Металлургия и время - Том 3

тягач и два 150-миллиметровых артиллерийских орудия составляли безрельсовый блиндированный поезд, который был защищен листовой 6,3-миллиметровой хромоникелевой сталью, которую не могли пробить пули ружей типа «маузер» даже на расстоянии 6 м.

Корни научно-технической революции

До 1880-х г. изобретательство почти всегда оставалось уделом одиночек, поддерживаемых техниками и высококлассными механиками, которые изготавляли опытные образцы и воплощали идеи изобретателей. Армстронг, Уитворт, Крупп, Шнейдер применяли этот метод, используя возможности своих фирм для разработки новых видов брони, артиллерийских орудий, корабельных кон-

струкций и механизмов.

Предприниматель нес все бремя расходов на исследовательские и опытно-конструкторские работы, и единственным способом оправдать затраты и получить прибыль было добиться заказов у скептически настроенных покупателей. В подобных обстоятельствах капиталовложения в исследования и разработку вооружений оставались сравнительно скромными. Даже успешные фирмы Круппа, Армстронга и Шнейдера не могли рисковать большими расходами на эксперименты при отсутствии заблаговременно гарантированных покупателей.

С середины 1880-х г. Адмиралтейства передовых индустриальных стран стали на постоянной основе предоставлять запрашиваемые частными фирмами гарантии. Заказчики стали четко формулировать желательные так- тико-технические характеристики новых образцов военной техники. Нововведения приняли характер заранее намеченных: конструкции кораблей стали определяться тактическим и стратегическим планированием. Адмиралтейства и военные фирмы ввели практику формирования «творческих коллективов» и стали существенно облегчать задачу изобретателей, частично покрывая за-

траты на разработку многообещающих опытных образцов.

Даже беглый обзор основных вех флотских технологических перемен 1884–1914 гг. показывает, насколько вырос размах «командной технологии» за этот период. За появлением скорострельных пушек (калибр которых быстро возрастал) последовало повышение скороходности кораблей. Отправной точкой послужило развитие конструкции «трубчатого котла», изобретенной Альбертом Ярроу. Вскоре котлы Ярроу сменились паровыми турбинами, запатентованными в 1884 г. Чарльзом Парсонсом. Очевидно, что именно оружейные компании стали первопроходцами череды инновационных технологий: металлургии легированных сталей, промышленной химии, электроприборов, средств радиосвязи, турбин, дизелей, оптики и механических вычислителей для управления огнем, гидравлических устройств и многого другого.

Глава 9

В 1839 г. Р. Хар (Великобритания) изготовил накрытую колоколом электропечь, в которой создавался вакуум. Хар впервые осуществил разделение металлов, испаряя их энергией от гальванической батареи. В середине XIX в. лабораторные дуговые электропечи создают Пишон, Депре, Джонсон. Основным элементом печи Пишона (1853 г.) были две пары горизонтально расположенных электродов, между которыми возбуждалась электрическая дуга. Смесь руды и угля проходила через зону горения дуги, температура которой составляла 3000–3500 °С. Восстановленный углеродом металл плавился и собирался на поду электрической печи.

Значительным шагом в разработке электротермических устройств стали опыты Вильгельма Сименса, получившего в 1878–1879 гг. три патента на свои конструкции электрических печей. Одна из этих конструкций представляла собой огнеупорный тигель, через дно которого проходил подовый электрод из тугоплавкого металла.

Второй металлический электрод, охлаждаемый водой, пропускался через крышку тигля. Между этими двумя электродами возбуждалась электрическая дуга. В другой конструкции подовый электрод был сделан из железа и во время работы охлаждался, а верхний электрод формовался из угля. Третья конструкция представляла собой тигель с двумя горизонтальными электродами, установленными один против другого.

Однако, до середины 1880-х г. электропечи, хотя их конструкций было предложено и запатентовано более десятка, не выходят за пределы лабораторий ввиду отсутствия мощных источников электроэнергии.

Из научной лаборатории в производство

В 1883 г. Ч. Брадлей разработал процесс электроплавки в гарнисаже, при котором плавильное пространство печи

ограничивалось шихтой. Руда на угольной подушке под-

ключалась к положительному потенциалу и плавилась в зоне вокруг электрода с отрицательным потенциалом. Нерасплавленная руда и остывший, затвердевший сплав (гарнисаж) выполняли функции футеровки печи. В дальнейшем технологические принципы работы электропечи Брадлея послужили основой для разработки конструкций рудовосстановительных печей.

Инновационный прорыв из научных лабораторий в производственные цехи был осуществлен год спустя. Электропечь американских изобретателей братьев Коулесс для получения алюминия впервые в истории техники нашла широкое производственное применение. В пространстве печи устанавливались два держателя с угольными электродами, подключёнными к полюсам динамомашины. В печь загружали послойно древесный уголь, глинозём, измельчённую медь. Такие печи с небольшими усовершенствованиями работали с 1884 г. до середины 1890-х г., пока не был внедрен электролизный

метод получения алюминия.

В1990-е г. конструкция электропечей быстро совершенствовалась, а сфера применения неуклонно расширялась. Французский химик Анри Муассан разработал дуговую электропечь с косвенным нагревом. При таком способе дуга горит между двумя электродами, в то время как при прямом нагреве – между электродом и металлом. Муассан предложил управлять дугой с помощью магнита, расположенного вне печи, что позволило получить высокую концентрацию энергии. Благодаря этому Муассаном были восстановлены из оксидов хром, вольфрам,

ванадий, титан, молибден, уран – металлы, которые до того считались невосстановимыми. Муассан также доказал, что в дуге любые металлы не только плавятся, но

ииспаряются.

В1892 г. Муассан впервые получил в небольшой дуговой печи карбид кальция, а затем, совместно с Виль-

Глава 10

Глава 10

новительных печей стали разработка бифилярных (двухпроводных) токоподводов и самоспекающихся набивных электродов (Содерберг, завод «Фискаа», Норвегия, 1919 г.). В результате к 1930 г. сформировалась «классическая» конструкция рудовосстановительной электрической печи для производства ферросплавов: печь круглого сечения с тремя электродами, расположенными по вершинам треугольника. Мощность рудовосстановительных печей до-

стигла 24 тыс. кВт.

Новая эра литой стали

Автор одного из самых выдающихся изобретений в истории металлургии – Поль Эру (Paul-Louis-Toussaint Heroult, 1863–1914) - родился 10 апреля 1863 г. в ТюриАркуре. С первых курсов Парижской горной академии, в которую он поступил в 1882 г., Эру пытался применить свои знания в металлургии. 23 апреля 1886 г. он получает свой первый патент на изобретение электролизера (патент № 175.711 Франция, патент № 7426 Англия, 1887 г.).

Эру провел ряд новаторских опытов с электродами, что в итоге позволило полностью отказаться от внешнего нагрева ванны: «электрический ток производит достаточно энергии для того, чтобы поддерживать глинозем в расплавленном состоянии». Успешные научные исследо-

вания позволяют изобретателю получить новый патент «Способ получения алюминиевых сплавов нагревающим и электризирующим действием тока на окись алюминия», который находит применение в промышленности для выплавки алюминиевой бронзы.

Прототипом современных электросталеплавильных печей стала изобретенная Полем Эру в 1899 г. печь с двумя вертикальными электродами, подведёнными к

металлической ванне. Конструкция отличалась простотой: в прямоугольную вытянутую ванну сверху через отверстие в съемном своде входили два электрода, закрепленные в электрододержателях, перемещающиеся вверх и вниз вдоль вертикальных стоек и осуществляющие регулирование тока дуги. Печь загружали через торцевые дверцы, металл сливали через летку при наклоне печи. Ток между электродами замыкался через ванну, а дуги горели между электродами и металлом (или шлаком) – т. е. это была печь прямого действия.

Лабораторная печь Эру была построена в Савойе, в предгорьях Альп, поскольку в этом регионе имелась возможность производства дешёвой гидроэлектроэнергии. Первая промышленная печь была установлена в октябре 1900 г. на заводе «Лa Пра» и была предназначена для получения высококачественной стали.

Печь конструкции Поля Эру – прототип современных электропечей

Глава 10

–точное регулирование поступления тепла и выдержки металла при заданной температуре,

–снижение риска загрязнения металла вследствие отсутствия контакта с топливом,

–возможность проводить обработку металла при восстановительных, окислительных и нейтральных шлаках,

–точное регулирование состава выплавляемой стали

вотношении легирующих элементов и неметаллических включений.

Таким образом, благодаря особым условиям в плавильном пространстве электропечи, прежде всего восстановительной атмосфере и высокой температуре (до 5000 оС в зоне дуги), появилась возможность эффективно очищать металл от вредных примесей и получать легированную сталь.

Первая трёхфазная электродуговая печь ёмкостью 3 т была построена в Макеевке (Украина) в 1910 г.. В том же году на заводе А. Тиссена были установлены две шести тонные трёхфазные печи, а в 1912 г. там же построили печь ёмкостью 25 т. Трехфазные электродуговые печи Эру

изначально использовались для выплавки высококачественных легированных сталей с высоким содержанием легирующих - до 30 % хрома, до 15 % никеля и марганца.

Большое значение для развития дуговых сталеплавильных печей имело появление в 1910–1911 гг. свинчиваемых непрерывных угольных, а затем и графитированных электродов.

В1910 г. во всех странах мира работали 114 электрических печей. В 1912 г. в Германии и США производство электростали превысило производство стали в тиглях. В 1915 г. дуговых сталеплавильных печей насчитывалось 213, а к началу 1920 г. ферросплавы и сталь выплавляли 1025 электропечей и 362 агрегата находились в стадии монтажа и наладки.

В1920-х гг. Андрэ и Рикке разработали круговые диаграммы работы дуговых печей. Это позволило проанализировать режимы плавки и выявить основной недостаток агрегатов – работу на низком питающем напряжении (около 90–130 В). Повышение рабочего напряжения печных трансформаторов до