Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 30 страниц)
Драгоценные шлаки
У доменной печи нет отходов. Все, что она дает, может быть полезно использовано. И если не используется, то только по нерадивости и бесхозяйственности.
Охлаждающая вода… Она уносит из стен доменной печи огромное количество тепла. Ее используют для отопления квартир, парников, снабжения бань и прачечных, для агротеплофикации – подземного полива теплой водой огородных культур, что в ряде случаев вдвое и втрое увеличивает урожаи.
Доменный газ… Более 5 млн. куб. м этого газа дает ежегодно домна. Правда, он не очень энергоемкое горючее – в каждом кубическом метре его содержится всего 850—1000 килокалорий, но и это вполне применимо в целом ряде случаев. Но прежде доменный газ надо очистить.
Есть много способов очистки доменного газа от увлеченной им из шихты пыли, содержание которой иногда достигает до 100 граммов в каждом кубическом метре газа. Обычно грубая первичная очистка производится в инерционных пылеуловителях, чаще называемых циклонами. Струям газа в них придают спиральное движение, заставляют быстро менять направление движения. И центробежная сила, возникающая при этом, выбрасывает частицы пыли из газового потока. Содержание пыли в газе, прошедшем эти аппараты, понижается до 2–5 граммов на кубический метр. Дальнейшая очистка осуществляется в скруберах, где газ течет между увлажненными поверхностями или вообще сквозь струи воды, на которых оседают частицы пыли. Сверхчистую очистку производят в электрофильтрах или дезинтеграторах. В электрофильтрах частицы пыли, попадая в сильное электрическое поле, заряжаются и осаждаются на одном из электродов. Дезинтеграторы очищают газ от пыли мощным потоком распыливаемых вентилятором брызг. Прошедший окончательную очистку газ содержит в себе не больше пыли, чем воздух в вашей комнате.
Вся отделившаяся в газоочистителях пыль используется на агломерационных фабриках.
Мы уже знакомы с использованием доменного газа. Это он спекает рудную пыль на агломерационных фабриках, нагревает кирпичную кладку воздухонагревателей – кауперов. Он работает и в коксовальных печах, производя сухую перегонку каменного угля. Но ему находится на металлургическом комбинате немало и другой работы. В смеси с коксовым газом он сгорает в мартеновских и нагревательных печах, приводит в движение газовые турбины воздуходувок и электрогенераторов и т. д.
Доменные шлаки… Мы назвали их в начале главы драгоценными, и это так и есть.
Бесчисленны применения бывшего отброса.
Шлак мы получаем уже в расплавленном виде. Это горная порода, подобная лаве. Из нее сразу же можно делать отливки – брусчатку для мощения дорог, кислотостойкие облицовочные плиты, трубы. И это почти даром, без всякой дополнительной затраты топлива, только подставить под струю шлака форму, а затем извлечь из нее отливку.
Из доменных шлаков можно изготовлять отличные цементы. Для этого надо шлак – его берут процентов 70–85 – размолоть вместе с цементным клинкером. Получаемый продукт имеет высокую стойкость против действия минерализационных вод и низкое тепловыделение при твердении. Он дешевле обычного цемента, а может применяться везде, где применяется обычный цемент: и в плотинах гидростанций, и в железобетонных стенах сборных домов. Это отличный строительный материал Один из тех материалов, в которых как раз особенно нуждается сейчас наша страна.
Немногие, наверное, из неспециалистов слышали о шлаковой вате. А между тем это отличный теплоизоляционный материал, выдерживающий нагрев до 600 градусов. Изготовление ее крайне несложно: струю шлака разбивают потоком воздуха, и он застывает тонкими и длинными спутанными нитями.
А шлакобетон, шлаковая пемза, щебень – все это тоже может быть получено из шлака.
Колыбелью стали называют иногда мартеновскую печь.
Но, увы, еще очень и очень во многих местах с приставкой «шлако» используют только слово «удаление». Шлаки выливают из доменной печи в ковши емкостью в 20–25 тонн и отвозят на свалку. Чтобы шлак размельчить, его выливают вместе со струей воды: стремительно остывая, он трескается на мелкие кусочки. И растут горы драгоценных шлаков рядом с некоторыми металлургическими комбинатами…
Вот что сказал о шлаках академик И. П. Бардин:
«Шлаки – это огненно-жидкий материал, искусственно получаемый при расплавлении металлических руд. Он подобен материалу, который сама природа „изготовляла“ в давние времена, извергая из недр земли огненные вулканические породы.
Шлаки – это вовсе не отход, как привыкли считать их в течение столетий и как „по инерции“ считают еще и сейчас консервативные и нерадивые хозяйственники.
Шлаки – это сотни миллионов рублей, это тысячи новых домов, это база для дальнейшего строительства!»
Во многих странах, например в Германской Демократической Республике, весь получаемый шлак сразу же направляется на расположенные рядом цементные заводы. И металлургические комбинаты выдают, помимо чугуна, почти такое же по весу количество лишь немногим менее важного, чем чугун, материала – цемента.
В нашей стране почти половина доменных шлаков – более 20 млн. тонн! – и поныне не используется.
…Если увидите, как электровоз или паровоз вывозит на свалку ковши со шлаком, знайте: вы явились свидетелем преступления.
Мы рассказали о судьбах всех продуктов, вырабатываемых в вулканических недрах доменной печи, кроме главного – чугуна.
Вот рабочие проделали первое крохотное отверстие в глиняной летке, и первая тонкая, раскаленная добела струйка расплавленного металла побежала через него. Вот она выросла в ручеек, а затем и в целый пышащий жаром поток. Он сбегает по литейной канавке прямо в ковш, привезенный паровозом.
Чугун идет!
Нет, давно уже не растекается чугун на наших передовых заводах по сделанным в земле канавкам в формы. Его сразу увозят в жидком виде на переделку в сталь.
Чугун идет!
Это новые комбайны и автомобили, рельсы железных дорог и перемахнувшие через реки пролеты мостов, каркасы фабричных цехов и тонкие часовые механизмы.
Чугун идет!
Но долог еще путь этого огненного потока до того совершенного изделия, которое будет служить человеку…
Превращение в сталь
Когда-то железо выплавляли в небольших горнах. Оно получалось мягким, почти не содержащим углерода. Закалялось оно обычно очень плохо.
Росли потребности в металле, росли и печи для их выплавки. Уже в середине XIII века нашей эры в Европе появились шахтные печи. В России их несколько позже назвали домницами. Это уже довольно высокие башни, в которых и осуществлялась выплавка металла.
И тогда-то произошло неожиданное. Металл, выплавляемый в таких домницах, оказался никуда не годным. Он не ковался, был хрупким. Его считали безнадежно испорченным. Это был чугун. В переводе с английского это слово означает «свинское железо». Да и по-русски чугунные отливки нередко называют чушками.
Значительно позже научились выплавлять из чугуна сталь.
Для неспециалиста чугун и сталь совершенно разные металлы. Действительно, чугун – это неуклюжие, громоздкие станины тяжелых станков, неповоротливые катки асфальтоукладчиков, черные сковороды и чугуны домашних хозяек, а сталь – это кружевные переплеты железнодорожных мостов, упругая пружина механизма наручных часов, звонкие буры и сверла, не боящиеся ударов молоты и зубила, вибрирующие от напряжения механизмы станков. Все, что делается из чугуна, можно сделать из стали, и будет не хуже, а лучше.
Поэтому большая часть чугуна идет на переделку в сталь. Суть этой переделки ясна: надо удалить из чугуна избыток углерода, снизить его содержание в металле с 4–5 процентов до долей процента. Но как это сделать? Как извлечь из толщи расплавленного чугуна таящиеся между молекулами железа молекулы углерода?
Это чаще всего осуществляется в мартеновских печах.
Мартеновская печь напоминает снаружи огромный железный ящик. Внутри он выложен огнеупорным кирпичом. Весь этот ящик, вмещающий 300, 350, а то и 500 тонн металла, нередко делают способным наклоняться, поворачиваясь на огромных опорах вокруг горизонтальной оси.
…Жарко в мартеновском цехе и зимой, когда на улице сорокаградусный мороз, и особенно летом, в тридцатиградусную жару. По чугунным плитам пола подходим к мартену. В крохотное окошечко через синее стеклышко заглядываем внутрь. Там под ударами воздушного вихря колышется добела раскаленная поверхность расплавленного вещества. По ней пробегает мелкая рябь волн. Нет, это мы видим не сталь, это – шлак.
А в соседнюю печь тем временем загружают шихту – стальной лом, чугун, флюсы, железную руду. Все эти добавки сложены в специальных корытах – так называемых мульдах. Умная большая машина подхватывает мульду длинным стальным хоботом и засовывает в пышащее жаром нутро мартена. Там она переворачивает ее и высыпает содержимое на под печи. Вынимает пустую мульду, забирает новую и т. д. Работает она удивительно ловко и быстро.
После того как в печь будет загружено полагающееся количество шихты, печь начнут прогревать. Затем из ковша в нее зальют взятый из миксера расплавленный чугун.
Яростное пламя бушует под сводом мартеновской печи. Температура его достигает 1700–1800 градусов, а в фокусе горения – и до 2 тысяч градусов. Огнеупорные вещества, которыми выложены и свод, и стены, и под мартена, работают на пределе плавления. Зорко смотрит сталевар, как бы не потекли сосульки кирпича со свода печи.
Производство стали – это не просто профессия, это еще и сегодня искусство. Через каждые 15–20 минут лаборанты берут пробу металла и шлака. Сталевару помогают многочисленные приборы, в том числе спектрометры и магнитометры. Но очень многое сталевар должен еще просто чувствовать. Сложнейшие процессы обмена веществ происходят в шлаке и металле. Сталевар руководит этими процессами, добавляя в печь по мере надобности или железную руду, или флюсы, или шлак. Он сливает первый шлак с металла и наводит новый шлак, добавляя в печь известь. И, наконец, он сообщает: сталь готова.
К мартену подъезжает гигантский ковш, и струя стали льется в него. Весь процесс переделки чугуна на сталь занимает несколько часов.
В настоящее время 80 процентов всей выплавляемой на земном шаре стали производится в таких мартеновских печах.
Ну, а какие еще способы переделки чугуна в сталь известны сегодня? Какому из них принадлежит будущее?
Бессемер против мартена
Мартеновский способ производства стали возник лет на десять позже бессемеровского и все-таки практически почти вытеснил последний. Этому имеется целый ряд причин.
Бессемеровский способ, безусловно, более производителен. Заключается он в том, что в большой грушеобразный сосуд – конвертор – наливают жидкий чугун и продувают через него воздух. В толще чугуна начинаются энергичные реакции окисления кислородом воздуха содержащихся там примесей, в первую очередь углерода. Процесс этот идет очень энергично. Кипящий, чуть ли не взрывающийся металл бушует в конверторе, сноп искр вылетает под потолок цеха из его горловины. Пятнадцать-двадцать минут длится весь процесс – и сталь готова. Наклоняется горлышко сосуда, и успокоенная струя металла выливается в ковш.
Так легко, быстро, удобно! Не надо затрачивать дорогого горючего, как в мартене: металл здесь разогревается сам за счет тепла, выделяющегося при выгорании примесей.
Но мартен дает более качественную сталь. В бессемеровской стали растворено много азота: ведь воздух, который сквозь нее продували, на 4/5 состоит из этого газа. В ней встречаются крупинки окислов железа, целые воздушные пузырьки. Такую сталь рискованно применять для ответственных деталей. Она неожиданно может поломаться. А в мартене процесс выгорания железа идет ровно, спокойно, можно обеспечить практически любой состав выплавляемой стали. К тому же мартен позволяет использовать для выплавки стали не только жидкий чугун, но и металлический лом, чугунные чушки.
Соперник мартена – стремительный бессемер.
И все-таки бессемеровский способ передела еще нельзя сдавать на свалку. И у него есть свое, и неплохое, будущее. Обеспечивают его новейшие работы советских металлургов.
– Если главной причиной плохого качества конверторной стали является растворенный в ней азот, и он появляется там при ее продувке воздухом, то почему бы нам не отказаться от азота? – решили они. – Почему не продувать металл одним кислородом, который только и нужен для выгорания кремния?
Так и сделали. И оказалось, что сталь получается очень неплохая по качеству. Эти опыты были впервые проведены в 1945 году под руководством инженера Николая Илларионовича Мозгового на московском заводе «Динамо». В 1956 году на выплавку стали на чистом кислородном дутье перешел конверторный цех металлургического завода имени Петровского. А в начале 1958 года вступил в строй самый крупный цех такого типа на заводе «Криворожсталь».
Плавка в конверторе с применением кислорода осуществляется несколько иначе, чем с воздухом. Прежде всего кислород подается не снизу «груши», а через трубку, опущенную в металл сверху. Ведь в месте соприкосновения кислорода и металла температура поднимается до 3 тысяч градусов. При такой температуре плавятся самые тугоплавкие металлы – молибден, тантал, ниобий. Дно конвертора очень скоро прогорало бы, если бы кислород подавали через отверстия в нем, как подают воздух в бессемеровском контейнере.
Плавка на кислороде идет медленнее, чем на воздухе. Подачу газа несколько раз прекращают, чтобы металл несколько остыл и из него успел выделиться шлак. Поэтому она длится 20–25 минут вместо 15 с воздухом. Но и при такой замедленной плавке один конвертор емкостью всего в 35 тонн стали не уступает по производительности 500-тонному мартену: ведь конвертор успевает дать в сутки 50 плавок, то есть 1600 тонн стали, а мартен – лишь 2 плавки, то есть 1000 тонн. И конвертор, конечно, стоит значительно дешевле мартеновской печи. Так, строительство конверторного цеха на Кузнецком комбинате, запланированное на годы семилетки, обойдется, как сообщил в докладе на внеочередном XXI съезде КПСС Н. С. Хрущев, в три раза дешевле, чем строительство мартеновского цеха такой же мощности, и будет осуществлено в более короткие сроки. 1200 тысяч тонн стали будет давать ежегодно этот цех. Отличной стали, не уступающей мартеновской.
На наших глазах происходит второе рождение конвертора на новом техническом уровне.
Но вряд ли стоит спорить, кто кого победит: мартен бессемера или бессемер мартена. По всей вероятности, обновленный бессемеровский процесс будет мирно сосуществовать с мартеновским, вырабатывая для страны все больше, все лучшей по качеству стали. Тем более, что у них обоих есть очень серьезный соперник…
Сталь, рожденная молнией
Металлурги глубоко изучили к настоящему времени процесс превращения чугуна в сталь, влияние шлака того или иного состава, влияние различных примесей и добавок. И сегодня идеальным, с их точки зрения, было бы такое ведение процесса, в котором не участвовали бы ни воздух, ни газы горения топлива. Только варьируя добавками, шлаками, примесями, они берутся сварить самую лучшую сталь точно заданного состава.
Что ж, возможность осуществить такой процесс существует. Мало того, он довольно широко уже применяется. Это – электросталеплавильный процесс.
Печи для электроплавки вышли уже из младенческого лабораторного возраста – они достигают емкости в добрые 180 тонн стали. Это сложные агрегаты, имеющие разнообразное электрическое и механическое оборудование.
…В печь загружают шихту. Включаются и опускаются графитовые электроды. Вот они приблизились к металлическому лому шихты, и молнии обвили куски стали.
Начинается плавка.
В пламени электрических разрядов температура достигает 4 тысяч градусов. Шихта стремительно плавится, струйки металла стекают и накапливаются на подине. И вот электроды уже коснулись жидкого металла.
Уже во время плавки добавляют сталевары в электропечь известь и другие флюсы, наводя первый шлак. В него начинает переходить из расплавленного металла фосфор. Затем они обеспечивают удаление из металла водорода, азота и неметаллических включений. И первый шлак удаляют, скачивают. Для образования нового шлака в печь снова добавляют известь…
Мы не будем рассказывать весь ход плавки, перечислять все добавки железной руды, извести, плавикового шпата, присыпки шлака ферросилицием и молотым коксом, продувки сквозь жидкий металл кислорода и т. д.
Каждая из этих операций имеет свою задачу, свой смысл. И в результате всех этих манипуляций, длящихся около шести часов, получается сталь, какую нельзя получить никаким другим способом. Она содержит предельно малое количество фосфора и серы, очень немного неметаллических включений и точно заданные количества, тех добавок, которые запланированы металлургами.
Иногда в электропечах доваривают сталь, выплавленную в мартене или бессемеровском конверторе. В этом случае продолжительность плавки сокращается до трех часов.
У электростали есть только один существенный недостаток: она дорога. Ведь на производство каждой тонны стали надо затратить около 700 киловатт-часов энергии, не говоря уж о расходе флюсов, электродов и т. д.
Могучее дитя вырастает у такой няньки.
И все же выплавка электростали во всем мире стремительно растет. Уже в 1955 году в США производство ее достигло 7,6 млн. тонн – 7,1 процента от общей выплавки стали. В нашей стране в этом же году было выплавлено 3,4 млн. тонн электростали – 7,5 процента от общей выплавки. Таким образом, Советский Союз занимает второе место в мире по производству электростали.
Электросталь – могучий соперник конвертора и мартена. Но мы видим, что занимаемые ею сегодня позиции и в нашей стране и во всем мире еще не сравнимы с позициями конверторной, а тем более – мартеновской стали.
И все же, вероятно, за ней будущее, если только развитие металлургии не изменит резко своего пути и переделка чугуна в сталь не окажется вообще излишней.
Новорожденный соперник
Но если вы скажете, что вся сталь, получаемая в нашей стране сейчас, выплавлена или в мартеновских печах, или в бессемеровских конверторах, или, в крайнем случае, в электропечах, то вы все-таки ошибетесь. И дело не в том, что кое-где у нас выплавляют для специальных целей кричное железо прадедовскими способами прямо из руды, – нет, новый соперник мартена родился совсем недавно. Первый оборот он сделал в 1958 году в мартеновском цехе Нижне-Тагильского металлургического комбината.
Первый оборот? Что за странность?
Ничего странного здесь нет. Просто соперник мартена представляет собой вращающуюся цилиндрическую наклонную печь.
Она невелика, размером и формой внешне напоминает бетономешалку и так же невзрачно выглядит по сравнению с величественными мартенами, стоящими рядом, как сказочный Конек-Горбунок рядом со своими золотогривыми братьями. Но она, бесспорно, уже в первом своем варианте превосходит по всем показателям мартеновскую печь. Вот как она работает.
Нет, вовсе не с фантастической скоростью вращается ее корпус – он делает всего лишь от 0,2 до 1 оборота в минуту. Из подвесного бункера в нее, когда она еще неподвижна, загружают руду и известь, затем по желобу заливают из ковша чугун, а затем через это же отверстие две фурмы подают в печь кислород.
Одна фурма погружается в расплавленный металл. Пробивающийся сквозь жидкий расплав кислород соединяется с углеродом. Из металла вырывается угарный газ. Его-то и дожигает кислород из второй фурмы. Температура в печи поднимается до 2 тысяч градусов.
Оператор включает рубильник, и печь начинает поворачиваться. Это усиливает перемешивание металла, убыстряет процесс выплавки. Выгорают и сера и фосфор. Постоянное перемещение расплавленной массы по стенкам печи предохраняет, защищает их от разрушения высокой температурой.
Весь процесс варки стали занимает не более 20 минут. Вместе с загрузкой печи, сливом шлака и металла время плавки – 50 минут. Но и это означает возможность осуществлять 24 плавки в сутки.
Преимущества роторной печи даже перед усовершенствованным конвертором несомненны. Она выплавляет сталь с любым по существу содержанием углерода – от 0,05 до 0,8 процента. По качественным показателям эта сталь превосходит конверторную. При конверторном производстве выход годного металла равен 84 процентам, при роторном – на 3 процента больше. А кислорода на передел требуется меньше. Обслуживают роторную печь всего три человека. Малютка является серьезным соперником и мартеновским печам: ведь ее стоимость – даже первой экспериментальной установки! – в восемь раз ниже стоимости мартеновской печи такой же производительности. И места она занимает несравненно меньше. И топлива не требует – только на разогрев, после того как она находилась в ремонте и долго не работала.
Вторая такая же печь сооружается на «Азовстали». Опыт эксплуатации этих первых печей позволит более точно оценить их возможности и права на большую жизнь в металлургии.
