UA-75651220-1

Сталь, її одержання

Сталь - це сплав, у якому вміст вуглецю становить менше 2 %.

Засновником сталеплавильного виробництва варто вважати Генрі Бессемера (1813-1898). У 1885 р. він уперше одержав ковке залізо, точніше сталь, шляхом продувки повітрям 5 кг сирого чавуну, розплавленого в тиглі з вогнетривкої глини. Виявилося, що при продувці повітрям розплавлений чавун не тільки не прохолоджується, як припускали колись, але, навпаки, його температура зростає настільки, що ванна залишається рідкою, хоча сталь, що утворюється з чавуну завдяки продувці, має більш високу температуру плавлення. 17 жовтня 1855 р. Бессемер одержав англійський патент на свій винахід. Прусське патентне відомство в Берліні відмовилося видати йому патент, мотивувавши свою відмову в такий спосіб: «Не можна нікому заборонити продувати повітря крізь рідке залізо». Ось досить виразний приклад нерозуміння сутності технічного прогресу.
Рис. 1.2.8. Генрі Бессемер (1813-1898).
Він першим одержав рідку сталь з чавуну, продуваючи крізь нього повітря
Новий процес одержання сталі з чавуну «без палива й без топлення» пройшов довгий, засіяний безліччю невдач шлях, перш ніж стало зрозуміло, що добру сталь дає тільки малофосфористий чавун. Якщо ж у чавуні багато фосфору, то продукт виходить гірше, ніж ковке залізо, - він виявляється пористим «червоноламким» і «холодноламким» (тобто крихким у гарячому й у холодному станах). Унаслідок цих труднощів бессемерівський процес поширювався досить повільно - спочатку він був прийнятий у Швеції, потім - в Австрії й тільки пізніше - у Великій Британії. Значному його поширенню перешкоджало те, що він мав потребу в малофосфористому чавуні. У результаті головною проблемою стало очищення чавуну від фосфору. Серед багатьох металургів, які намагалися розв’язати цю проблему, першим досяг успіху Сідней Джилкрист Томас (1850-1885).
Рис. 1.2.9. Сідней Джилкрист Томас (1850-1883), що отримав у конвертері сталь з фосфористого чавуну
Томас мав дві спеціальності. Він служив писарем у лондонському поліцейському суді, чим заробляв на життя, й одночасно вивчав хімію й металургію в Гірничому училищі, де й зацікавився проблемою видалення фосфору із чавуну. В 1877 р. Томас подав першу заявку (а в 1878-1879 р. - ще дві) на спосіб одержання сталі, що пізніше був названий його ім’ям.

Непосвячений не побачить особливої різниці між бессемерівським і томасівським процесами. В основі обох процесів лежить той самий принцип: чавун, з якого одержують сталь, очищають, продуваючи крізь нього повітря. Посудина, де перебігає реакція, - конвертер - має грушоподібну форму з відкритою горловиною вгорі; він укріплений на горизонтальній осі, що дозволяє його нахиляти. Конвертери Бессемера й Томаса за зовнішным виглядом однакові. Головне розходження полягає в тому, що бессемерівський конвертер зсередини викладений кислою (тобто кислотною за хімічним характером) вогнетривкою футерівкою, і в ньому не можна видалити фосфор з багатого ним чавуну в основний шлак (тобто за своїми хімічними властивостями подібний до основ), оскільки такий шлак швидко роз’їдає кислу футерівку. Томасівський же конвертер має основну футерівку, тому тут, додаючи вапно, можна одержати основний шлак, що добре витягає фосфор із чавуну, але не руйнує основної футерівки.

Конвертер
- будь то бессемерівський або томасівський - дозволяє за 20 хв перетворити в сталь до 20 т чавуну. Для виробництва такої ж кількості сталі в горні способом крицевого переділу знадобилося б три тижні, а в пудлінговій печі - тиждень.

Так металурги одержали у своє розпорядження два високопродуктивних процеси, що дозволило задовольняти безупинно зростаючий у промислових країнах попит на сталь. Бессемерівський і томасівський конвертери були необхідні для масового виробництва сталі загального призначення, тоді як високоякісні спеціальні сталі продовжували виплавляти в тиглях. Але техніка не стояла на місці.
Рис. 1.2.10. Томасівський процес відрізняється від бессемерівського складом завантажуваного чавуну (вмістом у ньому фосфору), шлака і футерівки конвертера
Рис. 1.2.11. Перші кроки Бессемер робив у закритому тиглі, продуваючи розплав повітрям крізь введену зверху трубу. Тигель був установлений у печі - Бессемер не знав, що в цьому випадку додатковий підігрів не потрібний
Брати Вільгельм і Фрідріх Сименси винайшли регенеративний спосіб обігріву печей і, після того як Фрідріх Сименс одержав патент на цей винахід, побудували дослідну піч. Основна ідея регенеративного обігріву полягає в попередньому підігріві повітря, необхідного для горіння палива, що відходять газами - продуктами горіння. Для цього через певні проміжки часу повітря спрямовують то крізь один, то крізь інший регенератор (поки повітря для горіння, проходячи крізь один регенератор і прохолоджуючи його, само нагрівається, гази, що відходять, підігрівають інший регенератор). У дослідній печі братів Сименсів сталеві напилки через 6 год розплавилися, а тигель, поміщений у топкову камеру, перетворився в шлаки.

Перші практичні спроби виплавити тигельну сталь у подібній печі на сталеливарному заводі в Шеффілді закінчилися невдачею. Разом зі сталлю плавилися тигель і стінки печі.

8 квітня 1864 р. на одному з заводів Південної Франції П’єру Мартену (1824-1915) уперше вдалося зварити добру сталь у регенеративній печі, побудованій за участі Вільгельма Сименса. Шихта (вихідні матеріали, що завантажуються в піч) складалася із чавуну, виплавленого з гематиту - червоного залізняка з острова Ельба, паць пудлінгового заліза й сталевого лома.

Мартенівський процес (німці його називають сименс-мартенівським) поряд з бессемерівським і томасівським ознаменував ще один важливий крок у розвитку сталеливарного виробництва (новий процес набув широкої популярності після Паризької виставки 1867 р. У Росії першу мартенівську піч побудували в 1869-1870 р. на Сормовському заводі О. О. Ізносков і М. М. Кузнєцов). Цей процес зберіг велике практичне значення до наших днів; особливо широко він використовується для повторного виробництва сталі з брухту й сталевих відходів (як кажуть металурги, зі «скрапу»).

Цікаво помітити, що Генрі Бессемер винайшов свій конвертер, а Вільгельм Сименс - регенеративну піч приблизно в той самий час, живучи на сусідніх вулицях у Лондоні й нічого не знаючи один про одного.
Рис. 1.2.12. Конвертерне виробництво сталі в XIX столітті. Поки в лівий конвертер заливають з ковша рідкий чавун, у правому відбувається процес плавлення. В центрі - готову сталь розливають у виливниці