Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 30 страниц)
Рожденная в вакууме
Перешагнем сразу через целую цепь технологических операций. И вот мы в цехе подшипникового завода. Автоматический контролер берет шарики по одному и быстро поворачивает их перед окуляром фотоэлемента. Электронный представитель ОТК придирчив, но справедлив. Он не забракует хорошего шарика, но и не пропустит бракованного.
И вот у нас в руках брак. В полированном сверкающем металле высокого качества видны какие-то черные точки, соринки.
– Посторонние неметаллические включения, – комментирует специалист-металлург.
Да, конечно, эти шарики не смогут работать в ответственнейших узлах машины – ее подшипниках. Автомат правильно сделал, забраковав их. Но какими путями попали эти соринки в сверхчистый, с превеликой тщательностью выплавленный и обработанный металл?
Таких путей несколько. Первый – их могли занести вместе с нечистыми шихтовыми или шлакообразующими материалами. Второй – это могут быть частицы, выкрошившиеся из футеровки печи или ковша, в котором несли сталь. Третий – это могут быть окислы тех веществ, которые специально вводят в расплавленную сталь для ее очистки, – марганца, алюминия, кальция, титана… И атмосферный воздух, в-четвертых, нередко является виновником таких образований, главным образом окислов и нитридов.
Как от них избавиться или хотя бы резко снизить их количество?
Ответ на этот вопрос ясен: готовить более чистую шихту, тщательнее ремонтировать футеровку, быстрее разливать металл, чтобы он меньше соприкасался с воздухом. И можно осуществить плавку металла вообще в вакууме.
Это дело, конечно, не простое – накрыть электропечь и автоматическое или имеющее дистанционное управление разливочное устройство колпаком, из-под которого выкачан воздух. К тому же откачку паров надо вести непрерывно, ибо они в большом количестве выделяются из металла. Частично они были растворены в нем, частично образуются за счет химических реакций, которые в нем протекают во время плавки.
И все же такие печи уже существуют. В них ведут выплавку лучших марок легированных сталей и сплавов титана, хрома и некоторых других металлов, особенно чувствительных к растворенным в них газам.
Бывает очень полезно осуществлять в вакууме хотя бы разливку полученной стали. В этом случае ковш со сталью помещают в вакуум. Из расплава начинают энергично выделяться растворенные в нем газы. Многие неметаллические включения так же быстро всплывают на поверхность металла и уходят в шлак. Сталь становится качественнее.
Так вакуум стал помощником металлурга. И у него большие перспективы стать одним из главных помощников. Недаром в докладе на внеочередном XXI съезде КПСС Н. С. Хрущев сказал: «Для повышения качества продукции намечается организовать широкое использование вакуума в металлургических процессах…»
Бесконечный слиток
И вот тяжелый ковш, вмещающий добрую сотню тонн стали, величественно плывет под сводами цеха.
«Сталь идет!» – говорят в таких случаях в цехе, и это звучит не менее величественно, чем слова «Чугун идет!» – у домны.
Вот ковш над изложницами – огромными чугунными сосудами, вмещающими по нескольку тонн стали. Они готовы принять металл. Их внутренние поверхности тщательно очищены стальными щетками, обдуты воздухом, смазаны особым составом. Огненная струя устремляется в изложницу.
Сталь застывает. Она застывает медленно: ее теплопроводность – нам это уже известно – в десять раз ниже, чем у меди, в шесть раз ниже, чем у алюминия. Не быстро проходит огромное количество выделяющегося при ее кристаллизации тепла через уже застывшие слои металла.
Кристаллизация стали начинается на периферии, с поверхности металла, прикоснувшегося к металлу изложницы. Здесь возникает корка мелких, хаотически расположенных кристаллов. От этой корки уже начинают расти со всех сторон слитка к его середине крупные, хорошо ориентированные кристаллы металла. К середине сталкивают они все посторонние примеси. И здесь, в связи с тем что при застывании сталь уменьшается в объеме, образуется усадочная раковина, слабина, область ослабленного и загрязненного металла.
Хитроумными ухищрениями удается перенести большую часть усадочной раковины в верхнюю часть слитка. А ее, перед тем как пустить слиток в прокатку, отрезают и отправляют на переплавку. Приходится обычно отрезать и отправлять на переплавку и нижнюю часть слитка. Таким образом до 10–15 процентов стали приходится возвращать в мартен. Пятнадцать тонн из каждых ста тонн выплавленной стали!
Пятнадцать процентов на переплавку – это ужасно!
Это дорого да и не очень удобно. И на наших заводах внедряется сейчас новый способ разливки стали – непрерывная разливка.
Ковш с жидким металлом останавливается не над изложницей, а над специальным разливочным устройством. В какой-то степени оно подобно бункеру, из которого дозаторы равномерно непрерывной струйкой выдают сыпучий материал. Здесь этот материал – жидкая сталь. Отсюда она поступает в кристаллизаторы.
Кристаллизаторы – это квадратные ящики без дна и крышки, зато медные стенки их сделаны двойными и между ними непрерывно циркулирует охлаждающая вода. Вместо дна в кристаллизаторах вставлены куски стали же – так называемые затравки. Вот на них-то и изливается металл.
Соприкоснувшись с медными стенками кристаллизатора, сталь мгновенно покрывается тонкой корочкой застывшего металла. А затравка начинает опускаться. С ней вместе движется и только что образовавшийся стальной кулек – тонкая пленка твердого металла, содержащая внутри жидкую сталь. Но все толще и прочнее становятся стенки этого кулька, и когда металл выходит из кристаллизатора, они уже достаточно прочны, чтобы удержать, не разлить жидкое содержимое. И тут на их еще белые, пышащие жаром стенки обрушивается дождь мелких водяных брызг – затвердевает весь объем слитка.
И тогда рядом с непрерывно растущим слитком появляется газорезка. Острое лезвие пламени, опускаясь вместе со слитком, отрезает от него кусок длиной метра в два. Стальные руки специальных кантователей бережно подхватывают его и подают на транспортер. Всего пятнадцать минут назад бывший жидкой сталью в ковше слиток готов поступать в валки прокатного стана.
Слиток этот непохож на полученный в изложнице. У него нет усадочной раковины. От него не надо отрезать куски в переплавку. Он превратится в прокат – швеллер, рельс, уголок – в несколько раз быстрее, чем при обычной разливке.
А некоторые отливки и не пойдут на прокат. Ведь кристаллизатору можно придать практически любую форму и сразу получить швеллер, уголок – все, что захочется, устраивало бы только качество металла.
Советский инженер А. Н. Мясоедов предложил конструкцию машины для непрерывной отливки труб, работающей на этом принципе. Кристаллизатор при этом делается круглым, а в центре его сверху спускается внутренний охлаждаемый кристаллизатор. Все остальное целиком и полностью соответствует обычному ходу процесса. Машина Мясоедова предназначена для отливки чугунных труб, но может быть применена и для отливки стальных, медных, латунных и т. д. так же, как и принцип непрерывной разливки может быть применен при производстве самых различных металлов.
Не просто было создать установку для непрерывной разливки. Тысячи опытов пришлось проделать, прежде чем из нее пошел в промышленность первый доброкачественный металл. Это произошло в мае 1955 года в новомартеновском цехе завода «Красное Сормово».
Нельзя сказать, что и сегодня установки непрерывной разливки стали работают идеально, хотя число их за минувшие годы значительно выросло. Нет, конечно, нет! Прежде всего, еще слишком мала их производительность– всего около метра в минуту скорость движения слитка из кристаллизатора. Но ведь и скорость полета первых самолетов составляла всего 40–50 км в час, а сегодня она выросла в 40–50 раз. Вырастет и скорость движения слитка, увеличится и производительность установки. За этим методом разлива стали – большое будущее.
Ворота металла
Да, мимо этой машины нельзя пройти, не заметив ее! Она одна занимает целый гигантский цех, растянувшийся чуть не на полкилометра. Ее главный двигатель имеет мощность в 5–7 тысяч лошадиных сил, а общий вес механизмов составляет 3–4 тысячи тонн.
Это – блюминг.
Блюминг – это ворота, сквозь которые неизбежно проходит весь прокат в стране. Все, что имеется у вас дома, кроме сковородок и чугунов на кухне, – перо в вашей ручке, гвозди, железные детали часов, корпус холодильника, детали замка, коньки, водопроводные трубы, – все сделано из металла, когда-то прошедшего сквозь эти ворота.
Принципиально устройство блюминга как будто бы и не очень сложно. Главное в нем – прокатные валки диаметром иногда свыше метра. На валках выбраны углубления – ручьи. Именно сквозь них проходит прокатываемый слиток. Верхний валок подвижный – он может опускаться и подыматься, увеличивая и уменьшая просвет между валками. К валкам и от них ведут рольганги. Главный пост управления расположен на возвышении перед станом. Здесь находятся два оператора.
Нелегко раскатать огненное тесто.
Вот слиток – прямоугольная, двухметровой длины глыба металла весом в 5, а то и 8 тонн, раскаленная до температуры в 1100–1220 градусов, разбрасывая искры, выползает из нагревательной печи. Ее подхватывают железные катки рольгангов и несут к валкам блюминга. Перед самой заготовкой те приходят в движение и захватывают ее самым широким ручьем. Словно кусок пластилина в пальцах ребенка, сминается металл в железных ладонях блюминга. Летят искры, и с другой стороны валков выходит уже несколько обжатый слиток. Его подхватывают рольганги и относят на некоторое расстояние от валков.
Нет, работа блюминга еще далеко не закончена. Рольганги не уносят далеко слиток. Они вдруг изменяют направление движения и возвращают его к валкам блюминга. Те несколько сдвинулись, просвет между ними стал меньше. И снова обминается податливый металл.
Так происходит несколько раз. Специальные устройства – кантователи – переворачивают слиток с боку на бок, пока его форма не станет строго соответствовать требующейся. Обычно это бывает прямоугольник со стороной от 125 до 450 мм. Впрочем, иногда блюминги прокатывают и слябы – плоские заготовки толщиной в 75—125 мм, шириной от 400 до 1600 мм.
Но вот требующийся профиль получен. Рольганги относят прокатанный слиток, ставший вдруг неожиданно длинным, в другой конец цеха. Здесь гигантские ножницы отрезают от него концы, которые тут же специальный конвейер уносит на переплавку, и разрезают его на части требующейся длины.
Тяжело было бы рабочему, если бы ему пришлось управлять всеми механизмами гигантского стана, включая и выключая их по ходу операции.
К счастью, гигантская машина хорошо автоматизирована. Оператор только «набирает» на специальном щите требующуюся программу обработки. Он как бы отдает этим приказание, сколько раз пропустить слиток сквозь валки, на какую величину при каждом проходе уменьшать просвет между ними, когда перевернуть слиток и в какой ручей направить. А затем автоматически действующие механизмы точно выполнят все его распоряжения.
Во время прокатки слитка за ним непрерывно наблюдают внимательные зрачки фотоэлементов. Вышел слиток из нагревательной печи, попал на рольганг – и фотоэлементы включают их на движение к валкам главной клети. Прошел он валки – и фотоэлементы переключают вращение рольгангов на обратное. Нет, не ошибаются умные автоматы!
Прошедший блюминг металл поступает в прокатные станы меньшего размера. Они превращают блюмсы в рельсы, швеллеры, двутавры, в сортовой прутковый металл разнообразных размеров и форм сечения. В тот вид, который охотно используется машиностроением, – в прокат.
Так приходит к нам сегодня черный металл. Три основных этапа его превращения мы видели.
Первый этап – рождение из руды в вулканическом жерле доменной печи. Увы, лишь для немногих целей может быть использован получаемый там непрочный сплав железа и углерода, и поэтому его укладывают в пламенную колыбель мартена – окрепнуть, переродиться в сталь.
Второй этап – это переработка чугуна в сталь. Мы насчитали три практически применяемых вида такой переработки – в мартеновских печах, в бессемеровских конверторах и в электропечах. Но не так уж много вещей в нашем народном хозяйстве делается из литой стали. Поэтому слитки стали, полученные в изложницах, пропускают через блюминг и прокатные станы.
Обработка в валках блюминга – третий этап рождения металла.
А не слишком ли длинна эта дорога, которую должен пройти металл только для того, чтобы стать грубой, необработанной заготовкой, из которой еще предстоит сделать полезную вещь – прокатать рельс, отлить маховое колесо двигателя, отковать лемех плуга?
Великий ускоритель
«Так как горением в таком газе (воздухе, обогащенном кислородом. – М. В.) можно получить очень высокие температуры, полезные во многих (особенно при освещении и в металлургии) применениях, то быть может, что придет время, когда указанным путем станут на заводах и вообще для практики обогащать воздух кислородом…»
Это написал великий Менделеев в своих «Основах химии». Сто лет прошло с тех пор, и мы сегодня видим в применении кислорода один из важных путей интенсификации и совершенствования металлургии. Как далеко вперед умел предвидеть русский химик!
Мы уже говорили о ряде применений кислорода при производстве стали. Однако их значительно больше, чем мы перечислили.
Хорошие результаты дает обогащение кислородом дутья в доменных печах. Правда, при этом резко сужается факел пламени у фурм, через которые подается дутье, но это не мешает обычно нормальному ходу процесса. Зато велики выгоды.
Снижение количества азота в дутье уменьшает его общее количество и, значит, позволяет газам медленнее двигаться через слои шихты. Это улучшает процесс.
Медленное движение газов и снижение их количества позволяют им лучше охлаждаться, подходя к колоснику. Это уменьшает тепловые потери доменного процесса с отходящими газами.
Становится более богатым, энергоемким колошниковый газ. При дутье, содержащем 35 процентов кислорода, получается колошниковый газ, не уступающий по теплотворной способности обыкновенному генераторному.
Ну и, конечно, значительно растет производительность домны. К тому же обогащение дутья кислородом до 35 процентов его содержания не требует конструктивной переделки печи.
Интенсифицирует кислород и мартеновский передел стали. На многих заводах страны уже применяется обогащение подаваемого в мартены воздуха.
Никакой специальной переделки мартеновских печей это не требует, а процесс начинает идти значительно интенсивнее.
Применяется и продувание кислорода сквозь жидкий металл, находящийся в мартеновской печи. Для этого служат специальные фурмы, вводимые в нужный момент сверху в металл. Это несколько напоминает применение кислорода в бессемеровском конверторе.
И в результате на заводе «Запорожсталь», например, продолжительность плавки сокращается с девяти часов до шести.
Добавочный кислородный паек не помешает.
Интересны опыты с продувкой чугуна кислородом прямо в ковше, до заливки его в мартен. При этом – как это похоже на кислородное бессемерование! – частично выгорают кремний, марганец, углерод и можно варить из такого чугуна сталь в мартене без всякой добавки железного лома.
…Все чаще применяется кислород в производстве черного металла. Но это еще только первые шаги. Более крупные великий ускоритель сделает в ближайшем будущем.
В своем докладе на XXI съезде КПСС Н. С. Хрущев подчеркнул, что применение кислорода в металлургии найдет в годы семилетки широчайшее применение. «За счет этого, – сказал он, – можно будет увеличить производительность доменных печей на 8—10 процентов, мартеновских печей – на 20–30 процентов».
Дорогу кислороду!
Разведчики идут в будущее
Да, постоянно совершенствуются, ни на минуту не застывая в раз найденных формах, все звенья этого гигантского и сложного аппарата, служащего для превращения ржавых, бурых камней руды в сверкающий металл. Ученые, инженеры, новаторы – смелые разведчики будущего – выискивают новые и новые пути ускорения процессов, повышения производительности агрегатов, облегчения человеческого труда. И, конечно, в этом огненном конвейере есть еще много, что можно усовершенствовать. И в конце концов будут созданы типовые автоматические металлургические комбинаты, в которых окажется лишним присутствие людей. Все – и управление домной, и составление шихты для нее, и тонкое, ювелирное руководство сталеплавильными печами, и производство проката– возьмут в свои железные руки автоматические машины, снабженные электронными счетно-решающими устройствами. Может быть, один, может быть, два человека будут на целом комбинате для наблюдения над работой некоторых устройств, и все.
Возможно ли это? Да. Скоро ли это произойдет? Нет, конечно, не скоро. Но, может быть, таких комбинатов не будет и никогда, ибо уже давно, оценивая критическим взглядом этот грандиозный конвейер, и специалисты-металлурги и молодые рабочие, впервые знакомящиеся с ним, задают себе один и тот же вопрос: неужели невозможно осуществить это превращение более простым способом? Не через три ступени, а через одну? Существуют, наверное, тысячи проектов реорганизации всего металлургического процесса таким образом, чтобы сразу же получать не «свинское железо» – чугун, а сталь требующегося состава.
Действительно, чего бы, казалось, проще. Чугун собирается на самом дне доменной печи. Устроить в нем отверстия да за пятнадцать минут до выпуска металла продать через расплавленный чугун кислород, выжечь из него углерод прямо в домне и слить в ковши уже малоуглеродистую сталь. И хотя сделать так никто не пробовал, но, по всей вероятности, ничего не получится. Дело не только в том, что бешеный вихрь огня, газов, который начнет бушевать над чугуном, как он бушует над конвертором, нарушит ритмичный, размеренный ход печи. Нет, просто в домне столько углерода, что освободиться от него там немыслимо.
Да, и такие кружевные мосты воздвигнут из сверхпрочных сплавов.
А между тем пути прямого получения железа из руды есть. Их знали уже первые древние мастера. Нет, не утеряны их секреты. И сегодня в нашей стране, на Сулинском металлургическом заводе, в небольших количествах для специальных целей выплавляют сталь из руды в тиглях. В большие горшки из огнеупорной глины закладывают послойно железную руду, уголь, известняк. Затем тигли помещают в печь и нагревают до температуры около 1000–1100 градусов. Мы знаем, что при такой температуре ни железо, ни пустая порода не плавятся. Но за
50—60 часов «плавки» уголь успевает восстановить железо, и его извлекают из горшков в виде спекшегося губчатого куска. Его надо проковать, но это железо, а не чугун.
К сожалению, заменить трехступенчатый процесс домна – мартен – блюминг этот медлительный и неэкономичный способ не может. Он только свидетельство, что пути есть. Ищите!
А вот и попытка найти такой путь. Осуществлена она у нас, на Орско-Халиловском металлургическом комбинате.
Там работает цилиндрическая наклонная вращающаяся печь. Такого типа печей немало можно встретить на разных металлургических заводах. Но никто прежде не применял их для получения железа. В возвышающийся ее конец загружают руду, флюсы, уголь – все в измельченном виде. По мере вращения печи вся эта смесь постепенно скатывается к нижнему концу, а там бьется горячий факел пылеугольного или газового пламени. Газы горения с начальной температурой в 1200–1300 градусов движутся навстречу потоку шихты.
Пустая порода при этой температуре сплавляется с флюсами, образуя вязкие малоподвижные шлаки. А восстановленное железо спекается в комья – крицы. Полученную смесь железа и шлаков охлаждают водой, дробят и рассортировывают магнитным сепаратором. До 35 тысяч тонн крицы в год дает одна такая печь.
Но и этот способ не выдерживает экономического соревнования с существующими. И он только подтверждение, что надо искать.
Вероятно, большие возможности таит в себе обжиг руды в кипящем слое.
Представьте себе большой сосуд, в дне которого проделана масса дырочек и сквозь них непрерывно врывается воздух. Насыпьте теперь в этот сосуд какой-нибудь муки, песка или пыли. Частицы насыпанного вами вещества станут как бы висеть в потоке газов, непрерывно перемешиваясь, образуя волнующийся слой как бы кипящей жидкости. В таком слое очень интенсивно идут многие химические реакции.
Теперь представьте, что в вашем сосуде находится не пыль и песок, а мелко размолотая железная руда и через отверстия в дне врываются раскаленные газы, обладающие способностями восстанавливать железо, Конечно же, в вашем кипящем слое интенсивно пойдет этот процесс восстановления.
Сделайте теперь пол сосуда наклонным, в верхней части подавайте струйкой порции размолотой руды, с нижней сливайте частицы железа и пустой породы на ленту магнитного сепаратора.
Вот и готова первая модель печи с кипящим слоем для бездоменного производства. Сейчас этот метод проходит первые лабораторные испытания. Может быть, они и окажутся удачными.
Но это вовсе не значит, что не надо будет думать над дальнейшим усовершенствованием процесса или что не может быть совершенно другого, еще лучшего решения. Ищите его!
Однажды, в добрую минуту, думая о будущем, известный советский ученый-металлург Иван Павлович Бардин оказал:
– Нет, конечно, существующая сегодня технология получения черного металла далеко не лучшая из возможных… Почему бы не выкинуть из этой технологии все промежуточные энергоемкие, трудоемкие и дорогие процессы и не получать непосредственно из руды чистое железо или сталь требующегося состава, причем сразу в форме готового изделия – рельса, швеллера, двутавровой балки? Почему бы не сделать этот прерывистый сегодня процесс – сначала заготовили руду, потом выплавили чугун, потом его перерабатываем в сталь и т. д. – непрерывным?
По-моему, это безусловно возможно, и будущая металлургия откажется от принятой сегодня технологии. Современные домны, мартеновские печи и бессемеровские конверторы, блюминги и слябинги – все эти аксессуары современной техники не будут приняты техникой будущего.
Конечно, нельзя считать, что, например, через ближайшие десять лет мы начнем ломать доменные печи и на их месте воздвигать какие-то новые устройства для получения чистого железа. Нет, доменный процесс еще не исчерпал себя, он поддается дальнейшему совершенствованию, доменные печи мы строим и еще будем долго строить. Доменная печь и сегодня сложнейший агрегат, снабженный огромным количеством автоматических устройств, обслуживаемый всего несколькими рабочими. Домна завтрашнего дня будет полностью автоматической. Управлять ее работой станет электронная счетно-вычислительная машина, получившая соответствующую программу действий на все возможные случаи отклонения процесса от расчетного.
В ближайшие же годы процесс получения металла станет непрерывным. Из домны будет непрерывно поступать чугун (и сегодня домна, дающая тысячи тонн в сутки, производит его более тонны в минуту), сквозь горячую струю только что выплавленного чугуна продуют кислород – жаркое пламя встанет над ванной, в которой пойдет этот процесс. Пламя унесет с собой излишний углерод, серу, фосфор – все те примеси, которые ухудшают качество металла. Уже не струя чугуна, а сталь льется в дозатор разливочной машины непрерывного действия. А стальные слитки сразу же попадут к ваннам прокатных станов и превратятся в изделие. Такой непрерывный технологический процесс автоматизировать проще, чем сегодняшний, прерывистый.
Металлургия без домны и блюминга? Да, это будущее металлургии.
Вероятно – это еще не ближайшее будущее, а несколько более отдаленная перспектива, – коренным образом изменится вся конструкция домны. Устройство, в котором происходит восстановление металла, будет горизонтальным агрегатом – вроде большой вращающейся трубы. В нее с одной стороны подадут хорошо очищенную порошкообразную руду – окись металла без всяких посторонних примесей, а с другой стороны – восстанавливающий газ, например водород. При таком технологическом процессе можно получить металл в виде мелкого порошка, который после добавки соответствующих легирующих элементов идет на переплавку или сразу на прессование…
Ученый заговорил о другом. Придя домой, я сразу же записал все то, что привел здесь, не изменив ни строчки. И мне нечего к этому добавить, кроме, может быть, только одного слова, которое уже неоднократно встречалось в этой главе:
– Ищите!
