Металлургия и время - Том 3

Мартенам повезло — песок, залежи которого имелись недалеко от Сирёя, был не чистым кварцитом, он имел в своём составе примеси, которые позволяли ему хорошо спекаться, что обеспечило высокую стойкость ванны. Поскольку роль примесей была установлена позднее, когда процесс уже получил распространение, то эта удача значительно упростила работу Мартенов и позволила им сконцентрироваться собственно на разработке технологии плавки.

В решении технологических проблем Мартенам помог большой опыт производства тигельной стали. Дело в том, что первые разработчики технологии выплавки стали в регенеративной печи, в том числе и Мартены, рассматривали её как своего рода большой тигель. То есть на первых порах речь не шла об удалении из чугуна примесей путём их окисления (фришевание), а только о том, чтобы обеспечить сплавление чугуна и железа с получением стали.

Поэтому технология поначалу выглядела следующим образом: в подготовленную печь помещали необходимое количество чугуна. После его расплавления в ванну загружали несколько пакетов железного скрапа, предварительно нагретого в другой печи, или пудлинговые крицы.

В советской историографии широкое распространение получила версия, согласно которой талантливый конструктор Пьер Мартен разработал способ выплавки стали, в чём ему способствовал Уильям Сименс. Гениальная разработка позволила обогатиться многим «акулам капитализма», но они, проявив чёрную неблагодарность, не стали делиться прибылью.

После расплавления железа — непродолжительное кипение металла в ванне. Поскольку фришевание из-за непродолжительности кипения практически не проводилось, основной продукцией первых мартеновских печей была рельсовая и инструментальная сталь с высоким содержанием углерода.

«варка стали»

Необходимо отметить, что основным источником кислорода, окисляющего примеси метал-

ла, в мартеновской плавке является печной газ, поступающий в рабочее пространство печи в результате горения топлива в факеле. В случае использования скрапа (стального

или железного лома) окислителем также служат ржавчина и окалина, а в случае пудлинговой крицы – пропитывающий её железистый шлак. Именно «кипение» металла,

входе которого углерод удаляется из него в составе пузырей монооксида углерода (СО), дало название процессу выплавки металла в мартеновской печи — «варка стали».

Поскольку процесс обезуглероживания носит окислительный характер, в металле всегда присутствует растворённый монооксид железа (FeO), который необходимо восстановить до железа – раскислить сталь. Производители тигельной стали в то время ещё не знали, что проблема заключается в этом растворённом кислороде, но опытным путём установили, что выдержка готовой стали под слоем шлака (который защищал металл от контакта с воздухом) в течение 30—45 минут значительно улучшает свойства металла (ноу-хау Бенджамена Хантсмена).

Ещё лучшие результаты получались при добавлении

втигель марганца (предложение Мюшета). Именно эта особенность технологии, по мнению известного специалиста по мартеновской плавке Владимира Ефимовича Грум-Гржимайло, обеспечила успех Мартенам. Выплавив сталь, они вводили в печь шлакообразующие добавки и оставляли плавку на полчаса или больше, после чего металл выпускали из печи и разливали в изложницы.

Уже в середине 1864 г. Мартены производили сталь в регенеративной печи Сименса и продолжали дорабатывать технологию. Уильям Сименс узнал об удаче Мар-

тенов только через год. В 1866—1868 гг. Уильям Сименс заключил с Мартенами ряд соглашений, которые разграничивали их патентные права и сферы деятельности. В дальнейшем Мартены с успехом производили сталь на своём заводе, но получить доход от распространения спо-

соба им не удалось.

бюст

пьера

мартена в сирёе

Глава 4

завоД Landore SIemenS SteeL

только в 1883 г.

(через два года он был закрыт, а на

его месте построили фабрику по производству войлока). Причиной продажи завода стало резкое ухудшение конъюнктуры на рынке стали, от которого пострадали и гораздо более крупные компании.

Пьер Мартен отошёл от дел и поселился в своём имении в Форшамбо, где жил достаточно скромно. На тот момент ему было почти 60 лет. Он вовсе не был одиноким стариком: жена пережила его на два года. У супругов было несколько дочерей, а сын, капитан Жозéф Мартен, погиб в бою при Лангемарке (Бельгия) 16 октября 1914 г.

Вспомнили о Пьере Мартене в 1909 г. Согласно «канонической» советской версии в его честь хотели поставить памятник, но, когда стали выяснять годы жизни, обнаружили, что изобретатель ещё жив. Одним из главных инициаторов того, чтобы воздать по заслугам Мартену, был знаменитый химик и физик Анри-Луи Ле Шателье, который мог по достоинству оценить мартеновский процесс — он сам был выпускником Парижской Горной школы, и именно с металлургии началось его увлечение химией.

9 июня 1909 г. объединение французских сталепроизводителей Comité des forges организовало в честь Мар-

тена торжественное заседание; он был награждён специально выпущенной золотой медалью, а международная подписка принесла ему 200 тыс. франков. Правительство Франции наградило его орденом Почётного легиона (степень офицера). Кстати, к тому времени Пьер Мартен уже был кавалером (самая младшая степень) Почётного легиона, это звание он получил ещё в 1863 г. за политическую и общественную деятельность на посту мэра Сирёя (с 1855 по 1874 г.). В 1915 г. Пьер Мартен был награждён британским Институтом Чугуна и Стали Золотой медалью Бессемера. В том же году он умер в возрасте 90 лет.

сталеПлавильный Процесс сименса

Пока Пьер и Эмиль Мартены разрабатывали и распространяли процесс производства стали в регенеративной печи, Уильям Сименс тоже не сидел сложа руки. В 1865 г.

хозяева одного из заводов Бирмингема, на котором он до

этого установил печь, отказались от её использования, и Сименс взял её на год в аренду.

В 1866 г. Сименс приступил к опытам. В августе он писал: «Сталеплавильная печь … работает днём и ночью в течение пяти недель, выплавляя мягкую сталь для производства проволоки. Кладка печи держится уже несколько лет, а футеровку ванны, если с ней возникают проблемы, можно заменить в течение дня. Расход топлива не превышает 1,5 т угольной пыли на тонну самой мягкой стали (чем «мягче» сталь, т.е. чем меньше в ней углерода, тем больше топлива надо затратить на её выплавку, поскольку продолжительность обезуглероживания возрастает). При этом я могу произвести тонну стали дешевле, чем Бессемер (основные затраты при производстве стали в конвертере приходились на подачу воздуха с помощью воздуходувных машин), и более высокого качества».

В отличие от Мартенов, которые формовали ванну целиком, а затем обжигали, Сименс предложил «наваривать» откосы ванны, то есть наносить песок на раскалённую поверхность тонкими слоями. Это обеспечивало гораздо более высокую стойкость ванны. У Мартенов, даже несмотря на высокое качество используемого песка,

вращающаяся печь сименса Для прямоГо получе-

ния железа

Глава 4

окислителя. Этот способ, получивший название «рудного процесса» стал применяться позже, когда Томас

иего компаньоны научили металлургическое сообщество использовать при выплавке стали футеровку на основе основных оксидов. При использовании же кислой футеровки из кремнезёмистого песка практически не удалялись «главные враги» качественной стали – сера

ифосфор, то есть, как и в случае бессемеровского процесса, требовался подбор чистых по этим примесям материалов.

Другой проблемой при использовании руды было то, что в ванне присутствовало большое количество монооксида железа (FeO). Поскольку этот оксид в реакциях проявляет основной характер, то он взаимодействовал с кислыми оксидами футеровки и переводил их в шлак. Это приводило к повреждению футеровки и образованию большого количества шлака, затрудняющего нагрев металла. Поэтому на начальном этапе выплавки стали в регенеративной печи при использовании кислой футеровки наиболее оправданным способом работы было именно уподобление печи тиглю.

Наиболее качественная сталь получалась при использовании чугуна и криц пудлингового железа. По словам Джеймса Райли (James Riley), управляющего The Steel Company of Scotland, «этот режим работы имеет то преимущество, что существует большая определённость в отношении результата, поскольку известен состав исходных материалов, что не может иметь место при работе с большим количеством скрапа, полученного, может быть, из тысячи источников». Однако себестоимость стали, выплавленной таким способом, была настолько высока, что использовать технологию можно было только в особо ответственных случаях, когда качество металла имело определяющее значение.

Кначалу эпохи индустриализации металлургия получила ещё один источник железа — скрап (металлолом),

то есть вышедшие из употребления железные изделия, а также отходы (обрезки, брак и т.п.). Количество их было огромно, а цена, ввиду практически полного отсутствия спроса, низкая. Способами переработки металлолома в то время были перековка и перекатка (в некоторых случаях применялась переплавка в доменных печах и вагранках). Это налагало существенные ограничения на размеры перерабатываемых изделий (не все помещались в сварочную печь). Единственным видом железного лома, который перерабатывался более-менее регулярно, были рельсы, которые подвергали перекатке.

Бессемеровский и томасовский процессы не решали проблему металлолома, поскольку в конверторах нельзя было перерабатывать железо и сталь – в них, в отличие от чугуна, не было примесей, играющих роль топлива (это отрицательно сказывалось на тепловом балансе про-

цесса). Поэтому в конвертере перерабатывали только

небольшие по размеру стальные обрезки, образующиеся при прокатке.

Сименс-мартеновский способ выплавки пришёлся как нельзя кстати именно для переработки железного и стального лома. По этой причине новый способ выплавки стали в регенеративной печи, представленный на Всемирной выставке в Париже в 1867 г. Сименсом,

Мартенами и Берардом, произвёл фурор. Сталь Мартенов и печь Сименса

были отмечены призами Сэр Вильгельм Сименс выставки. После этого началось «победное шествие» нового процесса: в 1868 г. он

был внедрён в Швеции, спустя год — на крупных заводах Террнуар и Фирмини (Франция), Круппа в Эссене и Штуммера в Вене.

Внедрение сименс-мартеновского способа в промышленность Великобритании связано с одним из «крёстных отцов» бессемерования – Джоном Рамсботтомом, главным инженером Лондонской и Северо-Западной железной дороги. Именно ему Сименс отправил письмо, в котором приводил расчёты выгоды переработки старых рельсов в регенеративной печи, что, решало как проблему лома, так и существенно снижало затраты на обновление дорожной сети. Ознакомившись с производством в Бирмингеме и убедившись в его перспективах, Рамсботтом в середине 1868 г. распорядился организовать производство в мастерских крупного железнодорожного узла Кру (Crewe).

Процесс выплавки стали в регенеративной печи имел большой успех, несмотря на конкуренцию с процессом Бессемера. Даже в условиях спада в металлургическом производстве выплавка стали новым способом в Великобритании увеличилась с 77,5 в 1873 г. до 436 тыс. т в 1882 г. В конце того же года в этой стране работало более 150 регенеративных печей, и ещё больше находилось на стадии строительства.

«Морской» металл

Сименс-мартеновский металл находил применение в самых различных областях – и там, где раньше использовалась качественная и дорогая тигельная сталь, и там, где применялось мягкое железо. В конце XIX в. процесс в регенеративных печах считался наиболее приспособленным для производства крупных стальных отливок. Поскольку длительность плавки была достаточно большой

Глава 4

танией и США до 1902 г., когда было утилизировано в Нью-Йорке.

Опыт использования первых стальных судов показал, что они безопаснее в эксплуатации, чем железные. После осмотра повреждённых, но оставшихся на плаву кораблей «G.M.B.» и «Ротоманаха» специалисты единодушно признали, что железные суда при тех же обстоятельствах неминуемо пошли бы ко дну. Этот факт существенно снижал потери судовладельцев в случае возможных катастроф. Кроме того, стальные корабли были дешевле в производстве из-за снижения расхода металла (стальной лист можно было делать тоньше железного примерно на 20 % при сохранении прочности).

В1880-х годах началось строительство понастоящему крупных стальных кораблей. Использование стали для судостроения в этот период росло с беспрецедентной быстротой. Если

в1879 г. для постройки судов было израсходовано около 20 тыс. т стали, то уже в 1883 г. корабелы использовали более 260 тыс. т.

В1899 г. в Великобритании был спущен на воду стальной двухвинтовой двухтрубный трансатлантический лайнер «Оушеник» (Oceanic) длиной 214,7 м и водоизмещением 28,5 тыс. т. Этот корабль превзошёл размерами знаменитое творение Изамбарда Брюнеля – железный «Грейт Истерн» (Great Eastern).

Окончательно морское господство стали было закреплено на заре XX в. «большой четвёркой» – английскими «Селтиком» (Celtic) (1901 г.), «Балтиком» (Baltic) (1904 г.), «Лузитанией» (Lusitania) (1907 г.) и немецким «Кайзерина Аугуста Виктория» (Kaiserin Auguste Viktoria) (1906 г.).

строительство Great eaStern

Первые стальные морские суда были построены в Великобритании в 1862—64 гг. Это были колёсный быстроходный корабль «Банши» (Banshee), винтовой пароход «Энни» (Annie), парусники «Формбэй» (Formbay) и «Алтея» (Althea). Суда были довольно дорогими из-за того, что сталь выплавлялась в

тиглях.

спуск парохоДа «оуШеник» на воДу

Глава 4