Страница 65 из 120
Дальнейшее развитие пароходства — как речного, так и морского — пошло довольно быстро. Этому содействовали переход от деревянных к стальным конструкциям судов, рост мощности и быстроходности паровых машин, введение гребного винта и ряд других факторов.
В дальнейшем на судах стали преимущественно устанавливаться не паровые поршневые машины, а паровые турбины и дизели.
В XVII и XVIII вв. росла потребность в металле, что создавало стимул к развитию металлургии. Требовалось больше металла, причем более высокого качества.
Получали развитие доменные печи, в которых выплавлялся чугун. На рис. 23 изображена схема доменной печи, представляющей собой относительно высокое сооружение, в верхнюю часть которого — колошник — загружается шихта — смесь, состоящая из рудного концентрата, флюса (материалов, вводимых в печь для образования шлаков нужного качества и температуры плавления) и топлива. Прежде в качестве топлива использовался древесный уголь, но ввиду его высокой и растущей стоимости, а также необходимости беречь леса (последнее особенно относилось к Англии, где леса уже в XVII в. находились под угрозой истребления) во второй половине XVIII в. древесный уголь в большинстве доменных печей был заменен коксом — продуктом, получаемым обычно из каменного угля путем нагревания последнего до 950— 1050 °C без доступа воздуха в коксовых печах и содержащим более 96 % углерода. Для получения кокса используются обычно коксующиеся угли, которые при нагревании спекаются.
Снизу, через фурмы, подается хорошо подогретый воздух, который поднимается сквозь всю толщу шихты вверх и выходит уже в виде доменного газа (смеси СО2, СО, Н2 и N2) через газоотвод. В нижней части доменной печи, как наиболее тяжелый, скапливается жидкий чугун — результат плавки, а над ним, как более легкий, — слой жидкого шлака. Жидкие чугун и шлак периодически выпускаются наружу через летки. Все сказанное легко проследить по приведенному рисунку.
Итак, исходные продукты, подающиеся в доменную печь, — это железная руда, флюсы, кокс и воздух; конечные продукты — чугун, шлак и доменный газ. Все три конечных продукта находят практическое использование. Что касается довольно низкокалорийного доменного газа (860—1000 ккал/м3, велико содержание азота — около 60 %), то он обычно используется для подогрева воздуха, поступающего в доменную печь. Шлак чаще всего используется в производстве строительных материалов.
Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода обычно от 2 до 4 %, содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Основное употребление чугуна — выплавка из него стали. Чугуны, идущие в сталеплавильное производство, подразделяются на передельные и специальные (или ферросплавы). В передельном чугуне содержатся постоянные примеси, количество которых определяется способом выплавки стали. В ферросплавах же присутствуют легирующие элементы; ферросплавы с высоким содержанием кремния и марганца или некоторых других элементов выплавляются не в доменных, а в электрических печах. Их применение имеет большое значение для получения высококачественных (высоколегированных) сталей.
Чугун используется также непосредственно, без превращения его в сталь; такой вид чугуна называется литейным. Литейные чугуны подразделяются на серый, ковкий и белый. Из трех названных видов литейного чугуна вследствие его хрупкости и плохой обрабатываемости (хотя и малой изнашиваемости), менее всего используется белый чугун. Однако если отливки из белого чугуна подвергнуть отжигу, то белый чугун теряет хрупкость, приобретает вязкость, получается так называемый ковкий чугун. Из серого высококачественного чугуна отливаются многие изделия в машиностроении, в том числе сложной формы. Русские и советские инженеры и ученые много сделали для развития металлургии. Академик М. А. Павлов (1863–1958) проделал большую работу по совершенствованию доменного процесса, в области металлургии чугуна.
Сталь, сплав железа, углерода (до 2 %) и некоторых других элементов, — наиболее широко применяемый металл, используемый во всех отраслях производства. Сталь обладает прочностью, ковкостью (является деформируемой), в то время как чугун, как правило, хрупок, а чистое железо слишком легко деформируется (является слишком мягким). Эти ценные свойства стали достигаются тем, что по содержанию углерода она стоит между чугуном и железом. В зависимости от химического состава сталь подразделяют на два вида: углеродистую и легированную. Углеродистые стали (машиностроительная, иначе говоря, конструкционная, и строительная) содержат не менее 0,6 % углерода и 0,4–1,1 % марганца. Легированные стали обычно разделяют на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные, отличающиеся друг от друга количеством легирующих добавок (элементов); первые содержат не более 2,5 % легирующих элементов, вторые — 2,5–5,5 %, третьи — свыше 5,5 %. В зависимости от того, какой из легирующих элементов преобладает, сталь именуется никелевой, хромистой, хромоникелевой и т. д. Различные сорта стали могут обладать существенно отличными друг от друга свойствами. Весьма различна и стоимость разных сортов стали. Существуют нержавеющая, жаропрочная, износоустойчивая и другие сорта стали.
Сталь в настоящее время получают главным образом из смеси передельного чугуна со стальным ломом (поэтому годовая выплавка стали существенно больше выплавки чугуна) в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. В этой книге представляется возможным лишь весьма кратко остановиться на существе названных методов производства стали. При этом мы откажемся от применявшегося в основном до сих пор хронологического способа изложения и рассмотрим весь период развития производства стали, вплоть до настоящего времени.
Рис. 24. Кислородный конвертер.
1 — корпус; 2 — днище; 3 — опорные подшипники; 4 — шлем.
Современный кислородно-конвертерный способ производства стали состоит в том, что в стальной сосуд — конвертер (от лат. converto — изменяю, превращаю) загружается стальной лом (скрап) и заливается расплавленный чугун (рис. 24, 25). Изнутри поверхность конвертера обложена огнеупором толщиной до 1 м. Из рисунков видно, что массивный конвертер может поворачиваться на специальных опорных подшипниках. Когда происходит загрузка скрапа (см. рис. 25, а) и заливка жидкого чугуна (см. рис. 25, б), а также выпуск готовой стали и затем жидкого шлака, конвертер находится в наклонном (при выпуске стали, близком к горизонтальному) положении.
Рис. 25. Схема кислородно-конвертерного процесса.
а — загрузка металлолома; б — заливка чугуна; в — продувка.
Кислород подается снизу. Правда, за последнее время начала практиковаться подводка кислорода сверху (см. рис. 25, в), в чем имеются свои преимущества. Какого-либо топлива для конвертера не требуется: необходимое количество тепла выделяется в результате соединения кислорода с находящимися в чугуне примесями — кремнием, углеродом и др. Поэтому металл в конвертере всегда находится в жидком состоянии. Количество углерода в готовой стали регулируется длительностью процесса: чем дольше длится процесс, тем больше углерода выгорает и меньше его остается в стали. Обычно продувка конвертера кислородом длится 15–25 мин. Тепло газов, образующихся во время продувки конвертера кислородом, используется — за конвертером, как правило, устанавливается котел-утилизатор, задачей которого является использование тепла отходящих газов и который собственной топки пе имеет.
Кислородный конвертер способен переплавлять в сталь чугуны с добавкой большого количества скрапа (25 % и более) и руды (до 5 %). Кислородно-конвертерный процесс является очень экономичным. По сравнению с мартеновским процессом экономия на капитальных вложениях составляет 20–25 %, увеличение производительности труда — 25–30, снижение себестоимости стали — 2–4 %.