Выплавка стали из чугуна

В древности углерод из металла почти полностью выжигали в примитивных кричных горнах (поначалу это были простые ямы, вырытые на склонах гор с наветренной стороны), а чтобы железо обрело твердость, его затем снова насыщали углеродом. Позднее широкое распространение получил способ так называемого пудлингования. Пудлинговая печь - это тот же кричный горн, превращенный в пламенную печь, в которой рабочее и топочное пространства разделены пламенным порогом. Это позволило постоянно перемешивать металл. Отсюда и произошло название процесса - пудлингование, т.е. перемешивание. Сталь варили также в тиглях (небольших огнеупорных сосудах), расплавляя в них металлическую шихту. Так получали, например, славившуюся на весь мир булатную сталь.

Ни один из применявшихся ранее способов не мог удовлетворить все возраставшие потребности промышленности в стали. Быстрый и удобный способ превращения чугуна в сталь разработал в 1856 г. англичанин Г.Бессемер. Он предложил продувать расплавленный жидкий чугун воздухом в расчете на то, что кислород воздуха соединится с углеродом и унесет его в виде газа. Д.И.Менделеев назвал бессемеровские конвертеры печами без топлива. При соединении кислорода воздуха с разными элементами, содержащимися в чугуне, например с кремнием или марганцем, выделяется немалое количество тепла. Конвертер - стальной, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом сосуд, сужающийся кверху. В дне его сделаны отверстия, через которые под большим давлением вдувают воздух. В конвертер заливают расплавленный чугун, а затем продувают его мощным потоком воздуха. Углерод быстро выгорает, и в считанные минуты сплав почти полностью обезуглероживается. Это был самый быстрый, самый дешевый и самый простой способ получения стали. Но в простоте его крылись и недостатки. Химические реакции в конвертере проходили чересчур быстро, углерод выгорал, но кислород воздуха не затрагивал вредные примеси - серу и фосфор. Они оставались в сплаве и резко ухудшали его свойства. И еще: при продувке металл насыщался азотом воздуха, что также очень вредно для стали. При бессемеровском способе можно применять не всякий чугун, а только такой, в состав которого входят кремний и марганец, выделяющие во время реакции большое количество тепла. Но и этого тепла не хватает, чтобы расплавлять куски металла. Поэтому в бессемеровском конвертере практически нельзя перерабатывать железный лом, а приходится использовать лишь жидкий чугун. Вот почему бессемеровский способ получения стали из чугуна был почти всюду вытеснен другим способом, открытым в 1864 г. французским металлургом Пьером Мартеном. Этот способ (его назвали мартеновским) сложнее, но обеспечивает выплавку стали более высокого качества и, что очень важно, позволяет использовать металлический лом.

Мартеновская печь. Она состоит из двух этажей, которые тесно связаны между собой. На первом готовится топливо, на втором варят сталь.

Мартеновская печь

На нижнем этаже четыре камеры - регенераторы, стены которых выложены огнеупорным кирпичом. Их назначение примерно такое же, как и воздухонагревателей доменных печей. Только в них нагреваются и поступающий в печь воздух, и газ, которым печь отапливается. Ход процесса зависит от теплоты сгорания топлива: чем она выше, тем быстрее варится сталь. Раньше на большинстве мартеновских печей в качестве топлива применяли смесь доменного и коксового газов. В последние годы широко используют природный горючий газ. Особенно выгодна смесь природного газа и кислорода. Сами регенераторы нагреваются дымом - раскаленными продуктами горения, поступающими с верхнего этажа. Сначала дым проходит через два правых регенератора и нагревает их. Затем при помощи перекидных клапанов его направляют в левые регенераторы. Пока они греются, в одну из правых камер пускают газообразное топливо, на котором работает печь, а в другую - воздух. Таким образом, в печи все время поддерживается необходимая температура.