Варка стали

Основной исходный материал для производства стали - жидкий или твердый чугун - поставляет сталеплавильным цехам доменная печь. Но, кроме чугуна, для производства стали используют металлический лом (или, как часто его называют металлурги, скрап), который в больших количествах скапливается тут же на металлургическом заводе или его привозят с машиностроительных заводов, - тот самый металлолом, который с таким усердием собирают наши школьники.

Лом тщательно проверяют и сортируют по химическому составу и размерам кусков. Слитки, балки, рельсы, направляемые на переплав, разрезают. Стружку и металлическую мелочь прессуют специальными пакетир-прессами в пакеты.

Варка стали

В общем виде процесс производства стали можно представить как ряд операций, задачей которых является удаление примесей, вносимых чугуном в определенных количествах и последовательности. Если производство чугуна с точки зрения химиков - процесс восстановительный, то передел чугуна и металлического лома в сталь - окислительный.

Примеси, которые приходится удалять, отличаются одна от другой по своим физико-химическим свойствам, поэтому для освобождения от каждой из них создают определенные условия, не только не совпадающие, но часто и противоречивые.

Огромную роль в сталеплавильном процессе играют шлаки. Фактически удаление примесей происходит в результате взаимодействия шлака с металлом. Составу шлака, его температуре, поверхности соприкосновения его с металлом сталевары уделяют очень много внимания.

Какие же примеси приходится удалять? Прежде всего необходимо снизить содержание углерода, окислить его. Для этого нужен кислород. Чтобы избавиться от находящейся в металле серы, нужно связать ее в прочные соединения, которые не будут растворяться в стали, а всплывут в шлак. Такими соединениями являются сульфиды щелочных и щелочноземельных элементов (кальция, магния, натрия и др.). Самый активный поглотитель серы - кальций. Но чтобы кальций "связал" серу, необходимы специальные условия: высокая температура металла (поэтому серу удаляют в конце плавки), восстановительная атмосфера (кислород, растворенный в стали, реагирует с кальцием раньше серы и мешает ее удалению). Частично от серы избавляются в миксерах - хранилищах жидкого чугуна - перед подачей чугуна к сталеплавильным агрегатам. Кроме того, существуют внепечные способы обработки уже выплавленной стали. Но о них разговор впереди.

Среди примесей, удаляемых при сталеварении, кремний больше других тянется к кислороду (или, как говорят химики, обладает большим сродством к кислороду). Поэтому для его окисления не приходится создавать каких-то специальных условий. Он оказывается в шлаке раньше других элементов. То же можно сказать и о марганце.

А вот для того, чтобы избавиться от такой вредной примеси, как фосфор, нужен шлак с большим содержанием кальция (высокоосновный), но в отличие от условий, необходимых для удаления серы, температура металла в этом случае должна быть минимальной.

Таким образом, для удаления кремния, марганца, углерода необходим только кислород. Это может быть кислород в свободном состоянии (его широко используют на металлургических заводах, вдувая в сталеплавильные агрегаты) или в виде окислов (руда, окалина и т.д.). Для освобождения от серы кислород вреден, но нужна известь (окись кальция); чтобы удалить фосфор, требуются и известь, и кислород.

В процессе выплавки сталь насыщают газами: кислородом, водородом, азотом. Кислород в металле находится в виде растворенной в нем закиси железа FeO. Чтобы вывести ее, в металл вводят комплекс специальных добавок - раскислителей (углерод, марганец, кремний и алюминий). Эту операцию осуществляют в конце плавки и называют ее раскислением.

Где же происходят все эти превращения, все эти химические реакции, в каких печах выплавляют сталь?

О Генри Бессемере и Сиднее Томасе

Поисками металла, превосходящего по свойствам чугун и более дешевого, чем тигельная сталь, Генри Бессемер занялся, когда ему шел сорок первый год.

Талантливый изобретатель, он работал и решал задачи в самых различных областях техники, совершенно не связанных между собой. Но иногда решение одной проблемы наталкивало его на понимание другой.

Его отец, инженер на монетном дворе в Париже, в 26 лет за ряд изобретений был избран членом Парижской академии наук. Во время Французской революции вследствие вмешательства Англии во внутренние дела Франции англичане вынуждены были покинуть Париж. Бессемер-отец вернулся в Англию и поселился в селении Чарлтоне, где 13 января 1813 года родился его сын Генри. По окончании народной школы Генри стал работать в литейной мастерской отца - словолитне, где отливали типографский шрифт. Это было время, когда не существовало специальных учебных заведений для подготовки инженеров. Талантливый практик, много работая, мог стать "изобретательным мужем" - инженером.

В мастерской отца Генри Бессемер изучил токарное и слесарное дело, научился обращаться с жидким металлом и делать из него отливки.

Трудолюбивый молодой исследователь за время своей деятельности получил 113 патентов. Над чем он только не работал! Им сконструированы и построены машина для литья букв с впрессовыванием жидкого свинца, непрерывный тормоз для железных дорог, печи для получения оптического стекла, создан способ прессования брикетов из бурого угля и многое другое.

В 1854 году Генри Бессемер приступил к поискам новых путей для получения металла. Анализируя существующие способы производства, он приходит к выводу, что к металлу нужно открыть доступ воздуху. Он будет выжигать углерод и превращать чугун в железо. Но как подать воздух? Одна идея сменяет другую, одна за другой следуют серии опытов, пока не приносящие успеха.

Был изготовлен цилиндрический сосуд на 340 килограммов расплавленного чугуна, в его днище сделаны шесть сопел, и воздух через них подавали под давлением в одну атмосферу.

Поначалу все шло хорошо. Но вот из сосуда вырвался сноп искр, вспыхнуло яркое пламя, и все кругом задымилось. Пришлось прекратить опыт. Через некоторое время его снова повторили, повесив над сосудом чугунную плиту. Но и она не выдержала - расплавилась.

Поиски продолжались. Появилась камера с закрытым потолком, ковш с вертикально поднимавшейся пробкой (металл из него шел прямо в форму), гидравлический толкач для выталкивания вверх остывшего металла.

Генри Бессемер, СиднейТомас

Но нужно было еще сделать так, чтобы воздух пронизывал всю массу чугуна, и при этом жидкий металл не заливал сопла при вертикальном положении камеры. И Бессемер вспомнил о печи, которую разработал раньше для производства стекла. Она была подвешена на двух горизонтальных шинах, тигель качался, нагреваясь через подовые отверстия. Тигель имел форму сдвоенного конуса со скругленными вершинами. Так появилась знаменитая "бессемеровская груша".

Начались опыты. Они продолжались почти два года, многое не ладилось и было изменено. А в 1856 году английские газеты сообщили о новом способе изготовления железа, который должен произвести совершенный переворот в железной промышленности. Но одновременно с, этим от ретивых фабрикантов, пытавшихся сразу использовать новое изобретение, посыпались жалобы на неудачи. Генри Бессемера обвиняли в недобросовестности и шарлатанстве. Это был тяжелый период в его жизни. Снова опыты, снова искания. А основное зло заключалось в том, что в английских чугунах было много фосфора, и так как огнеупорную глину, которой Бессемер обмазывал свою "грушу", на других заводах заменили кремнистой футеровкой, то фосфор не удалялся, а весь переходил в железо.

Одна проблема влекла за собой другую. И прежде чем была выявлена причина неудачи, прошло немало времени.

Но вот в 1862 году на Лондонской выставке Бессемер представил изделия из своей стали - от бритвы до пушки - и тем самым проложил дорогу новому способу получения металла - бессемеровскому.

В 1867 году Генри Бессемер получил на выставке в Париже большую золотую медаль, в 1871 году был избран президентом вновь основанного Института железа и стали, а в 1879 году стал членом Английской академии наук.

Бессемеровский способ производства стали произвел революцию в металлургии, его стали применять в тех странах, где имелись железные руды с низким содержанием серы и фосфора, - ведь далеко не все чугуны можно обрабатывать этим способом.

А между тем в ряде стран имелись богатые залежи высокофосфористых руд, из которых получали чугун с большим содержанием фосфора.

Об этой новой проблеме, возникшей в металлургии, и услышал на лекции по химии Сидней Томас. Готовивший себя к врачебной деятельности Томас по вечерам слушал лекции по химии и металлургии, ставил опыты в своей крошечной домашней лаборатории, учился и в конце концов окончил курс горного училища.

В 1877 году Томас получил свой первый патент, касавшийся использования шлаков, а в 1878 году предложил использовать довольно распространенный минерал доломит, после обжига которого выделялась магнезия, и смешивать его с известью. Этот огнеупорный материал, способствующий удалению фосфора, Томас применил как футеровку для груши.

Изобретение было запатентовано в 1879 году. Впервые им воспользовались в Германии, а в Англии его "признали" лишь после смерти Томаса (он умер в 1885 году в возрасте тридцати пяти лет). К тому времени нашла разрешение разработанная Томасом идея использования фосфористого шлака, получаемого при выплавке стали из фосфористого чугуна. Таким образом, Генри Бессемер и Сидней Томас создали новый по существу, но далеко не совершенный способ выплавки стали. И чугун для него требовался особый - жидкий, определенного химического состава, и огнеупорный материал необходимо было подбирать (особенно быстро выходило из строя днище конвертора, в котором были отверстия для воздуха). Да и сталь получалась довольно низкого качества. Много работали металлурги разных стран над усовершенствованием этого процесса.

Ведь вместе с вдуваемым воздухом в конвертор попадало большое количество азота (не забудьте, что воздух состоит на 1/5 из кислорода и на 4/5 из азота!), который не только был балластом, но и вредил, способствуя повышению хрупкости металла.

Избавиться от азота и подавать в конвертор вместо воздуха кислород - мысль, которая приходила в голову многим ученым-металлургам. Но кислород был дорог, не всегда имелось оборудование для его производства в больших количествах.

Кроме того, при подаче кислорода в конвертор развивалась настолько высокая температура, что отверстия в днище прогорали и оно выходило из строя. Пытались подобрать огнеупорные материалы, но безуспешно. Только в 60-х годах нашего столетия начали применять в конверторах кислород, подавая его сверху по трубке (днище в конверторах, работающих на кислороде, сплошное, без отверстий). Так появился новый способ производства стали - кислородно-конверторный.

Запчасти для китайских погрузчиков посмотреть.