Когда научились выплавлять сталь
Обновлено: 08.05.2024
После угля, цемента, нефти и древесины сталь является самым используемым материалом в мире. Из нее делают детали для автомобилей, самолетов и поездов, ее применяют в производстве бытовой техники, посуды, труб и много где еще. Причина такой востребованности проста. Дело в том, что сталь — материал ковкий и крайне прочный, он легко принимает форму, а при наличии правильного количества примесей практически не поддается коррозии.
О том, как она производится, читайте в этом материале.
Немного истории
Первые изделия из стали были созданы еще до нашей эры. Тогда для производства использовались так называемые сыродутные печи. Механизм их работы был прост: древесный уголь и куски железа слоями закладывали в выкопанную яму. В процессе горения между ними продували холодный воздух, что приводило к соединению кислорода с углеродом, находящимся в руде. В результате образовывался кусок «запеченного» железа с примесями шлаков, который после нагревали и выковывали.
Именно этой технологией несколько сотен лет пользовались люди в разных странах, чаще всего, для создания оружия. Так, например, около 200 лет до нашей эры кельты модернизировали этот способ: они резали кованое железо на тонкие полоски, складывали их в контейнер с обожженными костями, а затем нагревали его 10–12 часов на сильном огне. Позже получившиеся куски сваривали между собой и ковали ножи. Именно такой «кельтский» способ производства в 1050 г. нашей эры скопировали викинги и немцы, которые так делали стальные клинки. Стальное оружие изготавливали в Европе, Японии и других странах.
Проблема заключалась лишь в том, что наши предки не могли разогреть железо до температуры плавления — 1540 градусов по Цельсию. Поэтому им и приходилось спекать куски, что было очень трудоемко. Однако в XVIII веке все изменилось, когда английский металлург Бенджамин Гентсман открыл производство литейной стали. Для этого он переплавлял куски чугуна и сварного железа с примесью флюса, то есть вещества, которое помогало отделять металл от пустой породы. В континентальную Европу этот метод просочился только в начале XIX века благодаря предпринимателю Фридриху Круппу, основавшему первый литейный завод в Германии.
С тех пор сталь получила широкое распространение и применялась, прежде всего, в военной промышленности.
Производственный процесс
Сталь — это сплав железа с углеродом, в котором содержится не менее 45% железа и от 0,02 до 2,14% углерода. Именно от последнего элемента зависят основные свойства стали.
Чтобы производить сталь, нужно для начала добыть руду и каменный уголь, а затем обработать их специальным способом. Железную руду необходимо обогатить. Для этого ее дробят, а затем магнитом отделяют кусочки, в которых присутствует металл. С углем тоже не все так просто, поскольку в природном виде он содержит большое количество примесей, поэтому его также перемалывают, а затем просушивают в специальной «духовке», получая кокс.
Когда обогащенная железная руда и кокс подготовлены, их смешивают с известью и отправляют в печь, где при высокой температуре выплавляется чугун. А уже из чугуна производится сталь.
Чугун обогащен углеродом, который придает сплаву хрупкость. Также в нем все еще много ненужных примесей. Поэтому главные задачи при производстве качественной стали — вывести из состава как можно больше ненужных веществ, а также уменьшить концентрацию углерода до необходимых значений (от 0,02 до 2,14%).
Три основных стадии производства стали
На данном этапе в ванну, расположенную в печи, закладывается шихта — в нашем случае, смесь чугуна с примесями других элементов. Смесь нагревается и расплавляется, а железо окисляется (то есть, забирает кислород), при этом оно окисляет примеси металлов, а именно фосфор, кремний и марганец. Главная задача первой стадии технологического процесса — удаление фосфора.
Итак, ванна нагревается. Под действием температуры часть примесей отделяются и поднимаются на поверхность, превращаясь в шлак. В это время оксид фосфора с оксидом железа создает неустойчивое соединение, которое реагирует с поднявшимся в шлак оксидом кальция. В результате еще одной химической реакции ненужный фосфор остается на поверхности, откуда его можно легко удалить.
Температуру в печи повышают, а внутрь нагнетают чистый кислород. Из-за этого углерод, находящийся в смеси, начинает окисляться — то есть взаимодействовать с кислородом. Соединившись с ним, он превращается в газообразный оксид углерода и с пузырьками покидает смесь. Это создает эффект кипения ванны.
В результате такого взаимодействия количество углерода снижается. А мы с вами помним: чем меньше углерода — тем крепче сплав. Так чугун начинает превращаться в сталь.
Еще один побочный, но полезный эффект процесса заключается в том, что к всплывающим пузырькам «прилипают» неметаллические примеси, что приводит к улучшению качества расплавленного металла. При этом вредная для стали сера также удаляется на этом этапе: когда температура повышается, она в составе сульфида железа реагирует с кальцием и отправляется в шлак. При этом металл остается в смеси.
Итак, количество углерода снизили. Однако в результате химических реакций в смеси теперь достаточно много кислорода, который негативно влияет на свойства стали. Очевидно, что его необходимо удалить. Этот процесс и называется раскислением.
Способов существует несколько, но самых распространенных два. Смысл в том, что в ванну добавляют металлы, которые реагируют с кислородом гораздо активнее, чем железо. В одном случае их примешивают к непосредственно к сплаву, в другом — к шлаку. В результате химической реакции чистое железо отделяется от кислорода и остается в смеси, в то время как кислород с добавленными металлами собирается на поверхности.
В результате концентрация железа увеличивается, кислорода — уменьшается. Так получается сталь. Добавим, что отделившийся шлак не выбрасывают, а пускают в производство. Например, из него делают черепицу и кирпич, добавляют в цемент и так далее.
Разновидности и применение
Сталь можно классифицировать несколькими способами. Прежде всего, она делится по химическому составу с учетом наличия или отсутствия примесей:
• Углеродистые стали не содержат примесей. В зависимости от количества углерода в составе, бывают низкоуглеродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3–0,55%) и высокоуглеродистые (0,6–2,14% С). Напоминаем, чем больше углерода в составе, тем более прочной, но менее пластичной она становится.
• Легированные содержат различные примеси, в зависимости от их количества делятся на низколегированные — до 4% легирующих элементов, среднелегированные — до 11% и высоколегированные — свыше 11% примесей.
По назначению стали делятся на множество категорий, расскажем об основных.
• Конструкционные. Используются для изготовления деталей, механизмов и конструкций в строительстве и машиностроении. Бывают легированными и углеродистыми, в зависимости от необходимых свойств сплава.
Что делают: проволоку, гвозди, крепежные детали, пружины, железнодорожные и трамвайные вагоны, детали автомобилей.
• Нержавеющие. Легированная сталь, которая устойчива к коррозии в атмосфере и агрессивных средах. Ее получают путем добавления в сплав азота, алюминия, серы, кремния, хрома, никеля, меди, титана и других элементов.
Что делают: кухонную технику (плиты, холодильники, микроволновки), сантехнику, посуду, части мебели и окон, ограждения и водостоки, ключевые узлы в автомобилях (двигатели, коробки передач), трубы в химической промышленности, элементы фильтров и так далее.
• Инструментальные. Сталь с содержанием углерода от 0,7% и выше. Отличается твердостью и плотностью и, как не трудно догадаться, из нее изготавливают инструменты.
Что делают : колуны, молотки, кусачки, плоскогубцы, пилы, стамески, напильники, бритвенные лезвия и ножи, хирургические инструменты, отвертки, заклепки и многое другое.
• Жаропрочные. Легированная сталь, которая отличается способностью работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения.
Что делают : детали конструкций двигателей внутреннего сгорания, клапаны авиационных поршневых моторов, элементы газовых турбин, части реактивных двигателей и так далее.
• Криогенные. Легированные стали, которые могут выдерживать температуру ниже точки кипения кислорода, то есть ниже -183 градусов по Цельсию. Для получения этих свойств в сплав добавляются никель, хром и марганец.
Что делают: детали арматуры, части авиакосмической техники, детали сверхпроводящих магнитов и установок термоядерного синтеза.
Сталь сегодня. Крупнейшие российские производители
В 2021 г. мировое производство стали достигло рекордного значения — 1950,5 млн тонн. Лидером, несмотря на снижение выпуска, остается Китай. На втором месте находится Индия, на третьем — Япония. Четвертую строчку в рейтинге занимает США. Россия в этом списке располагается на пятой позиции.
Крупнейшие российские производители стали — НЛМК, ММК, Северсталь и Евраз.
Это международная сталелитейная компания с активами в России, США и странах Европы. Основное предприятие — Новолипецкий металлургический комбинат, построенный в 1930-ых гг. В группу входят площадки, на которых происходит полный производственный цикл — от добычи сырья до выпуска готовой продукции.
Металлопродукция НЛМК применяется в стратегических отраслях экономики: от машиностроения и строительства до производства труб большого диаметра и энергетического оборудования.
На 2021 г. компания — крупнейший производитель стали в России.
Магнитогорский металлургический комбинат — одно из крупнейших предприятий отрасли в СНГ. Его строительство началось в 1929 г. ММК входит в число крупнейших мировых производителей стали, имеет сталеплавильное производство в Турции.
ММК производит различную металлопродукцию, которая используется в автопроме, судо- и мостостроении, в производстве бытовой техники, трубной промышленности, а также в производстве товаров народного потребления.
В 2021 г. выручка ММК выросла на 86,6% относительно предыдущего года. Компания поставляет продукцию в регионы РФ и страны ближнего зарубежья.
Череповецкий металлургический комбинат должны были построить в 1940-х гг., однако этого не произошло из-за начала Великой отечественной войны. Поэтому свою историю компания отчитывает с 1955 г., когда было запущено производство. Комбинат является одним из ведущих производителей стали в России на листовом прокате. Также занимается производством труб, добычей и обогащением железной руды
По итогам 2021 г. компания представила сильные результаты. Ее выручка увеличилась, несмотря на снижение цены на стальную продукцию.
В феврале 1992 г. была основана компания Евразметалл, которая занималась продажей металлопродукции. В 1995 г. ее в состав вошел Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК), в 2002 г. — Западно-Сибирский металлургический комбинат (ЗСМК).
Evraz Group имеет активы в России, Канаде, США, Италии, Казахстане и Чехии. Штаб-квартира находится в Лондоне.
НТМК занимается доменным, коксохимическим, прокатным, сталеплавильным и кислородным производствами. Комбинат выпускает чугун, шлак, сталь для железнодорожного транспорта, в том числе, профили для вагоностроения, рельсы и колеса. Также из стали на предприятии делают трубы большого диаметра для магистральных газопроводов. НТМК производит более 1200 марок стали.
В ЗСМК занимаются доменным, сталепрокатным, коксохимическим и другими видами производств. Выпускаются проволока, стальные трубы, рельсы, товары народного потребления, металлургическая продукция для строительной отрасли.
Интересные факты
• Сталь — один из самых перерабатываемых металлов в мире, потому что его легко переплавить. По статистике, более 60% сплава перерабатывается. Это значит, что больше половины всей стали используется повторно.
• Нержавеющую сталь изобрели случайно. Английский металлург Гарри Брирли пытался создать сплав, который бы защитил жерла пушек от эрозии, то есть от износа, связанного с высокими температурами. Однако в процессе исследования выяснилось, что если сталь содержит от 12 до 20% хрома, то она сопротивляется кислотной коррозии.
• Существует мыло из нержавеющей стали. Если подержать его в руках какое-то время, оно удалит любой, даже самый неприятный запах.
• Высота Эйфелевой башни в зависимости от времени года может меняться на 15 сантиметров. Это связано с тем, что стальные элементы конструкции имеют свойство сжиматься при охлаждении и расширяться при нагреве.
• Для постройки некоторых спутников, измеряющих радиацию в космосе, в 1950-ых гг. американцы подняли со дна стальные части затонувшего в 1919 г. корабля «Кронпринц Вильгельм».
БКС Мир инвестиций
3 обучающих курса
Комментарии
Покупайте ценные бумаги любимых брендов в один клик
Copyright © 2008– 2022 . ООО «Компания БКС» . г. Москва, Проспект Мира, д. 69, стр. 1
Все права защищены. Любое использование материалов сайта без разрешения запрещено.
Лицензия на осуществление брокерской деятельности № 154-04434-100000 , выдана ФКЦБ РФ 10.01.2001 г.
Данные являются биржевой информацией, обладателем (собственником) которой является ПАО Московская Биржа. Распространение, трансляция или иное предоставление биржевой информации третьим лицам возможно исключительно в порядке и на условиях, предусмотренных порядком использования биржевой информации, предоставляемой ОАО Московская Биржа. ООО «Компания Брокеркредитсервис» , лицензия № 154-04434-100000 от 10.01.2001 на осуществление брокерской деятельности. Выдана ФСФР. Без ограничения срока действия.
* Материалы, представленные в данном разделе, не являются индивидуальными инвестиционными рекомендациями. Финансовые инструменты либо операции, упомянутые в данном разделе, могут не подходить Вам, не соответствовать Вашему инвестиционному профилю, финансовому положению, опыту инвестиций, знаниям, инвестиционным целям, отношению к риску и доходности. Определение соответствия финансового инструмента либо операции инвестиционным целям, инвестиционному горизонту и толерантности к риску является задачей инвестора. ООО «Компания БКС» не несет ответственности за возможные убытки инвестора в случае совершения операций, либо инвестирования в финансовые инструменты, упомянутые в данном разделе.
Информация не может рассматриваться как публичная оферта, предложение или приглашение приобрести, или продать какие-либо ценные бумаги, иные финансовые инструменты, совершить с ними сделки. Информация не может рассматриваться в качестве гарантий или обещаний в будущем доходности вложений, уровня риска, размера издержек, безубыточности инвестиций. Результат инвестирования в прошлом не определяет дохода в будущем. Не является рекламой ценных бумаг. Перед принятием инвестиционного решения Инвестору необходимо самостоятельно оценить экономические риски и выгоды, налоговые, юридические, бухгалтерские последствия заключения сделки, свою готовность и возможность принять такие риски. Клиент также несет расходы на оплату брокерских и депозитарных услуг, подачи поручений по телефону, иные расходы, подлежащие оплате клиентом. Полный список тарифов ООО «Компания БКС» приведен в приложении № 11 к Регламенту оказания услуг на рынке ценных бумаг ООО «Компания БКС». Перед совершением сделок вам также необходимо ознакомиться с: уведомлением о рисках, связанных с осуществлением операций на рынке ценных бумаг; информацией о рисках клиента, связанных с совершением сделок с неполным покрытием, возникновением непокрытых позиций, временно непокрытых позиций; заявлением, раскрывающим риски, связанные с проведением операций на рынке фьючерсных контрактов, форвардных контрактов и опционов; декларацией о рисках, связанных с приобретением иностранных ценных бумаг.
Приведенная информация и мнения составлены на основе публичных источников, которые признаны надежными, однако за достоверность предоставленной информации ООО «Компания БКС» ответственности не несёт. Приведенная информация и мнения формируются различными экспертами, в том числе независимыми, и мнение по одной и той же ситуации может кардинально различаться даже среди экспертов БКС. Принимая во внимание вышесказанное, не следует полагаться исключительно на представленные материалы в ущерб проведению независимого анализа. ООО «Компания БКС» и её аффилированные лица и сотрудники не несут ответственности за использование данной информации, за прямой или косвенный ущерб, наступивший вследствие использования данной информации, а также за ее достоверность.
Когда научились выплавлять 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.
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%.
История стали
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.
История развития сталеплавильного производства
Исторически развитие металлургии тесно связано с механическим прогрессом в целом. История массового производства стали начинается в 19 в. Именно во второй половине 19 в. были созданы процессы и агрегаты для производства стали, лежащие в основе сталеплавильного производства и по сей день.
В течение тысячелетий («железный век» с 2000 г. до нашей эры) железо получали в сыродутных горнах (кричное железо). С течением времени их размеры постоянно увеличивались. В 18 в. уже были сооружения объёмом 3,4-4,5 м 3 (1,8 - 2,1 т). Это открыло возможность получения непосредственно чугуна. Наметился постепенный переход к шахтным печам, производящим чугун из руды с использованием древесного угля (доменные печи). Увеличение объёмов производства привело к уничтожению лесов в промышленно развитых районах к началу 18 в.
В 1709 г. Абрахам Дерби предложил и реализовал получение чугуна в шахтной печи с использованием каменноугольного кокса. Для производства стали по - прежнему использовали древесный уголь.
В 1784 г. Генри Корт изобрёл процесс «пудлингования», который позволял использовать каменный уголь для производства стали. В пудлинговой печи топливо и чугун не контактировали, что исключало загрязнение металла серой.
Пудлинговые печи давали до 2-х т пудлингового железа или стали за плавку.
Затем из него производили «сварочную сталь».
В первой половине 18 в. Бенджамин Хансмен предложил переплавлять пудлинговое железо в тигле для усреднения химсостава. В результате получалась литая сталь (тигельный процесс).
Однако, подлинно массовое производство стали началось во второй половине 19 века после изобретения Генри Бессемером в 1855 г. способа выплавки стали в конвертере путём продувки чугуна воздухом. (Следует отметить, что первые опыты по продувке чугуна воздухом были проведены в 1847 г. американским инженером В.Келли).
Большая заслуга в реализации идеи Бессемера принадлежит шведскому инженеру Г.Ф.Черенсену, который купил патент у Бессемера и доработал конструкцию конвертера, подобрал состав чугуна и в 1858г. получил хорошую сталь.
В 1864г. Вильгельм Сименс и Пьер Мартен, на одном из заводов на юге Франции впервые выплавили сталь на подине пламенной отражательной печи, в которой использовался предложенный братьями Сименсами принцип регенеративного подогрева воздуха теплом обходящих газов – т.н. мартеновская печь. Она позволяла не только получать сталь из жидкого чугуна, но и переплавлять стальной лом. В России первая мартеновская печь была построена в 1869 – 1870 г.г. на Сормовском завод.
Следующим крупным шагом в развитии сталеплавильного производства было осуществление в 1877 –1878 г.г. Сиднеем Томасом переплава чугуна в конвертере с основной футеровкой (дополнительно обожженный). Это позволило переплавлять чугуны с достаточно высоким содержанием фосфора, т.к. можно было применять основные шлаки.
В первоначальном виде ни конвертерный, ни мартеновский процессы, будучи кислыми, не позволяли удалять фосфор и серу из металла.
Использование основной футеровки расширило возможности сталеплавильного производства и привело к резкому возрастанию объёмов производства стали. Наличие лома в виде отходов прокатного производства, металлообрабатывающей промышленности, амортизационного железнодорожного лома (накопление которого уже началось в конвертерах во второй половине XIX в.), а также невозможность переплавлять существенные количества лома в конвертерах, способствовало интенсивному развитию мартеновского способа производства стали.
Тем не менее, в первые два десятилетия мартеновский скрап-процесс не занимал ведущего места, т.к. не хватало лома. В это время на русских заводах содержание чушкового чугуна в завалке достигало 75-100%. В 80-х годах дефицит лома и отсутствие во многих странах руд, пригодных для выплавки томасовских и бессемеровских чугунов, стимулировали освоение мартеновского процесса на жидком чугуне (скрап-рудный процесс).
Таким образом, в XIX веке и начале XX в. основное количество стали еще изготовляли в конвертерах. Мартеновский процесс развивался параллельно, поглощая запасы лома. В 1908г. впервые объем мирового производства мартеновской стали превысил количество металла, выплавляемого в конвертерах. В 1935 - 1955гг. доля томасовской стали не превышала 15-20%. И только через 63 года, в 1971г. бурно развивающийся кислородно-конвертерный процесс обогнал по количеству выплавляемой стали мартеновский процесс.
Параллельно с развитием упомянутых ранее сталеплавильных процессов постепенно увеличивалась и доля производства стали в дуговых печах, потребляющих лом. Однако этот процесс, специализируясь на изготовлении легированного металла, долгое время не мог конкурировать с мартеновским в области массового производства металла широкого потребления.
Развитие электрометаллургии, особенно на начальном этапе, было тесно связано с развитием энергетики и успехами науки, в первую очередь:
- В 1753 г. академик Петербургской академии наук Георг Вильгельм Рихман доложил о возможности применения электрических разрядов для плавления металлов;
- В 1782 г. немецкий физик Герг Кристоф Лихтенберг сообщил о том, что с помощью искрового разряда ему удалось расплавить и соединить тонкие стальные пластинки и проволочки;
- Алессандро Вольта в конце 1799 г. создал первый источник электрического тока – гальваническую батарею (Первый вольтов столб состоял из 20 пар медных и цинковых кружочков, разделенных суконными кружочками, смоченными соленой водой);
- В 1801 г. Л. Тенар установил, что платиновая проволока нагревается электрическим током;
- В 1802 г. Василий Владимирович Петров открыл электрическую дугу на 8 лет раньше англичанина Гэмфри Дэви, впервые показал возможность использования электроэнергии для проведения технологических процессов. Осуществил с помощью электрической дуги нагрев и плавление различных металлов, восстановление металлов из оксидов;
- В 1812 г. Г. Дэви разработал первые лабораторные электропечи сопротивления с прямым и косвенным нагревом, использовав их для исследования свойств щелочноземельных и благородных металлов;
- В 1826 г. Георг Симон Ом открыл основной закон электрической цепи, связывающий между собой силу тока, напряжение и сопротивление;
- Эмилий Христианович Ленц и Джеймс Прескотт Джоуль в 1841-1842 г.г. независимо друг от друга теоретически обосновали и сформулировали закон теплового действия электрического тока;
- Майкл Фарадей в 1831г. открыл явление электромагнитной индукции;
- Джеймс Клерк Максвелл в 1860 - 1865 годах опубликовал работы по теории электромагнитного поля;
- В 1884 г. Оливером Хевисайдом созданы теоретические основы индукционного нагрева металлов, которые были дополнены Томсоном в 1891 г. и Ивингом в 1892 г.;
- Инженер В.П. Ижевский в 1901г. создал «русскую печь» для плавки металлов;
- Владимир Федорович Миткевич 1904-1905гг. разработал теорию электрической дуги;
- Александр Николаевич Лодыгин в 1908г. опубликовал итоги работ по теории индукционных печей.
В 1839 г. Р. Хар (Великобритания) изготовил электропечь, накрытую колоколом, в которой создавал вакуум. Здесь он впервые осуществил разделение металлов, испаряя их энергией от гальванической батареи.
Впервые получить слиток из металла, расплавленным электричеством, удалось Д. Напьеру в 1884 г. Сделал он это в тигле с металлическим водоохлаждаемым днищем, подключенным к отрицательному полюсу батареи, положительный полюс которой был соединен с металлическим диском, находящимся на поверхности расплавленного металла.
Исследование технологических свойств дуги в 1849 г. начал Депре (Франция), расплавляя в графитовом тигле различные металлы.
В 1862 г. Бертело исследовал дугу, горящую между двумя угольными электродами в закрытом сосуде. В этом же году Депре разработал и конструкцию лабораторной печи сопротивления в виде небольшой трубки из кристаллического угля, закрывающейся с концов угольными пробками. К последним подводилось напряжение от батареи. В такой печи была достигнута настолько высокая температура, что испарялись огнеупорные оксиды.
Патент на первую электрическую печь с дугой косвенного действия в 1853 г. получил Пишон (Франция).
Однако эта печь и десяток других не находили практического применения до тех пор, пока не появились сильноточные генераторы.
В 1867г. Вильгельм Сименс на заседании Берлинской академии наук сделал доклад об открытии динамо - электрического принципа. Этот эффект открыл возможность широкого использования электричества в промышленных целях.
В 1879 г. В.Сименс разработал проекты двух дуговых печей.
В одной из них металл плавился «угольной дугой»прямого действия в графитовом тигле, в дно которого был вставлен медный электрод с водяным охлаждением, подключенный под положительный потенциал. Во второй печи металл плавился дугой косвенного действия, горящей между горизонтально расположенными электродами. Однако, тигли печей В.Сименса были небольшой емкости, и сталь, выплавленная в его печах, была сильно науглерожена. Поэтому, электропечи Сименса не нашли промышленного производства.
Электропечь американских изобретателей братьев Коулесс для получения алюминия была первой в истории техники, которая нашла широкое производственное производственное применение. В пространстве печи устанавливались по два электрододержателя с угольными электродами, подключенными к полюсам динамомашины. В печь загружали послойно древесный уголь, глинозем, измельченную медь.
Такие печи с небольшими усовершенствованиями работали с 1884 г. восемь лет до тех пор, пока не был внедрен электролизный метод получения алюминия. В его создании приняли участие В.А. Тюрин (1883 г., Россия), Ч.М. Холл (1886 г., США), австрийский химик, работавший в России, К.И. Байер (1893г.), А.Л.Т. Эру (1886 г., Франция) предложил печь с двумя электродами.
В 1883 году Ч. Брадлей изобрел процесс электроплавки в гарнисаже. Его печь для плавления руд электрическим током не требовала внешнего подвода тепла. Плавильное пространство печи ограничивалось самой шихтой. Руда на угольной подушке подключалась под положительный потенциал и в зоне вокруг электрода плавилась. Нерасплавленная руда и и остывший затвердевший сплав – гарнисаж – служили в качестве футеровки печи.
В 1888г горный инженер Н.Г. Славянов, работавший на Пермских пушечных заводах, изобрел способ электрической сварки металлов. Он же предложил применять флюсы для защиты зоны плавления сварочного электрода, что значительно улучшило качество сварочного шва. В 1895 г. Славянов предложил обогрев прибыльной части стального слитка электрической дугой, что привело к снижению потерь головной обрези с 30% до 3-4%.
В 90-е годы ХIX века проекты электропечей постоянно совершенствовались. Французский химик А. Муассан, как и ряд его предшественников предложил дуговую электропечь с косвенным нагревом, но применил управлять дугой с помощью магнита, расположенного вне печи. Это позволило Муассану получить высокую концентрацию энергии. Им были восстановлены в предложенной печи из оксидов хром, вольфрам, ванадий, титан, молибден, уран – металлы, которые до него считались невосстановимыми. Он также доказал, что в дуге любые металлы не только плавятся, но и испаряются. В 1898 г. в Италии Э. Стассано разработал и построил электропечь, в горне которой размещалось два угольных электрода.
Изобретатель получил железо непосредственно из руды, минуя стадию получения чугуна. Однако, для этого требовалась очень чистая руда и точное соблюдение режимов. Со временем печи Стассано вскоре были переоборудованы для выплавки стали из скрапа; эта были первые промышленные дуговые печи косвенного действия.
Эти печи оказались удобными для плавления цветных металлов. В 1918 г. в США появилась качающаяся однофазная печь фирмы «Детройт» для переплава меди и ее сплавов. Конструкция этой печи (цилиндрическая ванна качалась вокруг горизонтальной оси в процессе плавки; питание осуществлялось однофазным током с помощью двух горизонтально установленных по ее оси электродов) оказалась настолько удачной, что сохранилась почти без изменения до наших дней. Многочисленные попытки ее изменить оказались неудачными и не привились.
Прототипом современных электросталеплавильных печей явилась изобретенная в 1899г. французским инженером П.Л.Т. Эру печь с двумя вертикальными электродами, подведенными к металлической ванне. Их конструкция была проста: в прямоугольную вытянутую ванну сверху через отверстие в съемном своде входили два электрода, закрепленные в электрододержателях, перемещающихся вверх и вниз вдоль вертикальных стоек, чем осуществлялось регулирование тока дуги. Печь загружали через торцевые дверки, металл сливали при ее наклоне через летку. Ток между электродами, при этом, замыкался через ванну, а дуги горели между электродами и металлом (или шлаком).
Печи были маломощными и питались постоянным током 2-3 кА с U=45 B (позже переменным током с U = 80-100В) и работали на предварительно отделившего металл от атмосферы печи и позволившего в последствии выплавлять металл с определенным химическим составом. В 1900г. была получена первая продукция по этому способу на его заводе в Савойе. Основными недостатками этих печей были невысокое рабочее напряжение и, следовательно, малая удельная мощность; это приводило к удлинению периода расплавления металла.
Новый процесс не привлек широкого внимания по двум причинам:
- существовавшие способы – мартеновский, томасовский и тигельный позволяли получать сталь, отвечающую требованиям того времени;
- низкой эффективности дуговых печей.
Конструкторская мысль пошла по неправильному пути. Исходя из идеи, что эффективность работы печи можно заметно повысить, если организовать в ее ванне усиленную конвекцию путем, подогрева металла не только сверху, но и снизу, конструкторы сосредоточили усилия на создании такого подогрева пропусканием рабочего тока через всю толщину металла и подину. В 1900—1915 гг. появился ряд конструкций дуговых печей прямого действия с подовыми электродами.
Однако оказалось, что так как сопротивление металла в дуговой печи ничтожно мало, почти вся энергия в печах с подовыми электродами, как и в обычных печах, выделялась в дугах у поверхности металла, и желаемый эффект конвекции не достигался.
Тем не менее электропечи нашли свое применение при производстве высококачественных сталей (например для автомобильной промышленности ), которые получали до этого в тиглях.
Изобретение в 1891г. М.О. Доливо-Добровольским трехфазного электрического тока сделало возможным строительство трехфазных электрических печей. Кроме того, на основе работ Андреэ и Рикке, разработавших круговые диаграммы дуговых печей и построивших их электрические характеристики, было предложено изменить электрический режим дуговой сталеплавильной печи – вместо работы на низком питающем напряжении (около 90—130 В), рабочее напряжение печных трансформаторов повысили до 180— 230 В, что позволило при тех же размерах печи и токоведущих частей резко увеличить ее мощность, а следовательно, и удельную объемную мощность. Это привело к значительному сокращению времени расплавления металла, снижению доли тепловых потерь и повышению к. п. д. В результате все описанные, чрезмерно усложненные конструкции, обеспечивающие подогрев металла снизу, оказались ненужными, и печи Эру за несколько лет вытеснили из черной металлургии и печи с подовыми электродами, и печи косвенного действия.
Первая трехфазная печь емкостью 3т. была построена в Макеевке в 1910 г.
Примерно в это же время на заводе А. Тиссена были установлены две шеститонные печи. В 1912 г. там же построили печь ёмкостью 25 т. Уже в 1912 – 1915 г. г. в Германии и США производство электростали превысило производство стали в тигельных печах.
Большое значение для развития дуговых сталеплавильных печей имело появление в 1910—1911 гг. свинчиваемых непрерывных угольных, а затем и графитированных электродов.
Одновременно с дуговыми сталеплавильными печами развивались и дуговые рудовосстановительные печи. Основные достижения на пути совершенствования рудовосстановительных печей:
- применение трехфазного тока;
- разработка бифилярных токоподводов
- разработка самоспекающихся набивных электродов (Зоденберг 1921г.)
В начале века Россия значительно отставала от европейских стран и Америки по развитию электрометаллургии. До 1917 г. было всего 12 электрических печей общей ёмкостью 26 т. и в 1913 г. было выплавлено лишь 3,5 тыс.т. электростали (общее производство 4,2 млн. тонн) В годы первых пятилеток и предвоенные годы в СССР были построены крупные предприятия по производству электростали и ферросплавные заводы на базе отечественного оборудования: крупные электросталеплавильные цехи на заводах «Электросталь» г. Электросталь Московской обл., «Днепроспецсталь» г. Запорожье, Запорожский металлургический завод; в 30 – 40 годы пущены в эксплуатацию ферросплавные заводы: Челябинский электрометаллургический комбинат, Актюбинский, Ключевский, Кузнецкий заводы.
Таким образом в начале ХХ века были разработаны и широко использовались три основных способа производства стали Преимущественное развитие получил мартеновский процесс. Широкое распространение электросталеплавильного производства тормозилось недостатком и дороговизной электроэнергии, оно применялось в основном для производства специальных сталей, в первую очередь инструментальных и для производства ферросплавов. Томасовская сталь из-за повышенного содержания азота по качеству все меньше удовлетворяла требованиям промышленного производства и ее производство уменьшалось.
И только в 50 – х годах ХХ века использование кислородного дутья совершило буквально переворот в сталеплавильном производстве и способствовало бурному развитию кислородно-конвертерного процесса. Всего за одно десятилетие он стал основным видом производства стали в мире.
Первые промышленные цехи с 30 тонными конвертерами, работающими с применением чистого кислорода в дутье (LD – процесс), были введены в эксплуатацию в Австрии в 1952 –1953 г.г. на заводах в г. Линц и Донавиль.
Несомненным преимуществом кислородно-конвертерного производства стали в сравнении с мартеновским являются:
- меньшие эксплуатационные и капитальные затраты;
- более высокая производительность;
- меньшие затраты ручного труда;
- меньшее загрязнение окружающей среды;
- возможность автоматизации процесса.
Однако постепенное исчезновение мартеновского производства на фоне малого удельного расхода лома в конвертерном переделе, создало объективные предпосылки для параллельного развития высокопроизводительных способов производства стали в дуговых сталеплавильных печах, позволяющих перерабатывать значительное количество лома. Кроме того, удешевление электроэнергии обеспечило экономическую эффективность производства в дуговых сталеплавильных печах сталей массового сортамента. С 1960 г. по 1984 г. доля электростали в общем производстве стали в мире увеличилась с 10% до 23%, а в отдельных странах (США, Канада, Италия и пр.) превысила 30% и даже 50%.
Читайте также: