Топене на стомана 1980 Шалимова Н
Топене на стомана
Основната суровина за производството на стомана - течно или твърдо желязо - се доставя в цеховете за производство на стомана от доменна пещ. Но в допълнение към чугуна, за производството на стомана те използват метален скрап (или, както металурзите често го наричат, скрап), който се натрупва в големи количества точно там, в металургичния завод или се доставя от машиностроителни заводи - същия скрап, който нашите ученици събират с такава ревност.
Скрапът се проверява внимателно и се сортира по химичен състав и размер на парчетата. Изрязват се слитъци, греди, релси, изпратени за претопяване. Стружки и метални частици се пресоват в торби със специални преси за пакетиране.
Най-общо процесът на производство на стомана може да бъде представен като поредица от операции, чиято задача е да отстранят примесите, въведени от чугуна в определени количества и последователност. Ако производството на желязо от гледна точка на химиците е процес на възстановяване, то преразпределението на чугун и скрап в стомана е окислителен.
Примесите, които трябва да бъдат отстранени, се различават един от друг по своите физикохимични свойства, следователно, за да се отървете от всеки от тях, се създават определени условия, които не само не съвпадат, но често са и противоречиви.
Шлаките играят важна роля в процеса на производство на стомана. Всъщност отстраняването на примесите става в резултат на взаимодействието на шлаката с метала. Производителите на стомана обръщат голямо внимание на състава на шлаката, нейната температура и повърхността на контакт с метала.
Сред примесите, отстранени по време на производството на стомана, силицият е най-привлечен от кислорода (или, както казват химиците, има голям афинитет към кислорода). Следователно не е необходимо да се създават специални условия за неговото окисляване. Тойсе появява в шлаката преди други елементи. Същото може да се каже и за мангана.
По този начин е необходим само кислород за отстраняване на силиций, манган, въглерод. Това може да бъде кислород в свободно състояние (използва се широко в металургичните предприятия, вдухвайки се в стоманодобивни агрегати) или под формата на оксиди (руда, мащаб и др.). За отделянето на сяра кислородът е вреден, но е необходим вар (калциев оксид); както вар, така и кислород са необходими за отстраняване на фосфора.
По време на процеса на топене стоманата се насища с газове: кислород, водород, азот. Кислородът в метала е под формата на железен оксид FeO, разтворен в него. За да го премахнете, в метала се въвежда комплекс от специални добавки - дезоксиданти (въглерод, манган, силиций и алуминий). Тази операция се извършва в края на стопилката и се нарича дезоксидация.
Къде се случват всички тези трансформации, всички тези химични реакции, в какви пещи се топи стоманата?
За Хенри Бесемер и Сидни Томас
Хенри Бесемер се заел с търсенето на метал, който да превъзхожда свойствата на чугуна и по-евтин от тигелната стомана, когато бил на четиридесет и първата си година.
Талантлив изобретател, той работи и решава проблеми в различни области на техниката, напълно несвързани една с друга. Но понякога решението на един проблем го подтиква да разбере друг.
В работилницата на баща си Хенри Бесемер учи струговане и водопровод, научи се как да борави с течен метал и да прави отливки от него.
Трудолюбивият млад изследовател получава 113 патента по време на кариерата си. Върху какво не е работил? Той проектира и конструира машина за леене на букви с пресоване на течно олово, непрекъсната спирачка за железопътни линии, пещи за производство на оптично стъкло и създава метод за пресоване на брикети от кафяво.въглища и др.
През 1854 г. Хенри Бесемер започва да търси нови начини за получаване на метал. Анализирайки съществуващите методи на производство, той стига до извода, че въздухът трябва да бъде отворен към метала. Той ще изгори въглерода и ще превърне чугуна в желязо. Но как да получите въздух? Една идея сменя друга, един след друг следват редица експерименти, докато донесат успех.
За 340 килограма разтопено желязо е направен цилиндричен съд, на дъното му са направени шест дюзи и през тях е подаван въздух под налягане от една атмосфера.
Отначало всичко вървеше добре. Но тогава от съда изскочи сноп искри, пламна ярък пламък и всичко наоколо димеше. Трябваше да спра преживяването. След известно време се повтори отново, като върху съда се окачи чугунена чиния. Но тя не издържа - разтопи се.
Търсенето продължи. Имаше камера със затворен таван, черпак с вертикално повдигаща се тапа (металът от него отиваше направо във формата), хидравличен тласкач за избутване на охладения метал нагоре.
Но също така беше необходимо да се гарантира, че въздухът прониква в цялата маса от чугун и в същото време течният метал не наводнява дюзите, когато камерата е във вертикално положение. И Бесемер си спомни пещта, която преди това е разработил за производството на стъкло. Беше окачен на две хоризонтални релси, тигелът се люлееше, нагрявайки се през отворите на огнището. Тигелът имаше формата на двоен конус със заоблени върхове. Така се появи известната "Бесемерова круша".
Започнаха експерименти. Издържаха почти две години, много неща не вървяха добре и бяха сменени. И през 1856 г. английските вестници съобщават за нов метод за производство на желязо, който трябва да направи пълна революция в железарската индустрия. Но едновременно с товаот ревностни производители, които се опитаха незабавно да използват новото изобретение, заваляха оплаквания за неуспех. Хенри Бесемер е обвинен в нечестност и шарлатанство. Това беше труден период от живота му. Отново експерименти, отново търсения. И основното зло беше, че в английските чугуни имаше много фосфор и тъй като огнеупорната глина, с която Бесемер покриваше своята „круша“, беше заменена в други заводи със силиконова облицовка, фосфорът не беше отстранен, а целият премина в желязо.
Един проблем водеше до друг. И преди да се разкрие причината за повредата, мина много време.
Но през 1862 г. на Лондонското изложение Бесемер представя продукти от своята стомана - от бръснач до оръдие - и по този начин проправя пътя за нов метод за получаване на метал - Бесемер.
През 1867 г. Хенри Бесемер получава голям златен медал на изложба в Париж, през 1871 г. е избран за президент на новосъздадения Институт за желязо и стомана, а през 1879 г. става член на Английската академия на науките.
Сидни Томас чул за този нов проблем, възникнал в металургията, на лекция по химия. Подготвяйки се за медицинска практика, Томас вечер слуша лекции по химия и металургия, поставя експерименти в малката си домашна лаборатория, учи и в крайна сметка завършва минното училище.
През 1877 г. Томас получава първия си патент относно използването на шлака, а през 1878 г. той предлага да се използва доста често срещаният минерал доломит, след което магнезият се освобождава след изпичане и смесването му с вар. Този огнеупорен материал, който премахва фосфора, е използван от Томас като облицовка на круша.
Изобретението е патентовано през 1879 г. За първи път е използван в Германия, а в Англия е "признат" едва след смъртта на Томас (той почина през г.1885 г. на тридесет и пет години). По това време идеята, разработена от Томас за използване на фосфорна шлака, получена по време на топенето на стомана от фосфорно желязо, намери решение. Така Хенри Бесемер и Сидни Томас създадоха по същество нов, но далеч от съвършен метод за производство на стомана. И изискваше специален чугун - течен, с определен химичен състав и трябваше да се избере огнеупорен материал (особено бързо се разваляше дъното на конвертора, в което имаше отвори за въздух). И стоманата се оказа с доста ниско качество. Металурзите от различни страни работиха усилено, за да подобрят този процес.
В края на краищата, заедно с издухания въздух, голямо количество азот влезе в конвертора (не забравяйте, че въздухът се състои от 1/5 кислород и 4/5 азот!), Което беше не само баласт, но и вредно, допринасяйки за увеличаване на крехкостта на метала.
Премахването на азота и подаването на кислород към конвертора вместо въздух е идея, хрумнала на много учени металурзи. Но кислородът беше скъп и не винаги имаше оборудване за производството му в големи количества.
Освен това, когато към преобразувателя беше подаден кислород, се разви толкова висока температура, че дупките в дъното изгоряха и той се повреди. Опитах се да взема огнеупорни материали, но безуспешно. Едва през 60-те години на нашия век те започнаха да използват кислород в преобразуватели, доставяйки го отгоре през тръба (дъното в преобразувателите, работещи с кислород, е твърдо, без дупки). Така се появи нов метод за производство на стомана - кислороден конвертор.