Страница 66 из 120
Продувка чугуна чистым кислородом впервые была применена в 1936 г. советским инженером Н. И. Мозговым. Первый промышленный кислородный конвертер был построен в Австрии в 1952 г.
Значительно раньше в черной металлургии для выплавки стали из чугуна начали применяться конвертеры с продувкой чугуна воздухом снизу. Широкое применение получили бессемеровский и томасовский процессы производства стали.
Английский инженер и изобретатель Г. Бессемер (1813–1898) в 1856 г. предложил новый способ выплавки стали, названный его именем и получивший широкое применение. Однако бессемеровский метод производства стали при всей его внешней схожести с кислородно-конвертерным имел очень существенный недостаток. Дело заключалось в том, что при продувке чугуна воздухом плохо выгорали фосфор и сера, и поэтому, если в чугуне (в железных рудах) содержалось относительно много фосфора и серы, сталь получалась низкого качества. Единственный выход состоял в том, чтобы использовать железные руды, содержащие немного фосфора и серы. Но таких руд оказалось мало.
С. Томас (1850–1885), английский инженер-металлург, предложил в 1878 г. существенную модификацию бессемеровского конвертерного метода выплавки стали, заключавшуюся в том, что он заменил кислую динасовую футеровку бессемеровских конвертеров на основную и для лучшего связывания фосфора вводил известь. Таким путем была достигнута возможность использования более низкосортных железных руд, содержащих много фосфора и серы. Однако качество стали, получаемой томасовским процессом, было низким.
Поэтому, когда в 1864 г. французский металлург П. Мартен (1824–1915) разработал метод выплавки стали, впоследствии названный его именем, а несколько позднее была сооружена первая мартеновская речь, все большее развитие начал получать мартеновский метод производства стали. Хотя мартеновский процесс был медленнее и менее экономичен по сравнению с конвертерными процессами Бессемера и Томаса, он имел неоспоримые преимущества перед ними: меньшую требовательность к составу железорудного сырья, возможность использовать большое количество скрапа и получать сталь более высокого качества. По этой причине в середине XX в. около 80 % всей производимой в мире стали получали в мартеновских печах.
Как следует из сказанного выше, в середине XX в. у мартеновского метода выплавки стали появился сильный конкурент — кислородно-конвертерный метод, соревнование между которыми все более склонялось в пользу последнего. В 70-х годах XX в. строительство мартеновских печей практически было прекращено.
На существе мартеновского способа производства стали с учетом всего сказанного мы остановимся совсем кратко. Плавка стали из чугуна и стального лома происходит в верхней части мартеновской печи — камере из огнеупорных материалов, в которую поступает нагретый горючий газ (например, природный), служащий топливом (иногда в мартеновских печах используется жидкое топливо, например, мазут), и нагретый воздух. Продукты сгорания топлива, образующиеся в камере, поступают в так называемые регенеративные нагреватели, через каждый из которых поочередно пропускаются горячие продукты сгорания, повышающие температуру набивки регенеративных нагревателей (обычно набивка представляет собой кладку из огнеупорного кирпича), воздух и горючий газ; последние нагреваются за счет охлаждения набивки нагревателей, т. е. в конечном итоге за счет тепла продуктов сгорания. Готовая сталь выпускается черев выпускное отверстие в ковш. Все, о чем было сказано, не более чем описание простейшей схемы мартеновской печи и мартеновского процесса.
Рис. 26. Схема дуговой электропечи прямого действия.
Для получения стали, особенно высококачественной, используются также электрические печи различных конструкций. На рис. 26 показана одна из наиболее распространенных в электрометаллургии печей — электродуговая печь прямого действия. Свое название печь получив потому, что электрические дуги зажигаются непосредственно между электродами (на рисунке их показано три) и нагреваемым телом, в данном случае жидким металлом.
Преимуществами электропечей перед другими агрегатами, предназначенными для выплавки стали, обеспечившими им приоритет в производстве высококачественной легированной стали, являются: возможность нагрева металла до высокой температуры за счет электрической дуги практически без внесения в металл каких-либо примесей; восстановительная атмосфера печи, делающая излишним процесс раскисления стали, т. е. удаления из нее растворенного в ней кислорода[233]; меньший угар легирующих элементов и некоторые другие. В последнее время электрометаллургия все шире используется и в производстве обычной углеродистой стали.
Лет двадцать тому назад казалось, что кислородно-конвертерный метод выплавки стали, в силу его больших, названных выше преимуществ на многие годы останется наиболее распространенным. Рано, конечно, говорить, что, скажем, к концу XX в. ему придется уступить лидерство еще более прогрессивному способу производства стали. Но нельзя обойти молчанием вопрос так называемого прямого получения железа, т. е. процесс получения железа и стали непосредственно из рудных материалов, минуя стадию выплавки чугуна в доменных печах, не используя кокс. Однако ограничимся здесь только тем, что заметим: прямое получение железа является перспективным направлением в развитии металлургии; в ряде стран мира, в том числе в Советском Союзе, создаются соответствующие промышленные установки.
Рис. 27. Схема прокатки (поперечной)
1 — прокатываемый материал; 2, 3 — валки.
Рис. 28. Схема прокатки цельнокатаных труб.
В черной металлургии обычно различают три основные стадии получения и переработки металла, три передела: 1) выплавка чугуна — доменное производство, 2) выплавка стали — сталелитейное производство, 3) прокатка — способ обработки металла давлением, осуществляемый путем обжатия металла вращающимися валками.
Схема такого процесса показана на рис. 27. Прокатка производится чаще всего на металлургических предприятиях. Крупные заводы черной металлургии обычно имеют все три передела.
Прокатка производится на прокатных станах. Продукт прокатки металла — прокат может быть в форме листов (как толстых, так и тонких), ленты, полос, рельсов, труб, проволоки, а также в виде сложных фасонных профилей. Прокатные станы для производства стального проката делятся на две основные группы, а процесс прокатки — соответственно на две стадии. Первая стадия — это производство заготовок из слитков, получаемых в сталеплавильных печах. Заготовки, более удобные чем слитки для производства готового проката, обычно делаются одного из двух типов: либо квадратного или прямоугольного сечения, размером чаще всего от 50x50 до 400x400 мм2, либо плоского сечения. Первые, именуемые блюмами, предназначаются для производства сортового металла (не листа), а прокатные станы, на которых они делаются — блюмингами. Второй тип заготовок, получивших название слябов, предназначается для выделки листа, а прокатные станы на которых делаются слябы, называются слябингами. Для производства цельнокатаных труб (без сварного шва) на блюмингах делаются специальные заготовки круглого сечения. Схема изготовления цельнокатаных труб представлена на рис. 28 и пояснений не требует. На входе в блюминг или слябинг слитки должны быть, конечно, хорошо нагреты (сохранять тепло после сталелитейного процесса).
Готовый прокат производится из соответствующих нагретых заготовок. Стальной прокат соответствующего профиля — необходимая и высокоэкономичная продукция для потребителей. Поэтому большая часть стали (как и многих других металлов, например алюминия, меди, латуни, цинка, свинца и их сплавов) выпускается в виде проката.
233
Раскисление металла осуществляется добавлением к нему химических элементов (Al, Si и др.), образующих с кислородом устойчивые соединения.