Страница 1 из 41
Знание-сила, 2004 № 10 (928)
Ежемесячный научно-популярный и научно-художественный журнал
Издается с 1926 года
«ЗНАНИЕ — СИЛА» ЖУРНАЛ, КОТОРЫЙ УМНЫЕ ЛЮДИ ЧИТАЮТ УЖЕ 79 ЛЕТ*
Александр Волков
Под знаком стали
Последние лет сорок, с тех пор как бурный XX век успокоился, вошел в свои берега, ему принялись подбирать имена: его называли «веком космонавтики», «химизации», «мирного атома» и «атомной угрозы», «радио и телевидения». Вот кто бы назвал его веком стального литья? Конвертеры, мартены и блюминги все так же несли свою службу, но уже их названия стали забытыми словами, превратились в архаизмы далеких тридцатых. В самой фразе «сталелитейное производство» слышится что-то консервативное. Кажется, что так и будет огненная лава металла литься, как во времена первых пятилеток. Фигуры литейщиков в металлургических цехах будут двигаться все по тем же траекториям так энергично, что за давностью лет протрут до дыр и пелену воздуха.
В любых других производственных сферах — ослепительный блеск сверхновых открытий, скопление патентов, рассчитанные ходы рекламы. Только здесь, в литейке, мерно течет металл, как Волга впадает в Каспийское море. Люди, далекие от этой отрасли, будут крайне удивлены, что в ней за привычным огненным снопом искр происходят бурные изменения. Из двух тысяч сортов стали, используемых в современной промышленности, около тысячи разработано... за минувшие пять лет. Никаких рапортов, никаких строк в выпусках новостей — тут металлургам, людям приземленным, далеко до громких реляций астрономов, а вот глядите-ка: патент регистрируется за патентом. Сталь оказалась удивительносовременным материалом — «непререкаемой царицей» промышленности. Новейшие вилы пластмассы и керамики, необычные сплавы цветных металлов не могли поколебать ее трон, не подорвали позиции черной металлургии.
Технологии производства стали настолько усовершенствовались, что сейчас почти для любой цели, для любого проекта можно подобрать специальный ее сорт, будь то необычайно твердая сталь с антибактериальным покрытием (она нужна для хирургических инструментов) или коррозионно-стойкая сталь для новых электростанций, или прочнейшая сталь для авиационных шасси. Металлургия — самая обширная отрасль промышленности — взяла на вооружение «точечные» методы производства. Это ведет к громадной экономии материала.
Так, если в XIX веке на строительство Эйфелевой башни ушло 7000 тонн стали, то теперь из этого металла можно было бы возвести сразу три башни. А если бы «Титаник» построили из современной корабельной стали — а она втрое прочнее тогдашней, — то пароход, врезавшись в айсберг, поплыл бы дальше. И никакой трагедии в стиле рок!
Почему же сорта стали множатся, как на ином стальном листе пятна ржавчины после дождя? В сталь можно добавлять большинство элементов Периодической системы Д. И. Менделеева (вот они, «точечные» методы!) Варьируя число примесей и их вес, создают новые сорта стали. Высоколегированные стали почти наполовину состоят из примесей.
Другая причина в том, что у железа (точнее, у железоуглеродистых сплавов) имеется несколько фазовых состояний, различающихся своей кристаллической структурой: феррит, аустенит, мартенсит, бейнит... Это обусловливает резкую разницу свойств. Так, железо-феррит — это магнитный материал, а железо-аустенит — нет.
Из двух тысяч сортов стали, используемых в современной промышленности, около тысячи разработано... за минувшие пять лет.
Если бы «Титаник» построили из современной корабельной стали — а она втрое прочнее тогдашней, — то пароход, врезавшись в айсберг, поплыл бы дальше. И никакой трагедии в стиле рок!
Жизнь и в XXI веке будет идти под знаком стали, под ее нестареющей маркой.
В процессе обработки одна фаза железа может перейти в другую. Железо — как набор букв в игре «Эрудит»: что только ни сложишь из этой россыпи значков у тебя в руках, что только ни родится из этой отливки, остывающей у тебя перед глазами!
Фазовые превращения — результат наложения целого ряда условий. Надо учитывать и химический состав материала, и его температуру, и давление... В моей институтской молодости мы, отлученные от литейных цехов, месяцами чертили в тетрадях диаграммы «железо — углерод» — прогнозы чудесных превращений металла. В последнее время эти процессы, как и свойства искомого сорта стали, моделируют с помощью компьютера, чем и обусловлен технологический прорыв — невиданная прежде разносортица стали. По отзывам экспертов, профессия сталеведа, прогнозирующего на экране компьютера состав будущей стали, становится такой же важной и нужной, как полвека назад профессия сталевара.
Если прежде график превращений железа вычерчивался в координатных осях «температура — процентное содержание углерода», то теперь — в осях «время — температура». Подобная диаграмма точно указывает, сколько именно должна длиться термообработка стали, чтобы материал приобрел нужные свойства.
Методы обработки становятся все более изощренными. Их, действительно, можно рассчитать только на компьютере. Вот один из выданных в последнее время патентов — ЕР0484960В9. Согласно ему, сталь данной марки получают, прокатывая материал между валками при температуре 900°С, затем в течение полутора секунд охлаждая его до 850°С, после этого в течение нескольких минут выдерживая сталь при 750°С, вновь прокатывая его между валками и спрессовывая, толщина заготовки уменьшается в три раза, после этого нагревая до 800°С и, наконец, окончательно охлаждая материал. Получается отменно пластичная сталь. В этой череде случайных превращений любые секунды и градусы могут оказаться роковыми — отнять у стали ожидаемые свойства. Многие патенты являются секретами той или иной фирмы; за обтекаемыми фразами «несколько минут», «до некоторой температуры» скрываются загадки технологии, вызов, брошенный конкурентам.
Меняются не только сталь и температурные режимы ее плавки, но и сам процесс производства. Вот лишь две идеи, которые, если удастся их реализовать, свершат революцию в мире доменных печей.
Вращающийся конвертер Бессемера
Современная установка для выплавки и разлива стали
Американский ученый Цзянь-Ян Хван из Мичиганского технологического университета разработал метод, который может существенно упростить производство стали. В своих лабораторных экспериментах он соединял шесть обычных микроволновых печей, увеличивая мощность их магнетронов — сверхвысокочастотных устройств, генерирующих импульсные и непрерывные электромагнитные колебания. Затем подключал каскад микроволновок к электрической дуговой печи, в которой переплавляют скрап — опилки, стружки, металлолом. В эту печь Хван засыпал оксид железа и уголь. Через несколько минут за счет энергии микроволновых импульсов образовалась расплавленная масса стали, поскольку железо в присутствии угля восстановилось из своего оксида и превратилось в сталь.
Этот метод значительно дешевле традиционных способов получения стали, поскольку число производственных операций уменьшилось вдвое. «Кроме того, оксид железа в доменной печи разогревается до температуры 1000°С в течение нескольких часов. В микроволновой печи все происходит за минуту» — отмечает Хван. Другие преимущества метода в том, что для восстановления железа используется обычный уголь вместо дорогого кокса, а выброс в атмосферу парниковых газов и диоксида серы сокращается. Американские сталелитейные предприятия уже заинтересовались необычной технологией.