Когда научились делать сталь
Обновлено: 18.04.2024
Развитие стали можно проследить за 4000 лет до начала железного века. Оказалось, что железо тверже и прочнее, чем бронза, которая ранее была наиболее широко используемым металлом, и теперь оно начало вытеснять бронзу в оружии и инструментах.
В следующих случаях: Однако через несколько тысяч лет качество производимого железа будет зависеть как от доступной руды, так и от методов производства.
К 17 веку свойства железа были хорошо поняты, но растущая урбанизация в Европе требовала более универсального конструкционного металла. А к XIX веку количество железа, потребляемого расширением железных дорог, дало металлургам финансовый стимул найти решение проблемы хрупкости железа и неэффективных производственных процессов.
Тем не менее, несомненно, самый большой прорыв в истории стали произошел в 1856 году, когда Генри Бессемер разработал эффективный способ использования кислорода для снижения содержания углерода в чугуне: зародилась современная сталелитейная промышленность.
Эпоха железа
При очень высоких температурах железо начинает поглощать углерод, что снижает температуру плавления металла, в результате чего образуется чугун (от 2,5 до 4,5% углерода ). Развитие доменных печей, впервые использованных китайцами в 6 веке до нашей эры, но более широко используемых в Европе в средние века, увеличило производство чугуна.
Чугун — это жидкий чугун, выходящий из доменных печей и охлаждаемый в основном канале и прилегающих к нему изложницах. Большие, центральные и прилегающие меньшие слитки напоминали свиноматку и поросят-сосунков.
Чугун прочный, но страдает хрупкостью из-за содержания углерода, что делает его менее прочным. чем идеально подходит для работы и формовки. Когда металлурги осознали, что высокое содержание углерода в железе является центральным элементом проблемы хрупкости, они экспериментировали с новыми методами снижения содержания углерода, чтобы сделать железо более пригодным для обработки.
К концу 18 века производители чугуна научились превращать чугун в кованое железо с низким содержанием углерода с помощью пудлинговых печей (разработанных Генри Корт в 1784 году). В печах нагревается расплавленный чугун, который необходимо перемешивать в лужах с использованием длинных веслообразных инструментов, позволяя кислороду соединяться с углеродом и медленно удалять его.
Как содержание углерода уменьшается, температура плавления железа увеличивается, поэтому массы железа будут агломерироваться в печи. Эти массы удалялись и обрабатывались кузнечным молотком у лужи перед тем, как свернуть их в листы или рельсы. К 1860 году в Великобритании насчитывалось более 3000 печей для пудлинга, но процесс оставался затрудненным из-за трудоемкости и расхода топлива.
Одна из самых ранних форм стали, Черновая сталь, производство которой началось в Германии и Англии в 17 веке, производилась путем увеличения содержания углерода в расплавленном чугуне с использованием процесса, известного как цементация.. В этом процессе прутки из кованого железа наслоились порошкообразным углем в каменных ящиках и нагревались.
Примерно через неделю железо поглотило углерод из уголь. При повторном нагреве углерод распределяется более равномерно, и в результате после охлаждения получается черновая сталь. Более высокое содержание углерода сделало черновую сталь намного более пригодной для обработки, чем чугун, что позволило ее прессовать или прокатывать.
Производство черновой стали развивалось в 1740-х годах, когда английский часовщик Бенджамин Хантсман, пытаясь разработать высококачественную сталь для своих часовых пружин, обнаружил, что металл можно плавить в глиняных тиглях и обрабатывать специальным флюсом для удаления шлака, оставшегося после процесса цементирования. В результате получился тигель или литая сталь. Но из-за стоимости производства и черновая, и литая сталь когда-либо использовались только для специальных целей.
В результате остался чугун, изготовленный в пудлинговых печах. основной конструкционный металл в индустриализации Британии на протяжении большей части XIX века.
Бессемеровский процесс и современное производство стали
Рост производства железные дороги в 19 веке как в Европе, так и в Америке оказали огромное давление на металлургическую промышленность, которая все еще боролась с неэффективными производственными процессами. Сталь все еще не использовалась в качестве конструкционного металла, а производство продукта было медленным и дорогостоящим. Так было до 1856 года, когда Генри Бессемер придумал более эффективный способ введения кислорода в расплавленное железо для уменьшения содержания углерода.
Теперь известный как Бессемеровский процесс. Бессемер сконструировал сосуд в форме груши, называемый «конвертером», в котором можно было нагревать железо, а через расплавленный металл можно было продувать кислород. Когда кислород проходит через расплавленный металл, он реагирует с углеродом, выделяя диоксид углерода и производя более чистое железо.
Процесс был быстрым и недорогим, удаление углерода и кремния из железа за считанные минуты, но оказалось слишком успешным. Было удалено слишком много углерода, а в конечном продукте осталось слишком много кислорода. В конечном итоге Бессемеру пришлось расплачиваться со своими инвесторами, пока он не нашел способ увеличить содержание углерода и удалить нежелательный кислород.
Примерно в то же время британский металлург Роберт Мушет приобрел и начал испытывать соединение железа, углерода и марганца, известное как spiegeleisen. Было известно, что марганец удаляет кислород из расплавленного железа, и содержание углерода в spiegeleisen, если его добавлять в правильных количествах, могло бы решить проблемы Бессемера. Бессемер с большим успехом начал добавлять его в свой процесс преобразования.
Осталась одна проблема. Бессемеру не удалось найти способ удалить фосфор, вредную примесь, которая делает сталь хрупкой, из своего конечного продукта. Следовательно, можно было использовать только бесфосфорную руду из Швеции и Уэльса..
В 1876 году валлиец Сидней Гилкрист Томас предложил решение, добавив химически основной флюс, известняк, к бессемеровскому процессу. Известняк извлекал фосфор из чугуна в шлак, позволяя удалить нежелательный элемент.
Это нововведение означало, что, наконец, железная руда из любой точки мир можно использовать для производства стали. Неудивительно, что затраты на производство стали начали значительно снижаться. В период с 1867 по 1884 год цены на стальные рельсы упали более чем на 80% в результате внедрения новых технологий производства стали, положивших начало развитию мировой сталелитейной промышленности.
Мартеновский процесс
В 1860-х годах немецкий инженер Карл Вильгельм Сименс усовершенствовал производство стали, создав мартеновский процесс. В мартеновском процессе из передельного чугуна в больших неглубоких печах производилась сталь.
В процессе с использованием высоких температур для сжигания избыточного углерода и других примесей использовались обогреваемые кирпичные камеры под очагом. Позднее в регенеративных печах использовались выхлопные газы из печи для поддержания высоких температур в кирпичных камерах ниже.
Этот метод позволял производить гораздо большие количества (50- 100 метрических тонн может быть произведено в одной печи), периодические испытания жидкой стали, чтобы она могла быть изготовлена в соответствии с конкретными спецификациями, и использование стального лома в качестве сырья. Хотя сам процесс был намного медленнее, к 1900 году мартеновский процесс в основном заменил бессемеровский.
Рождение черной металлургии
Революция в производстве стали, которая позволила получить более дешевый и качественный материал, была признана многими бизнесменами того времени возможностью для инвестиций. Капиталисты конца 19 века, в том числе Эндрю Карнеги и Чарльз Шваб, инвестировали и заработали миллионы (миллиарды в случае Карнеги) в сталелитейную промышленность. US Steel Corporation Карнеги, основанная в 1901 году, была первой из когда-либо созданных корпораций стоимостью более одного миллиарда долларов.
Производство стали с электродуговыми печами
Сразу после рубежа веков произошло еще одно событие, которое оказало сильное влияние на развитие производства стали. Электродуговая печь Пола Эру (EAF) была разработана для пропускания электрического тока через загруженный материал, что приводит к экзотермическому окислению и температурам до 3272 ° F (1800 ° C), более чем достаточного для нагрева производимой стали.
Первоначально использовавшиеся для производства специальных сталей, ДСП стали широко использоваться, а ко Второй мировой войне использовались для производства стальных сплавов. Низкие инвестиционные затраты на создание ЭДП позволили им конкурировать с крупными производителями США, такими как US Steel Corp. и Bethlehem Steel, особенно в углеродистой стали или сортовом прокате..
Поскольку в ЭДП можно производить сталь из 100% лома или холодных черных металлов, требуется меньше энергии на единицу продукции. В отличие от кислородных очагов, операции также можно останавливать и запускать с небольшими затратами. По этим причинам производство с использованием ЭДП стабильно увеличивается на протяжении более 50 лет и в настоящее время составляет около 33% мирового производства стали.
Кислородное производство стали
Большая часть мирового производства стали, около 66%, в настоящее время производится на базовых кислородных установках — разработка метода отделения кислорода от азота в промышленных масштабах в 1960-х годах позволила добиться значительных успехов в разработке Основные кислородные печи.
Основные кислородные печи продувают кислородом большие количества жидкого чугуна и стального лома и могут завершить загрузку намного быстрее, чем мартеновские методы. Большие сосуды, вмещающие до 350 метрических тонн чугуна, могут завершить конверсию в сталь менее чем за час.
Экономическая эффективность кислородного производства стали на мартеновских заводах неконкурентоспособные, и с появлением кислородного производства стали в 1960-х гг. мартеновские производства начали закрываться. Последний мартеновский объект в США был закрыт в 1992 году, а в Китае — в 2001 году.
Технология изготовления мечей
Во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно как драгоценный металл. Железные изделия получили широкое распространение только после Троянской войны и падения державы хеттов, греческие торговцы распространили технологию железа довольно широко, были открыты новые месторождения железа и рудники.
Стальному инструменту, а прежде всего мечам требуется не только твёрдость, но и пластичность, упругость и многие другие взаимоисключающие свойства. Чистое железо мягкое, гнется от ударов, римским легионерам приходилось прыгать по мечам после боя, чтобы их выпрямить. Кельты нашли решение: их клинок состоял из железной или из железно-стальной основы с наваренными к нему кузнечной сваркой закалёнными лезвиями, затем железную основу научились сверху закрывать стальными пластинами, а позже научились делать цельный клинок. Железную основу делали кручёной или рубленной и заново многократно прокованной, чтобы создать так называемый сварочный дамаск, известный с II-III в. Это придавало клинку с твёрдыми и острыми, но не гибкими и хрупкими лезвиями необходимую пластичность и возможность изгибаться при нагрузках снова приходя в исходную форму.
Как обычно представляется в кинофильмах, некий мастер куёт денно и нощно под героическую музыку меч и передаёт его главному герою, что совершенно не так. Возможно где-то в глухой деревне, вознёсшийся над собой кузнец, обычно кующий серпы, косы и гвозди, выковал бы меч, если бы добыл где-то много железа, но качество этого меча было бы низким. Другое дело оружейные корпорации, занимавшиеся изготовлением оружия и в частности меровингов каролингских мечей в промышленных масштабах. Отчего-то мало кому известно, что ещё в каменном веке и уж точно в бронзовом во всех регионах Европы, имелись крупные даже по сегодняшним меркам, по другому не назвать корпорации, производящие оружие. Разделение труда было характерно и для производства меча, поэтому мечи делали несколько мастеров, а корпорация ставила товарный знак. Он со временем изменялся, менялся тип надписи, менялись шрифты, происходил ребрендинг, от безграмотности или других причин переворачивали буквы в надписях. Например, на Руси было две таких корпорации ЛЮДОТА КОВАЛЬ и СЛАВ, о чём красноречиво свидетельствуют подписные мечи в музеях. В Германии работала огромная оружейная корпорация ULFBERHT, чьими мечами просто усеяны скандинавские страны и славянские земли, были и другие массовые подписные мечи, то есть работали и другие корпорации, такие как CEROLT, ULEN, BENNO, LEUTLRIT, INGELRED. Так называемые подписные мечи обнаружены на всей территории Европы, видно, что производство мечей было поставлено на поток и торговля оружием осуществлялась повсеместно.
Современные реплики каролингов из сплошной стали, как правило, из пружинной вроде 60Г, рессорной 65Г или 65Х13, на порядок превосходят лучшие образцы IX-XII веков. Современные реплики не гнутся (в смысле у них не остаётся остаточной деформации даже при сгибании в кольцо), не ломаются от зазубрин, ими легко, без урона можно фехтовать с другим клинком. Для викингов развитое фехтование не было характерно: принимаем на щит-рубим, закончили упражнение, любое столкновение с другим клинком или металлом, могло, не приведи Один, повредить или сломать низкокачественный и дорогой меч. Каролинги, как до этого меровинги и как японские катаны заложники низкого качества стали, поэтому они были составными, так дорого и долго изготавливались и потому их так берегли.
В процессе закалки, при соблюдении технологического процесса, между якибой (твёрдой частью с режущей кромкой) и хирадзи (более мягкой и гибкой частью) формируется хамон. Как во всех европейских клинках из-за низкого качества стали, клинок составной: сочетание жёсткого лезвия и эластичной основы придаёт металлу катаны чрезвычайную вязкость и одновременно долговременную остроту. В традиционной технике внутренний слой изготавливается из низкоуглеродистой стали и покрывается твёрдой высокоуглеродистой сталью, которая образует верхний слой: кузнец складывает U-образно длинный узкий брусок твёрдой стали и вваривает в него брусок из мягкой стали. Из полученного комбинированного бруска выковывается заготовка меча, причём закрытая сторона «U» впоследствии станет лезвием. Такая комбинированная заготовка больше не подвергается складыванию. Так же как и западные кузнецы Средневековья, применявшие зонную закалку, японские мастера закаляют клинки не равномерно, а зонально, за закалкой (нагревом и охлаждением) следует отпуск — нагрев закалённого изделия в печи с последующим медленным охлаждением. При температуре около 200 C происходит снятие внутренних напряжений в металле, благодаря чему достигается необходимый баланс твёрдости и вязкости.
Сталь
Сталь — важнейший продукт металлургии железа, представляющий собой сплав железа с углеродом. Уже в VII веке до нашей эры кельты научились получать железо из железной руды. Руду нагревали в открытой печи, используя пламя древесного угля. В результате получался твердый чугун. Однако из-за высокого содержания углерода чугун был хрупкий и непригодный для ковки. Если уменьшить процентное содержание углерода до 2,14%, то получится твердый и крепкий сплав, которому можно придавать различные формы путем ковки и штамповки. Это и была сталь, из которой стали производить инструменты, все виды оружия и различные детали машин. Для снижения содержания углерода и прочих ненужных примесей чугун вновь нагревается до жидкого состояния и подвергается фришеванию. Качества стали улучшаются с добавлением легирующих элементов. Сплав железа (не менее 45%), углерода и легирующих элементов называют легированной сталью.
Но прежде, чем получить стальные изделия, следовало совершить множество трудоемких операций. Вначале из железной руды выплавляли чугун, который превращали в мягкое железо. Полученную железную крицу подвергали длительной проковке, в результате получали нужную стальную деталь, либо только заготовку, которую окончательно обрабатывали на металлорежущих станках. Изначально избыточное количество углерода удаляли из чугуна путем кричного передела. Процесс происходил в открытой печи (кричном горне). На горящий древесный уголь помещали чушки чугуна. Путем вдувания горячего воздуха очищали расплавленный чугун от излишнего углерода. Расплавленный металл собирался на поду горна. Происходило дополнительное удаление углерода путем окисления железистого шлака. Образовавшуюся кашицу (крицу) подвергали ковке для удаления шлака.
Кричный передел существовал с XIV века, в 1784 году английским металлургом Г. Кортом была предложена новая технология получения стали — пудлингование. Согласно этой технологии, чугун плавился в специальной пудлинговой печи без контакта с топливом. Пудлинговая печь позволила заменить дорогостоящий древесный уголь на менее дорогой — каменный. Расплавленный чугун доводили до тестообразного состояния. С целью увеличения доступа кислорода расплавленную массу перемешивали металлическими штангами. Дальше тестообразную крицу проковывали. Правда, процесс получения стали таким методом был трудоемким, медленным и дорогим.
Бессемеровский способ производства стали
Бессемер усовершенствовал этот процесс и в 1856 году продемонстрировал конвертер, предназначенный для получения жидкой стали. Выходящий из доменной печи чугун поступал в конвертер — резервуар, на дне которого имелись отверстия для подачи воздуха. Благодаря подвижным опорам конвертер можно было свободно перемещать из горизонтального положения в вертикальное, когда он будет наполнен. Кислород воздуха, вдуваемый через нижние отверстия, соединяется с углеродом, выделяемым при нагревании из чугуна. Когда процесс закончен, конвертер занимает горизонтальное положение и в нем образуется железо, в которое добавляют примеси. Получается сталь, содержащая низкий процент кислорода. Весь процесс занимал мало времени, за 20 минут получалось столько же стали, сколько бы пудлинговая печь выдала за целый день.
Мартеновский способ производства стали
В 1864 году был изобретен мартеновский способ выплавки стали, основанный на сходном принципе. Оба способа получили широкое распространение и позволили получать сталь в неограниченных количествах. Однако они не позволяли получить руду высокого качества из руды, которая содержала фосфор и серу. В 1878 году С. Томас решил эту проблему, добавив в конвертер 10-15% извести. Образовывающиеся шлаки удерживали фосфор и он выгорал с другими ненужными примесями. Полученная сталь была очень высокого качества. Уже в первые несколько лет после применения бессемеровского и мартеновского способов получения высококачественной стали ее выпуск вырос во всем мире на 60%.
Когда научились делать сталь
tag. * * If you do not want to deal with the intricities of the noscript * section, delete the tag (from ). On * average, the noscript tag is called from less than 1% of internet * users. */-->
Политехникум
Как выплавлялась сталь
17 октября 1855 г. английский изобретатель Генри Бессемер запатентовал новый процесс изготовления стали. Политех решил проследить историю развития металлургии от глиняных кузнечных горнов до мартеновских печей с магнезитовой футеровкой.
Цивилизация — это металл, начиная с первых неловких попыток обработки самородных металлов, и до ультрасовременных сложных сплавов. Недаром историки разделяют развитие человечества на этапы, начиная с каменного века: медный, бронзовый и, наконец, железный.
Самородные металлы встречаются довольно редко, поэтому начиная с медного века люди учились выплавлять их из руды. Хотя первое знакомство человека с железом сегодня относят еще к 3–4 тысячелетию до н.э., считается, что «настоящий» железный век наступил лишь около VIII в. до н.э. Во всяком случае, в 1200 г. до н.э. древние греки воевали с троянцами еще медным и бронзовым оружием.
Получать медь и бронзу (сплав меди с оловом) не особенно сложно. Во-первых, самородная медь распространена достаточно широко. Во-вторых, температура ее плавления — около 1350 °С, и в простейшем случае достаточно насыпать руду в каменный или глиняный тигель, и поставить его в кузнечный горн. Вскоре можно будет отделить шлак от вполне чистого металла.
Дорога к веку железа
Температура плавления железа — уже почти 1540 °С. Его получение потребовало печей более совершенной конструкции и более горячих. Чтобы повысить разогрев, воздух в них нагнетали мехами, а сами глиняные печи часто делали «глухими»: чтобы извлечь готовый металл и шлаки, печь приходилось разбирать, а для новой плавки складывать заново. Вдобавок, поддерживать высокую температуру удавалось только в небольших по размерам объемах. Производительность такой металлургии была невысока, а выплавленное железо исключительно дорогим.
Широко доступным железо стало только в XIV–XV вв., когда появились доменные печи, выплавка в которых может происходить непрерывно — разбирать ее нет нужды. Железная руда, чередуясь с топливом, засыпается в доменную печь сверху, а снизу подается разогретый воздух и извлекается шлак, а также чугун, сплав железа со сравнительно высоким количеством углерода.
Первым топливом доменных печей стал уголь — сперва древесный, потом каменный, — а с XVIII в. его вытесняет кокс, продукт нагревания угля без доступа кислорода.
Температура в доменной печи так высока, что складывать ее потребовалось из кирпичей, сделанных лишь из особых, огнеупорных сортов глины. В те годы самой стойкой показала себя белая глина (каолин), состоящая, в основном, из водных силикатов алюминия. Глину обжигали, чтобы удалить воду и спечь, получив шамот, затем его перемалывали и после добавления дополнительных ингредиентов формовали в кирпичи.
Стоит заметить, что кузнецы Средних веков относились к чугуну пренебрежительно: при всей своей высокой твердости, он исключительно хрупок и обычной ковке молотом не поддавался. Однако после того, как из него стали лить ядра, пушки, а затем рельсы и мосты, именно он стал основным для черной металлургии. «Доменно–каолинная» технология просуществовала несколько столетий, вплоть до начала XIX в.
Стальная революция
Следующий прорыв связан с созданием технологий получения из чугуна еще более удобных сплавов железа — сталей. Для этого требуется всего лишь снизить содержание углерода, однако долгое время добиться этого можно было лишь очень долгим и сложным способом, включавшим дополнительную проковку. Сталь не была массовой до тех пор, пока в 1780-х не появился новый революционный метод пудлингования.
В пудлинговой печи контакта чугуна с топливом не происходило. Уголь сгорал в очаге, тепло от которого направлялось к рабочему пространству, превращая загруженный чугун в тестообразную массу. При этом стены печи покрывали слоем глины, смешанной с оксидами железа, которые помогали углероду в расплавленном чугуне окисляться. При огромной температуре и за счет особого покрытия углерод и примеси выгорали, и в расплаве появлялись кристаллы достаточно чистого железа. Собрав их в комок, рабочие вытаскивали его из печи и отправляли на проковку.
Вскоре для пудлинговых и доменных печей было найдено и новое огнеупорное покрытие, способное выдерживать температуры, намного выше, чем шамот. Кремнезем — диоксид кремния — при нагревании спекается в огнеупорную стекловидную массу. Уже в 1820-х в Англии, где вовсю бушевала промышленная революция, была разработана технология получения огнеупорных кирпичей из богатой кремнеземом динасовой глины.
Вскоре доменные и пудлинговые печи начинают работу во всех развитых странах: с 1819 г. — во Франции, с 1835 г. — в Австрии, а в 1837 г. и в России открылся первый пудлинговый Камско-Воткинский завод. Металлургия стала обеспечивать возрастающие потребности человечества в «черном» металле. Континенты рассекли железные дороги, в моря вышли железные пароходы, артиллерия вооружилась внушительными пушками.
Между Бессемером и Мартеном
Потребности цивилизации в стали все росли, и технологии быстро совершенствовались. В середине XIX в. Генри Бессемер нашел, что «обезуглероживание» чугуна станет более эффективным, если сквозь ванну с расплавом продувать воздух. Однако бессемеровской переделке поддавался далеко не любой чугун: если он содержал фосфор, то при нагревании до красного каления резко терял всю свою прочность.
Железные руды с низким содержанием фосфора достаточно редки, удалить же его из чугуна в печи не позволяла простая химия: шамотные и динасовые кирпичи создают в ней кислую среду, в которой нужные реакции не протекают. Решение нашлось лишь в 1877 г., когда Сидни Томас и Перси Джилькрист получили патент на новую технологию переделки чугуна — с добавлением связывающей фосфор извести и с облицовкой печи из материалов, содержащих щелочные оксиды магния и кальция.
В самой Англии к новому процессу отнеслись с недоверием. Вплоть до начала ХХ в. металл, изготовленный по этой технологии, ценился не слишком высоко, и даже фирма Lloyd’s брала повышенную плату за страхование судов, изготовленных из «томасовского» металла. Такой консерватизм обошелся англичанам дорого: к концу XIX в. Германия, вооружившись методом Томаса, стала металлургическим и промышленным лидером Европы.
Распространение томасовского процесса привело к тому, что с 1880-х внутренние поверхности сталеплавильных печей все чаще отделывали щелочными (основными) огнеупорами. Изготовленные, например, из минерала магнезита, они позволили поднять температуру до 1700 °С и открыли дорогу новой металлургической технологии — пришло время мартеновских печей.
Эра Мартена
Идею о превращении мягкого железа в сталь погружением его в расплав чугуна еще в 1722 г. высказал Рене Реомюр (тот самый, который изобрел спиртовой термометр и предложил свою температурную шкалу). Однако температура для этого требовалась настолько высокая, что реализовать процесс было невозможно вплоть до появления печей нового типа.
Первый шаг к ним сделал Фридрих Сименс, придумавший подавать в печь воздух, предварительно прошедший через систему труб и как следует прогретый. А завершил работу Пьер Мартен, который в 1860-х запатентовал процесс, позволявший расплавлять чугун, загружать его металлоломом или рудой — и получать сталь нужного качества и состава.
Первые мартеновские печи облицовывались по-старинке, денисовскими кирпичами, но вскоре их вытеснили более выносливые основные огнеупоры, получаемые из обожженного магнезита. Помимо прочего, они позволяли работать с большим спектром железных руд — и в 1880 г. на территории современной Польши была получена первая сталь, выплавленная в мартеновской печи с использованием магнезитовых огнеупоров.
В следующие десятилетия весь мир принялся осваивать внезапно ставший таким важным магнезит. Его добыча и производство из него огнеупорных изделий одно за другим начинаются в Австро-Венгрии, Германии, США, а около 1896 г. и на Урале было открыто огромное Саткинское месторождение. С началом нового века здесь открывается новый магнезитовый завод — впоследствии одно из передовых предприятий советской промышленности, а сегодня — ключевая часть компании «Магнезит», ведущего поставщика огнеупорных изделий для всей российской металлургии. Впрочем, это уже совсем другая история.
История производства стали
История производства стали берет начало с тех времен, когда на земле появилось человечество. За все это время сделано огромное множество замечательных открытий и изобретений. Но способы добычи стали по праву можно назвать главным среди всех изобретений, среди всех открытий. Автор фото: Сергей Богомяко
Это благодаря стали человек стал могущественным, способным сдвигать горы и поворачивать реки, смог покорить океаны и небесные выси. Тысячелетия отделяют нас от того времени, когда впервые был получен этот поистине чудесный материал.
Изготовление некоторых видов стали долгое время было в секрете. Так на протяжении столетий существовала тайна булата, которую смогли разгадать только в XIX столетии, (подробнее: Изготовление булата). В наши дни мощь и богатство любой страны определяются в первую очередь тем, сколько стали выплавляют ее заводы.
Добыча руды
Для производства стали прежде добывают руду и топливо. Но, даже имея в достаточном количестве железную руду и каменный уголь, (подробнее: Природные энергоносители) нельзя еще приступать к изготовлению стали. И руду и уголь необходимо по-особому приготовить. Руду обогатить, из каменного угля сделать кокс.
Обогащение руды
Долгий и сложный путь проделывает руда, прежде чем превратится в сталь. И первый этап на этом пути – обогащение руды на обогатительная фабрика. Сначала руду дробят с помощью машин, которые так и называются дробилками. Первая, самая мощная, раскалывает крупные глыбы на куски. Затем вторая превращает эти куски в щебень и так далее.
До тех пор, пока из руды не получится крупа. Но и этого еще не полное обогащение. Далее отправляют руду на мельницу и превращают ее в порошок. И только теперь начинается то, что металлурги называют обогащением, – отделение руды от сопутствующей породы, с которой она вместе лежала в земле. Происходит это так. Порошок смешивают с водой и пропускают между магнитами.
Магниты и выбирают из мутного потока частицы магнитного железняка. А то, что не нужно, – это уже не трудно догадаться, – уносится водой. Но даже такая отобранная руда еще не пригодна для дальнейшей переработки. Содержание железа в ней значительно повысилось. Однако и это еще не все. Руду снова надо превратить из порошка в куски. Для этого порошок смешивают с коксом, известью и сильно нагревают.
Для выплавки стали главным топливом служит каменный уголь. Но не в том виде, который добывают шахтеры. Добытый уголь содержит много примесей, которые могут вредно повлиять на будущий металл. И поэтому их необходимо удалить. Уголь, как и руду, для этого сначала размалывают в тончайший порошок. Потом этот порошок в специальной камере нагревают без доступа воздуха.
Из угля выделяются газ и смола. Вместе с ними уходят и другие ненужные примеси. А сам угольный порошок спекается в плотную пористую массу. Пышущую жаром массу выталкивают из камеры на металлическую платформу и охлаждают водой. От резкого охлаждения масса разваливается на куски. Эти куски и есть кокс. Вот теперь и руда и топливо подготовлены.
Можно приступать к плавке. Но пока еще не к плавке стали. Прежде чем железная руда превратится в сталь, ей еще предстоит стать чугуном. Этот процесс происходит в домне. Домна – это печь-гигант. Даже десятиэтажный дом не кажется очень большим рядом с такой печью. Горит эта печь непрерывно в течение десятков лет.
Металлурги время от времени загружают в нее руду, кокс и известь – она тоже во время плавки необходима, – и выпускают готовый чугун. Какие процессы происходят в домне, как руда превращаться в чугун? Чтобы разобраться в этом, надо снова вернуться к железной руде.
Чугун
Железная руда – это окисленный металл, т.е. соединение железа с кислородом. Для получения чистого металла необходимо вести борьбу с кислородом. Эта борьба начинается, когда металлурги загружают в домну руду и кокс.
При высокой температуре кислород соединяется с углеродом кокса и расстается с железом. Получается углекислый газ. А оставшийся углерод тут же занимает место кислорода и соединяется с железом. Железо плюс углерод – это и есть чугун. Чтобы ускорить плавку, в металлурги стали использовать кислород против кислорода. Для того чтобы жарче горело пламя, в домну накачивают не просто воздух, а чистый кислород. Современные домны работают на природном газе. А это не только ускоряет плавку, но и значительно сокращает расход кокса. Что дает возможность получать более дешевый чугун.
Путь удешевления металла
Металлургия прошла еще один путь удешевления металла. Путь этот – замена дорогого человеческого труда трудом машин. Если раньше все работы по обслуживанию домны в основном выполнялись вручную, теперь в помощь металлургам пришли транспортеры, погрузочные механизмы, подъемные краны. Многие операции вообще выполняются без участия человека.
К желобу, по которому из печи выпускают металл, подъедет железнодорожная платформа с ковшами. Специальная бурильная машина рассверливает отверстие для слива металла, оно называется леткой. А закрывают леточное отверстие с помощью специальной пушки.
Посредством поршневого механизма подается огнеупорная масса, которой и закрывается канал после слива чугуна. Сразу же после слива металла начинается загрузка шихтового материала через колошник – верхнюю часть печи, ведь плавка в домне идет непрерывно.
Речь идет о том, как руда превращается в сталь. Ведь чугун, первая ступень на пути этого превращения. Но чем отличается чугун от стали, ведь это тоже металл? Чугун нельзя ковать, трудно обрабатывать на металлорежущих станках. И это потому, что в нем очень много углерода. А углерод – вещество хотя и очень твердое, но хрупкое.
Вот и железо, соединившись с ним в доменной печи, стало очень хрупким. Другое дело – сталь. Она и ковке поддается – ее можно штамповать, придавать стальным листам разную форму. Ее и на станках обрабатывают, вытачивают всевозможные детали.
Чугун так же необходим в производстве. Из него отливают те изделия, которые потом не требуют тщательной обработки. Например, станины, на которых станки стоят, маховики для моторов, трубы. Но основная часть чугуна, идет в дальнейшую переработку – на изготовление стали.
Мартеновские печи
Один за другим наполнились ковши – чугуновозы, и состав отправляется в цех, где выстроились в ряд мартеновские печи. Что такое мартеновские печи? Здесь уже знакомый нам чугун снова попадает в пламень. Правда, не сразу. Такое количество чугуна, которое прислала сюда домна, мартены переработать сразу не могут. Их в цехе много, но они значительно меньше домны.
Поэтому чугун сначала попадает в термосы. Здесь, в мартеновском цехе, их называют миксерами. Их задача: не дать чугуну охладиться, сохранить его жидким. Отсюда по мере необходимости и берут его сталевары для заливки в мартены. Не просто сварить сталь. Тем, кто это делает, не только многое уметь надо, но и очень многое знать.
Ведь это от них зависит, какая сталь выйдет из мартена – прочная ли и упругая, из которой потом изготовят рельсы для поездов и самые ответственные детали машин, или мягкая, которая пойдет, к примеру, на изготовление листов для крыши. Каждую марку стали варят в мартенах по особой технологии. Тут и металлолом, и цветная руда, и марганец, и никель, и хром и многое-многое другое требуется.
А главное, конечно, чугун. Началась загрузка печи. Подъемные краны одну за другой подхватывают многотонные коробки – мульды, заносят в печь и высыпают содержимое. Называется эта операция завалкой печи. Но вот опрокинут последний короб. Все сильней бушует в печи пламя. Бригадир смотрит на приборы.
Металлолом, известь и руда достаточно прогрелись. Настал момент заливать чугун. Его уже привезли из миксеров, он стоит тут и нестерпимо пышет жаром. Стальная рука крана подхватывает ковш и выливает расплавленный чугун в огнедышащую пасть мартена. Варка стали началась. Теперь все зависит от сталевара, от его умения, опыта. Автор фото: Сергей Богомяко
Конечно, современному сталевару верно служит техника. Она вооружила его разными приборами. Они подробно сообщают ему о том, что делается в печи, но нет-нет да и опустит бригадир на глаза защитные очки, заглянет через специальное отверстие в клокочущее нутро мартена. Время от времени посылают сталевары пробы металла в специальную лабораторию.
Очень быстро работает лаборатория. Ее даже за скорость на металлургических заводах называют «экспресс-лабораторией». Так скоро сообщает она тем, кто стоит у мартенов, сколько в данный момент углерода, серы, фосфора и других элементов в металле. Но вот проходит положенный срок, взята последняя проба, по всему цеху разнесся по радио результат последнего анализа – металл готов.
Словно солнце вспыхивает в цехе. Поток металла устремляется в изложницы. Но что же произошло в мартене? Почему чугун превратился в сталь? Чтобы это понять, вспомним, что произошло с рудой в домне. Там, железо рассталось с кислородом. Его место занял углерод. В мартене из чугуна удаляют часть углерода. Он сгорает в кислороде воздуха, который непрерывно подают в печь автоматы.
И чем больше выгорает углерода, тем более вязкой, более мягкой выходит из печи сталь. А если от нее требуются какие-то основные качества, их придадут ей специальные добавки – марганец, хром, кремний. Словом, то, что положено по технологии для данной марки стали. Технике нужна разная сталь. И сталевары выполняют все ее запросы. Сталь сварена.
Выпущенная из мартена, она попала в изложницы. Здесь она постепенно охладилась и застыла. Но изложницы – это огромные ванны. И когда сталь вынимают из них, получаются слитки металла в несколько тонн весом. Поэтому сталь сначала превращают в бруски, удобные для работы. Делают это на специальных обжимных станах. Их называют блюмингами.
Современный блюминг – очень большая и сложная машина. Она похожа на длинную роликовую дорогу. Заранее разогретые огромные слитки металла с большой скоростью проносятся по ней. По пути они попадают в стальные валки. Эти валки со всех сторон обжимают слитки и превращают их в бруски нужных размеров. Автор фото: Сергей Богомяко
И только после этого бруски отправляют на прокатные станы, где из них делают рельсы, балки, трубы, стальные листы или толстые и тонкие прутки. Все, что необходимо.
Кислородно-конвертерный способ
Кроме мартеновского способа производства стали на современном этапе существует кислородно-конвертерный способ с комбинированной продувкой. Процесс получения стали из чугуна этим способом происходит без затрат топлива. В конвертере происходит продувка чугуна чистым кислородом.
Чугун окисляется, происходит выделение тепла, сгорают ненужные примеси и, как результат, происходит раскисление металла. История производства стали непростая. Чтобы выйти на современный уровень, было пройдено много этапов. От слитка металла полученного на костре и поковки в кузне, до современных сталеплавильных заводов с прокатными и механическими цехами.
Читайте также: