История развития процессов выплавки стали, протекающих с использованием дутья воздуха и других газов

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский  государственный политехнический  университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

История и философия науки 

Реферат 

на тему «История развития процессов выплавки стали, протекающих с использованием дутья воздуха и других газов»

Факультет технологии и исследования материалов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

   Начиная с первых упоминаний о поселениях древних людей можно встретить  свидетельства их деятельности- различные  орудия труда и предметы быта. Очень часто среди таких предметов находят изделия из металлов.

   Не  располагая документальными памятниками, сейчас можно только предполагать что первое железо попало в руки человека случайно на месте догоревшего костра или лесного пожара на рудоносных площадках. Повторение подобных случаев могло натолкнуть человека на мысль о возможности получения железа в кострах. Вполне вероятно, что люди в разное время в различных местах независимо друг от друга пришли к разработке способа получения железа.

   Устройство  земляного ограждения вокруг костра с отверстием с наветренной стороны  для поступления воздуха явилось  прообразом более совершенного способа получения железа в сыродутном горне.

   Сыродутным  процессом называют старинный способ получения железа непосредственно из руды в небольших горнах, которые вначале делали прямо в земле. Сыродутным этот способ назывался из-за того, что в горн подавали ("дули") холодный ("сырой") атмосферный воздух. Печи представляли собой ямы, вырытые на склонах холмов, чтобы можно было иметь естественную тягу. Производство стали всегда было непосредственно связано с подводом достаточного количества воздуха, поэтому большая часть горнов находилась на холмах.

   Позднее, естественная тяга была заменена искусственной- воздух нагнетался в печь с помощью мехов.

   Сыродутное  производство в течение почти  трех тысячелетий было основным источником получения мягкого железа. Более твердый металл -сталь - получали в тиглях, где смешанное с древесным углем железо частично науглероживалось. Освоение выплавки железа из руд в сыродутных печах, ознаменовавшее начало железного века в истории человечества, явилось величайшим достижением.

   Сыродутный  способ возник и получил относительно широкое распространение на Кавказе в районе древней Армении у легендарного закавказского народа - халиберов, жившего на южном берегу Черного моря. Этот процесс развивался и распространился около 1400-1500 лет до н.э. на базе древней металлургии меди. Особым искусством в получении железа отличались жившие там позднее хетты. Вначале железо у хеттов ценилось более чем в 6000 раз дороже меди, в 1000 раз дороже серебра и почти в 160 раз дороже золота 38 . Из этих мест сыродутный способ получения железа распространился в Египет и Грецию к 1100г. до.н.э.,в Индию к 800г до н.э., Китай к 500г. до н.э. и в Европу к 600-500г,. до н.э. По более поздним данным в период 1300...1000 лет до н.э. черная металлургия Индии развивалась самостоятельно. Первые следы сыродутного производства железа в Японии относят к 1в. до н.э. Сыродутное железо вначале не вытеснило бронзу. Первое время оно ценилось очень высоко, в 15-20 раз дороже меди и бронзы., и составляло даже сокровище ассирийских царей. При раскопках дворца царя Саргона П (722-705 до н.э.) вблизи г.Ниневии обнаружили клад в 160т железа в виде отдельных криц.[1, c. 28]

   Переход кочевых народов Средней Азии из бронзового в железный век базировался на богатых железными рудами Алтайских горах, где сосредотачивалось железоделательное кузнечное мастерство. Древние монголы и Туркмении получали из этих мест оружие и доспехи.

   Искусство получения железа из Греции распространилось в Центральную и Западную Европу, где ранний железный век относят к VII-V в. до н.э., а наиболее широкое распространение железа- к V-I в. до н.э. Первые сыродутные печи обнаружены в нынешней Австрии. Археологи их относят к периоду 1000- 4560 г. до н.э. Большой вклад в распространение железа в Европе в латинский период (V-I в. до н.э) внесли кельтские народы, овладевшие передовой по тому времени технологией получения железа. Расселившись по Европе в конце прошлой и начале нашей эры, кельты заняли территории современной Франции, Германии, Англии, Польши и др. Кельтское название железа "изарнон" перешло в современный немецкий ("айзен") и английский ("айрон") языки. Помимо сельскохозяйственных орудий, кельтские кузнецы с большим искусством изготовляли оружие, закаливали его, мастерски украшая травлением, чеканкой, насечкой. Это оружие высоко ценилось германцами и римлянами.

   В средние века горн уже обрел вид  шахтной печи, достигавшей в высоту нескольких метров. Теперь печи «дышали» с помощью энергии воды- воздуходувные мехи  приводились в движение сначала специальными водяными трубами, а позже огромными водяными колесами.

   Процесс в шахтной печи происходит при  больших температурах. Именно это привело к тому, что вместо требуемой железной крицы из печи вытекал чугун, Позже заметили, что при повторном переплаве чугуна получалась желанная сталь. Так возник двухстадийный процесс получения стали. [2, c. 11]

Развитие  способов производства стали

   До  конца XVIII- начала XIX века в процессе получения стали больших сдвигов не происходило. Промышленных способов, позволяющих в больших объемах получать сталь еще не было. До конца XVIII века передел чугуна в мягкое железо происходил только в кричных горнах. Этот способ, однако, был неудобен во многих отношениях. Получавшийся в ходе него металл был неоднородным - местами приближался по своим качествам к ковкому железу, местами - к стали. Кроме того, работа требовала больших затрат времени и физических сил.

   Значительным  шагом вперед на этом пути стал предложенный в 1784 году англичанином Кортом процесс  пудлингования в специально созданной  для этого печи. Важное отличие пудлинговой печи от кричного горна заключалось в том, что она допускала использовать в качестве горючего любое топливо, в том числе и дешевый неочищенный каменный уголь, а объем ее был значительно больше. Благодаря пудлинговым печам железо стало дешевле. Вместе с тем в отличие от кричных горнов печь Корта не требовала принудительного вдувания. Доступ воздуха и хорошая тяга достигались благодаря высокой трубе. Это была одна из причин, почему пудлинговые печи получили широкое распространение во всем мире.

   Пудлингование было очень тяжелым и трудоемким процессом. Работа шла при нем таким образом. На подину пламенной печи загружались чушки чугуна, их расплавляли. По мере выгорания углерода и других примесей температура плавления металла повышалась, и из жидкого расплава начинали "вымораживаться" кристаллы довольно чистого железа. На "подине" собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали в операции накатывания крицы. Перемешивая металл ломом, они старались собрать вокруг него комок (крицу) железа. Такой комок весил до 50-80 килограммов и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот для проковки, чтобы удалить частицы шлака и уплотнить металл.

  Многие  изобретатели думали над тем, как  заменить пудлингование более совершенным  способом восстановления железа. Раньше других эту задачу удалось разрешить английскому инженеру Бессемеру. В 1856 году Бессемер публично демонстрировал изобретенный им неподвижный конвертер [3]. Конвертер имел вид невысокой вертикальной печки, закрытой сверху сводом с отверстием для выхода газов. Сбоку в печи было второе отверстие для заливки чугуна. Готовую сталь выпускали через отверстие в нижней части печи (во время работы конвертера его забивали глиной). Воздуходувные трубки (фурмы) находились возле самого пода печи. Так как конвертер был неподвижным, продувку начинали раньше, чем вливали чугун (в противном случае металл залил бы фурмы. По той же причине надо было вести продувку до тех пор, пока весь металл не был выпущен. Весь процесс длился не более 20 минут. Малейшая задержка в выпуске давала брак. Это

Рис. 1 Развитие Бессемеровского процесса

   неудобство, а также ряд других недостатков неподвижного конвертера заставили Бессемера перейти к вращающейся печи. В 1860 году он взял патент на новую конструкцию конвертера, сохранившуюся в общих чертах до наших дней. Способ Бессемера был настоящей революцией в области металлургии. За 8-10 минут его конвертер превращал 10-15 т чугуна в ковкое железо или сталь, на что прежде потребовалось бы несколько дней работы пудлинговой печи или несколько месяцев работы прежнего кричного горна. Однако, после того как бессемеров метод стал применяться в промышленных условиях, результаты его оказались хуже, чем в лаборатории, и сталь выходила очень низкого качества. Два года Бессемер пытался разрешить эту проблему и наконец выяснил, что в его опытах чугун содержал мало фосфора, в то время как в Англии широко использовался чугун, выплавленный из железных руд с высоким содержанием фосфора. Между тем фосфор и сера не выгорали вместе с другими примесями; из чугуна они попадали в сталь и существенно снижали ее качество. Это, а кроме того высокая стоимость конвертера, привело к тому, что бессемеровский способ очень медленно внедрялся в производство. И 15 лет спустя в Англии большая часть чугуна переплавлялись в пудлинговых печах. Гораздо более широкое применение конверторы получили в Германии и США.

Рис. 2. Бессемеровский конвертер: 1 — корпус; 2 — пустотелая цапфа; 3 — патрубок; 4 — воздушная  коробка; 5 — редуктор; 6 — днище; 7 — фурмы; 8 — горловина. 

   Наряду  с бессемеровским способом производства стали вскоре огромную роль приобрел другой способ получения литой стали - на поду пламенной регенеративной печи. Идея получать литую сталь на поду впервые была высказана еще в 1722 году Реомюром - он писал о возможности превращения мягкого железа в сталь путем погружения его в жидкий чугун. Но по-настоящему этой идеей заинтересовались лишь в первой половине XIX века, когда назревшие экономические условия настойчиво толкали на поиски способов массового получения стали.

   Практический  успех в создании нового процесса был достигнут французским металлургом Пьером Мартеном (1824-1915). Ему помогал отец - Эмиль Мартен (1794-1871), который основал собственное дело, приобретя в 1822 году железоделательный завод в Фуршамбо [3].

   Многие  годы Пьер Мартен вместе с отцом занимался решением вопроса получения литой стали путем сплавления лома и чугуна на поду пламенной печи. Мартены терпели неудачи, как и другие исследователи, из-за того, что не могли создать в пламенной печи температурный режим, необходимый для сталеплавильного процесса. Нужна была температура свыше 1600° С. Делу помогло использование принципа регенерации тепла, предложенного братьями Сименс. 2 декабря 1856 года немецкий инженер Фридрих Сименс (1826 -1904) взял в Англии, где он жил с 1844 года, патент на устройство регенеративного угольного горна с применением принципа регенерации для воздуха. Продукты горения проходили по кирпичным каналам, следуя сверху вниз из печи в дымовую трубу. Когда кирпичная насадка регенератора получала определенное количество тепла, продукты горения направлялись в другой регенератор, а через раскаленные каналы насадки пропускали холодный воздух. При прохождении через каналы воздух нагревался и поступал в печь с большим запасом физического тепла. Это давало возможность получать в печи высокую температуру.

   Получив чертежи регенеративной печи от В. Сименса  и редкий в то время английский динасовый кирпич, П. Мартен построил в Сирейле печь, в которой получил 8 апреля 1864 года годную литую сталь. На это производство Мартен взял патент от 10 апреля во Франции и от 15 августа в Англии. В патенте П. Мартен указал три способа получения стали - два на поду и один в вагранке.

   П. Мартен более основательно разработал первый из предложенных способов. В  патенте от 28 июля 1865 года он описывался так: в ванну расплавленного на поду регенеративной печи чугуна загружаются холодные или нагретые куски железа - лом, обрезки, стружка и при длительном нагреве ванны до высокой температуры получается сталь.