 – 10 см и длинной 50 см. Эти заготовки в прокатной машине раскатывают в полосы, затем снова разделяют на куски длиной 50 см и еще раз раскатывают, накладывают по 4 полосы одна на другую. Для процесса пудлингования были характерны именно операции прокатки криц для того, чтобы сварить зерна и комки железа. В результате получалось сварочное железо (или сварочная сталь).

Одна пудлинговая печь за сутки выдавала 3500 кг крупнозернистого кричного железа либо 1600 кг мелкозернистого железа – пудлинговой стали, которая имела очень высокое качество.

Однако сварочное железо и сварочная сталь имели и серьезный недостаток – неравномерность состава по поперечному сечению.

Английский часовщик Бенджамин Хантсмен (1704 – 1776) пришел к мысли о том, что состав этих материалов можно выровнять путем переплавки. Для этого он использовал огнеупорный тигель и обогреваемую коксом печь с дутьем и высоким горном. Поэтому производство стальных изделий в Англии стало быстро расти, и вскоре по этому показателю она вышла на первое место в мире, т.е. расширился экспорт не только стальных изделий, но и стальных слитков.

Высококачественная тигельная сталь обладала превосходными свойствами в литом состоянии. Спустя столетие после изобретения Хантсмена из нее стали изготовлять паровозные оси, и еще позже – орудийные стволы.

Основателем сталеплавильного производства считается Генри Бессимер (1813 – 1898). В 1885 году он впервые получил ковкое железо, вернее сталь, путем продувки воздухом 5 кг жидкого чугуна, расплавленного в огнеупорном тигле (рисунок 3а). Получение качественной стали из чугуна «без топлива и без топки» стало возможно только из малофосфористого чугуна. Это был существенный недостаток бессемеровского процесса.

Преимуществом томасовского конвертера являлось использование основной футеровки, т.е. стало возможным наводить высокоосновные известковые шлаки, т. е. удалять фосфор и серу (рисунок 3б).

а) бессемеровский процесс; б) томасовский процесс

Рисунок 3 – Получение стали продувкой жидкого чугуна воздухом

В бессемеровском или томасовском конвертере стало возможным за 20 минут превратить в сталь 20 т чугуна. Для производства такого же количества стали в горне способом кричного передела потребовалось бы три недели, а в пудлинговой печи - неделя.

В 1864 года на одном из заводов Южной Франции Пьеру Мартену (1824 – 1915) впервые удалось выплавить сталь в peгeнepативной печи, построенной при участии Вильгельма Сименса. Шихта состояла из чугуна, выплавленного из гематита, чушек пудлингового железа и стального лома (рисунок 4).

1 – рабочее пространство; 2 – головки; 3 – вертикальные каналы; 4- шлаковики; 5 – насадки регенератора; 6 – борова; 7 – реверсивные и регулируемые двигатели; 8 – котел – утилизатор; 9 – газоочистка; 10 – дымовая труба

Рисунок 4 – Схема мартеновской печи

Мартеновский процесс сохранил практическое значение до наших дней, особенно широко он используется для повторного производства стали из лома и стальных отходов. Процесс получил широкую известность после Парижской выставки 1867 года. В России первую мартеновскую печь построили в 1869 – 1870 гг. на Сормовском заводе А.А. Износков и Н.Н. Кузнецов.

Наконец, мир избавился от «стального голода». Получив в свое распоряжении такие высокопроизводительные технологические процессы. Англия благодаря изобретением Бессемера и Сименса упрочила свое положение ведущей промышленности державы. Уже в 1870 году производство стали в Англии превысило 5 млн. тонн и продолжало быстро расти.

В доменной печи выплавляют чугун из окускованных железосодержащих материалов(рисунок 5).

1 – бункера-дозаторы; 2 – ленточный транспортер; 3 – колошниковый газ; 4 – воздухонагреватель (каупер); 5 – холодное дутье; 6 – шлаковоз; 7 – шлак; 8 – горячее дутье; 9 – чугуновоз; 10 – чугун; 11 – кольцевой воздухопровод горячего дутья (фурменный пояс)

Рисунок 5 – Схема работы современной доменной печи

В доменном процессе происходит встречное движение нисходящего потока шихтовых материалов (агломерата, окатышей, флюсов) и топлива (кокса), загружаемых сверху, и восходящего потока газов, образующихся в горне печи. При этом содержащиеся в руде оксиды железа восстанавливаются углеродом кокса и газом - восстановителем СО, который образуется за пределами зон горения кокса. Восстановленное железо науглероживается углеродом кокса, насыщается марганцем, кремнием, серой, фосфором, образуя чугун, стекающий в горн доменной печи. 06разующийся шлак всплывает над слоем чугуна. Чугун и шлак из печи выпускают раздельно через соответствующие летки.

На рисунке 6 представлена схема работы современного металлургического комбината.

Чугун из доменных печей поступает в сталеплавильный передел, где в мартеновских печах, конвертерах или ДСП из него окислением углерода получают сталь. Сталь разливают в слитки: в изложницы или на машинах непрерывного литья заготовки.

Рисунок 6 – Схема получения стали на металлургическом комбинате

Метод непрерывного литья заготовки обеспечивает больший выход годного и является более экономичным (рисунок 7), поэтому практически вытеснил разливку стали в изложницы.

Метод непрерывного литья заготовки обеспечивает больший выход годного, лучшее качество и является более экономичным (рисунок 7), поэтому практически вытеснил разливку стали в изложницы. Существуют следующие виды непрерывной разливки стали: а) вертикальный; б) с изгибом заготовки; в) с криволинейной технологической осью.

а) вертикальная; б) с изгибом заготовки; в) с криволинейной технологической осью; 1 – ковш с жидким металлом; 2 –приемная чаша;

3 – медный водоохлаждаемый кристаллизатор; 4 – прокатные волки; 5 – получаемая заготовка

Рисунок 7 – Схема различных видов непрерывной разливки стали