Первые шаги в производстве стали. Бессемеровский процесс

Десять тысяч лет назад наши предки научились обрабатывать камень; три тысячи лет назад-выплавлять бронзу, две тысячи лет назад-получать железо. Говорят о каменном, бронзовом и железном веках, но назвать какой-либо период времени веком стали археологи не могут. Хотя производство стали в больших количествах началось всего около 120 лет назад и она неотъемлема от нашей цивилизации, ее открытие уходит в далекое прошлое.

Первые шаги в производстве стали. Обыкновенная, или мягкая, сталь-сплав железа с небольшим количеством углерода. Мягкая сталь содержит 0,15-0,25% углерода в виде карбида железа (цементита). Сталь значительно тверже чистого железа, но не столь хрупка, как чугун (в котором содержится больше углерода). Сочетание прочности, вязкости и упругости объясняет широкое распространение стали в технике.

Первыми начали изготавливать железные инструменты и оружие хетты; люди подвластного хеттам племени халибов впервые получили сталь примерно в 1400 г. до н.э.

Для производства стали халибские с древесным углем, пока оно не превращалось в сталь. При ковке углерод из угля проникал в железо, образуя в нем цементит, давший название процессу цементации.

На современном сталеплавильном заводе основным топливом служит каменный уголь. Железная руда и известняк [1] доставляются на рудный двор [2] и подаются к доменной печи. Часть руды и известняка спекают с коксом [3]. Уголь со склада [4] направляется к коксовым батареям [5], где он превращается в кокс. Все материалы в определенном соотношении (шихта) загружаются в доменную печь [6], где железная руда реагирует с углеродом кокса и превращается в чугун. Пустая порода реагирует с известняком и образует слой расплавленного шлака. Из компрессоров [7] воздух поступает в домну, предварительно подогреваясь в теплообменниках [8] горячим доменным газом [9]. В чугуне, полученном в домне, слишком много углерода. При получении стали этот избыток удаляется при второй плавке уже в конвертере [10] с основной футеровкой. Жидкий чугун продувают кислородом через специальную форсунку [11] из больших газгольдеров [12]. Для очистки стали в в конвертер загружают кокс и известняк. Газы из кислородного конвертера проходят очистку [13], прежде чем они выпускаются в атмосферу. Полученную сталь с 0,15-0,25% углерода выпускают из конвертера [14] и разливают в слитки [15] для дальнейшей ковки или прокатки.

Разливка и закалка. Различные варианты процесса цементации распространились из Малой Азии в Европу и Индию. Выплавка и разливка стали в изложницы впервые была осуществлена на юге Индии. Римляне полагали, что такую сталь делают в Китае, и называли ее китайским железом.

В Европе получали сталь с нужным содержанием углерода непосредственно из руды, но очень редко. Значительно чаще сталь получали цементацией; начиная с VIII в. н.э. ее вывозили из областей Центральной Европы, богатых железными рудами,- Штирии или Каринтии. Эту сталь подвергали дальнейшему упрочнению закалкой. Закалку осваивали очень долго, вероятно, потому, что известные в те времена металлы-медь и бронза- после такой обработки становятся не тверже, а мягче.

В XV в. печатники уже пользовались стальными штампами для шрифтолитейных форм. К середине XVII в. на каретах появились стальные рессоры, и путешествия по разбитым европейским дорогам стали удобнее. Но для широкого использования требовалась дешевая сталь. Она появилась в 50-х гг. XIX в. после открытия Бессемера.

Мартеновский процесс осуществляется в подовой печи. Над шихтой подаются воздух и газообразное топливо. Сейчас этот процесс постепенно вытесняется электродуговой плавкой и выплавкой стали в кислородном конвертере с основной футеровкой. Если в железной руде есть фосфор, переплавку проводят в печах с основной футеровкой

Бессемеровский процесс. В стали, выплавлявшейся в XVII в., присутствовал шлак-остатки руды. Поэтому сделать большую стальную поковку или отливку без внутренних дефектов было трудно. Сталь, свободную от шлаковых включений, научились выплавлять к середине XVIII в. шведский металлург Торберн Бергман (1735-1784) и английский металлург Бенджамин Хантсмен (1704-1776). В «шведской» стали содержалось строго определенное количество углерода. Но она оставалась очень дорогой, и к 1850 г. производство стали в Великобритании составляло всего 60 000 т. Двумя десятками лет позже печь Бессемера (конвертер) выплавляла сталь с производительностью около 1 т/мин. Сталь стала такой же дешевой, как чугун.

Секрет процесса, разработанного Генри Бессемером (1813-1898) на основе изобретения Уильяма Келли, заключался в том, что избыток углерода в чугуне можно удалить его окислением, продувая через жидкий чугун воздух. Углерод, сгорая в потоке воздуха (с образованием диоксида углерода и выделением тепла), становится топливом. Раз начавшись, этот процесс не нуждается в дополнительном топливе, что делает его исключительно экономичным.

Не прошло и пяти лет со времени освоения бессемеровского процесса [3], как возник его конкурент-мартеновский процесс производства стали [2]. В процессе Сименса - Мартена чугун, железная руда и стальной лом расплавляются в пропорции, позволяющей удалить избыток углерода и кислорода в виде угарного газа. Этот газ затем сжигается для предварительного подогрева воздушного дутья. В 1900-е гг. мартеновской стали выплавлялось больше, чем бессемеровской.

В XX в. металлургия пополнилась процессом непрерывной разливки стали [4]; были разработаны способы выплавки специальных сортов стали, например инструментальной и для лопаток газовых турбин. Многие специальные сорта, в том числе нержавеющая, содержащая хром, никель и иногда молибден, выплавляются в электрических печах [5]. Нержавеющая сталь идет главным образом на изготовление медицинских инструментов, кухонной посуды и оборудования химических заводов. Бессемеровский процесс заменяется сейчас кислородно-конвертерным процессом с продувкой чугуна кислородом в конвертере с основной футеровкой [ЗБ].

В конце XIX в. мировое производство стали превышало 28 млн.т/год. В дальнейшем значительный рост ее производства наблюдался в предвоенные годы, когда возрастала потребность в стали для вооружения. Росту ее производства способствовало также распространение двигателей внутреннего сгорания: каждая машина с таким двигателем - это 1 т стали.

В бессемеровском процессе [А] сталь получается за счет продувки жидкого чугуна воздухом до выгорания углерода и кремния. Небольшое количество углерода вводят в сталь, добавляя в конвертер зеркальный чугун. Сейчас чугун перерабатывается в кислородных конвертерах с основной футеровкой [Б]. Производство стали этим методом стремительно возрастает [В]

Непрерывная разливка стали-дешевый и высокопроизводительный метод получения стального прутка или ленты [А]. Расплавленную сталь подают в ковше [1], слив которого закрыт стопором [2]. Стопор поднимают и струя стали попадает в медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Там сталь остывает, и слиток передвигается вниз [3]; его поверхность продолжают охлаждать водой. Затем слиток разрезают на заготовки. Пока стопор поднят, а слиток вытягивается из кристаллизатора [4], процесс разливки не прекращается. Установка для непрерывной разливки стали [Б] имеет прямую, вертикально расположенную шахту холодильника; в новых, более компактных установках [В] холодильник изогнут.

Электродуговая плавка требует очень высоких температур и полного отсутствия кислорода. Ее используют для производства стали, содержащей такие металлы, как ванадий и хром.