Железо, сталь, чугун

уже в глубокой древности люди знали железо и умели пользоваться им. Греческий философ Аристотель, живший в 384-322 гг. до н. э., описывает способ получения некоторых сортов железа и говорит о землях, из которых железо извлекали. Земля, о которой он рассказывает,- это железная руда – химическое соединение железа с кислородом (окислы железа) в смеси с различными минералами.

В самородном состоянии железо на Земле не встречается, так как оно окисляется. Человек стал пользоваться железом с тех пор, как научился получать его из руды.

Что же такое железо? Это химический элемент, один из самых распространенных металлов, «ходящих в состав земной коры. Однако железом называют не только химический элемент, но и металл, восстановленный из железной руды. Обычно в нем содержатся примеси, в частности немного углерода. Если углерода совсем мало – не больше 0,04%, то железо сохраняет свои физические свойства и свое название.

Если в железо входит больше углерода (от 0,04 до 1,7-2%), то оно становится тверже, хотя и сохраняет пластичность. Это – сталь. А если углерода еще больше – от 1,7-2%до 4-5%, железо теряет свои физические свойства: становится твердым и хрупким (рис. 1). Такой сплав железа с углеродом называют чугуном. В состав чугуна и стали, кроме железа и углерода, входят и другие химические элементы: кремний, марганец и т. д.

Искусные железодельцы и кузнецы научились придавать стали необходимые свойства- делать ее тверже. Для этого раскаленный металл погружали в воду. Этот способ-закалку- еще в XV в. до н. э. знали народы, населявшие тогда Малую Азию.

Вместе с усовершенствованием методов получения и обработки железа расширилась область его применения.

Паровые машины и электрические двигатели, железные дороги и исполинские корабли, машины для добычи угля, нефти, обработки полей и уборки урожая – все они сделаны из чугуна и стали. А нож и вилка, ведро и миска, утюг и дверная петля, топор и пила, игла и перо- это ведь тоже железо, сталь, чугун. Посмотрите вокруг себя, и вы убедитесь, что железо- всюду!

В странах с наиболее развитой промышленностью производится на душу населения более килограмма стали в день.

Производство стали в бывшем Советском Союзе за сорок лет после Великой Октябрьской революции выросло почти в 13 раз. В 1959 г. в бывшем СССР выплавлено 60 млн. Т стали. За один месяц 1959 г. выплавлялось у нас больше стали, чем за весь 1913 г. К 1965 г. производство чугуна в нашей стране вырастет до 65-70 млн. Т, а стали до 86-91 млн. Т.

Что нужно для плавки

Весь процесс от подготовки руды до получения из нее металла необходимой формы называют металлургическим циклом.

Не всякая железная руда пригодна для плавки. Руд с большим содержанием железа, доступных для добычи, не так много, и для плавки приходится использовать руды, содержащие не более 25-40% железа, остальное – пустая порода.

Рис. 1. Шарик из чистого железа, ударившись о металлическую плитку, сплющится, стальной – подпрыгнет, чугунный – расколется.

Такую руду предварительно обогащают, т. е. уменьшают содержание пустой породы. Обогащенную руду называют концентратом. Содержание железа в ней при этом поднимается до 60% и более.

Разная руда требует разных способов обогащения. В одних случаях ее просто промывают водой. При этом более тяжелые частицы, содержащие железо, оседают на дно, а более легкие минералы уходят с водой. В других, чтобы отделить частички, содержащие железо, от пустой породы, пользуются магнитом. В наше время на многих рудниках строят обогатительные фабрики.

Доменный процесс, т. е. восстановление железа из окислов, сводится к простой химической реакции: газообразная окись углерода соединяется с входящим в окислы железа кислородом. Чтобы процесс развивался быстро, большие куски руды дробят на более мелкие.

Но очень мелкую руду, например в виде порошка, нельзя грузить в печь. Ведь в печь постоянно вдувают под давлением воздух (иначе нет горения). А это неизбежно приведет к тому, что пылеватая руда будет выброшена (выдута) из печи прежде, чем успеет вступить в контакт с углеродом. Пылеватая руда затрудняет также прохождение газов сквозь слой сырых материалов и может нарушить весь доменный процесс. Между тем железная руда часто встречается в пылеватом состоянии. И был найден выход: пыль спекают – агломерируют.

Кроме руды, для плавки необходимо углесодержащее топливо (горючее). Его тоже надо подготовить. Прежде, лет 200 назад, для доменной плавки применяли древесный уголь. Выжиг высококачественного древесного угля был большим искусством. В угле не должно быть примесей, которые могут перейти в металл. Куски хорошо выжженного древесного угля при падении на металлическую плиту звенят. Но теперь очень небольшая часть чугуна (меньше одного процента) выплавляется на древесном угле. Ведь его использование в металлургии грозило истреблением лесов.

Пришлось заменить древесный уголь каменным. Однако в нем содержится много примесей, которые вредно влияют на металл. Поэтому каменный уголь превращают в кокс. Уголь размалывают в тончайший порошок и погружают в высокие печи – камеры. 60-80 таких камер образуют коксовую батарею. Порошок прогревают так, чтобы в печи не попадал воздух. Угольный порошок спекается, получается словно каменноугольный пирог. С одной стороны к камере подходит машина, выталкивающая кокс из печи, с другой – железнодорожная платформа, на которую высаживается коксовый пирог.

Кокс увозят к тушильной башне. Там его заливают водой, и он разваливается на мелкие куски, которые падают на наклонную площадку. С нее кокс попадает на транспортер, по которому идет сначала на сортировку, а потом к домнам.

Кокс лучше справится со своим делом, чем сырой уголь. Он порист и поэтому хорошо вступит в контакт с железной рудой.Он крепок и при падении с высоты не будет крошиться, не засорит печь. В коксе осталось гораздо меньше примесей, вредящих металлу. Часть их ушла вместе с «коксовым газом», который выделяется при нагреве угля. Из этого газа извлекут много продуктов для химической промышленности. Руда и кокс приготовлены. Теперь для плавки нужен еще воздух. Вез него – точнее, без кислорода-нет горения. Но воздух тоже нужно подготовить – прежде всего нагреть. Когда вдували холодный воздух, приходилось затрачивать слишком много древесного угля или кокса, производительность печей оставалась низкой. С переходом на горячее дутье процесс пошел гораздо быстрее, так как не надо затрачивать тепло в доменной печи для нагрева холодного воздуха внутри печи.

Каким же образом нагреть воздух? Для этого используют тепло самих домен – отходящие горячие газы. Их отводят по трубам к нагревателям (рис. 2) – кауперам. Это высокие башни, внутри разделенные по вертикали на две части. В одной половине сгорает поступающий в печь доменный газ, другая выложена огнеупорным кирпичом. В башню пускают доменный газ и воздух. Газ загорается и идет сначала к куполу башни, а потом опускается по каналам, проложенным в кирпичных насадках другой половины башни, отдавая кирпичу тепло.

Рис. 2. Воздухонагреватель (каупер).

Когда кирпич достаточно нагреется, доступ газа закрывают и в каупер впускают холодный воздух. Проходя между горячими кирпичами, воздух нагревается до 800-1000°. Затем его по трубам направляют к домне. Кирпичные камеры греют обычно около двух часов, после этого каупер в течение часа может подавать в домну горячий воздух. Поэтому для бесперебойной работы домны мало одного воздухонагревателя – нужны три-четыре. Из них два или три, как говорят металлурги, «стоят на газу», т. е. сами греются, а третий или четвертый в это время подает нагретый воздух в доменную печь.

Познакомимся теперь с устройством доменной печи.

Как устроены доменные печи

На заводах бывшего Советского Союза в годы пятилеток построены очень крупные доменные печи объемом 1370 м³ и больше. Такая печь способна выплавить 2100-2400 Т чугуна в сутки- тридцать пять большегрузных железнодорожных вагонов. Это составляет около 800 тыс. Т в год. Столько выдавали почти все домны старого Урала. Но теперь на бывших советских заводах строят печи еще мощнее – объемом в 1600 м³, и на очереди постройка печей с еще большим объемом.

Доменная печь – одно из самых могучих сооружений современной техники. Загруженная материалами мощная доменная печь весит около 15 тыс. Т. Высота ее 40 м – пятнадцатиэтажный дом. Выложена она огнеупорным кирпичом. В него замурованы змеевики, по которым циркулирует охлаждающая вода. На башню надета стальная «рубашка».

Главные части домны (рис. 3) – колошник, шахта и горн. Через колошник в печь загружают материалы и отводят газы. Из него материалы поступают в шахту, а оттуда в горн – самую важную часть печи. Сюда под большим давлением через специальные отверстия – фурмы – поступает горячий воздух. Здесь сгорает кокс и развивается очень высокая температура – до 1900°. В такой температуре порода, содержащая руду, плавится, становится жидкой. В нижней части горна сделаны отверстия – летки, в самом низу – для выпуска жидкого чугуна, а повыше – для шлака (расплавленной пустой породы).

Рис. 3. Схема доменного процесса.

В доменную печь засыпают железную руду (или агломерат), кокс и известняк – флюс (он необходим, чтобы быстрое расплавить пустую породу и чтобы шлак легко вытекал из печи).

Материалы, подобранные в определенной пропорции, называют шихтой. Чтобы получить тонну чугуна, нужно около 1,7 – 1,9 Т железной руды; кокса обычно расходуется около 800 кГ, флюса – примерно 200 кГ. Больше всего требуется воздуха. Он поступает с мощных воздуходувных станций.

Из доменной печи выходит, кроме чугуна, огромное количество доменного газа – 4-5 Т на каждую тонну чугуна. Доменный (колошниковый) газ – хорошее топливо. Его используют для нагрева воздуха в кауперах и для других целей. Шлак идет на изготовление цемента.

Рис. 4. Бессемеровский конвертер.

Подвоз сырых материалов к домнам, взвешивание, подъем на колошник и опрокидывание в печь механизированы и автоматизированы. Возле домен делают бункера (ямы). Это склады, откуда домны получают необходимое питание. Здесь составляется набор сырых материалов – шихты, – нужных для плавки чугуна. Набор шихты производится при помощи вагонов-весов.

Из вагона весов материалы высыпают в бункер, расположенный у самого подножия доменной печи. В него упирается нижняя часть наклонного моста, приставленного к домне. По мосту вверх и вниз ездят скипы (тележки). При помощи канатов и подъемных механизмов скип взбегает наверх, к колошнику. В то время как один скип наверху разгружается, другой внизу нагружается.

А теперь разберемся, что же происходит внутри печи. У фурм кокс встречается с воздухом. Сгорая, кокс образует углекислый газ и окись углерода. Под влиянием высокой температуры углекислый газ разлагается на кислород и окись углерода. Последняя вступает в контакт с железной рудой, отнимает у нее кислород и снова превращается в углекислый газ.

В нижней зоне печи создается высокая температура. Восстановленное железо, проходя через слой кокса, насыщается углеродом. Поэтому в домнах получается не железо и не сталь, а чугун.

По мере накопления в печи жидкого чугуна его выпускают через летку. Расплавленная пустая порода и зола кокса образуют шлак, он легче металла и всплывает наверх. Поэтому шлаковая летка и расположена выше чугунной. Глиняную пробку летки пробивают ломом или высверливают специальной машинкой, а закрывают летку при помощи специальной «пушки».

Чугун обычно выпускают через точно установленные промежутки времени. Шлак выпускают чаще, чем чугун.

Жидкий чугун из домны по желобу течет в канавы, выложенные огнеупорной массой. Из них чугун попадает в стоящие наготове на железнодорожных путях ковши.

Часть жидкого чугуна разливают в формы. Застывшие продолговатые бруски чугуна называют чушками. Однако большую часть чугуна используют для получения стали.

На больших металлургических заводах строят обычно не одну, а несколько доменных печей. Как же чугун превращается в сталь?

Бессемеровская сталь

Чтобы отнять у окислов железа кислород, его заставили в доменной печи соединиться с углеродом. Получился чугун. Теперь, чтобы отнять у чугуна излишний углерод, его надо выжечь.

Быстрый и удобный способ превращения чугуна в сталь изобрел англичанин Генри 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 одного- как бы воздух не остудил чугун. На деле получилось другое: чугун не только не остыл, но еще сильнее нагрелся. Неожиданно, не правда ли? А объясняется это просто: при соединении кислорода воздуха с разными элементами, содержащимися в чугуне, например с кремнием или марганцем, выделяется тепло.

Конвертер – стальной выложенный кирпичом сосуд для выплавки стали по способу Бессемера – похож на реторту (рис. 4).

В дне его сделаны отверстия, через которые под большим давлением вдувают воздух. Примерно на одну десятую объема конвертер заполняют расплавленным чугуном. Опускаясь к отверстиям дна, чугун встречает сильный ток воздуха, который проходит через жидкий металл. Значительная часть углерода при этом выгорает.

Это самый быстрый, самый дешевый, самый простой способ получения стали. Но в простоте его кроются и недостатки. Химические реакции в конвертере проходят чересчур быстро и не затрагивают серу и фосфор, которые переходят в чугун из руды и кокса. А сера и фосфор – враги стали.

Кроме того, при этом способе можно использовать только такой чугун, в состав которого входят кремний и марганец, способные во время реакции выделять большое количество тепла. Так обстояло дело до самого последнего времени. Проведенные на металлургических заводах бывшего СССР опыты показали, что качество стали может быть значительно улучшено, если в конвертер вдувать не воздух, а кислород.

Спустя всего 10 лет после открытия Бессемера, в 1864 г., французы Эмиль и Пьер Мартены предложили другой способ выплавки стали. Его назвали мартеновским.

В настоящее время это самый распространенный метод производствастали.

Мартеновская печь

Мартеновская печь (рис. 5) – как бы двухэтажная. Нижний этаж уходит глубоко в землю. Он состоит из двух камер, стены которых выложены огнеупорными кирпичами, как кауперы у домен. Это регенераторы, в них регенерируется, т. е. восстанавливается, тепло. Назначение этих камер примерно такое же, как и у кауперов. Только в них нагревается и поступающий в печь воздух, и газ, которым она отапливается.

Сами регенераторы нагреваются дымом печи. Раскаленные продукты горения направляют в подземные камеры. Проходя через регенератор, они отдают свое тепло, нагревают их. Горячий газ (раскаленные продукты горения) пропускают через одни регенераторы (камеры) – скажем, через правые. Когда они достаточно нагреются, газу закрывают ход в правые камеры и он идет в левые. Это осуществляется при помощи особых перекидных клапанов. В то время как греются левые регенераторы, в один из правых, уже успевших достаточно нагреться, пускают газообразное топливо, на котором работает печь, а в другой – воздух.

Проходит 10-15 мин.- одни регенераторы нагреются, другие остынут. Тогда при помощи клапанов меняют направление потоков воздуха и газа: горячий дым пускают через остывшие регенераторы, воздух и газ проходят через нагретые. Таким образом в печи все время поддерживается высокая температура.

Верхний этаж печи – это рабочая камера, в которой ведется плавка. Стены ее выложены огнеупорным кирпичом. Пол, или под (подина), напоминает удлиненное, постепенно углубляющееся от краев к середине корыто, покрытое слоем огнеупорных материалов. Его называют ванной.

В передней стене сделаны окна (обычно пять), через них загружают материалы (железный лом, руду и др.), а также заливают расплавленный чугун. В противоположной стене – выпускное отверстие. Когда идет плавка, оно заполнено огнеупорной глиняной массой. По специальным каналам нагретые газ и воздух подводятся в верхнюю часть печи. Попадая в плавильное пространство печи, они смешиваются и загораются. Образуется факел яркого пламени, температура которого 1650-1700°. Газ и воздух двигаются быстро, факел растягивается на всю длину камеры и обогревает находящиеся в ней материалы.

Рис. 5. Мартеновская печь. Вверху слева – схема действия печи и регенераторов: 1 – дым: 2 – регенераторы; 3 – воздух; 4 – газ; 5 – перекидные клапаны; б – дымовая труба.

В мартеновских печах не только получают из чугуна сталь, но и переплавляют старые, пришедшие в негодность стальные и железные изделия – лом. Ежегодно его накапливаются миллионы тонн. Переплавлять лом в бессемеровских конвертерах нельзя. Это также послужило одной из причин вытеснения их мартенами.

Обычно под одной крышей строят не одну, а несколько мартеновских печей. Вдоль них прокладывают рельсы. По одним из них подвозят нужные для плавки материалы, по другим курсируют завалочные машины. На наших металлургических заводах есть печи, которые за одну плавку выдают 500 Т стали. Намечается строительство еще больших печей.

Рис. 6. Мартеновский цех:1 – печь; 2 – завалочная машина; 3 – ковши с жидким чугуном; 4 – мостовой кран печного пролета; 5 – регенераторы; 5- ковши для приема и разливки жидкой стали; 7- изложница; В – мостовой кран литейного пролета.

Войдем в один из мартеновских цехов Магнитогорского металлургического комбината. В ряд выстроены печи. Вот печь, из которой только что выпустили готовый металл. Сталевары уже начали готовиться к новой плавке. С помощью специальной машины они заделывают обнаружившиеся после выпуска предыдущей плавки изъяны в подине и кладке печи. Это называется заправкой печи – первая операция, с которой начинают плавку.

Потом начинается загрузка, или завалка. Сначала в печь идут холодные материалы- руда, железный лом, известняк. Для загрузки применяют завалочные машины. Длинными, похожими на хобот слона, штангами они захватывают металлические ящики – мульды – с железным ломом, известью и т. п., заносят их в печь, легко и быстро переворачивают, выбрасывают содержимое и ставят мульды снова на вагонетку.

Завалка печи продолжается полтора-два часа, а затем опускаются все заслонки над «окнами». Теперь в печь можно смотреть только через прорезанные в заслонках «глазки» (и то сквозь темные очки: глаза не выдерживают яркого пламени). Куски лома быстро меняют окраску. Появляются первые лужицы жидкого, расплавленного металла.

Когда лом расплавится, в печь заливают чугун. Его доставляют из миксера – своеобразного термоса, в котором хранится жидкий чугун. Электровоз подвозит ковш с чугуном. В одно из окон печи вставляют желоб; кран снимает с лафета ковш, наклоняет его, и по желобу чугун льется в печь.

Теперь надо добиться, чтобы жидкость в ванне хорошо перемешалась, закипела. Пройдет полтора-два часа, и на поверхности ванны появятся пузыри: через металл и шлак прорывается окись углерода. Она образуется в результате реакций между отдельными элементами шихты (марганцем, кремнием) и кислородом печных газов и руды. Чтобы усилить выгорание углерода, в ванну прибавляют железную руду.

Для чего это делают? В домнах углерод помог избавиться от кислорода руды. В мартеновских печах кислород руды помогает избавиться от излишнего углерода в металле.

А чтобы узнать, насколько интенсивно проходят химические реакции в печи, время от времени берут пробы. В цеховой лаборатории очень быстро (их поэтому называют экспресс-лабораториями) делают анализ и сообщают сталевару, сколько в металле углерода, серы, фосфора, марганца и других элементов.

В последний период производится раскисление, т. е. удаляется образующаяся в ванне печи закись железа, вредно влияющая на качество металла. Для этого в печь добавляют так называемые раскислители (ферросилиций и ферромарганец).

И вот сталь готова. Под выпускным отверстием наготове стоит ковш, в него и льется струя стали.

Легированная, или специальная сталь

Сталь бывает разных марок, они различаются по химическому составу. Прибавка определенного количества марганца делает сталь очень твердой; хром, особенно в сочетании с никелем, делает ее нержавеющей, кремний – упругой; вольфрам применяют для получения быстрорежущей инструментальной стали и т. д. Замечательный русский металлург П. П. Аносов впервые установил, как различные химические элементы влияют на свойства стали.

Для придания стали тех или иных свойств в нее нередко вводят несколько различных добавок – присадок. Например, в связи с бурным развитием реактивной техники увеличилась потребность в жаропрочной стали, выдерживающей очень высокую температуру. Сталь, в которую входят добавки, придающие ей особые свойства, называется легированной, или специальной.

Многие легированные марки стали выплавляют в электрических печах (рис. 7). Емкость электропечей в последние годы значительно выросла и достигла 80 Т.

Для получения особенно чистой стали применяют вакуумирование, т. е. плавку без доступа воздуха. Тогда из металла выходят посторонние элементы, которые могли бы его испортить. Часто под вакуумом производится только разливка. Легированную сталь сейчас очень широко применяют в различных областях техники.

Рождение стального слитка

Обычно сталь разливают по изложницам (рис. 8 и 9) – высоким чугунным коробкам. После того как она застынет, слитки «раздевают», т. е. снимают изложницы. Вес слитков 5-9 Т, иногда до 25 Т. Но разливка стали в изложницы имеет недостатки.

При остывании сталь кристаллизуется неоднородно: у самой стенки изложницы образуются небольшие кристаллы, в глубине – крупные, а между ними появляются пузыри и раковины. В верхней части слитка возникает усадочная раковина. Поэтому получаемые слитки нуждаются в дополнительной обработке – обжиме. Верхнюю часть слитка приходится срезать и возвращать на переплав (рис. 10).

Это давно натолкнуло на мысль найти лучший способ разливки стали. Много лет ушло на решение этой задачи. В 1955 г. в нашей стране создана первая промышленная установка для непрерывной разливки стали. Это способ более совершенный, чем разливка по изложницам. На цветном рисунке (стр. 272) видно, как действует эта установка. Получаемые таким образом слитки не требуют обжима, меньше металла возвращается в мартеновскую печь.

Слитки стали, которые получаются в обыкновенных изложницах, отправляют в обжимный цех. Солидная внешность вынутого из изложницы стального слитка обманчива. Это еще плохая сталь – она непрочна. Образовавшиеся внутри слитка крупные кристаллы, газовые пузыри или раковины надо раздавить. Металл уплотняют, перемешивают. Эта очень важная операция совершается в обжимных цехах на блюмингах или слябингах.

Рис. 7. Дуговая электросталеплавильная печь. Вверху справа-разрез печи.

Рис. 8. Разливка стали в изложницы.

Рис. 9. Способа разливки стали: а- наполнение изложницы снизу (сифоном); б – наполнение изложницы сверху.

Блюминги и слябинги

На блюмингах и слябингах стальные слитки превращают в длинные брусья и пластины. Это возможно сделать потому, что сталь сохраняет важнейшее свойство железа – пластичность, т. е. способность твердого тела необратимо изменять свою форму.

Под сильным давлением стальной слиток меняет форму. Пластические свойства стали значительно улучшаются, если ее нагреть. Поэтому слитки перед обжимом выдерживают определенное время (4-6 час.) в нагревательных колодцах при температуре 1100-1200°. После нагрева слиток кладут на электрическую тележку (электрокару) и везут к блюмингу (рис. 11).

В высокой будке блюминга сидит оператор. При помощи рычагов он приводит в движение механизмы, направляющие слиток к обжимному устройству – станине, в которой укреплены два массивных вала, диаметром каждый больше метра и длиной до 2 м. Валы – их называют валками – вращаются вокруг своих осей навстречу друг другу. Верхний валок блюминга может подниматься и опускаться. На станине блюминга поставлен большой циферблат со стрелкой, которая показывает величину подъема валка.

Между валками оставляется зазор – несколько меньше высоты слитка. Раскаленный слиток направляется в пространство между валками, и они тотчас увлекают его, протаскивая вперед и уменьшая в сечении. Так происходит первый обжим.

Но одного обжима недостаточно, чтобы превратить слиток в длинный брус.

Валки выпускают слиток, и он двигается по широкой металлической дороге, выложенной роликами,-рольгангу.

Оператор меняет направление вращения валков блюминга и рольганга. Одновременно он опускает верхний валок немного ниже. Зазор менаду валками становится еще меньше. Немного обжатый слиток снова оказывается зажатым валками, они сдавливают его еще раз. Слиток уже на переднем рольганге. Но оператор успел изменить направление движения и еще ниже опустил верхний валок.

Рис. 10. Разрез стального слитка.

Рис. 11. Блюминг.

Теперь слиток поворачивают на бок. Поворот (кантовку) делает специальный механизм – кантователь. Нажим кнопки – и кантователь пришел в действие. Он переворачивает многотонный слиток легко, как спичечную коробку.

При первых пропусках через валки слиток обжимают очень осторожно, и он «худеет» чуть заметно. Но затем сила обжима возрастает, и в один пропуск его толщина значительно уменьшается. Так он превращается в длинный брус квадратного сечения. От 13 до 19 раз пропускают слиток через валки, и весь этот процесс длится... около минуты.

Прокатанная полоса по рольгангу направляется к ножницам. Здесь обрезаются негодные ее части, а полосу разрезают на блюмы.

Пульт управления блюминга – это десятки кнопок и рычагов, которыми манипулирует оператор. Более ста движений в минуту он совершает для обжима одного слитка. Такая работа требует высокого искусства. На некоторых наших заводах созданы операторы-автоматы, действующие по заданной программе.

Блюминг в подлинном смысле слова исполинская машина: моторы, обслуживающие его (их около 200), обладают мощностью свыше 15 тыс. кет. Такого количества энергии достаточно, чтобы обеспечить электричеством небольшой город. Весит блюминг около 5 тыс. Т.

Слитки обжимают также и на слябингах. Это такие же могучие станы, но на них установлена двойная система валков: одни горизонтальные, другие, несколько меньшего диаметра, вертикальные. На слябингах слиток превращается как бы в длинную пластину, которая режется на плоские заготовки – слябы. Из блюмов и слябов делают металл необходимой формы – как говорят металлурги, «разных профилей».

Металл приобретает форму

Мы на последнем этапе путешествия по металлургическому заводу. Дальнейший путь блюмов и слябов зависит от назначения стали: нужно ли получить тонкий стальной лист, чтобы сделать из него кузов автомобиля, корпус холодильника, или нужны трубы для газопровода, рельсы для новой железной дороги; а может быть, нужен металл простой геометрической формы, который окончательно будет обработан на станках. На одних заводах делают стальные листы, на других – трубы, на третьих – рельсы, сортовой прокат, т. е. изделия относительно простых геометрических форм: квадрат, круг, полоса, угол, балка, рельсы и т. п. Из стальной заготовки получают также колеса и изделия более сложной конфигурации.

Рис. 12. Виды валков сортопрокатных станов.

Чтобы превратить заготовку (блюм или сляб) в полосу или лист, ее пропускают между гладкими валками. Иным способом изготовляют сталь более сложных форм. В нижнем и верхнем валках делают вырезы необходимой формы. Сблизив валки так, чтобы один вырез точно пришелся над другим, получают р у ч ей, или, как его называют металлурги, калибр. Если бы сталь была такой же пластичной, как, скажем, воск или глина, дело обстояло бы совсем просто. Достаточно было бы пропустить металл через ручей нужной формы – и задача решена. Но сталь менее пластична, и сразу получить металл нужной формы нельзя. Это делают постепенно, пропуская его через ряд все более приближающихся к окончательной форме калибров. Иной раз приходится пропускать металл через 10-20 калибров. Расчет постепенных обжатий – калибровка – требует больших знаний.

Валки – очень важная часть всякого прокатного стана. Они установлены в подшипниках, закрепляемых на станине. В некоторых случаях удобнее иметь не два, а три и даже четыре валка. При трех валках металл сначала обжимается нижним и средним валками, а при обратном движении – средним и верхним.

Станину с укрепленными в ней валками и устройством для регулирования зазоров называют рабочей клетью. Металл самых разнообразных форм из различных марок стали делают на сортопрокатных станах. Они обычно имеют несколько трехвалковых клетей, располагаемых в две или три линии. Нагретую заготовку сначала пропускают между нижним и средним валками. Потом она попадает на подъемный стол, поднимается на «верхний этаж» и пропускается через калибр между средним и верхним валками. Переходя из калибра в калибр, из клети в клеть, заготовка меняет форму. Чем ближе к жонцу, тем быстрее идет прокатка.

Готовый прокат, т. е. металл, прошедший через прокатные станы, поступает на пилы или ножницы. Его разрезают на куски нужной длины и отправляют на холодильник для охлаждения.

Очень мощные и высокопроизводительные станы применяются для прокатки балок и рельсов. На Уралмаш заводе в г. Свердловске построен рельсобалочный стан с автоматической поточной линией для отделки рельсов. Весь процесс протекает без применения тяжелого физического труда. Стан этот состоит из 240 отдельных машин общим весом свыше 15 тыс. Т. Удобны и высокопроизводительны непрерывные станы. На станах, с которыми мы уже познакомились, заготовка движется то вперед, то назад. Ее путешествие отнимает больше времени, чем само обжатие. В непрерывном стане клети устанавливаются последовательно одна за другой. Число их равно количеству требуемых проходов металла между валками. Выйдя из одной клети, полоса автоматически попадает во вторую, затем в третью. Прокатка идет без пауз, сразу в нескольких клетях. Надо только, чтобы все клети работали с совершенно одинаковой скоростью. Если одна из них будет чуть отставать, то между ними накопится лишний металл. А если клеть начнет работать чуть быстрее других, то металл чересчур натянется, на нем образуются трещины.

Непрерывные станы очень удобны для прокатки широких тонких стальных листов. На таких станах катают лист толщиной от 6 до 2 мм и даже тоньше. Есть такие тонколистовые станы, которые выпускают более 2 млн. Т листа в год.

Толщина прокатываемого листа контролируется на ходу рентгеновскими или радиоактивными лучами. Прокатанный лист свертывается в рулон и идет на дальнейшую прокатку уже в холодном виде.

Совсем по-новому расположены валки в планетарных станах. Название этих станов раскрывает замысел конструктора. Планетарный стан состоит из одной клети и поэтому занимает мало места. Он имеет два опорных валка с самостоятельными моторами. А вокруг каждого валка установлен ряд рабочих, или планетарных, валков. Они вращаются вокруг своей оси (рис. 13). За один проход в рабочей клети можно получить до 20 обжатий.

Из специальных станов чаще всего встречаются трубные. Существуют два способа получения труб. По первому способу стальную заготовку круглого сечения продырявливают (прошиваю т-рис. 14). Получается короткая гильза, которую потом раскатывают в длинную трубу. Она без шва, и в этом ее достоинство. Другой способ – стальной лист сворачивают и сваривают. В последние годы появились станы спиральных труб. Их делают не из листа, а из узкой стальной ленты, которую сворачивают по спирали.

Имеются станы для прокатки шаров подшипников и шаровых мельниц. Сконструированы станы для прокатки наиболее распространенных деталей машин, например осей автомобиля «Москвич» и др.

Скорость прокатки беспрерывно возрастает. Так, горячие стальные листы катают со скоростью до 40 км/час. Холодная прокатка стального листа совершается со скоростью свыше 100 км/час, прокатка проволоки – 120 км/час. Горячий лист двигается со скоростью пассажирского поезда, а горячая проволока со скоростью курьерского поезда. Стоишь у стана, и перед глазами молниеносно проносятся красные нити, которые свертываются в бунты.

Сегодня и завтра

Путь от железной руды до рельса или стального листа, как мы убедились, сложный, извилистый. В доменной печи углерод отнимает у железной руды кислород, но в то же время железо излишне насыщается углеродом; затем кислород помогает получать сталь.

Рис. 13. Планетарный стан (схема действия).

В домну вдувают нагретый воздух: чем больше дутья принимает доменная печь, тем лучше идет плавка. Но для успешного хода доменного процесса нужен не воздух, а только составная часть его – кислород. Когда в доменную печь вдувают воздух, вместе с каждой молекулой кислорода поступает около четырех молекул азота, который ни в каких химических реакциях не участвует. А между темна обогрев его тратится тепло. Масса азота подпирает шахту и задерживает ее опускание в горн. Чтобы улучшить работу домен, воздух надо обогатить кислородом. Этого не делали, потому что получение кислорода до последнего времени обходилось очень дорого. Теперь, когда нашли способ получать дешевый кислород, доменщики все шире его применяют.

Применение кислорода ведет к упрощению всего доменного хозяйства. Можно уменьшить размеры и мощность оборудования для подачи дутья, транспортирования и очистки газов. Громоздкие кауперы можно заменить более простыми. При достаточной концентрации кислорода в дутье можно будет уменьшить высоту печей, а это позволит снизить довольно жесткие требования к механической прочности кокса.

Рис 14. Валки стана для прокатки бесшовных труб (момент прошивки болванки).

Большие возможности для увеличения выплавки чугуна открылись при использовании в доменных печах природного газа. Семилетним планом развития народного хозяйства бывшего СССР предусматривается перевод свыше 50 доменных печей на новый режим, с использованием природного газа и кислорода.

Еще большее значение имеет применение кислорода при выплавке стали. Даже небольшое обогащение кислородом поступающего в мартеновскую печь воздуха сократит длительность плавок примерно на 25%. Кислород открыл новые перспективы для широкого применения конвертерного способа производства стали: оказалось, что при работе на чистом кислороде из конвертера выходит сталь, не уступающая по качеству мартеновской.

И все же применение кислорода – только поправка, правда, очень существенная, к известной нам технологической схеме, по которой из руды сначала получают чугун, а затем его переделывают в сталь.

Крупнейшие ученые нашей страны давно уже задумывались над принципиально новым решением задачи получения стали- прямым путем. В этом направлении работали еще Д. И. Менделеев и Д. К. Чернов.

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 затем разливается на машине непрерывной разливки. Таким образом, весь процесс превращения руды в металл станет беспрерывным. Выходит, что центральное место во всем процессе все же занимает доменная печь! А нельзя ли обойтись совсем без домен?

Бездоменный процесс может протекать примерно так. Железная руда превращается в технически чистое железо. При помощи магнитов крупинки железа отделяются от массы, и чистый продукт готов для дальнейшей обработки. Из него можно варить сталь различных сортов, прибавляя необходимые количества добавок (легирующих элементов). Из железного порошка можно штамповать готовые изделия.

С вводом в эксплуатацию гигантских электростанций металлургия получит много дешевой электроэнергии. Это создаст благоприятные условия для развития электродоменного производства и для еще более широкого применения электричества на всех последующих стадиях обработки железных сплавов. Электродомнам потребуется кокса в 2,5 раза меньше, чем обычным домнам.

Многое из того, что кажется пока мечтой, уже приобретает реальные формы, превращается в действительность. Над решением многих и многих проблем придется поработать следующим поколениям металлургов. Их ожидают интересные дела!

По материалам книги "Детская энциклопедия"