Контрольные работы, курсовые, дипломные, рефераты, а также подготовка докладов, чертежей, лабораторных работ, презентаций и еще много всего. Недорого и быстро.
Трудности надо преодолевать
До чего же трудно приходилось нашим предкам находить нужные им металлические материалы. Все их находки были случайными, а масштабы производства металла — очень небольшими. Как мы уже говорили, человек познакомился с железом вскоре после меди, но думать о получении железа из руд он смог лишь пглле того, как было освоено производство бронзы. Ведь люди вначале встречались с железом очень редко. Оно попадалось в самородном виде, в виде вкраплений в базальт или в виде железных метеоритов. Но в конце концов люди научились получать железо из руд, сначала так называемым сыродутным способом. При этом способе железную руду закладывали в яму с достаточным количеством древесного угля и нагревали. Горение угля поддерживалось естественной тягой или мехами. Получаемые при таком процессе температуры слишком низки, чтобы железо расплавилось, поэтому в сыродутном горне после окончания плавки оставались слипшиеся куски тестообразного железа со шлаком. В этом железе содержалось мало углерода и оно поэтому бы ло ковким. Куски такого железа назывались крицами; под мощными молотами они сваривались в монолитные куски.
В древности ямы для выплавки железа и сооруженные для этой цели сыродутные горны были относительно небольшими, а в Средние века их начали заменять маленькими шахтными печами — предшественницами современных доменных печей. Параллельно этому внедрялись воздуходувные меха с водяным приводом: ведь в шахтные печи загружали больше руды и угДя, поэтому требовалось и больше воздуха. Но все это неизбежно приводило к повышению температуры в печи, а при повышенной температуре получается богатый углеродом железный расплав (чугун). Тем самым металлурги оказались в затруднительном положении, поскольку чугун нельзя ковать. Правда, вскоре они научились нагревать чугун с подводом воздуха и превращать его таким путем в обычное ковкое железо.
Большой скачок в черной металлургии произошел в конце XVHI века. Изобретение паровых машин и железной дороги потребовало от промышленности производства железа в больших количествах. Вместо древесного угля, возможности производства которого все время уменьшались (ведь его получали из дерева и для нужд черной металлургии приходилось бук-
Кинжал с богато украшенной золотом рукояткой и железным клинком из гробницы фараона . Тутанхамона (около 1350 г. до н.э.)
Финикийский декоративный топорик с бронзовым обухом и железным клинком
вально сводить леса), начали применять каменный уголь, а потом и кокс, служивший не только топливом, но и восстановителем железной руды. Во второй половине XIX столетия процесс обработки чугуна был заменен конверторным и мартеновским процессами.
Современные способы производства стали разделяются на подовые и конверторные. К подовым способам относятся мартеновский и электропечной, к конверторным — бессемеровский, томасовский и кислородно-конверторный. При подовых способах источниками тепловой энергии, поступающей к чугуну и железному лому, служат факел пламени или электрическая дуга; жидкий чугун с ломом и рудой или только лом перерабатываются в сталь. В конверторных процессах необходимое тепло получается в результате сгорания (окисления) содержащихся в чугуне примесей: углерода, кремния, марганца, фосфора. Сырье - жидкий чугун, к которому для "охлаждения" плавки добавляют железный лом.
Рассмотрим, не углубляясь в историю, современные способы выплавки стали. Мартеновский способ, изобретенный Э. и П.Мартенами и Ф. и В.Си-менсами, состоит в том, что на подину печи загружают чугун с добавкой металлолома (или только металлолом) и расплавляют эту шихту факелом от сгорания газа или мазута. Высокая температура достигается в печи благодаря тому, что воздух для горения нагревается в регенераторах печи. Именно эти регенераторы и стали основой мартеновского процесса, появившегося в 1864 г. Подовые печи, подобные мартеновским, существовали и раньше (они назывались пудлинговыми), но температура в них была слишком низкой, чтобы железо расплавилось и превратилось в сталь. В пудлинговых печах получали практически то же сварочное железо, что и в средние века» Установка на печах регенераторов и попеременная работа двух головок мартеновской печи позволили значительно повысить температуру процесса и перевести сталь из тестообразного состояния в жидкое. Регенераторы были изобретены Ф. и В.Сименсами для стекловаренных печей, где необходима очень высокая температура, а отец и сын Мартены приспособили их для металлургических печей.
Кузнечная печь с мехами (из книги Г. Агрико-лы "Царствометаллов")
Электропечной способ производства стали был изобретен в конце прошлого века. Здесь источником тепла служит электрическая дуга. В печь загружают обычно металлолом и расплавляют его дугой, горящей между электродами и металлической шихтой. В электропечи можно создать любую желаемую атмосферу и очень точно выдерживать необходимую температуру. Поэтому в электропечи из стали можно удалить вредные примеси. Этот метод применяется для производства высококачественных сталей*.
Первый конвертор создал английский механик Генри Бессемер в 1854 г. Конвертор - грушеобразный сосуд, выложенный огнеупорами (бессемеровский конвертор был выложен кремнеземистым кирпичом). В эту "грушу" заливают жидкий чугун и продувают его воздухом через отверстия в днище. Из чугуна выгорают примеси и получается сталь. Однако дело обстоит не так просто. Такая вредная примесь, как фосфор, в бессемеровском конверторе не выгорает, потому что получающийся при горении фосфорный ангидрид P2 O5 может вступать в реакцию только с основаниями, а кремнезем, которым выложен конвертор, представляет собой кислотный окисел. Поэтому изобретение Бессемера не могло открыть дорогу для использования богатейших месторождений лотарингских руд, содержащих много фосфора. Тогда в дело вмешался английский химик Сидней Джил-крист Томас. Он предложил конвертор с основной кладкой. Теперь окись фосфора реагировала с материалом кладки и ее можно было удалять после окончания плавки в виде шлака. Самое интересное, что этот шлак оказался весьма ценным удобрением.
С течением времени конверторные процессы были постепенно вытеснены мартеновским и электропечным. Дело в том, что в промышленно развитых странах накопилось очень много железного лома, а переплавлять его в конверторах можно лишь в незначительных количествах. Мартеновские печи триумфально шествовали по всему миру. Но конверторщики не дремали и в 1948 г. был предложен, а в 1952 г. осуществлен в промышленном масштабе новый способ производства стали - кислородно-конверторный. Кислородные конверторы не имеют отверстий в днище**•B "грушу" заливают жидкий чугун и продувают его кислородом через специальную фурму, в результате чего развивается высокая температура (до 250O0C). В таком конверторе можно переплавлять довольно большие количества скрапа.
За 30 лет существования кислородно-конверторного процесса он изрядно потеснил позиции мартенов. Во многих промышленно развитых странах безжалостно сносят старые мартеновские цехи и заменяют их конверторными, более производительными и экономичными. А в такой стране, как Япония, где ме!аллургия начала по-настоящему развиваться лишь в 60-х годах, практически всю сталь выплавляют в конверторах. Действительно, конверторы не нуждаются в топливе, а запасов кислорода в атмосфере хватит надолго, тем более, что они постоянно пополняются растительностью нашей планеты.
* B последнее время считается целесообразным использовать дуговые печи для выплавки и рядовых марок стали. Прим. ред.
** Находят применение и кислородные конверторы с нижним дутьем. Прим.ред.
Но процесс изготовления стали не заканчивается выжиганием примесей из чугуна. Ведь при горении примесей в металл попадает кислород, который необходимо удалить, или, иначе говоря, раскислить металл. Для этого в него добавляют марганец, кремний или алюминий (марганец и кремний вводят обычно в виде соответствующих ферросплавов) — элементы, имеющие большое химическое сродство к кислороду. При этом протекают реакции типа
Mn + FeO = MnO + Fe.
Полученный окисел всплывает в шлак и его можно легко удалить.
Если требуется получить сталь особо высокого качества, то жидкий металл обрабатывают в вакууме. В последнее время начали в вакууме переплавлять стальные слитки. При такой обработке (или переплаве) из металла удаляются растворенные газы и металлические примеси с низкой температурой кипения. Пока вакуумная металлургия относительно дорога, но будущее за ней, так как она обеспечивает высокое качество металла.
Мы уже говорили, что сегодня многие редкие металлы определяют развитие техники, но все же железо пока остается одним из важнейших столпов научно-технического прогресса. Достаточно сказать, что мировое производство стали давно перевалило за 700 млн. т в год и можно не бояться, что оно снизится. Наконец, напомним о богатствах той же Курской магнитной аномалии. Ведь если бы в мире не осталось других железорудных месторождений, то ее запасов при нынешних цифрах производства хватило бы на 15 тысяч лет!
|
Вы находитесь на сайте Xenoid v2.0: |
|
Copyright © 2005-2013 Xenoid v2.0
Использование материалов сайта возможно при условии указания активной ссылки
Химия: решение задач