Значение металлов в современной жизни очень велико. / Несмотря — на то что химические материалы — пластмассы, сиитетйческие смолы и др, получают все большее распространение, роль металлов не только не уменьшается, ио еще более возрастает в связи с освоением космического пространства, разработкой природных богатств земли, находящихся иа ее поверхности и под-диом океана, с развитием производства атомной энергии, транспорта, связи, микро — и радиоэлектроники и т. д.
Железо является одним из самых распространенных элементов на земле. Его доля составляет ~4 % массы всей верхней части земной коры. Атомная масса железа 55,84, атомный номер 26, плот- г иость 7,86 г/см3, температура плавления 1540 0C. Чистое железо — серовато-беловатого цвета, обладает пластичностью и магнитными свойствами.
В этой книге рассматрявается производство черных металлов в последовательности современной технологической схемы производства: 1) выплавка чугуна из железной руды — доменное производство; 2) прямое получение железа и металлизоваииого сырья; 3) выплавка стали из чугуна, металлического лома; 4) обработка стальных слитков и заготовок иа прокатных станах и получение готовых изделий и полуфабрикатов. Обычно черными металлами называют железо и сплавы железа с различными элементами. Основным элементом, придающим железу разнообразные свойства, является углерод. Сплавы с содержанием углерода до 2,14 % называют сталями, а сплавы с более высоким содержанием углерода — чугуиами. Помимо углерода, в состав стали и чугуна входят различные элементы. Легирующие элементы улучшают, а вредные примеси ухудшают свойства железных сплавов. К легирующим элементам относятся марганец, кремний, хром, никель, молибден, вольфрам и др. К вредным примесям — сера, фосфор, кислород, азот, водород, мышьяк, свинец и др. В зависимости от содержания легирующих сталь или чугун приобретают различные свойства и могут быть использованы в той или иной области промышленности. Так, например, инструментальные стали с высоким содержанием углерода используют для изготовления режущего обрабатывающего инструмента. При повышении содержания хрома и никеля стали приобретают антикоррозионные свойства (нержавеющие стали). Стали с повышенным содержанием кремния используют в электротехнике в виде трансформаторного железа и т. п. Чугун с высоким содержанием кремния используют в литейном деле. Для деталей, выдерживающих повышенные нагрузки, применяют высокопрочные чугуны, содержащие хром, никель и т. д. Металл, используемый в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и т. д., имеет различную форму, размеры и физические свойства. Придание металлу требуемой формы, необходимых размеров и различных свойств достигается обработкой слитков стали давлением и последующей термической обработкой. Для получения различной формы изделий применяют свободную ковку, штамповку иа молотах и прессах, листовую штамповку, прессование, волочение и прокатку. На прокатных станах обрабатывается до 80 % всей выплавляемой стали, на иих производят листы, трубы, сортовые профили, рельсы, швеллеры, балки и т. п.
Добыча железа началась, по крайней мере, за два тысячелетия до нашей эры. Получение чистого железа, его сплавов стало воз — можиым благодаря опыту, накопленному древними металлургами по выплавке меди и ее сплавов с оловом, серебром, свинцом и другими легкоплавкими металлами.
Плавку железа в древности производили в ямах — гориах, обмазанных глиной или выложенных камнем. В гори загружали дрова и древесный уголь. Через отверстие в нижней части гориа нагнетали с помощью кожаных мехов воздух. На смесь древесного угля и дров; засыпали измельченную железную руду. Сгорание дров и угля проходило иитеисивио. Внутри гориа достигалась относительно высокая температура.
Благодаря взаимодействию угля и оксида углерода СО, образовавшегося при сгорании угля, с оксидами железа, содержавшимися в руде, железо восстанавливалось и в виде тестообразных кусков накапливалось на дне гориа. Куски были загрязнены золой, шлаком, выплавлявшимся из составляющих руды. Такое железо называли сыродутным. Из него необходимо было удалить примеси прежде, чем приступить к изготовлению изделий. Разогретый металл ковали и на наковальне выжимали остатки шлака, примесей и др. Отдельные куски железа сваривали в единое целое. Такой способ существовал вплоть до XII—XIII вв. Когда стали использовать эйергию падающей воды и приводить в движение меха механическим способом, удалось увеличить объем воздуха, подаваемого в гори. Гори сделали больше, стеики его выросли из земли, ои стал прооб-’ разом доменной печи — домиицей. Домиицы имели высоту в несколько метров и сужались кверху. Сначала они были квадратными, потом стали круглыми. Подачу воздуха производили через несколько фурм. В нижней части домиицы имелось отверстие, замазываемое глиной, через которое после окончания плавки вынимали готовое железо. Улучшение технологии плавки, обкладки стенок домиицы природным огнеупорным камнем позволили значительно повысить температуру в горне. На дне печи образовывался жидкий сплав железа с углеродом — чугун. Вначале чугун считали отходом производства, так как ои был хрупким. Позже заметили, что чугун обладает хорошими литейными свойствами и из него стали отливать пушки, ядра, архитектурные украшения.
В начале XIV в. из чугуна научились приготовлять ковкое железо, появился двухступенчатый способ производства металла. Кусаки чугуна переплавляли в небольших тиглях — гориах, в которых удавалось получать высокую температуру и создавать окислительные условия в области фурм. Благодаря окислению из чугуна выжигали большую часть углерода, марганца, кремния. На дне тигля собирался слой железной маесы — крица. Масса была загрязиела остатками шлака. Ее извлекали из тигля клещами или ломом и тут же в разогретом состоянии подвергали ковке для выдавливания загрязнений и сваривания в одни прочный кусок. Такие горны назывались кричными. 0ир обладали большей произв9дительиостью, чем сыродутные, и давали металл более высокого качества. Поэтому со временем получение сыродутного железа было прекращено. Выгоднее было получать железо из чугуна, чем непосредственно из руды. По мере улучшения качества железа возрастали и потребности в ием в сельском хозяйстве, военном деле, строительстве, промышленности. Возрастало производство чугуна, домиицы увеличивались в размерах, постепенно превращаясь в доменные печи. В XIV в. высота доменных печей достигала уже 8 м.
Ускоренное развитие металлургии началось после замены дре — , весиого угля коксом. Вырубка лесов для получения древесного угля
Привела к тому, что уже в XV в. в Англии было запрещено использовать древесный уголь в металлургии. Применение кокса не только удачно решило проблему топлива, но и благоприятствовало росту производительности доменных печей. Благодаря повышенной прочности н хорошей теплотворной способности кокса стало возможным увеличение диаметра и высоты печей. В 1828 г. был выдан патент на применение в доменных печах подогретого воздуха. Эта мера позволила значительно снизить расход кокса, повысить производительность и температуру в горне печей. Позднее были успешно проведены опыты по использованию доменного колошникового газа для подогрева дутья. Раньше все газы выбрасывались в атмосферу, теперь колошник стали делать закрытым и улавливали отходящие газы. Многие операции доменного процесса были механизированы^
Одновременно совершенствовался и способ получения стали. Кричный способ уже не мог удовлетворить потребности в железе. Прочность сталям придавал углерод. Науглероживание кричного железа производили либо в твердом состоянии, либо сплавлением с чугуном в маленьких тнглях. Но такие методы не могли дать много стали. В конце XVIII в. на металлургических заводах появился новый процесс — пудлингование. Сущность процесса пудлингования заключалась в том, что топка была отделена от ванны, в которой расплавляют чугун. По мере окисления примесей из жидкого чугуна выпадали кристаллы твердого железа, которые накапливались на поду ванны. Ванну перемешивали ломом, намораживали на него тестообразную железную массу (до 50 кг) и вытаскивали из печи. Эту массу — крицу обжимали под молотом и получали железо.
В 1856 г. Генри Бессемер в Англии разработал наиболее производительный способ получения стали из чугуна — продувкой воздухом жидкого чугуна в конвертере, выложенном изнутри кремнеземистым кирпичом. В бессемеровских конвертерах перерабатывали чугуны с повышенным, содержанием кремния. Процесс шел быстро: 15—18 т чугуна превращались в сталь в течение 15—20 мин. Для переработки чугуна с повышенным содержанием фосфора Томасом был предложен конвертер с футеровкой из оксидов кальция и магния.
В 1864 г. в Европе появились первые мартеновские печи, в которых расплавление чугуна, окисление его примесей производили в подовых (отражательных) печах. Печи работали на жидком и газообразном топливе. Газ и воздух подогревали теплом отходящих газов. Благодаря этому в печи развивались настолько высокие температуры, что стало возможным на поду ванны иметь не только жидкий чугун, но и поддерживать в жидком состоянии более тугоплавкое железо и его сплавы. В мартеновских печах начали получать нз чугуна сталь любого состава и использовать для переплава стальной и чугунный лом. В начале XX в. появились электрические дуговые и индукционные печи. В этих печах выплавляли легированные высококачественные стали и ферросплавы. В 50-х годах XX в. начали использовать процесс передела чугуна в сталь в кислородном конвертере продувкой чугуна кислородом через фурму сверху. Сегодня это наиболее производительный метод получения стали. В последние годы появились значительно усовершенствованные по. сравнению с прошлым процессы прямого получения железа из руды.
Развитие сталеплавильного производства повлекло за собой и развитие нового оборудования для горячей и холодней обработки стали. В конце XVIII в. появились прокатные станы «для обжатия слитков и проката готовых изделий. В первой половине XIX в. начали применять крупные паровые и воздушные молоты для ковки тяжелых слитков. Последняя четверть XIX в. ознаменовалась появле — ^ нием крупных прокатных станов и станов для непрерывной прокатам с электрическими приводами.
В России до XVII в. производство железа носило кустарный характер. Выплавкой железа занимались отдельные крестьянские семьи или совместно несколько крестьянских дворов. Строили дом- ницы на землях Новгородчины, Псковщины, в Карелии. В начале XVII в. появились доменные печи на Городищенских заводах около Тулы, началось строительство заводов натУрале. В 1699 г. был построен Невьянсций завод. Бурное производство чугуна началось при Петре I. Демидовыми на Урале была построена колоссальная по тем временам печь высотой в 13 м, выплавлявшая в сутки 14 т чугуна. Большие земельные вотчины, лежащие рядом с заводом, приписывались к заводу вместе с крестьянами, которые обязаны были отрабатывать на нем определенное время. Крепостное право в течение длительного времени обеспечивало заводы рабочей силой. Хорошие природные условия — руда, лес, из которого выжигали уголь, обилие воды, энергию которой использовали для приведения в движение различных механизмов, — способствовали бурному развитию русской металлургии. Чугун начали экспортировать за границу. Россия занимает первое место в мире по выплавке чугуна. В 1763 г. М. В. Ломоносовым написан труд: «Первые основания металлургии или рудных дел». Эта книга в течение многих лет являлась единственным пособием для русских инженеров и техников. Но в XIX в. крепостное право стало тормозом в развитии производства. Капиталистические страны ^вропы и США обогнали Россию по производству чугуна и стали. Если с 1800 по 1860 г. производство чугуна в России увеличилось только в два раза, то в Англии оно возросло в десять раз, во Франции — в восемь раз. Владельцы русских заводов, имевшие в своем распоряжении дешевую рабочую силу, не заботились о развитии производства, о внедрении технических новшеств, облегчении условий труда рабочих. Постепенно старые уральские заводы приходили в упадок и останавливались. Однако развитие капитализма в России в конце XIX в. вызвало подъем в черной металлургии, особенно в южных районах (Украина). В 1870 г. русский купец Пастухов построил в г. Сулине завод для выплавки, чугуна на донецком антраците. В местечке Юзовка (ныне г. Донецк) был пущен крупнейший по тому времени Юзовский металлургический завод. Бурное развитие металлургия Юга получила с открытием залежей железных руд Кривого Рога. В сочетании с запасами донецких углей sjo стало основой развития горнорудной промышленности Юга России. В отличне от заводов Урала южные заводы были оборудованы более крупными агрегатами. В доменные печи загружали кокс и выдавали в сутки примерно в шесть-семь раз больше ^ чугуна, чем в печах, работающих на древесном угле.
В 1870 г. на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде заработали первые мартеновские печи, а в Донбассе в сталелитейных цехах появились и конвертеры. В 1910 г. была установлена первая дуговая сталеплавильная печь, а в конце 1917 г. под Москвой стал работать электрометаллургическнй завод с несколькими электропечами.
В годы гражданской войны развитие металлургии было приостановлено, и только в 1926 г. был достигнут уровень 1913 г.— максимальной дореволюционной выплавки стали 4,3 млн. т.
Иитеисивиое развитие черная металлургия в СССР получила в годы первых пятилеток. Были построены крупнейшие в мире комбинаты — Магнитогорский и Кузнецкий; заводы Запорожский, «Азов- сталь», Криворожский. Подвергались кореииой реконструкции старые заводы: Днепропетровский, Макеевский, Нижне — Диепровский, Таганрогский. Построены новые заводы высококачественных сталей: «Электросталь», «Диепроспецсталь». В 1940 г. производство стали достигло 18,5 млн. т и проката 13,1 млн. т.
Великая Отечественная война нанесла серьезный урои южным заводам СССР. Большая часть оборудования металлургических заводов была эвакуирована иа Восток. В кратчайшие сроки иа Урале и в Сибири было развернуто производство металла, необходимого для победы. Построены новые заводы — такие, как Челябинский, расширено производство иа Кузнецком и Магнитогорском металлургических комбинатах, вывезенное оборудование устанавливалось на заводах в Златоусте, Нижнем Тагиле, Серове. Были освоены новые марки броиевой, орудийной стали, налажен выпуск необходимых сортов проката. Металлурги страны создали в короткие сроки базу для наращивания всех видов вооружений и уже в 1943 г. Совет-— ский Союз значительно превосходил врага по производству танков, орудий, самолетов и другой техники. В послевоенные годы черная металлургия быстро оправилась от потерь. К 1950 г. уровень выплавки черного металла в полтора раза превысил довоенный. Все последующие пятилетки характеризуются последовательным наращиванием объемов производства, строительством новых заводов и цехов. Крупнейшими стали комбинаты: Магнитогорский, Новолипецкий, Западно-Сибирский, Криворожский, Череповецкий, Челябинский и ряд других. Появились кислородные конвертеры емкостью до 350 т, 900-т мартеновские печи, двухваиные сталеплавильные агрегаты, 200-т дуговые электропечи, доменные печи с полезным объемом 5000 м3. Построены непрерывные станы для получения листа, сортового проката, труб, установки для непрерывной разливки стали (УНРС). В последнее время получила развитие специальная металлургия высококачественных сталей и сплавов: процессы получения стали иа установках электрошлакового (ЭШП), вакуумного индукционного (ВИП), вакуумио-дугового (ВДП), электроиио-лучевого (ЭЛП), плазмеиио-дугового (ПДП) переплавов,
Широко применяются такие методы, как обработка жидкой стали в ковше синтетическим шлаком и аргоном, вакуумирование жидкого металла. В 1974 г. по объему производства черных металлов СССР вышел на первое место в мире. Большую роль в развитии отечественной металлургии сыграли выдающиеся ученые нашей страны. П. П. Аносов, разработал основы те?Щйц^Ц1Ш1мод?хеа ли^ той высококачественной стали, Д. К — 4epnof яв-ляется основоположником научного металловедения, его труды по кристаллизации стали не потеряли своего значения и в настоящее время. Академики А. А. райков, М. А. Павлов, Н. С. Курнаков создали глубокие теоретические разработки в области восстановления металлов, доменного производства, физико-химического анализа, В.~Е. Грум-Гржимайло, А. М. Самарии, М. М. Карнаухов заложили основы современного сталеплавильного и электросталеплавильного производства, ¦ академик И. П. Бардин известен во всем мире своими трудами в области доменного производства и организацией научных металлургических исследований. Рост производства в основном обеспечивался за счет производительности труда. Развитие отечественной металлургии видно из даииых, приведенных ииже.
Годы…………………………….. 1950 1960 . 1970 1980 1984J
Чугуи, млн. т. . . . 19,2 46,7 85,0 107,0 111,0 Сталь, млн. т. . . . 27,3 65,3 116,0 148,0 154,0
В годы XI пятилетки иа техническое перевооружение отрасли было затрачено около 6 млрд. руб. Были построены конвертеры вместимостью 350 т, электропечи с мощностью трансформатора 60— 80 MB А, мощность установок по непрерывной разливке стали достигла 20 мли. т в год. Построены новые коксовые батареи, агломерационные фабрики, гориометаллургические комбинаты, в том числе Костомукшский ГМК, вошел в строй Оскольский электрометаллур^ гический кембииат по производству стали из железа прямого восстановления, начали работать два электрометаллургических завода в Белоруссии и Молдавии производительностью по 600 тыс. т готового
Проката в год. Продолжается выведение из эксплуатации старых аг — егатов, работа которых экономически нецелесообразна. Значительное внимание уделяется повышению качества металла иа всех ста — , днях его производства. Проведены большие работы по улучшению качества подготовки железорудного сырья.
В XlI пятилетке при стабильном уровне выплавки чугуна должно быть произведено 116—119 млн. т готового проката, в том числе 50 мли. т листового, 20—21 млн. т проката из иизколегироваииой стали, освоен выпуск не менее 500 видов новых профилей проката, увеличена в 1,3—1,4 раза выплавка конвертерной и электростали, в два раза увеличена доля стали, разливаемой непрерывным способом, повышено качество металла, которое позволяло бы добитьси значительной экономии его в металлопотребляющих областях.