Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Процесс, покоривший мир Пьер Мартен и его изобретение Первые изделия из железа, изготовленные древними мастерами около 6 тыс. лет назад, археологи обнаружили на Ближнем Востоке. Исследования показали, что предметы были выполнены из обломков метеорита, и, может быть, поэтому с некоторых древних языков железо переводится как «небесный камень». Ученые считают, что первыми выплавлять железо научились хетты, проживавшие на территории современной Турции, а затем его производство освоили и в Европе. Для добычи железа из легкоплавких руд на протяжении тысячелетий люди использовали горны — глубокие ямы, обложенные с внутренней стороны кирпичом. Металлургия: этапы развития В средние века с ростом городов, развитием ремесел и мануфактурного производства спрос на железо из-за непрекращающихся войн быстро возрастал. К тому времени уже были созданы технологии производства железа и из тугоплавких руд. Однако выплавлять из них железо в горне было довольно трудно, поскольку поддерживать в такой печи необходимую для плавления высокую температуру было невозможно. Так появились новые плавильные печи — штукофены. В нижней части этих печей в результате горения угля температура поднималась до 1400–1450°С, плавка протекала более равномерно, и железа удавалось выплавить гораздо больше. К тому же появилась возможность одновременно производить чугун, ковкое железо и сталь. Все эти металлы имеют почти одинаковый состав и отличаются друг от друга лишь процентным содержанием углерода (в кричном* железе его не более 0,04%, в стали — 0,1–2%, а в чугуне — более 1,7%), что и обуславливает их различие в физических свойствах. Новое изобретение повлекло за собой множество изменений в металлургической промышленности и сказалось на всем процессе производства металлов. Так, например, благодаря использованию новых печей появилась возможность получать чугун с более низкой температурой плавления. Однако, несмотря на все преимущества применения штукофенов, переработка тугоплавких руд все же была чрезвычайно трудна. Нагнетать необходимое количество воздуха с помощью только физической силы человека было невозможно. Вначале производители не знали, что можно сделать с чугуном — металлом, лишенным гибкости и прочности, а потому не поддающимся ковке. Со временем его стали добавлять в руду при повторной переплавке, а затем плавили отдельно. В результате получалось железо, первоначально превосходившее выплавленное непосредственно из руды. Низкая температура плавления, требовавшаяся для плавки чугуна, снижала расходы на топливо и экономила время. С началом производства чугуна в металлургической промышленности возникла необходимость некоторых изменений в устройстве печи. Были построены поддувные печи шахтного типа, которые назывались блауофенами, или домицами. В них одновременно производили и железо, и чугун. По окончании плавки руды шлак сливали, охлаждали, мельчили, а затем извлекали из него кусочки чугуна. Следующим шагом в развитии черной металлургии стал переход к двухступенчатой технологии плавки. Для его осуществления требовался агрегат новой конструкции, в котором при переплавке получался бы чугун высшего качества. Так появилась доменная печь, постепенно вытеснившая сыродутые печи. Двухступенчатая технология, при которой сначала выплавляли чугун и уже из него — железо, получила широкое распространение. Первую ступень назвали доменной, вторую — кричной. Дальнейший рост машиностроения и металлообработки поставил вопрос об увеличении выплавки чугуна и переработки его в железо, а это требовало совершенствования горно-металлургического производства и создания его научных основ. В 1763 г. вышла книга М. В. Ломоносова «Первые основания металлургии или рудных дел» — первое пособие по металлургии и настольная книга для российских горных инженеров и металлургов. Уже известный доменный процесс получил дальнейшее развитие в первую очередь за счет перевода доменных печей на минеральное топливо (кокс), увеличения их размеров и совершенствования конструкции. К концу XVIII в. подавляющая часть чугуна выплавлялась уже на коксе, а целый ряд процессов был усовершенствован. В 1856 г. английский изобретатель Г. Бессемер создал так называемый бессемеровский процесс — конвертерный способ передела жидкого чугуна в сталь без подведения тепла путем продувки воздухом в специальном вращающемся сосуде (конвертере). В результате продувки избыток углерода и некоторые содержащиеся в жидком чугуне примеси быстро выгорали, и он превращался в сталь, которую обычно разливали в изложницы. Но хорошую бессемеровскую сталь можно было получить только из малофосфористого чугуна, и это обстоятельство препятствовало широкому распространению метода. Бессемеровский процесс постепенно внедрялся в заводскую практику, но нуждался в дальнейшем усовершенствовании и к тому же имел большие ограничения по химическому составу чугунов. Настойчивые поиски привели к появлению нового способа получения литой стали — на поду пламенной регенеративной печи. Идею получать литую сталь на поду впервые высказал еще в 1722 г. Реомюр. Он писал о возможности превращения мягкого железа в сталь путем погружения его в жидкий чугун. Но по-настоящему этой идеей заинтересовались лишь в первой половине XIX в., когда экономические условия настойчиво потребовали новых способов массового получения стали. Мартеновский процесс — разработка технологии Успеха в создании нового процесса достиг французский металлург Пьер Мартен (1824–1915 гг.). Ему помогал отец — Эмиль Мартен, которому принадлежал собственный железоделательный завод в Фуршамбо. В течение многих лет Мартены пытались получить литую сталь путем сплавления лома и чугуна на поду пламенной печи, но терпели неудачи. Связано это было с тем, что они, как и другие исследователи, не могли создать в печи температурный режим, необходимый для сталеплавильного процесса. (Ведь для этого нужна была температура свыше 1600 °С). 2 декабря 1856 г. немецкий инженер Фридрих Сименс получил патент на устройство регенеративного угольного горна с применением принципа регенерации воздуха. Продукты горения проходили по кирпичным каналам, следуя сверху вниз из печи в дымовую трубу. Когда кирпичная насадка регенератора получала определенное количество тепла, продукты горения направлялись в другой регенератор, а через ее раскаленные каналы пропускали холодный воздух. При прохождении через каналы поступающий в печь воздух сильно нагревался, что давало возможность получать необходимую высокую температуру. Заметим, что сам Сименс не смог использовать свою идею в производстве стали, т. к. не нашел подходящих огнеупоров, и применил регенеративную печь не в металлургии, а в стекольной промышленности. Он продолжил работу над практическим внедрением принципа регенерации лишь в существующих процессах и печах: пудлинговых, рафинировочных и нагревательных. Ему помогал брат Вильгельм, который также был связан с железоделательной промышленностью. В 1857 г. французский металлург Луи ле Шателье предложил использовать регенеративную пламенную печь для производства литой стали на поду, а В. Сименс провел ряд опытных плавок. Однако опыты осуществлялись в малом масштабе и практических результатов не дали. Ле Шателье и В. Сименс заключили договор с французской фирмой «Буабю, Рамбур и К°», согласно которому последняя получила право производить литую сталь на поду регенеративной печи по способу, предложенному ле Шателье. 24 февраля 1863 г. фирма взяла на процесс патент, текстом которого явилась консультация ле Шателье. Он предложил шесть вариантов производства литой стали на поду, два из них и были осуществлены позже: скрап- и рудный процесс. Первый был основан на переплавке скрапа — металлического лома или отходов производства, а второй — на переработке жидкого чугуна с использованием руды в качестве окислителя. Для устройства внутренней огнеупорной футеровки стен и пода печи ле Шателье предложил использовать боксит. Он же указал на возможность применения для кладки печи динаса — кирпича, изготавливаемого из размельченного кварцита. В теоретических высказываниях ле Шателье во многом предугадал будущий мартеновский процесс, но на практике добиться успеха ему так и не удалось. Еще при заключении договора с парижской фирмой В. Сименс вел переговоры с Э. Мартеном о предоставлении ему права постройки на заводе в Сирейле регенеративных печей: пудлинговых, нагревательных и для производства литой стали на поду. Получив чертежи регенеративной печи от В. Сименса и редкий в то время английский динасовый кирпич, Пьер Мартен построил печь, в которой 8 апреля 1864 г. получил литую сталь. На это производство Мартен оформил патенты от 10 апреля во Франции и от 15 августа в Англии, в которых он описал три способа получения стали: два на поду и один в вагранке. Мартен основательно разработал способ получения стали на поду и в патенте 28 июля 1865 г. описал его следующим образом. В ванну расплавленного на поду регенеративной печи чугуна загружаются холодные или нагретые куски железа (лом, обрезки, стружка), и при ее длительном нагреве до высокой температуры получается сталь. Патент от 23 марта 1866 г. излагал этот же способ применительно к переработке отходов бессемеровского производства в виде скрапа. Подобная технология помогла в дальнейшем решить очень острую для того времени проблему переработки старых «бессемеровских» стальных рельсов. (В одной только Англии к 1867 г. их было около 30 млн пудов!) Возможность переработки скопившегося бессемеровского скрапа и другого лома во многом способствовала распространению мартеновского процесса. Заслугой П. Мартена явилось, в частности, практическое применение в процессе производства литой стали принципа регенерации в отражательной печи. Кроме того, он разработал основы технологии скрап-процесса путем выбора правильного соотношения исходных материалов в шихте. Первые же плавки, проведенные в новой, «мартеновской», печи показали необходимость так называемого раскисления, т. е. добавления в конце плавки зеркального чугуна*. 25 июля 1867 г. Мартен оформил патент, в котором указал на применение зеркального чугуна для обуглероживания и получения стали с заданными свойствами. Успех первых плавок позволил быстро наладить производство литой стали в промышленном масштабе. На заводе Сирейля попеременно работали три печи емкостью по 2–3 т, в которых производили листы, бандажи для паровозов, рессорную и инструментальную сталь, ружейные стволы, лафеты и фасонные отливки. В 1867 г. Мартен представил стальные изделия своего завода на Всемирной выставке в Париже, где получил Большую золотую медаль**. Мартен всегда признавал, что своими успехами он во многом обязан использованию принципа регенерации, разработанного братьями Сименс. Еще в 1866–1868 гг. он заключил ряд соглашений с В. Сименсом, по которому тот получал право на участие в доходах по патенту, мог принимать решение о постройке печей на заводах и консультировать организацию новых производств. Печь Мартена Дальнейшее развитие выпуска литой стали на поду пламенной печи пошло по пути, указанному П. Мартеном. Вначале он ставил задачу производства стали с достаточно высоким содержанием углерода, температура получения которой ниже, чем мягкой. В скрап-процессе использовалось 85–90% скрапа и 15–10% твердого чугуна. Однако из-за медлительности процесса окисления на кислой подине было невыгодно увеличивать долю чугуна, к тому же последний стоил дороже скрапа. Конечно, первая печь Мартена, выдерживавшая 70 плавок, была несовершенной. Объем рабочего пространства и регенераторов был достаточно мал. Печь имела садку всего около 2000–2200 кг и площадь огнеупорного пода лишь 3 м2. После завершения плавки на подготовку к следующей тратили 3,5 часа. Далее в печь загружали чугун, который через 1,5 часа расплавлялся, и тогда через каждые полчаса производили подсадку подогретых пудлинговых криц и обрезков, на что требовалось еще 6,5 часа. По окончании подсадки ванна кипела 1,5 часа. Еще час затрачивался на ее раскисление зеркальным чугуном. Итого вся плавка продолжалась 14 часов. Угар металла составлял 10,5%, а скрапа получалось 5,5%. Мартеновская печь относится к типу отражательных печей. Ванна, где идет плавка, выложена огнеупорным кирпичом, над ней находится сферический свод. Основной принцип действия — вдувание раскаленной смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение теплоты по всей площади ванны. В зависимости от состава огнеупорных материалов подины печи мартеновский процесс может быть основным (в составе огнеупора преобладают СаО и MgO) и кислым (подина состоит из SiO2). Зависит он и от состава шихты, используемой при плавке. Различают такие его разновидности: • скрап-процесс, при котором шихта состоит из скрапа и 25–45% чушкового передельного чугуна. Процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, в которых скапливается много металлолома; • скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55–75%), скрапа и железной руды. Применяют его на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Топливом в мартене служит газ. Когда-то применялась смесь доменного и коксового газа, затем стали использовать природный горючий газ. Но прежде чем попасть в печь, газ и воздух нагреваются в четырех генераторах — камерах, выложенных огнеупорным кирпичом, а затем подаются в верхнюю часть мартена. Здесь они смешиваются и сгорают, давая температуру до 1500–1600°С, обеспечивающую полное расплавление металла. Для загрузки сырья в передней стене печи имеются завалочные окна, закрываемые толстыми стальными задвижками. В задней стене находится выпускное отверстие, через которое готовую сталь сливают в ковш. Когда идет плавка, выпускное отверстие забито пробкой из огнеупорной глины. Работа в мартеновской печи идет в несколько этапов. Сначала в нее загружают шихту (железный лом, руду, известь), засыпаемую в стальные ящики — мульды. Завалочная машина хоботом захватывает мульды, вносит через завалочное окно в печь, переворачивает, высыпая содержимое. Когда загрузка заканчивается, заслонки над окнами опускают и в печь вводят максимальное количество газа и воздуха, чтобы лом и другие материалы быстро прогрелись и расплавились. После этого к печи подводят ковши с доменным чугуном. Его достают из миксера — огромного хранилища, куда сливают чугун из домен для хранения в жидком виде. Ковши поднимаются, и по специальному желобу чугун льется в печь. Выплавка стали продолжается много часов. За это время несколько раз берется проба металла и отправляется в цеховую экспресс-лабораторию, где проводится ее анализ на содержание углерода, марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. На последнем этапе происходит рафинирование стали (очищение от вредных примесей) и ее раскисление (удаление кислорода). Для этого в ванну добавляют раскислители: ферросилиций, ферромарганец, алюминий. Мартеновский процесс с самого начала получил благоприятные условия для активного применения — цены на скрап в 1860–70-х гг. были невысоки ввиду трудности его использования. Новый способ не конкурировал с бессемеровским, а, скорее, дополнял его, перерабатывая стальные отходы бессемеровского производства, скопившиеся на заводах в больших количествах. Наконец, оборудование для мартеновского цеха стоило много дешевле, чем для бессемеровского, поскольку было весьма примитивным. По этим причинам, несмотря на несовершенство первых печей и большой расход топлива, скрап-процесс считался экономически выгодным. Мартеновский процесс, введенный в 1864 г., быстро распространялся по металлургическим заводам разных стран. Однако самому Пьеру Мартену это не принесло ни славы, ни богатства (в отличие от напористого Бессемера). Мартену не удалось засвидетельствовать право на первенство своего патента, т. к. его опередили другие изобретатели, хотя и не добившиеся практического успеха, но зато более расторопные. Все состояние изобретателя ушло на бесполезную многолетнюю волокиту по защите своего патента. В 1883 г. он отошел от дел, поселившись в своем небольшом имении около Фуршамбо. Его скоро забылиѕ Мартен шагает по планете На новый процесс сразу же обратили внимание русские специалисты. В технической периодике о нем писали: «Этому способу изготовления литой стали и литого железа, как не требующему больших затрат капитала, сравнительно с тигельным и бессемеровским, с одной стороны, а с другой — применимому почти ко всяким сортам чугуна и ко всяким сортам топлива, справедливо ожидать большого применения на наших заводах». А ведь первое время в перспективах нового процесса сомневались даже видные зарубежные металлурги. Так, австрийский профессор Туннер писал В. И. Рашету, директору Горного департамента в России: «Предполагать, что мартеновский способ может с выгодою соперничать с бессемеровским и даже оставит сей последний позади себя — ошибочно». В России первая мартеновская печь емкостью 2,5 т была пущена молодым инженером А. А. Износковым на Сормовском заводе. Этот агрегат отличался от печи Сименса улучшенной формой свода и рабочего пространства, более совершенной конструкцией головок, правильным подбором объема регенеративных насадок. Несколько позже сормовской была пущена в ход печь садкой 1,5 т на Боткинском заводе инженером В. Е. Холостовым. В 1871 г. Н. И. Кузнецов построил 5-тонную печь на Обуховском заводе. Несмотря на весьма холодное отношение руководителей казенных заводов к новому процессу, в России многое было сделано для его дальнейшего развития. Русские техники не только перенимали мартеновский процесс, но творчески осваивали новое изобретение. Тот же Туннер в отчете о поездке по русским заводам в 1870 г. отмечал: «Способ Мартена, имевший в Австрии по сие время только сомнительный успех, хотя введен на трех заводах, был представлен на Санкт-Петербургской выставке и вводится уже в Сормово и на Боткинском заводе... Тот факт, что способ Мартена уже дошел до Урала, показывает, как быстро русские горные инженеры получают сведения о всех нововведениях и как умеют их применять». Быстрое распространение мартеновского производства на российских заводах начинается с середины 1870-х гг., о чем свидетельствуют следующие факты: в 1877 г. в России действовало всего около 15 печей, а в 1893 г. — уже 105, которые давали 255 766 пудов стали. Новый этап в развитии процесса наступил с появлением основной подины, предложенной С. Томасом в 1878 г. Основной под печи давал возможность вести успешную борьбу с фосфором и таким образом позволял использовать различные сорта чугуна. Переработка высокофосфористой шихты в основной мартеновской печи впервые была успешно освоена в 1880 г. на заводе Гута Банкова в Домброво (Польша). В конце 1880-х гг. во многих странах стал ощущаться недостаток железного лома. Поэтому заводы увеличили количество чугуна в шихте, используя для окисления примесей железную руду. Возродился рудный процесс, но не в кислых, а в основных печах. В 1894 г. русские металлурги братья А. М. и Ю. М. Горяиновы разработали технологию мартеновской плавки на жидком чугуне и успешно применили ее на Александровском заводе в Екатеринославе. В конце первого десятилетия XX в. доля мартеновской стали превысила долю конвертерного металла в мировой выплавке. Общественное мнение никогда не отказывало Мартену в признании открытия. Повсюду говорят: мартеновский способ, мартеновская сталь и часто даже печь Мартена, обходя несправедливым молчанием имя Вильгельма Сименса. В 1909 г. французские промышленники решили поставить памятник великому изобретателю широко распространенного процесса, принесшего миллионные прибыли сталелитейным фирмам. Стали выяснять даты его жизни. И вдруг оказалось, что изобретатель... жив! И живет в нищете в маленькой деревушке. Объединение французских металлопромышленников «Комите де форж» организовало 9 июня 1909 г. торжественное заседание в честь П. Мартена. Его усадили в президиум, рядом с председателем собрания, крупным заводчиком и поставщиком оружия Шнейдером — главой фирмы «Шнейдер-Крезо». На заседании присутствовали представители металлургических объединений Франции, Англии, Германии, Бельгии. Прислали приветствия из Австрии, Венгрии, Италии, с большой речью выступил профессор Анри ле Шателье. Было много речей, тостов, шампанского. Было и торжественное вручение от имени общества и организаций разных стран золотой медали, а правительство Франции даже почтило изобретателя крестом Почетного легиона. Организовали международную подписку, собравшую Мартену около 200 тыс. франков. В 1915 г. Лондонский институт железа и стали присудил ему золотую медаль имени Бессемера. А несколько дней спустя, 25 мая, в возрасте 90 лет Пьер Мартен скончался. Могила великого изобретателя была покрыта плитой из металла мартеновской плавки. * * * В XX в. мартеновский процесс занимал господствующее положение в мировом производстве стали. Практически до середины столетия около 80–85% всей стали в мире выпускалось таким способом. И все же мартеновская печь — отживающий агрегат: слишком долго идет в нем плавка. Новых мартенов уже не строят, а старые, отработавшие свое, заменяют конвертерами или электропечами. Валерия Лазарева * Кричное, от крица — губчатая, пропитанная шлаком масса, из которой путем различной обработки получается кричное железо или сталь. * Конвертер — от лат. converto (изменяю, превращаю).