Доменная печь
Доменные печи были изобретены около 600 лет назад. С тех пор их размеры и производительность непрерывно растут.
В старой России преобладали доменные печи объемом 200-300 м3.
В годы первых пятилеток в нашей стране начали строить печи объемом более 1000 м3. В последние годы на металлургических заводах нашей страны вступили в эксплуатацию гигантские доменные печи, объемом 3000 м3.
Но и это не предел. В 1972-1973 гг. у нас начали строить доменные печи объемом 5000 м3.
Современная доменная печь- - это башня высотой с 30-этажный дом. Снаружи она одета в стальную "рубашку", внутри выложена огнеупорным кирпичом..
Устройство доменной печи
1. Горячее дутьё
2. Зона плавления (заплечики и горн)
3. Зона восстановления FeO (распар)
4. Зона восстановления Fe2O3 (шахта)
5. Зона предварительного нагрева (колошник)
6. Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса
7. Доменный газ
8. Столб железорудных материалов, известняка и кокса
9. Выпуск шлака
Главные части доменной печи - колошник, шахта и горн.
Через колошник отводят газы и загружают в печь сырые материалы. Затем материалы под действием собственного веса опускаются в шахту, а оттуда в горн, куда под большим давлением через специальные отверстия - фурмы - вдувают горячий воздух, поступающий из воздухонагревателей. В горне сгорает кокс и развивается очень высокая температура - более 2000° С. В нижней части горна находятся отверстия - летки - для выпуска чугуна и шлака.
В последние годы в доменные печи стали вдувать также природный горючий газ. Это позволяет значительно снизить расход кокса. Особенно эффективно применение природного газа вместе с чистым кислородом.
Возле доменных печей сооружают бункера (ямы). Это склады, откуда доменные печи получают необходимое им питание. Здесь при помощи автоматизированных вагонов-весов составляется шихта, нужная для плавки чугуна.
На новейших домнах применяется транспортерная подача. С транспортера материалы высыпают в бункер. В него упирается нижняя часть наклонного моста, приставленного к печи. По мосту при помощи канатов и подъемных механизмов вверх и вниз курсируют особые тележки - скипы. В то время как один скип наверху разгружается в печь, другой внизу загружается.
Что же происходит внутри печи? У фурм вдуваемый воздух (дутье) встречается с коксом. Сгорая, кокс образует углекислый газ. Под влиянием высокой температуры он превращается в окись углерода, которая вступает в контакт с железной рудой, и освобождает ее от кислорода - восстанавливая железо.
Железо восстанавливается также в результате соприкосновения с раскаленным коксом. Проходя через слой кокса, восстановленное железо насыщается углеродом - образуется чугун.
Накапливающийся в печи жидкий чугун выпускают через летки, затем он по желобу течет в канавы, выложенные огнеупорной массой.
При прежних режимах плавки (без применения чистого кислорода, природного горючего газа и т. д.) чугун выпускали через каждые 3-4 часа, затем через каждые 2 часа. Из гигантских домен, объемом 3000 м3, чугун практически выпускают непрерывно. На этих печах уже не 1, а 2 или 3 летки для выпуска чугуна и по 2-3 литейных двора.
Если чугун предназначен для изготовления из него отливок (литейный чугун), он из канавы попадает на разливочную машину, где превращается в продолговатые бруски - чушки. Если же он предназначен для передела в сталь (передельный чугун), его сливают в стоящие наготове на железнодорожных путях ковши и транспортируют в сталеплавильный цех. На долю передельного чугуна приходится примерно 80% продукции доменных цехов.
Строительство крупных доменных печей, применение природного газа, кислорода, дутья, нагретого до температуры 1200° С и выше под высоким давлением, сделали управление такими домнами очень сложным. Даже высококвалифицированные мастера не в состоянии проанализировать показания многочисленных приборов, которыми оснащены доменные печи. Им помогают электронные вычислительные машины, которые контролируют ход процесса. В случае отклонения от нормы ЭВМ отдают необходимые команды об изменении состава шихты, дозировки дутья, газа и кислорода, повышении или понижении температуры дутья и т. п. ЭВМ стали советчиками мастеров доменных печей.
Чугун превращается в сталь
Итак, чтобы отнять у окислов железа кислород, его заставили соединиться с углеродом. Получили чугун. Теперь же, чтобы получить сталь, надо выжечь из чугуна избыточный углерод, т. е. соединить его с кислородом.
В древности углерод из металла почти полностью выжигали в примитивных кричных горнах (поначалу это были простые ямы, вырытые на склонах гор с наветренной стороны), а чтобы железо обрело твердость, его затем снова насыщали углеродом. Позднее широкое распространение получил способ так называемого пудлингования. Пудлинговая печь - это тот же кричный горн, превращенный в пламенную печь, в которой рабочее и топочное пространства разделены пламенным порогом. Это позволило постоянно перемешивать металл. Отсюда и произошло название процесса - пудлингование, т. е. перемешивание.
Сталь варили также в тиглях (небольших огнеупорных сосудах), расплавляя в них металлическую шихту. Так получали, например, славившуюся на весь мир булатную сталь.
Быстрый и удобный способ превращения чугуна в сталь разработал в 1856 г. англичанин Г. Бессемер. Он предложил продувать расплавленный жидкий чугун воздухом в расчете на то, что кислород воздуха соединится с углеродом и унесет его в виде газа. Бессемер опасался только, как бы воздух не остудил чугун. На деле же получалось обратное - чугун не только не остывал, но еще сильнее нагревался. Неожиданно, не правда ли? А объясняется это просто: при соединении кислорода воздуха с разными элементами, содержащимися в чугуне, например с кремнием или марганцем, выделяется немалое количество тепла. Д. И. Менделеев назвал бессемеровские конвертеры печами без топлива.
Конвертер - стальной, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом сосуд, сужающийся кверху. В дне его сделаны отверстия, через которые под большим давлением вдувают воздух. В конвертер заливают расплавленный чугун, а затем продувают его мощным потоком воздуха. Углерод быстро выгорает, и в считанные минуты сплав почти полностью обезуглероживается.
Это был самый быстрый, самый дешевый и самый простой способ получения стали. Но в простоте его крылись и недостатки. Химические реакции в конвертере проходили чересчур быстро, углерод выгорал, но кислород воздуха не затрагивал вредные примеси - серу и фосфор. Они оставались в сплаве и резко ухудшали его свойства. И еще: при продувке металл насыщался азотом воздуха, что также очень вредно для стали.
При бессемеровском способе можно применять не всякий чугун, а только такой, в состав которого входят кремний и марганец, выделяющие во время реакции большое количество тепла. Но и этого тепла не хватает, чтобы расплавлять куски металла. Поэтому в бессемеровском конвертере практически нельзя перерабатывать железный лом, а приходится использовать лишь жидкий чугун. Вот почему бессемеровский способ получения стали из чугуна был почти всюду вытеснен другим способом, открытым в 1864 г. французским металлургом Пьером Мартеном. Этот способ (его назвали мартеновским) сложнее, но обеспечивает выплавку стали более высокого качества и, что очень важно, позволяет использовать металлический лом.
Кислородные конвертеры
Бессемеровские конвертеры, как уже говорилось, были вытеснены мартеновскими печами. Однако в 50-е годы нашего века конвертеры вновь выдвинулись на первый план.
Попробовали вдувать в конвертер не атмосферный воздух, а кислород, притом подавать его не снизу, как это делали раньше, а сверху. Оказалось, что таким способом в конвертерах можно перерабатывать любой чугун - и жидкий и твердый, а также и железный лом. Вот почему выплавка стали в кислородных конвертерах в последнее время получает все более широкое распространение.
Кислородный конвертер устроен так же, как бессемеровский. Отличие только в днище, которое делается глухим, цельносварным. Корпус и днище футеруют (облицовывают) огнеупорными материалами. Кислород подают через специальную фурму в горловине конвертера под очень высоким давлением -свыше 1 МПа (10 кгс/см2). Струя кислорода энергично внедряется в жидкий металл и моментально вступает в контакт с различными примесями чугуна. За первые 5-10 минут окисляются кремний и марганец В результате этих реакций температура металла в конвертере поднимается с 1200-1250 до 1400-1450° С. После этого происходит быстрое и интенсивное выгорание углерода.
Кислород продолжают вдувать в конвертер до тех пор, пока содержание углерода в чугуне не снизится до заданного предела. При этом температура металла достигает уже 1600° С. Реакции, развивающиеся в конвертере, дают столько тепла, что его хватает не только для нагрева чугуна, но еще и для того, чтобы расплавить железный лом.
О ходе продувки судят по цвету пламени и многим другим внешним признакам. Сталевар (его называют еще и оператором) управляет процессом со специального пульта. Но вот продувка закончена. Конвертер наклоняют, берут пробы металла и шлака и отправляют их в экспресс-лабораторию. Сталь готова! Вся плавка заняла примерно полчаса, т. е. во много раз меньше, чем мартеновская.
Одним словом, для каждого рода стали и состава шихты следует выбрать наиболее подходящий метод выплавки.
Легированная сталь
Применяемая в современной технике сталь должна многое "уметь": сопротивляться колоссальным давлениям, противостоять кислотам, щелочам и другим химическим "агрессорам", выдерживать, не зная усталости, длительные перегрузки, не бояться ни жары и ни холода.
Чтобы выплавить сталь, обладающую ценными свойствами, должен ввести в нее специальные добавки - хром, марганец, никель, титан, вольфрам, ванадий, кремний и др. У каждого легирующего элемента (так называют эти добавки) свое назначение.
Марганец, например, придает стали высокую твердость; хром, особенно в сочетании с никелем, делает ее нержавеющей; кремний - упругой; вольфрам применяют для получения быстрорежущей инструментальной стали и т. д. Часто в сталь вводят несколько различных добавок сразу. Обычно эти добавки вводят в металл не в чистом виде, а в виде сплавов с железом - ферросплавов. Сталь, в которую входят добавки, придающие ей особые свойства, называется легированной.
Легированную сталь выплавляют главным образом в дуговых электрических печах. Эти печи имеют цилиндрическую форму и выложены изнутри огнеупорным кирпичом. Над плавильным пространством возвышается куполообразный свод. Перед началом плавки свод поднимают, отводят в сторону и загружают сверху в печь шихтовые материалы. Затем печь снова закрывают сводом, в нее опускают угольные электроды, включают ток. Между электродами и металлом возникает электрическая дуга. Находящиеся вблизи электродов железный лом и другие материалы начинают быстро плавиться, и через короткое время вокруг электродов появляются "лужи" расплавленного металла. Дальше процесс ведется так же, как в мартеновских печах, с той разницей, что в электропечах нет опасности загрязнения стали продуктами горения. Крупные современные печи имеют специальные устройства, чтобы перемешивать жидкую сталь в ванне. Это ускоряет плавку и обеспечивает получение металла точного и, главное, равномерного состава. Емкость электропечей достигает 200 т.
Для современных машин нередко требуется сталь, в которой содержание углерода не превышало бы сотых, а то и тысячных долей процента. Дуговые печи не в состоянии обеспечить такую чистоту стали: ведь в этих печах жидкий металл соприкасается с угольными электродами и часть углерода может быть занесена в металл. Наиболее чистые безуглеродные сплавы получают в индукционных печах. Это огнеупорный тигель цилиндрической формы охваченный индукционной катушкой (соленоидом). Важное преимущество индукционных печей перед дуговыми состоит в том, что под действием образуемого соленоидом электромагнитного поля металл в тигле энергично перемешивается и химические реакции ускоряются. Сталь, выплавленная в таких печах, однороднее, чем получаемая в мартеновских и дуговых печах. Однако этим не исчерпывается борьба за получение стали высокой чистоты.
Сталь высокой чистоты
Середина нашего века ознаменована небывалым взлетом технической мысли. Появились ядерные реакторы, мощные реактивные двигатели, резко повысились скорости, мощности, давления, температуры. Соответственно этому повысились требования к материалам. Главное из этих требований - высокая чистота металла, минимальная насыщенность газами - кислородом, азотом, водородом.
Ответом на эти требования было развитие так называемой вакуумной металлургии, которая с каждым годом завоевывает все более прочные позиции. "Вакуум" в переводе с латинского значит "пустота". Как известно, это - пространство, из которого до определенных пределов выкачали воздух.
В дуговой электросталеплавильной печи металл не соприкасается с газами, и получается более чистым, чем, например, в мартеновской печи. Многие легированные стали выплавляются только в электрических печах.
Прежде всего расскажем, как производят разливку стали в вакууме. Сталеразливочный ковш с жидкой сталью помещают в камеру, где создана разреженная атмосфера, и выдерживают его определенное время. Содержащийся в жидкой стали углерод начинает взаимодействовать с кислородом закиси железа и неметаллических включений, восстанавливает железо и другие элементы. Образующаяся при этом газообразная окись углерода бурно выделяется из металла в атмосферу камеры, откуда она непрерывно отсасывается вакуумными насосами. Реакции эти протекают энергично, и содержание кислорода в. жидкой стали быстро понижается. Одновременно уменьшается содержание в стали азота и водорода, так как пузырьки окиси углерода увлекают с собой в атмосферу камеры азот и водород. Все это приводит к тому, что насыщенность стали газом резко понижается и содержание неметаллических включений уменьшается, а качество стали становится значительно лучше.
Чтобы получить сталь особо высокого качества, ее не только разливают, но и выплавляют в вакууме. Для этой цели применяются специальные вакуумные дуговые и индукционные электропечи.
Однако вакуумирование - довольно сложный процесс, он требует дорогого оборудования, поэтому творческая мысль искателей уже много лет занята поисками более простых путей получения металла высокой чистоты.
В Институте электросварки имени Е. О. Патона сконструирована специальная установка для электрошлакового переплава. Сущность процесса состоит в том, что конец металлического стержня, изготовленного из обычной электростали и выполняющего роль электрода, расплавляется в слое жидкого шлака специального состава, нагретого до высокой температуры электрическим током. Капли расплавленной стали проникают через слой шлака, дегазируются и очищаются от неметаллических включений, а затем скапливаются в медной водоохлаждаемой форме, остывают и затвердевают.
Полученная таким образом сталь однородна по химическому составу, слитки ее отличаются плотной структурой.
Другой метод обработки жидкой стали - так называемыми синтетическими шлаками - имеет давнюю историю. Еще в 1925 г. видный советский металлург А. С. Точинский предложил сливать расплавленную сталь в сталеразливочный ковш, в который заранее налито определенное количество жидкого синтетического шлака. Такой же способ обработки жидкого металла с помощью синтетических шлаков был позднее предложен во Франции Р. Перреном. Этот способ назван способом Точинского - Перрена. Практика показала, что обработка в ковше жидкой стали синтетическими шлаками приводит к укрупнению частиц неметаллических включений и поэтому они легче всплывают.
В этом и суть процесса. Он прост, но исключительно эффективен. Качество стали при этом заметно улучшается.
В последние годы у металлургов появились такие современные помощники, как электронный луч и плазма. Они могут творить с металлом то, что не под силу старому труженику металлургии - огню. В электроннолучевых и плазменных установках, которые уже работают на некоторых заводах, рождаются сверхчистая сталь, металлы и сплавы. В струе плазмы можно быстро получить температуру более 10 000° С. При обычных, давно известных нам металлургических процессах достичь такой высокой температуры невозможно.
Теперь, после того как мы познакомились с различными способами производства стали, продолжим наше путешествие по металлургическому заводу и проследим дальнейший путь металла и его превращения.
Рождение стального слитка
Основными сталеплавильными агрегатами в наши дни продолжают оставаться мартеновская печь, конвертер и дуговая электропечь. Когда плавка в них заканчивается, сталь выпускают в специально подготовленный ковш. Из очень больших мартеновских печей сталь выпускают сразу в 2 и даже 3 ковша. Затем могучие "руки" крана поднимают ковш и несут на разливку.
На большинстве заводов сталь разливают в изложницы - высокие чугунные формы. После того как металл застывает, слитки "раздевают", т. е. с них снимают изложницы. Масса слитков может быть различной - от нескольких килограммов до десятков тонн.
Ход затвердевания расплавленной стали и процесс образования кристаллов впервые исследовал и подробно описал в 1878 г. один из творцов науки о металлах - знаменитый русский ученый Д. К. Чернов. Это имело огромное значение для развития мировой металлургии.
Остывая, металл кристаллизуется, но процесс кристаллизации протекает неравномерно. Поэтому и кристаллы получаются разные: у самой стенки изложницы кристаллы небольшие, в глубине - крупные. Поскольку объем металла при затвердевании уменьшается, в верхней части слитка возникают пустоты - усадочные раковины, которые перед последующей обработкой слитка - обжимом -необходимо отрезать. При этом получаются очень большие отходы (обрезь), достигающие 8-15% от массы слитка.
Все эти недостатки заставили металлургов искать лучший способ разливки металла. В 50-х годах в нашей стране была пущена первая в мире промышленная установка для непрерывной разливки стали. Много лет затратили советские ученые, прежде чем разработали новый способ разливки, который позволяет регулировать ход кристаллизации и избавляет слитки стали от присущих им пороков. Непрерывная разливка стали широко применяется во многих странах.
Основная часть установки для непрерывной разливки стали - кристаллизатор. Стенки его полые, в них циркулирует вода. Ниже кристаллизатора расположена секция вторичного охлаждения - своеобразный "душ", который позволяет регулировать ход кристаллизации. Здесь же система роликов, образующая ограждение на пути еще не полностью затвердевших слитков, и устройство, вытягивающее слитки из кристаллизатора.
Как же происходит процесс непрерывной разливки? Кран приносит ковш с жидкой сталью. Из него металл заливают в промежуточный ковш, откуда он поступает в кристаллизатор. Чтобы первая порция жидкой стали не прошла насквозь раньше, чем она застынет, дно кристаллизатора заблаговременно закрывают металлическим брусом, или, как говорят металлурги, вводят затравку. Один конец бруса "запирает" кристаллизатор, другой зажат в валки тянущего устройства.
Когда наружные слои стали затвердеют, в действие вступают тянущие устройства, которые вытягивают из кристаллизаторов затравку и как бы приросшую к ней заготовку. Теперь процесс идет безостановочно. В кристаллизатор непрерывно заливают сталь, из него выходит стальная заготовка. Пройдя через "душ", она затвердевает насквозь, после этого ее разрезают на части нужного размера. Отрезанные куски заготовки с помощью системы рольгангов поступают на приемные стеллажи.
При непрерывной разливке стали, благодаря более быстрому охлаждению и затвердеванию, слитки получаются однороднее, прочнее, отходов почти нет.
Непрерывная разливка намного эффективнее, чем обычная. Однако основную массу стали, которая выплавляется в нашей стране да и в других странах, пока еще разливают в изложницы. Полученный таким путем слиток подвергают затем следующей технологической операции - обжиму.
Сегодня и завтра черной металлургии
Один из таких прогрессивных способов получения металла - применение кислорода вместо воздуха в доменном процессе.
В домну вдувают нагретый воздух. Вместе с каждой молекулой кислорода поступает около 4 молекул азота, который ни в каких химических реакциях не участвует. А между тем на его нагрев тратится тепло. Применение кислорода вместо воздуха упрощает весь доменный процесс. Открывается возможность уменьшить размеры и мощность оборудования для подачи дутья, транспортирования и очистки газов. Громоздкие воздухонагреватели можно будет заменить более простыми. При достаточной концентрации кислорода в дутье можно будет уменьшить высоту печей, а это позволит снизить жесткие требования к механической прочности кокса.
Не меньшее значение имеет использование кислорода при выплавке стали. Даже небольшое обогащение кислородом поступающего в мартеновскую печь воздуха сокращает длительность плавок примерно на 25%. Кислород, как мы убедились, возродил на новой основе конвертерный способ производства стали.
И все же применение кислорода - только поправка (правда, очень существенная) к известной нам двухступенчатой технологической схеме, по которой сначала в доменной печи из руды получают чугун, а затем в специальных агрегатах его переделывают в сталь. Ученые-металлурги давно уже пытаются найти экономически выгодные способы получения стали более коротким, непрерывным путем.
Один из последних вариантов этой идеи выглядит так: домна, работающая на кислородном дутье, выпускает чугун; по пути своего следования поток чугуна обрабатывается кислородом, насыщается необходимыми добавками и, превращаясь в сталь, разливается на машине непрерывной разливки.
Успехи автоматики позволили создать проект металлургического завода непрерывного действия, где разрозненные процессы будут соединены в единую поточную систему.
Заключение
Выходит, что центральное место во всем процессе все же занимает доменная печь. А нельзя ли обойтись без домен?
Задача бездоменного производства, или, как его называют, прямого получения железа, решается уже много десятков лет. В этом направлении достигнуты значительные успехи. Есть основания полагать, что в 70-х годах войдут в действие достаточно крупные установки прямого восстановления железа с суточной производительностью 500 т. Но и при этом доменное производство еще не одно десятилетие сохранит свои позиции.
Бездоменный процесс можно представить себе, например, так. Во вращающихся трубчатых печах железная руда превращается в железо. При помощи магнитов крупинки железа отделяются от остальной массы - и чистый продукт готов для дальнейшей обработки. Из железного порошка можно штамповать готовые изделия. Из него можно варить сталь различных сортов, прибавляя необходимые добавки (легирующие элементы).
С вводом в эксплуатацию гигантских электростанций советская металлургия получит много дешевой электроэнергии. Это создаст благоприятные условия для развития электрометаллургического производства и для еще более широкого применения электричества на всех последующих стадиях обработки железных сплавов.
Успехи атомной физики натолкнули на идею так называемой радиационной металлургии.
Академик И. П. Бардин (1883-1960) высказал смелую, почти фантастическую идею будущего развития металлургии. "Я думаю,- говорил он,- что на первых порах человек станет "конструировать" с помощью радиоактивного воздействия легированные стали требуемого состава, не вводя в них редких и дорогих легирующих добавок, а создавая их прямо в ковше расплавленной стали. Из атомов железа, может быть, серы, фосфора... под влиянием потока лучей в расплавленном металле произойдут целенаправленные ядерные превращения".
Над решением этой и других увлекательных проблем предстоит поработать будущим поколениям исследователей. Черная металлургия ждет новых открывателей.
| 