Литейное производство во время промышленной революции

Лекция 4. (ауд. – 2 ч., самостоятельная работа – 9 час).

Развитие черной металлургии в Западной Европе с XVIII поXIX вв. Процесс пудлингования (очистки чугуна от примесей) Б. Хантсмена. Конвертер С.Д. Томаса (1877 г.) и Г. Бессемера (1885 г.). Сталелитейный процесс П. Мартена и В. Сименса (1864 г.).

Промышленная революция, начавшаяся в текстильном производстве в Англии, к концу XVIII в. затронула и черную металлургию, т. е. металлургию железа и стали. Следующее XIX столетие принесло с собой большую часть открытий и изобретений, которые составляют основу современного производства железа и стали. Чтобы правильно оценить необычайно быстрое развитие металлургии в XIX в., нужно вернуться к прошлому.

С древнейших времен ковкое губчатое железо получали путем «прямого восстановления» непосредственно из руды. В XVIII в. этот так называемый сыродутный процесс был широко распространен. В Европе он сохранился вплоть до 1850 г., а в Северной Америке - даже до 1890 г. В наше время сыродутные (кричные) горны еще можно встретить у народов Центральной Африки и в Китае.

С технологией сыродутного процесса мы можем познакомиться по описанию и гравюрам, приведенным в книге Агриколы (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 - Гравюры из книги Агриколы «О металлах»: получение кричного железа в сыродутных горнах

В рабочее пространство горна слоями загружают древесный уголь и измельченную руду. Перед горном стоит плавильщик, или горновой, и управляет дутьем, регулируя задвижкой поток воды, приводящий в действие кузнечный мех. Лицо плавильщика защищено войлочной маской. Из горна через боковое отверстие стекает шлак. После 4-8 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 могла иметь вес до 150 кг.) Двое рабочих долго обрабатывают крицу молотами, чтобы уплотнить ее и выдавить часть шлака. Затем крицу разделяют на части, которые проковывают на наковальне, придавая им форму, нужную для продажи.

По свидетельству Агриколы, такой «самостоятельный металлургический завод» уже означал значительный технологический прогресс по сравнению с примитивными земляными горнами, которые использовались прежде в отдельных рудниках. Производительность еще более возросла благодаря введению выложенных из кирпича сыродутных печей вместо подовых. И те, и другие вели свое происхождение от простых плавильных ям. Вначале появились небольшие шахтные печи с естественной тягой, которые устанавливали на открытом месте, а позднее - уже настоящие шахтные печи с открытым выпускным порогом и мехом для дутья. Работа одного средневекового металлургического завода с сыродутными шахтными печами описана Агриколой. Измельченную руду и древесный уголь загружали в печь сверху. Для извлечения крицы из печи нужно было открыть ее порог, закрытый кирпичной кладкой и обмазанный глиной. Затем крицу обрабатывали так же, как говорилось выше. В XV в. металлурги Штирии пользовались сыродутными горнами средним объемом 1,1-1,7 м3. Они давали за сутки 1200-1300 кг металла, а выработка на одного рабочего составляла около 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 хрупок и легко разбивается молотом. Это был чугун. Вначале его просто выбрасывали, но потом научились использовать. Чтобы приготовить из чугуна ковкое железо, необходимо удалить из него углерод, т. е. подвергнуть его дальнейшей обработке, которая у металлургов получила название «кричный передел», или «фришевание» (от немецкого слова frisch - свежий, здоровый, чистый) либо «рафинирование» (от французского raffiner - очищать).

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 (а позднее - в сталь), удаляя избыточный углерод. Так возник двухступенчатый - через промежуточный продукт (чугун) - способ производства стали. Это типичный пример того, как простое увеличение размеров оборудования, в данном случае сыродутных горнов, может привести к принципиально новой технологии.

Вместе с ростом потребности в ковком железе и стали постоянно возрастал спрос и на древесный уголь, однако в богатых рудой районах леса были вырублены. Особенно заметно это было в Англии. Но шахтные печи для выплавки чугуна (теперь их называют домнами), как и печи для дальнейшего его передела, нуждались в древесном угле. В 1709 г. Абрахаму Дерби из английского города Колбрукдейл впервые удалось применить в доменной печи каменноугольный кокс и тем самым модернизировать первую ступень процесса производства стали. Однако для переработки чугуна в сталь по-прежнему был необходим древесный уголь. Каменный уголь тогда еще не умели использовать для этой цели: содержащаяся в нем сера переходила в сталь, делая ее непригодной. Проблему решил англичанин Генри Корт в 1784 г. Изобретенный им способ пудлингования (от английского puddle - месить, перемешивать) означал новый большой шаг вперед, и это по праву можно считать началом современной металлургии стали.

В пудлинговой печи (рис. 1.12) топливо уже не соприкасается с чугуном, подлежащим переработке, а топка отделена порогом от очищаемого чугуна. Поэтому здесь вместо древесного угля можно использовать каменный уголь или кокс, не опасаясь загрязнения железа серой, присутствующей в каменном угле в больших количествах.

Рисунок 1.12 - Пудлинговая печь Генри Корта

Каменный уголь сгорает в топке, которая отделена от горна порогом. Первые пудлинговые печи имели две дымовые трубы: одну непосредственно над топкой, другую с противоположного конца печи, над плавильным горном, или ванной. Пудлингование - это очистка чугуна в пламенной печи. Процесс начинается с загрузки чугуна в горн. Чтобы ускорить плавку, куски чугуна весом 10-30 кг (всего обрабатывается около 150 кг) помещают вблизи порога топки, где температура самая высокая. Примерно через 45 мин чугун рас­плавляется. Пудлинговщик вставляет в загрузочное окно печи железную штангу с крюком на конце и проводит ею борозды по тестообразной чугунной массе (массу металла, расплавленного в печи, металлурги называют ванной). При этом чугун хорошо перемешивается и поверхность ванны увеличивается. Закрывая горн и забрасывая влажный шлак, пудлинговщик регулирует температуру ванны. Кроме того, в ванну добавляют песок, который, вступая в химическую реакцию с футеровкой печи, образует 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 на конец разделяет ее на три-пять частей - криц. Они еще горячи ми попадают к кузнецу, который к каждой крице приваривав железный стержень дюймовой толщины и проковывает из в «колбаски» диаметром 7-10 см и длиной около 50 см. Эти заготовки в прокатной машине раскатывают в полосы, затем снова разделяют на куски длиной 50 см и еще раз прокатывают, накладывая по 4 полосы одна на другую. Для процесса пудлингования были характерны именно эти операции проката криц, которые требовались не столько для придания заготовке формы, сколько для того, чтобы сварить зерна и комки железа В результате получалось так называемое сварочное железо (или сварочная сталь).

Одна пудлинговая печь за сутки давала 3500 кг крупнозернистого кричного железа либо 1600 кг мелкозернистого железа - пудлинговой стали.

Пудлингование означало существенный прогресс по сравнению с прежним сыродутным способом и кричным переделом. Во-первых, вместо дефицитного древесного угля теперь можно было обходиться каменным углем. Во-вторых, пудлинговые печи оказались намного производительнее. И наконец, в результа­те пудлингования получали сварочное железо (или сварочную сталь) - материал с отличными свойствами. Насколько высоко ценилось сварочное железо, можно судить хотя бы по тому, что уже после изобретения процессов производства литой стали металлурги искали и нашли способ приготовления из нее «искусственного» сварочного железа. Американцы, в частности, заметили, что сварочное железо в мостах и других сооружениях под открытым небом втрое устойчивее к коррозии, чем литая (или прокатанная из слитков) сталь. Поскольку приготовление сварочного железа в пудлинговых печах стоило слишком дорого, был разработан специальный метод производства сварочного железа из литой стали. Это «астон-железо», названное так по имени его изобретателя и по своим свойствам не уступавшее сварочному. Его изготовляли и применяли еще до второй мировой войны.

Однако сварочное железо и сварочная сталь имели и серьезный недостаток - неравномерность состава по поперечному сечению. Английский часовщик Бенджамин Хантсмен (1704-1776) пришел к мысли, что состав этих материалов можно выровнять путем переплавки. Эта идея была не нова, и рань­ше не раз пытались таким путем улучшить однородность и качество сварочной стали, но безуспешно. Чтобы получить жидкую сталь, Хантсмен использовал тигель из огнеупорного материала и обогреваемую коксом печь с дутьем и высоким горном. Это принесло успех. Французские кузнецы первыми изготовили из литой стали, твердой и потому труднее поддающейся ковке, но­жи, которые оказались лучше английских. Высококачественная тигельная сталь обладала превосходными свойствами в литом состоянии. Спустя столетие после изобретения Хантсмена из нее стали делать паровозные оси, а еще позже и орудийные стволы. В 1851 г. на Лондонской всемирной выставке был показан стальной слиток весом 2150 кг. Чтобы получить такую большую отливку, пришлось сливать в миксер (копильник) расплавленную сталь из многих тиглей емкостью по 45 кг каждый.

В эпоху промышленной революции потребность в железе настолько сильно возросла, что ее не мог удовлетворить и пудлинговый процесс. К тому же различные новые технические применения пудлингового железа показали, что оно не выдерживает больших нагрузок. Например, так как железнодорожные локомотивы становились тяжелее и быстроходнее, рельсы, изготовленные из пудлинговой стали, все чаще ломались.

Основателем сталеплавильного производства следует считать Генри Бессемера (1813-1898). В 1885 г. он впервые получил ковкое железо, вернее сталь, путем продувки воздухом 5 кг сырого чугуна, расплавленного в тигле из огнеупорной глины.

Рисунок 1.13 - Опытная печь Генри Бессемера

Оказалось, что при продувке воздухом расплавленный чугун не только не охлаждается, как предполагали прежде, но, напротив, его температура возрастает настолько, что ванна остается жидкой, хотя сталь, которая образуется из чугуна благодаря продувке, имеет более высокую температуру плавления. 17 октября 1855 г. Бессемер получил английский патент на свое изобретение. Прусское патентное ведомство в Берлине отказалось выдать ему патент, мотивировав свой отказ следующим образом: «Нельзя никому запретить продувать воздух через жидкое железо». Вот весьма выразительный пример непонимания сущности технического прогресса.

Новый процесс получения стали из чугуна «без топлива и без топки» прошел длинный, усеянный множеством неудач путь, прежде чем стало ясно, что хорошую сталь дает только малофосфористый чугун. Если же в чугуне много фосфора, то продукт получается хуже, чем ковкое железо, - он оказывается пористым «красноломким» и «холодноломким» (т.е. хрупким в горячем и в холодном состояниях). Вследствие этих сложностей бессемеровский процесс распространялся весьма медленно - сначала он был принят в Швеции, затем - в Австрии и только позднее - в Англии. Широкому его распространению препятствовало то, что он нуждался в малофосфористом чугуне. В результате главной проблемой стала очистка чугуна от фосфора. Среди многих металлургов, которые пытались решить эту проблему, первым достиг успеха Сидней Джилкрист Томас (1850—1885).

Томас имел две специальности. Он служил писарем в лондонском полицейском суде, чем зарабатывал на жизнь, и одновременно изучал химию и металлургию в Горном училище, где и заинтересовался проблемой удаления фосфора из чугуна. В 1877 г. Томас подал первую заявку (а в 1878—1879 гг. - еще две) на способ получения стали, который позднее был назван его именем.

Рисунок 1.14 - Плавка стали по способу Бессемера и Томаса

Непосвященный не увидит особой разницы между бессемеровским и томасовским процессами. В основе обоих процессов лежит один и тот же принцип: чугун, из которого получают сталь, очищают, продувая через него воздух. Сосуд, где протекает реакция, - конвертер - имеет грушевидную форму с открытой горловиной вверху; он укреплен на горизонтальной оси, что позволяет его наклонять. Конвертеры Бессемера и Томаса по внешнему виду одинаковы. Главное различие заключается в том, что бессемеровский конвертер изнутри выложен кислой (т. е. кислотной по своему химическому характеру) огнеупорной футеровкой и в нем нельзя удалить фосфор из богатого им чугуна в основной шлак (т. е. по своим химическим свойствам подобный основаниям), потому что такой шлак быстро разъедает кислую футеровку. Томасовский же конвертер имеет основную футеровку, поэтому здесь, добавляя известь, можно получить основной шлак, который хорошо извлекает фосфор из чугуна, но не разрушает основной футеровки.

Конвертер - будь то бессемеровский или томасовский - позволяет за 20 мин превратить в сталь до 20 т чугуна (рис. 1.15). Для производства такого же количества стали в горне способом кричного передела потребовалось бы три недели, а в пудлинговой печи - неделя.

Рисунок 1.15 - Конвертерное производство стали в прошлом веке. Пока в левый конвертер заливают из ковша жидкий чугун, в правом идет процесс плавки. В центре - готовую сталь разливают в изложницы

Так металлурги получили в свое распоряжение два высоко­производительных процесса, что позволило удовлетворять непрерывно возрастающий в промышленных странах спрос на сталь. Бессемеровский и томасовский конвертеры были необходимы для массового производства стали общего назначения, тогда как высококачественные специальные стали продолжали выплавлять в тиглях. Но техника не стояла на месте. Братья Вильгельм и Фридрих Сименсы изобрели регенеративный способ обогрева печей и, после того как Фридрих Сименс получил патент на это изобретение, построили опытную печь. Основная идея регенеративного обогрева заключается в предварительном подогреве воздуха, необходимого для горения топлива, отходящими газами - продуктами горения. Для этого через определенные промежутки времени воздух направляют то через один, то через другой регенератор (пока воздух для горения, проходя через один регенератор и охлаждая его, сам нагревается, отходящие газы подогревают другой регенератор). В опытной печи братьев Сименсов стальные напильники через 6 часов расплавились, а тигель, помещенный в топочную камеру, превратился в шлак. Первые практические попытки выплавить тигельную сталь в подобной печи на сталелитейном заводе в Шеффилде закончились неудачей. Вместе со сталью плавились тигель и стенки печи.

8 апреля 1864 г. на одном из заводов Южной Франции Пьеру Мартену (1824-1915) впервые удалось сварить хорошую сталь в регенеративной печи, построенной при участий Вильгельма Сименса. Шихта (загружаемые в печь ис­ходные материалы) состояла из чугуна, выплавленного из гематита - красного железняка с острова Эльба, чушек пудлингового железа и стального лома. Мартеновский процесс (немцы его называют сименс-мартеновским) наряду с бессемеровским и томасовским ознаменовал еще один важный шаг в развитии сталелитейного производства. Этот процесс сохранил большое практическое значение до наших дней; особенно широко он используется для повторного производства стали из лома и стальных отходов (как говорят металлурги, из «скрапа»). Интересно заметить, что Генри Бессемер изобрел свой конвертер, а Вильгельм Сименс - регенеративную печь примерно в одно и то же время, живя на соседних улицах в Лондоне и ничего не зная друг о друге.

Новый процесс получил широкую известность после Парижской выставки в 1867 г. 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 распоряжение такие высокопроизводительные технологические процессы, Англия благодаря изобретениям Бессемера и Сименса упрочила свое положение ведущей промышленной державы. Уже в 1870 г. производство стали в Англии превысило 5 млн. т и продолжало быстро расти. Таким образом, за столетие был достигнут примерно стократный прирост: во второй половине XVIII в. в Англии производилось за год порядка 50-100 тыс. т стали.

В 1975 г. что в Кривом Роге начала работать самая большая в мире доменная печь объемом 5000 м³, построенная также в рекордные сроки - всего за два года. (рис. 1.16). Каждый год эта печь дает больше 4 млн. т чугуна. Домне «образца 1800 г.» пришлось бы работать 24 года, чтобы выплавить столько чугуна, сколько дает криворожский гигант за сутки.

Рисунок 1.16 - Современная доменная печь

Современная доменная печь принадлежит к числу самых высокопроизводи­тельных агрегатов для переработки веществ. Помимо чугуна она дает колош­никовый газ и доменный шлак, которые также используются в промышленно­сти. Суточная производительность крупнейших домен сейчас достигает 10 тысяч тонн чугуна.

Одновременно растут требования к качеству и равномерности состава металлических материалов, поэтому в последние десятилетия ученые и инженеры прилагают немало усилий, направленных на усовершенствование металлургических процессов. В металлургии стали особенно эффективным оказался кислородно-конвертерный способ, при котором в жидкий чугун продувают чистый кислород. Первое предложение использовать чистый кислород для дутья в производстве стали - оно датируется 1856 г. - исходило еще от Генри Бессемера. Первые опыты по кислородно-конвертерной выплавке стали осуществил в СССР в 1933-1934 гг. А. И. Мозговой. Но только в 1949 г. австрийским металлургам в городах Линце и Донавице удалось, наконец, преодолев все технические трудности, получить сталь в опытном тигле с кислородным дутьем. В 1953 г. в этих городах возникли первые в мире заводы по производству стали кислородно-конвертерным способом (который во многих странах называют «ЛД-процессом» - по первым буквам названий городов) - рис. 1.17.

При продувке чистым кислородом содержащиеся в жидком чугуне углерод, марганец, фосфор, сера, кремний и другие примеси или сопутствующие элементы, нежелательные в стали, быстро сгорают. Приблизительно через 20 мин металлическая ванна достигает состава, который соответствует мягкой, так называемой «неуспокоенной» углеродистой стали. Кислородный конвертер обеспечивает экономичный способ получения стали повышенной прочности, а также нелегированных цементируемых и термически улучшаемых сортов стали. Полученная таким образом сталь отличается низким содержанием азота, серы и фосфора, большой чистотой и однородностью. Доля кислородно-конвертерной стали в общем мировом производстве стали в 1957 г. составляла 1%, в 1963 г. возросла до 12%, а в 1977 г. превысила 25%.

Рисунок 1.17 - Современное производство стали из чугуна

«Век железа и стали» не сменился в XIX веке «веком пара и электричества», как принято говорить. Производство железа и стали продолжало и продолжает развиваться. Причем все убыстряющимися темпами. В 1778 году был построен первый железный мост. С тех пор все крупные мосты сооружались из стали. Через десять лет - в 1788 году был сооружен первый водопровод из железных труб. Потребность в железе возросла еще больше.

Начало XIX века ознаменовалось триумфальным развитием паровых двигателей. Паровые машины устанавливали на рудниках, фабриках, заводах, а затем они перекочевали на воду и на рельсы. В 1818 году было создано первое железное судно. Деревянная, парусная флотилия стала спешно переобо­рудоваться на железную, паровую. В 1825 году создается первая железная дорога. Паровозы, вагоны, рельсы - все это требовало железа и железа.

Открытие Д. К. Черновым в 1868 г. «критических точек стали» заложило прочную основу науки о металле. С этого времени выпуск стального литья быстро и планомерно растет. Работы Д.К. Чернова «Исследования, относящиеся до структуры стальных болванок», «О кристаллах алмаза и карборунда в стали», курс лекций «Сталелитейное дело» и др. являются, каждая в отдельности, эпохой в разработке соответствующих вопросов. Не останавливаясь подробно на его гениальных широко известных трудах о превращениях в стали и кристаллизации слитков, послуживших базой для создания современного металловедения, следует отметить его работы, имеющие непосредственное отношение к литейному производству.

«Если бы отливку стали в изложницу можно было производить под таким большим давлением окружающей атмосферы, которое в состоянии было бы удержать газы в растворе, то не было бы и пузырей в отлитой болванке». Это положение Д.К. Чернова нашло блестящее подтверждение в последующих работах акад. А.А. Бочвара и проф. А.Г. Спасского, разработавших и внедривших в производство способ «Кристаллизации под давлением».

Особую ценность представляет высказывание Д.К. Чернова о сравни­тельной прочности литой и прокованной стали. «Прочность литой непро-кованной стали не меньше прочности прокованной, если обе имеют одинаковое сложение, доказательством могут служить результаты произведенных мною с этой целью опытов».

«Главнейшим недостатком стальных отливок являлись раковистость как от пузырей, так и от усадочных пустот, а иногда наружные трещины». Поэтому, как утверждает Д.К. Чернов, необходимо стремиться к получению стальных отливок, свободных от этих недостатков. В качестве одной из мер достижения этой цели Д.К. Чернов указывал на применение центробежной отливки. Это положение полностью подтвердилось позднейшими работами С. В. Белынского и литейной лаборатории МВТУ и ЦНИИТМАШа. Большая заслуга в разработке теоретических основ стального литья принадлежит также сподвижникам Д.К. Чернова - А.С. Лаврову и Н.В. Калакуцкому.

Потребность в железе и его сплавах с каждым годом становится все большей и в настоящее время достигает более 700 млн. тонн в год. Железо нужно и в промышленности, и в сельском хозяйстве. Оно нужно всем видам транспорта и оборонной технике. Современная жизнь без железа стала просто невозможной.

Производство чугуна и стали - это один из важнейших показателей экономического уровня развития любой страны и является фундаментом цивилизации.