|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Лита сталь. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас В історії металургії заліза було три революційні перевороти, що надали глибокий вплив на весь хід людської історії: перший мав місце ще в давнину, коли з'явилися сиродутні горни; другий стався в середні віки, після відкриття переробного процесу; третій припав на другу половину XIX століття і був пов'язаний із початком виробництва литої сталі. Сталь у всі часи залишалася найнеобхіднішим і найбажанішим продуктом металургії заліза, тому що тільки вона мала ту твердість і міцність, які були потрібні для виготовлення інструментів, зброї та деталей машин. Але перш ніж перетворитися на сталевий виріб, метал повинен був зазнати цілого ряду трудомістких операцій. Спочатку з руди виплавляли чавун. Потім чавун відновлювали у м'яке залізо. Нарешті шляхом тривалого проковування залізної крици отримували з неї необхідну сталеву деталь (або тільки заготовку до неї, яку потім піддавали остаточному оздобленню на металорізальних верстатах). Виробництво м'якого заліза і особливо кування тривалий час залишалися найвужчими місцями в процесі обробки заліза. На них йшло найбільше сил і часу, а результати далеко не завжди виявлялися задовільними. Особливо гостро ця проблема почала відчуватися у ХІХ столітті, коли різко зріс попит на дешеву сталь. Природним чином у багатьох учених і винахідників виникала думка, яку потім висловив Бессемер: як отримати метал з властивостями заліза і сталі, але у рідкому вигляді, щоб його можна було використати для виливки? Вирішення поставленої проблеми вимагало кількох десятиліть наполегливої праці багатьох металургів. На цьому шляху було зроблено кілька важливих відкриттів та винаходів, кожне з яких становило епоху в історії обробки заліза. До кінця XVIII століття переділ чавуну в м'яке кування залізо відбувався тільки в кричних горнах. Цей спосіб, однак, був незручний у багатьох відношеннях. Метал, що виходив у ході, був неоднорідним - місцями наближався за своїми якостями до ковкого заліза, місцями - до сталі. Крім того, робота вимагала великих витрат часу та фізичних сил. Так як паливо (вугілля) знаходилося у безпосередньому зіткненні із залізом, до нього пред'являлися дуже високі вимоги, адже будь-які домішки впливали на якість кінцевого продукту. Витрата вугілля була дуже великою (у середньому, на відновлення 1 кг заліза йшло до 4 кг вугілля). У найбільших горнах можна було за 24 години здобути не більше 400 кг заліза. Тим часом ринок вимагав дедалі більше заліза та сталі. Для задоволення цих запитів необхідно було знайти досконаліший спосіб переробки чавуну. Значним кроком уперед на цьому шляху став запропонований у 1784 році англійцем Кортом процес пудлінгування у спеціально створеній для цього печі.
Пудлінгування - металургійний процес перетворення чавуну на м'яке маловуглецеве залізо (зварювальне залізо). Суть процесу полягає у розплавленні чавуну у спеціальній печі без контакту з паливом та перемішуванні розплавленого металу спеціальними штангами, на яких налипають частинки розплавленого заліза, поступово формуючи тістоподібну крицю масою до 40-60 кг. На виході з пудлінгової печі одержану крицю проковують та відправляють на плющення. Пудлінгове залізо добре зварюється, має високу пластичність, містить мало домішок (фосфору, сірки, неметалевих включень). Принципове влаштування пудлінгової печі полягало в наступному. У топці спалювали паливо. Продукти горіння через кам'яний поріг потрапляли до робочого простору печі, де на поду знаходився завантажений чавун із залізистими шлаками. Шлаки під дією полум'я переходили в тістоподібний стан та частково розплавлялися. З підвищенням температури чавун починав плавитись і домішки його вигоряли за рахунок кисню, укладеного у шлаках. Таким чином чавун обезуглероживався, тобто перетворювався на крицю губчастого заліза. Важлива відмінність пудлінгової печі від кричного горна полягала в тому, що вона допускала використовувати як паливо будь-яке паливо, в тому числі і дешеве неочищене кам'яне вугілля, а об'єм її був значно більшим.
Завдяки пудлінговим печам залізо стало дешевшим. Разом з тим, на відміну від крикових горнів, піч Корта не вимагала примусового вдування. Доступ повітря та хороша тяга досягалися завдяки високій трубі. Це була одна з причин, чому пудлінгові печі набули широкого поширення у всьому світі. Однак істотним недоліком цих печей було те, що повітря обдувало тільки верхню частину чавуну. Щоб відновлення заліза йшло рівномірно і з усього обсягу, доводилося періодично відкривати піч і перемішувати чавун. Це була важка ручна праця. Крім того, оскільки сили та можливості робітника були обмежені, піч не могла бути надто великою. (Щоб допустити помішування, Корт передбачив дві труби, у тому числі одна перебувала під топкою, а друга - наприкінці печі. Її відкривали тоді, коли потрібно знизити температуру.) Вже до середини XIX століття пудлінгові печі перестали задовольняти нові потреби промисловості. Щоб встигати за попитом, доводилося будувати на кожну велику домну кілька печей (у середньому одну домну обслуговувало десять пудлінгових печей). Це подорожчало та ускладнювало виробництво. Багато винахідників думали над тим, як замінити пудлінгування на більш досконалий спосіб відновлення заліза. Раніше за інших це завдання вдалося вирішити англійському інженеру Бессемеру. До занять металургією Бессемер прийшов після багатьох років роботи над удосконаленням артилерійських знарядь та снарядів. Він поставив собі за мету знайти спосіб виробництва високоякісної литої сталі, з якої можна було б відливати гармати. Спостерігаючи багато разів за плавкою чавуну, він помітив, що тверде відновлене залізо утворюється насамперед біля повітродувних труб. Це навело його на думку отримувати сталь шляхом посиленого продування через розплавлений чавун повітря. Перші свої досліди Бессемер провів у закритому тиглі, який він нагрівав у горні з коксом. Результат перевершив найсміливіші очікування. Менш ніж за годину продування він отримував із чавуну першосортну сталь. Крім того, подальші досліди показали, що немає необхідності вводити в металургійний процес тепло ззовні. Справа в тому, що чавун містить власний горючий матеріал як домішки: кремній, марганець, вуглець - всього близько 45 кг горючих матеріалів на кожну тонну чавуну. Своїм горінням вони дозволяли значно підвищити температуру плавки та отримувати сталь у рідкому стані. 1856 року Бессемер публічно демонстрував винайдений ним нерухомий конвертер. Конвертер мав вигляд невисокої вертикальної грубки, закритої зверху склепінням з отвором для виходу газів. Збоку в печі був другий отвір для заливки чавуну. Готову сталь випускали через отвір у нижній частині печі (під час роботи конвертера його забивали глиною). Повітродувні трубки (фурми) знаходилися біля самого поду печі. Так як конвертер був нерухомим, продування починали раніше, ніж вливали чавун. Інакше метал залив би фурми. З тієї ж причини треба було вести продування доти, доки весь метал не був випущений. Весь процес тривав трохи більше 20 хвилин. Найменша затримка у випуску давала шлюб. Ця незручність, а також ряд інших недоліків нерухомого конвертера змусили Бессемера перейти до печі, що обертається. У 1860 році він узяв патент на нову конструкцію конвертера, що збереглася загалом до наших днів.
Спосіб Бессемера був справжньою революцією у галузі металургії. За 8-10 хвилин його конвертер перетворював 10-15 т чавуну в ковке залізо чи сталь, потім раніше знадобилося кілька днів роботи пудлінгової печі чи кілька місяців роботи колишнього кричного горна. Однак, після того як безсемерів метод став застосовуватися в промислових умовах, результати його виявилися гіршими, ніж у лабораторії, і сталь виходила дуже низькою якістю. Два роки Бессемер намагався вирішити цю проблему і нарешті з'ясував, що у його дослідах чавун містив мало фосфору, тоді як у Англії широко використовувався чавун, виплавлений із залізняку з високим вмістом фосфору. Тим часом фосфор та сірка не вигоряли разом з іншими домішками; з чавуну вони потрапляли у сталь і суттєво знижували її якість. Це, а також висока ціна конвертера, призвело до того, що безсемерівський метод дуже повільно впроваджувався у виробництво. І через 15 років в Англії більша частина чавуну переплавлялася в пудлінгових печах. Набагато ширше застосування конвертери отримали Німеччини та США.
Поруч із безсемерівським методом виробництва стали незабаром величезну роль придбав мартенівський метод. Суть його полягала в тому, що чавун сплавляли із залізним брухтом у спеціальній регенеративній печі. Ця піч була придумана і побудована в 1861 німецькими інженерами Фрідріхом і Вільямом Сіменс для потреб скляної промисловості, але найбільшого поширення набула в металургії. До складу печі входили газовиробники (або генератори газу), сама піч із відновниками теплоти (або регенераторами) для підігріву газу та повітря та ливарного відділення (двору).
Генератори та регенератори були пов'язані між собою особливою системою каналів для газу, повітря та продуктів горіння. Останні відводилися в димову трубу висотою до 40 м, що давала необхідну тягу. Генератори розташовувалися під підом чи з обох боків печі. Регенератори являли собою спеціальні камери для нагрівання газу та повітря. Спеціальні змінні клапани направляли газ і повітря то одну камеру, то іншу, а продукти горіння відводили в трубу. Горіння відбувалося в такий спосіб. Газ і повітря нагрівалися кожен у своїй камері, а потім надходили до плавильного простору, де відбувалося горіння. Продукти горіння, пройшовши над подом печі, прямували в регенератори і віддавали тут більшу частину своєї теплоти кладці регенераторів, а потім йшли в трубу. Щоб процес відбувався безперервно, за допомогою клапанів направляли повітря і газ то одну пару регенераторів, то іншу. Внаслідок такого продуманого теплообміну температура в печі досягала 1600 градусів, тобто перевищувала температуру плавлення чистого безвуглецевого заліза. Виробництво високотемпературних печей відкрило нові горизонти перед металургією. До середини XIX століття у всіх промислових країнах були великі запаси металевого брухту. Через високу тугоплавкість його не могли використовувати у виробництві. Французькі інженери Еміль та П'єр Мартени (батько та син) запропонували сплавляти цей залізний лом з чавуном у регенеративній печі і таким чином отримувати сталь. 1864 року на заводі Сірейль вони під керівництвом Сіменса здійснили першу успішну плавку. Потім цей спосіб став застосовуватися усюди. Мартенівські печі були дешевшими за конвертери і тому мали ширше поширення. Однак ні безсемерівський, ні мартенівський спосіб не дозволяв отримувати високоякісну сталь із руди, що містить сірку та фосфор. Ця проблема залишалася невирішеною протягом півтора десятиліття, поки в 1878 англійський металург Сідней Томас не придумав додавати в конвертер до 10-15% вапна. При цьому утворювалися шлаки, здатні утримувати фосфор у міцних хімічних сполуках. В результаті фосфор вигоряв разом з іншими непотрібними домішками, а чавун перетворювався на високоякісну сталь. Значення винаходу Томаса було величезним. Воно дозволило у широкому масштабі виробляти сталь із фосфоровмісних руд, які у великій кількості видобувалися в Європі. Загалом запровадження безсемерівського та мартенівського процесів дало можливість виробляти сталь у необмежених кількостях. Лита сталь швидко завоювала собі місце в промисловості, і починаючи з 70-х років XIX століття зварювальне залізо майже зовсім виходить із вжитку. Вже у перші п'ять років після запровадження мартенівського та безсемерівського виробництв світовий випуск стали збільшився на 60%. Автор: Рижов К.В.
▪ Сканери
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ IPS-монітори LG 27GL850 з часом відгуку в 1 мс ▪ Алюмінієва плівка захищає від лісових пожеж ▪ Бюджетний телефон LG A290 із підтримкою трьох SIM-карт ▪ Вулична точка доступу Zyxel 802.11ax (Wi-Fi 6)
▪ розділ сайту Мистецтво аудіо. Добірка статей ▪ стаття Повітряно-гідравлічна ракета. Поради моделісту ▪ стаття Складова амфібія. Особистий транспорт ▪ стаття Електромагнітний індукційний детектор Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Побудова гібридного каскаду. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page