Физико-химические основы литейных процессов

ных печей происходил за счет подогрева воздуха, подаваемого в домну. Увеличение выплавки чугуна привело к несоответствию между количеством чугуна, получаемого из домны, и возможностью передела чугуна в железо. Совершенствование процесса передела чугуна в сталь (до 70-х гг. XIX века которая была чрезвычайно дорогой и дефицитной) и железо началось в 80-х гг. XVIII века. Правда, над этой проблемой работали многие изобретатели еще и раньше. В 1766 г. английские рабочие братья Кранеджи предложили переконструировать кричный горн в пламенную печь. Они считали необходимым разделить рабочее и топочное пространство пламенной печи, для того чтобы изолировать металл от топлива во время передела. В результате появилась возможность более спокойного и равномерного шлакообразования, чем в кричном горне. Для лучшего соприкосновения металла со шлаками металл непрерывно перемешивали, откуда и произошло название этого процесса – пудлингование, т.е. перемешивание. Пудлинговое железо вследствие своих технологических свойств (достаточная прочность и удобство обработки), дешевизны, а также из-за легкости получения в больших количествах явилось основным материалом, из которого изготовляли машины и инструменты в течение почти всего XIX века.

Однако уже в первой половине XIX века в Англии, Германии и России, а также в других странах велись работы по изучению свойств стали, разрабатывались новые методы ее получения. Русские металлурги вели весьма ценные исследования как способов получения тигельной стали, так и стали в крупных отливках. Больших достижений в этой области добился горный инженер Павел Петрович Аносов (1797–1851), работавший на Златоустовском заводе. Проведя ряд научных работ, Аносов овладел утерянным секретом изготовления булата – высококачественной стали, применяемой для изготовления холодного оружия и отличающейся весьма высокими механическими свойствами. В сочинении «О приготовлении литой стали» (1837 г.) он

91

отмечает вредное влияние перегрева стали на процессы формирования слитка. По его наблюдениям, сталь, залитая с высоким перегревом, дает большую усадку, и в слитке могут образоваться поперечные горячие трещины.

В 1859 г. в Харькове была издана первая русская книга по литейному производству, которая называлась «Чугунолитейное производство, или систематическое изложение всех способов и приемов, употребляемых для получения литейного чугуна, приготовления моделей, производства формовки, отливки и окончательной отделки различных чугунных изделий». Автор этой книги – горный инженер А.Ф. Мевиус полно описал технику и технологию литья того времени, в том числе сделал следующий вывод: «Располагая на приличном месте литники, выбирая соответственные формовочные материалы и, вообще, производя формовку и отливку с должным знанием дела, литейщик очень значительно может ослабить вредное влияние неравномерного охлаждения чугуна, если только не встретит непреодолимых препятствий в моделях, либо рисунках, неправильно и безо всякого знания литейного дела составленных».

Грандиозное железнодорожное строительство, рост военной промышленности, завершение перехода морского транспорта от деревянных парусных судов к железным и стальным паровым судам, развитие машиностроения – все это требовало, с одной стороны, увеличения количества металла, с другой – улучшения его качества. Требования, предъявляемые к металлургии тяжелой промышленностью, не могли быть удовлетворены существующими в 60-х гг. XIX века методами получения железа и стали, то есть кричным переделом чугуна и пудлингованием, так как последние обладали рядом существенных недостатков. Пудлингование было медленным и трудоемким, а следовательно, и дорогим способом передела чугуна в железо. Тигельный способ получения стали также был весьма дорог и, главное, ограничен по своим масштабам.

92

Задача массового получения стали была разрешена английским изобретателем Генри Бессемером (1813–1898). В 1854 г. Бессемер начал работать над улучшением качества чугуна, использовавшегося в изготовлении дальнобойных орудий, которые должны были выдерживать большое количество выстрелов. Бессемерование чугуна – это процесс передела жидкого чугуна в литую сталь путем продувки сквозь него сжатого воздуха. Продувка производится в специальном резервуаре – конвертере. Превращение чугуна в сталь в конвертере происходит благодаря окислению углерода и примесей (кремния, марганца), содержащихся в чугуне, кислородом воздуха. Процесс бессемерования происходит без подвода тепла извне и без применения какого-либо горючего материала: тепло, необходимое для процесса, образуется благодаря окислению углерода и примесей. Процесс бессемерования протекает чрезвычайно быстро, продолжительность его не превышает 15 минут.

Бессемеровская сталь вследствие своей дешевизны очень быстро вытеснила старый пудлинговый металл. Она приобрела поистине универсальное применение. В результате образовались крупные нереализованные запасы пудлингового железа. Явилась насущная проблема передела его в сталь. С этой целью были проведены опыты. Делались попытки сплавлять в обыкновенных пламенных печах чугун и железо и таким образом получать сталь. Однако в таких печах не удавалось добиться необходимой для сплава высокой температуры. В 1858 г. немецкие инженеры братья Вильгельм и Фридрих Сименс сконструировали регенеративную газовую печь, в которой им удалось получить необыкновенно высокие для того времени температуры. Принцип регенерации тепла и отопление печи газом использовал в своей работе французский металлург Пьер Мартен (1824–1915). В 1864 г. во Франции была впервые пущена в эксплуатацию построенная Мартеном регенеративная пламенная печь. Сущность мартеновского процесса заключается в том, что сталь производится на

93

поду регенеративных пламенных печей путем переработки в них чугуна и стального лома (скрапа). В мартеновской печи происходит не просто плавка загруженных материалов: до самого конца процесса идет в печи химическое взаимодействие между металлом, шлаком и газом.

При бессемеровском и мартеновском способах производства стали было невозможно удаление вредных примесей – серы и фосфора. Поэтому, когда эти способы получили массовое распространение, возникла проблема дефосфоризации металла в бессемеровских конвертерах и мартеновских печах. Эту задачу успешно разрешил английский металлург Сидней Томас (1850–1885). В 1878 г. он после долгих исканий сумел осуществить удаление фосфора из чугуна в шлак, применив для внутренней облицовки (футеровки) конвертера основную огнеупорную массу – доломит. В качестве флюса (особого компонента, облегчающего плавку) Томас взял обожженную известь. Превращение чугуна в сталь в томасовском конвертере идет так же, как и при бессемеровском процессе, но при этом, что особенно важно, происходит окисление фосфора. Окисленные примеси переходят в шлак.

Бессемеровский, мартеновский и томасовский способы передела чугуна являются завершающим звеном в цепи развития сталелитейной промышленности XIX века. Основоположниками теории формирования отливки в XIX веке являются классики русской металлургии П.П. Аносов, Н.В. Калакуцкий, Д.К. Чернов и А.С. Лавров.

9.3. Повышение роли литейного производства

Общей тенденцией литейного производства XX века является повышение уровня механизации, стремление к комплексной механизации и автоматизации производства. Другой тенденцией литейного производства является повышение удельно-

94

го веса наиболее прогрессивных методов получения литья: литье в разовые – в оболочковые или корковые формы, литье

в постоянные формы – кокили, в том числе центробежное литье,

атакже литье под давлением и другие. Современные научные представления о физике процессов кристаллизации структурных превращений, а также достижения теории формирования отливки определенно указывают на следующие пути повышения требуемых служебных свойств литейного металла в изделиях: целенаправленное воздействие на процессы формирования кристаллического строения отливки, легирование сплавов, создание композиционных структур и т.д.

95

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Валисовский И.В. Пригар на отливах: монография. – М.: Машиностроение, 1983. – 192 с.

2.Васин Ю.П., Расулов А.Я. Окислители – новые противопригарные материалы. – Челябинск, 1969. – 91 с.

3.Физико-химические основы литейного производства: сборник задач / сост. Т.Ю. Скамьянова; Перм. гос. техн. ун-т. –

Пермь, 2000. – 32 с.

4.Берг П.П. Качество литейной формы: монография. – М.: Машиностроение, 1971. – 286 с.

5.Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства: учебник. – М.: Изд-во МГТУ, 1994. – 320 с.

6.Скамьянова Т.Ю. Перспективные технологии литейного производства. – Пермь: Изд-воПерм. гос. техн. ун-та, 2007. – 166 с.

7.Игнатов М.Н., Уточкин В.В., Скамьянова Т.Ю. Физикохимические основы металлургических процессов в литейном производстве: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. –

Пермь, 2002.– 232 с.

8.Берг П.П. Формовочные материалы. – М.: Машгиз, 1963. – 408 с.

9.Формовочные материалы и технология литейной формы: справочник. – М.: Машиностроение, 1993. – 432 с.

10.Зворыкин А.А. История техники. – М., 1962. – 772 с.

96