«Теория и технология производства стали»

УДК 669

УДК 669.18(075.8) Федеральная целевая программа

ББК 34 327 «Культура России» (подпрограмма

К 88 «Поддержка полиграфии

и книгоиздания России»

Рецензенты: заслуженный профессор МИСиС, д-р техн. наук Ю. В. Кряковский, заслуженный деятель науки и техники, лауреат Ленинской премии СССР А. Г. Шалимов

Кудрин В. А.

К88 Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. — М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.— 528с., ил.

ISBN 5-03-003533-8 («Мир»)

ISBN 5-17-013411-8 («ACT»)

Дано систематическое описание теоретических основ традиционных и новых сталеплавильных технологий получения стали и принципиальных конструкцион­ных различий сталеплавильных агрегатов. Рассмотрены термодинамические осо­бенности основных реакций, протекающих в сталеплавильных агрегатах. Изложе­ние основ технологий выплавки стали в конвертерах, мартеновских и двухванных печах, в электропечах и агрегатах непрерывного действия логически переходит в описание современных технологий получения стали высокого качества, включаю­щих методы внепечной обработки металлов вакуумом, кислородом, инертными газами, синтетическими шлаками и т.д., а также ряда переплавных процессов — вакуумно-индукционного, вакуумно-дугового, электрошлакового, электронно­лучевого, плазменно-дугового и т. д. В завершение технологической цепочки из­ложены основц существующих технологий разливки стали и проблемы, связанные с кристаллизацией стального слитка и качеством металла. Представлены основные сведения о сырых материалах (чугуне, металлоломе, продуктах прямого восстанов­ления, новых видах металлошихты) и о методах их подготовки, а также основные сведения об огнеупорах, топливе, флюсах и окислителях. Значительное внимание уделено вопросам организации работы сталеплавильных цехов, охране труда, тех­нике безопасности. Изложены проблемы создания безотходных, ресурсосберегаю­щих технологий, технологий переработки отходов с целью защиты окружающей среды. Изложены правовые аспекты проблемы охраны природы.

Материал раскрыт в объеме, соответствующем учебной программе вузов для подготовки специалистов в области технологии сталеплавильных процессов, ре­сурсосбережения, металлургических технологий переработки отходов и экологи­ческих проблем, связанных со сталеплавильным производством. Может быть по­лезен инженерно-техническим работникам сталеплавильного производства, а так­же для целей самообразования учащимся металлургических лицеев и колледжей.

УДК 669.18(075.8) ББК 34.327

На форзаце — схема цехов череповецкого металлургического комбината ОАО «Северсталь»

Редакция литературы по металлургии

ISBN 5-03-003533-8 («Мир»)

ISBN 5-17-013411-8 («ACT») © Издательство «Мир», 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ

Многолетний опыт преподавания специального курса металлургии стали позволил автору при написании данного учебника по дисциплине «Теория и технология производства стали» использовать выработанную наиболее рациональную структуру подачи материала и отразить итоги но­вейшей отечественной и иностранной литературы по тематике металлур­гии стали.

Основой послужил учебник автора «Металлургия стали», который вы­держал два издания (издательство «Металлургия», 1981, 1989 гг.), был пе­реведен на испанский («Мир», 1984г.) и английский («Мир», 1985 и 1989 гг.) языки. Однако за прошедшие 10-15 лет технология и организа­ция сталеплавильного производства в мире претерпели значительные из­менения: практически прекращена выплавка мартеновской стали; появи­лись новые, более совершенные методы непрерывной разливки при по­степенном отказе от традиционных способов разливки стали в изложницы; резко повысились требования к качеству стали при соответ­ствующих изменениях требований к качеству шихтовых материалов, к возможностям технологий получения и использования шихты без неже­лательных примесей; изменились условия эксплуатации сталеплавиль­ных агрегатов, что стало возможным благодаря успехам в области произ­водства огнеупоров; внедрены методы искусственного охлаждения; раз­работаны новые конструкции электропечей и др. Постепенно сгладилась грань между спецификой труда специалистов, работающих в области конвертерного и элекросталеплавильного производств, — агрегаты этих технологий используются для получения полупродукта, окончательная доводка химического состава которого осуществляется в процессах вне-печной обработки.

Совершенно по-новому рассматриваются и решаются проблемы эко­логии, охраны природы, ресурсосбережения. Изменилась, наконец, и сама страна, для молодых граждан которой — студентов и предназначен этот новый учебник. В нем широко использованы материалы, опублико­ванные в отечественных и зарубежных периодических изданиях после­дних лет, созданы новые разделы, сокращено излишне подробное описа­ние некоторых вариантов технологий и конструкций. В учебник не вклю­чены примеры расчетов, необходимых при выполнении курсовых проектов, а также расчетов теплового и материального балансов.

Автор вполне отдает себе отчет о трудности создания учебника, пол­ностью отвечающего требованиям сегодняшнего дня. Многолетний опыт преподавания убедил его в том, что в учебниках важно освещать только основные, ключевые понятия, о которых у студента должны сло­житься четкие представления и понятия и которые он должен усвоить. Не следует перегружать учебники излишней информацией, которая в де- талях быстро устаревает и часто меняется и, следовательно, быстро забывается.

При изложении теоретических основ конвертерного, мартенов­ского, электрометаллургического и других процессов сделана по­пытка избежать повторения описания одних и тех же основных ре­акций, протекающих в этих сталеплавильных агрегатах. Общие воп­росы теории основных технологических процессов рассмотрены один раз, в первых главах второй части учебника.

Автор выражает благодарность всем коллегам, помогавшим ему в работе. Признателен Н.Н. Марченко за поступившее от нее 4 года назад предложение о подготовке учебника, а также коллективу из­дательства, и в частности редактору Л. А. Левченковой, за подготов­ку его к изданию. Наконец, автор заранее признателен читателям за внимание и с благодарностью примет все их замечания и пожела­ния.

ВВЕДЕНИЕ

Металлургия стали — это наука о спо­собах получения стали в количествах, имеющих промышленное значение. Сталью называют деформируемый сплав железа с углеродом и другими элементами (марганцем, кремнием, серой, фосфором). Для получения стали со специальными свойствами в металл вводят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам, медь, ниобий, ванадий и др., а также в увеличенных количествах марганец и кремний. Получение железа в чистом виде является трудоемким и дорогос­тоящим процессом. Механические свойства стали, в частности проч­ность, значительно выше, чем у чис­того железа. В связи с этим чистое железо используют только для специ­альных целей; в технике и в быту обычно применяют сталь.

Основной примесью стали, в зна­чительной мере определяющей ее свойства, является углерод. По содер­жанию углерода сплавы Fe-C делят на сталь и чугун. При содержании ниже 1,7—2% С сплав Fe-C называют ста­лью, а при > 1,7 % С —чугуном. Раз­личают сталистые чугуны (от 1,7 до 2,8-3 % С) и обычные чугуны ( > 3 % С). При высоких температурах сталь обладает высокой пластичнос­тью, способностью коваться и прока­тываться. Чугун этими свойствами не обладает. Чугун имеет температуру плавления, значительно более низкую, чем сталь, поэтому обладает хороши­ми литейными качествами и широко применяется в литейном производ­стве. В настоящее время выплавляют стали, содержащие, как правило, < 1,2 % С, и чугуны с 3,5-4,5 % С.

Техническое название железа и же­лезных сплавов — черные металлы. Значение черных металлов вообще и стали в частности в народном хозяйстве огромно. Без использования ста­ли не могли бы развиваться ни горная промышленность, ни транспорт, ни машиностроение, ни сельское хозяй­ство. За последние 60—100 лет во мно­го раз увеличилось производство цвет­ных металлов, особенно алюминия, однако доля черных металлов в миро­вом производстве продолжает оста­ваться преобладающей и почти неиз­менной — около 95 % общего произ­водства металлов. В течение многих столетий уровень экономической мощи того или иного государства оп­ределялся в первую очередь количе­ством выплавленной стали. При этом основную массу составляли так назы­ваемые рядовые марки стали; доля ка­чественных и высококачественных марок была невелика.

Настоящий период развития ме­таллургии характеризуется коренным изменением как масштабов производ­ства качественной и высококачествен­ной стали, так и ее доли в общем про­изводстве и методов получения. Это связано с рядом обстоятельств: 1) для производства стали требуются добыча угля и получение из него кокса, добы­ча добавочных материалов, сооруже­ние металлургических заводов, что связано с огромными и всевозрастаю­щими (в связи с истощением запасов богатых руд и дефицитом коксующих­ся углей) затратами материальных, энергетических и трудовых ресурсов; 2) развитие техники позволяет непре­рывно повышать эффективность ме­таллургического производства, т. е. из того же количества руды и угля полу­чать все больше металлоизделий; 3) непрерывное и осуществляемое все­возрастающими темпами перевоору­жение промышленности связано с вы­водом из строя устаревшего оборудо­вания и соответственно с получением большого количества металлолома металлолом (а не железная руда) все в большей степени становится основ­ным сырьем для производства стал (это относится прежде всего к разви­тым в промышленном отношении странам, т. е. к странам с большой «металлоемкостью» народного хозяй­ства); 4) высокие требования к каче­ству стали привели к разработке боль­шого числа новых технологий, что су­щественно изменило в последние годы положение дел в сталеплавиль­ной промышленности. Требования новых отраслей техники к качеству многих марок стали резко возросли 20-30 лет назад и продолжают возрас­тать. В результате увеличились масш­табы производства стали и сплавов, содержащих ничтожно малое коли­чество газов, неметаллических вклю­чений и других нежелательных при­месей; разработаны новые способы обработки металла как в самом агрега­те, так и вне его. Возможность получе­ния стали с гарантированно низким содержанием вредных примесей при минимальном развитии ликвации обеспечивает возможность роста про­мышленного производства без суще­ственного увеличения количества выплавляемой стали.

Все это, вместе взятое, определяет новую ситуацию в промышленности, при которой масштабы выплавки стали уже не характеризуют про­мышленную мощь. Главным стано­вятся высокое качество, чистота и надежность металлопродукции. Не­избежное при этом усложнение тех­нологии оправдывается достигаемым результатом.

На прошедшем в октябре 2000 г. в Московском Кремле Всероссийском съезде металлургов были отмечены определенные успехи отечественных сталеплавильщиков. Добрые словапрозвучали и в адрес нашей высшей школы, на выпускников которой страна возлагает большие надежды. Сегодня в металлургическом произ­водстве страны работают тысячи вы­сококвалифицированных специалис­тов. Эффективность их работы под­держивается должным уровнем теоретической подготовки и общего металлургического образования.

На протяжении многих лет, по мере развития науки и техники, наши специалисты имели возмож­ность пользоваться трудами ведущих отечественных ученых с мировым име­нем, находивших время и силы для своевременного создания соответству­ющих монографий, учебников. Приме­ром таких фундаментальных работ яв­ляются книги: «Производство стали», В. Е. Грум-Гржимайло (Гостехиздат, 1933); «Металлургия стали», т. 1—3, М. М. Карнаухов (ОНТИ, 1934); «Электрометаллургия», А. М. Сама­рин (Металлургиздат, 1943); «Элект­рометаллургия стали и ферросплавов», Ф. П. Еднерал (Металлургиздат, 1950; 1955); «Металлургия стали», К. Г. Тру-бин и Г. Н. Ойкс (Металлургиздат, 1951); «Физическая химия пирометал-лургических процессов», О. А. Есин и П. В. Гельд (Металлургиздат, 1954); «Теория процессов производства ста­ли», В. И. Явойский (Металлургиздат, 1963) и др. В этих работах отражены многие важнейшие вопросы произ­водства стали, представляющие боль­шой научный интерес и в настоящее время.

Современная металлургия пережи­вает сложнейший период ускоренной модернизации. Отрасль должна осво­ить самые современные и перспектив­ные технологии. В этих условиях очень важна память о тех, кто в свое время заложил прочный фундамент отечественной металлургии.

Часть первая

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ

СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. ЖЕЛЕЗО И СТАЛЬ

Наша цивилизация в том виде, в кото­ром она сложилась, базируется на ис­пользовании железа как основного тех­нического материала. Принято счи­тать, что с железом человек впервые встретился, найдя метеорит. Косвенно об этом свидетельствуют названия же­леза, возникшие у древних народов: «небесное тело» (древнеегипетск.), «звезда, небесное тело» (древнегреч.), произошедшие от sidus, sideris (лат.) — звезда, звездный; sideros (греч.) — звез­да; сидеролит — железный метеорит; siderurgie (фр.) — черная металлургия. Шумеры называли железо «небесной медью». У коренных жителей Гренлан­дии находили ножи, сделанные из ме­теоритного железа.

Первые письменные упоминания о железе, относящиеся к весьма отда­ленным временам, встречаются в Биб­лии, в поэмах Гомера. В Ветхом Завете (Бытие) упоминается потомок Каина Тувалкаим, который был «ковачом всех орудий из меди и железа».

В Библии, 2-й книге Царств, при описании походов царя Давида упо­минаются железные топоры, желез­ные молотилки.

В поэме «Дела и дни» одного из великих поэтов Древней Греции Ге-сиода (VIII—VII вв. до н. э.) есть миф о пяти веках, следовавших один за другим, согласно которому после зо­лотого, серебряного, медного и брон­зового веков наступает железный век и общую участь составляют печаль и забота, так как боги посылают людям вместе с металлами все новые бед­ствия.

По преданию, богатые рудами Ал­тайские горы были колыбелью многих местных алтайских народов, которые с глубокой древности почитали мастеров кузнечного ремесла, причисляя их к верховным божествам.

Воинственные кочевники из Сред­ней Азии имели металлические доспе­хи и железное оружие. Своеобразная культура железа сложилась и в Китае, где, возможно, ранее, чем другие на­роды, научились получать жидкий чу­гун и делать из него отливки. До на­ших дней сохранились некоторые уникальные древние отливки из чугу­на, например 60-т колокол высотой 4 м и диаметром 3 м.

Известны уникальные изделия ме­таллургов Древней Индии. В Дели стоит знаменитая Кутубская колонна массой 6 т, высотой 7,5 м и диамет­ром 40 см. Надпись на колонне гла­сит, что она сделана примерно в 380— 330 гг. до н. э. Она сооружена из от­дельных криц, сваренных в кузнечном горне. Большее удивле­ние, чем размеры колонны, вызывает тот факт, что на ней нет ржавчины. В захоронениях Древней Индии найде­но оружие из железа, изготовленное в середине первого тысячелетия до н. э.

Греческие мастера уже в древние времена использовали железо. В пост­роенном зодчим Гермогеном около 200 г. до н. э. храме Артемиды бараба­ны мраморных колонн храма скрепле­ны мощными железными дюбелями длиной 130 мм, шириной 90 мм и тол­щиной 15 мм.

В исторической литературе эпоху железного века делят на два периода: ранний (X—vbb. до н.э.) железный век (так называемая гальштатская культура по названию города в Авст­рии, в окрестностях которого были найдены железные предметы того вре­мени) и поздний, или второй, желез­ный век (V—II вв. до н. э. — начало на­шей эры), соответствующий периоду, от которого осталось много железных предметов (так называемая латенская культура —по месту в Швейцарии). Латенская культура связывается с кельтами, считавшимися мастерами изготовления различных орудий из железа. Большое переселение кельтов, начавшееся на рубеже vb. до н.э., способствовало распространению это­го опыта на территории Западной Ев­ропы. От кельтского названия железа «изарнон» произошли немецкое «ай-зен» (Eisen) и английское «айрон» (iron). Римляне дали железу название ferrum, отсюда фр./er—железо, меч, клинок, итал./m-o — железо.

У алхимиков металлы носили на­звания планет: золото называлось Солнцем, серебро — Луной, медь — Венерой, олово — Юпитером, сви­нец — Сатурном, ртуть — Меркурием, а железо — Марсом. Химики обозна­чали (иногда обозначают и сейчас) железо знаком.

1.2. МАСШТАБЫ ПРОИЗВОДСТВА

В мировой практике исторически сло­жилось деление металлов на черные (железо и сплавы на его основе) и все остальные — цветные, или нечерные (англ. — non-ferrous metals, нем. — Nichteisenmetalle).

В настоящее время на долю черных металлов приходится около 95 % всей производимой в мире металлопродук­ции.

Под словами «черная металлургия» обычно понимается производство чу­гуна и стали. Ежегодно в мире выплав­ляется 500—550 млн. т чугуна и 800— 850 млн. т стали1. Основная масса чу­гуна поступает в сталеплавильные цехи для передела в сталь; небольшая доля используется для производства чугунного литья. Некоторая доля вып­лавленной стали предназначается для производства стального литья, основ­ная ее масса (более 95 %) после раз­ливки на слитки или заготовки и обра­ботки давлением (прокаткой, ковкой, штамповкой) используется для нужд народного хозяйства.

В промышленно развитых странах производство стали на душу населе­ния составляет 300—500 кг/год. Из приведенных в табл. 1.1 данных следу­ет, что около 85 % общего мирового производства стали приходится на 15 стран.

Таблица 1.1. Производство стали в 2000 г.*

№ п. п.

Страна

Выплавлено стали, млн. т

1

Китай

142,6 (в т. ч. Тайвань 16,8)

2

Япония

106,4

3

США

101,0

4

Россия

57,6

5

Германия

46,4

6

Ю. Корея

43,1

7

Украина

31,3

8

Бразилия

27,8

9

Индия

27,0

10

Италия

26,5

11

Франция

21,0

12

Канада

16,6

13

Испания

16,0

14

Мексика

15,9

15

Великобритания

15,1

Итого по 15 странам

694,3

(83,65 % мировой

выплавки)

Всего в мире в 2000 г. выплавлено около 830 млн. т стали.

На производство чугуна и стали расходуется огромная масса шихтовых материалов. Надолго ли их хватит для удовлетворения потребностей населе­ния нашей планеты?

1 Для сравнения: годовое производство алюминия в мире составляет 25—26 млн. т.

По содержанию в литосфере (зем­ной коре и прилегающей к ней иссле­дованной зоне) железо занимает вто­рое место после алюминия (примерно 4,65 мас.%), входя в состав всевозмож­ных минералов (руд).

Широкое получение сплавов желе­за в мире и изделий из них стало воз­можным лишь на определенном уров­не развития техники — когда научи­лись восстанавливать железо из руд. Вся история металлургии — это исто­рия непрерывного совершенствования технологии восстановления. Условно в историческом процессе непрерыв­ного развития производства железа и стали можно выделить ряд этапов.

1.3. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.3.1. Первый этап — прямое получение железа из руды. Получение железа не­посредственно из руды — наиболее древний способ производства железа. В глубокой древности железо получали путем его восстановления из руды в примитивных горнах. Поскольку в этом процессе использовалось «сырое» дутье (неподогретый воздух), способ получил название «сыродутный».

Сущность сыродутного способа получения железа заключается в сле­дующем: в горн загружают древесный уголь и железную руду, уголь разжига­ют и начинают подавать дутье; по мере сгорания и «оседания» угля руда опускается, подвергаясь непрерывно­му контакту с восстановительными га­зами и раскаленным углем и посте­пенно при этом восстанавливаясь.

Расчетная температура горения угля в холодном воздухе с нормальной влажностью около 1400 °С. Учитывая неизбежные потери тепла, предполо­жительно температура процесса со­ставляет 1300-1350 ºС, а при таких температурах шлак образуется в жид­ком виде. Шлак в основном должен состоять из оксидов железа (значи­тельная часть железа руды переходила в шлак и терялась с ним). В результате процесса получали раскисленный ком («крицу») восстановленного железа (с прожилками шлака), который вытас­кивали из горна и обрабатывали под молотами, уплотняя крицу и выдавли­вая из нее шлак. Состав металла в этом процессе зависит от состава пустой по­роды руды, от температуры процесса и продолжительности пребывания кри­цы в горне.

Существовало много разновиднос­тей сыродутного процесса, причем в некоторых установках получали за одну операцию, длившуюся 6-7 ч, до 200 кг железа. Такие недостатки сыро­дутного производства, как малая про­изводительность, большой расход топ­лива, большие потери железа со шла­ком, высокая трудоемкость процесса и низкое качество металла, определили повсеместное его вытеснение. К кон­цу XX в. возникли новые способы получения железа непосредственно из железорудных материалов. Эти спосо­бы получили общее название «прямое получение железа» (англ. DI или DRI: Direct-Reduced-Iron). Получаемый при этом продукт часто называют «первородной шихтой» (т. е. не под­вергавшейся переплаву). Этот про­дукт обычно используют в качестве шихты в дальнейшем переделе.

1.3.2. Второй этап — получение кричного (сварочного) железа из чугуна. По мере усовершенствования сыро­дутного процесса горны строили все большей вместимости, более высоки­ми, подачу дутья интенсифицировали; это привело к повышению температу­ры в горне и к более продолжительно­му пребыванию шихтовых материалов в зоне высоких температур. В резуль­тате в ряде случаев происходило за­метное науглероживание железа и продуктом процесса оказывалось не низкоуглеродистое железо, а высоко­углеродистое, т. е. чугун. Чугун не об­ладает пластическими свойствами (не куется, не сгибается и т. п.); часто его считали нежелательным продуктом и выбрасывали1. Однако было замечено, что при загрузке в горн чугуна вместо железной руды или в случае продол­жения операции из оставленной в гор­не высокоуглеродистой крицы также получается низкоуглеродистая же­лезная крица. Такой двухстадийный процесс (вначале выплавка чугуна, а потом получение из чугуна низкоуг­леродистого металла) как более про­изводительный привел к возникно­вению более совершенного способа производства железа, получившего название кричный процесс. Дата появ­ления кричного процесса, так же как и сыродутного, неизвестна, но уже в XII-XIII вв. кричный способ был рас­пространен.

1 Куски (болванки) чугуна называют чуш­ками («чушка» по-русски — это молодая сви­нья); чушка чугуна по-английски pig-iron-свинское железо (pig — свинья).

Таким образом, сущность крично­го способа переработки чугуна в желе­зо и сталь заключается в расплавлении чугуна в горне на древесном угле и окислении углерода, кремния, мар­ганца и других примесей чугуна кислородом дутья и действием шлаков, богатых оксидами железа.

Выложенный огнеупорными мате­риалами или водоохлаждаемыми чу­гунными плитами горн наполняют древесным углем, разжигают его и по­дают дутье. После того как уголь хоро­шо разгорится, присаживают чугун и богатые оксидами железа шлаки, ока­лину, железную руду. Чугун помещают обычно на уровне фурмы или не­сколько выше ее, где он постепенно плавится и в виде капель стекает вниз. Одновременно под действием кисло­рода воздуха дутья и оксидов железа шлака происходит выгорание приме­сей чугуна.

По мере выгорания примесей чугу­на (в частности, углерода) повышается температура его плавления. Напом­ним, что температура плавления чугу­на 1150—1200 °С, низкоуглеродистого железа несколько выше— 1500 ºС. Температура в горне достигает 1300— 1400 ºС, т. е. достаточна для расплав­ления чугуна, но недостаточна для поддержания в жидком виде образую­щегося низкоуглеродистого сплава. В результате по мере выгорания приме­сей металл становится все более туго­плавким и все более вязким. Наступает момент, когда на дне горна образует­ся зернистая тестообразная железис­тая масса, которую собирают в один общий ком (крицу), достают из горна и обжимают под молотом, чтобы уда­лить из металла шлак и получить воз­можно более плотный и однородный кусок железа.

В связи с тем что горючие материа­лы, применяющиеся в кричном про­изводстве, находятся в непосредствен­ном контакте с металлом, они должны быть чистыми от золы и вредных при-месйй (главным образом от серы). Та­ким требованиям лучше всего удов­летворяет древесный уголь.

Сера во время процесса выгорает в незначительной степени; фосфор уда­ется удалить на 50-60 %, чему способ­ствуют умеренная температура про­цесса и высокое (иногда > 90 %) со­держание оксидов железа в шлаке. Готовая крица обычно содержит, %: 0,03-0,05 С, 0,01-0,02 Si, до 0,08 Мп, 0,01-0,04 Р, 0,004-0,006 S.

Сравнительно высокопроизводительные (по тем временам) относи­тельно высокие печи — горны, начи­ная с XIII в., были распространены по всей Европе. На территории России известна местность (в старину назы­вавшаяся Железным полем), где рас­положен город Устюжна (Вологодская обл.). В XIII в. местность называлась Железный Устюг. К началу XVII в. там производили ежегодно около 1 тыс. т железных изделий.

Высокопроизводительные печи-горны в России назывались домница-ми, в Англии — high blomery furnace (большая кричная печь), в Герма­нии — Stuckofen (от Stuck — кусок, крица и Ofen — печь) или Wolfofen (волчья печь), во Франции —fourneau a loupe (волчья печь)'.

Также как и сыродутный, крич­ный способ производства имел ряд существенных недостатков: низкая производительность, высокий угар железа (до 20 %), большой расход топлива (древесного угля), большая трудоемкость процесса и др. В ре­зультате в конце XIX — начале XX в. кричный процесс исчез.

Низкая производительность и до­роговизна кричного передела, а также массовое уничтожение лесов вокруг промышленных центров, вызванное необходимостью получения больших количеств древесного угля,— причи­ны, способствующие поиску более производительного способа железа, причем такого, при котором можно было заменить чистый древесный уголь другим, более дешевым и менее дефицитным топливом. В 1784г. анг­личанин Г. Корт предложил получать сталь окислительным плавлением чу­гуна на поду отражательной печи — способ, позволяющий сжигать в топке печи любое горючее (топка была отде­лена от ванны металла). Печь получи­ла название пудлинговой 2. Чистота горючего уже не играет такой роли, как при кричном переделе, так как непос­редственный контакт горючего с ме­таллом отсутствует.

1 Печи для производства чугуна в России получили название «домна» (от старосла-вянск. «дмение»—дутье); в Англии blast furnace (дутьевая печь); в Германии Hoch ofen (высокая печь); во Франции haul fourneau (большая высокая печь); у зап. славян: wielki pec (польск. — большая печь), vysoka pec (чешек. — высокая печь).

2 От англ, to puddle —месить, перемеши­вать.

Садка типичной пудлинговой печи 250-500 кг (иногда выше —до 1т). Слой расплавленного чугуна 25—35 мм. Длина рабочего про­странства 1,5-1,8м, ширина —не бо­лее 1,5 м (при большей ширине трудно перемешивать металл в печи). Высота от чугунной доски, на которую наби­вался материал пода, до свода 0,6— 0,8м. Высота трубы 12—16м. Иногда устанавливали трубы высотой до 50 м, которые обслуживали несколько пе­чей (рис. 1.1).

С 1830 г. по предложению англича­нина Галла подины пудлинговых пе­чей стали делать из материалов, бога­тых оксидами железа: богатой желез­ной руды, окалины (подины первых печей делали из песка). Операция пуд­лингования сводится к следующему: после необходимого по окончании предыдущей операции исправления пода на него загружают предваритель­но подогретый чугун. Расплавление чугуна сопровождается окислением его примесей. За периодом расплавле­ния следует так называемое «вымеши­вание»: температуру на короткий про­межуток времени несколько снижают (чтобы добиться более полного кон­такта металла со шлаком) и рабочие-пудлингеры перемешивают металл и шлак клюкой (или ломами). Источни­ками образующегося шлака являются: подина, специально добавляемая ока­лина, железная руда, а также железо и примеси чугуна, окисляемые в атмос­фере печи.

По мере выгорания примесей и снижения содержания углерода тем­пература плавления tпл сплава данно­го состава возрастает. Наступает мо­мент, когда tпл оказывается равной температуре в печи tп. Дальнейшее возрастание tпл приводит к тому, что из расплава начинают выпадать крис­таллы наиболее чистого железа с вы­сокой температурой плавления. Этот процесс называется избирательным вымораживанием (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Схема пудлин­говой печи:

Л — топка; Б — рабочее про­странство; В—камера пред­варительного подогрева чу­гуна отходящими газами

Реклама на сайте