Металлургия и время - Том 3

и разливочным ковшом, вращающимся над круглой ли-

тейной ямой и расставленными по её окружности изложницами, долго оставалась «классической».

В начале 1860-х годов Бессемером был предложен ещё ряд усовершенствований. Большое развитие в дальнейшем получила идея делать днища конвертеров съёмными. Патент на это изобретение Бессемер взял 13 января 1863 г. Дело в том, что во время процесса быстрее всего прогорали именно днища (они выдерживали 12—16 плавок), и их футеровку особенно часто приходилось менять. Бессемер предложил воздушную камеру вместе с днищем ставить на опускаемую и поднимаемую гидравлическим прессом тележку так, чтобы их легко можно было бы увозить и на место прогоревшего днища ставить новое. Эта идея была впоследствии использована американскими инженерами, и именно благодаря этому усовершенствованию стал технически возможен так называемый «непрерывный» процесс.

Разливка стали

в бессемеровском цехе. К. Мойнир, 1880 г.

Ферромарганец

В эти же годы Бессемер организует в производственном масштабе введение в металл марганца. Зеркальный чугун (другие названия — марганцовистый чугун, или шпигель, от нем. Spiegeleisen) с содержанием марганца 12—20 %, предложенный Мюшетом и применявшийся Бессемером для «раскисления» металла, обладал крупным недостатком. Он содержал слишком много углерода. Когда дело шло о выработке твёрдых углеродистых сортов стали, в этом не было большой проблемы, но когда надо было производить мягкий низкоуглеродистый металл, например для котельных листов, то тут зеркальный чугун совершенно не годился: вводя при его помощи достаточное количество марганца, одновременно вводили слишком много углерода.

Как только выяснилось значение марганца для процесса, Бессемер поставил себе «задачей получить искусственную железо-марганцовую руду». В 1862 г. Бессемер узнал, что большое количество марганца образовывалось на химическом заводе Тэнннатов в Шотландии в составе отходов производства хлора и белильной извести. Посетив предприятие, Бессемер изложил свою идею химику Хендерсону и договорился с ним, что тот разработает соответствующий процесс. В 1863 г. Хендерсон взял патент на производство «ферромангана» с содержанием марганца 20—25 % (масс.).

Сталь завоёвывает мир

Бессемеровская сталь завоёвывала новые позиции. Завод

вШеффилде был завален заказами и работал полным ходом. Всемирная выставка в Лондоне в 1862 г. позволила ему показать товар лицом. Был представлен огромный спектр изделий из нового материала, сочетавшего в себе вязкость, гибкость и тягучесть сварочного железа с однородностью тигельной стали. Особый интерес представляла коллекция «истерзанных образцов», которая должна была наглядно

продемонстрировать посетителям свойства литой стали. Через пять лет после Лондонской выставки, где был достигнут теоретический успех, на Парижской выставке 1867 г. был продемонстрирован практический успех нового процесса. Российский корреспондент И. Мещерин в отчёте «О процессе бессемерования на Парижской всемирной выставке 1867 года» писал: «...Нет почти ни одной страны в свете, хотя бы с весьма незначительным горнозаводским промыслом, где бы бессемеровский способ не получил большего или меньшего развития. Принимая во внимание ещё относительную новизну его, нельзя не согласиться, что участь этого изобретения почти беспримерна по блестящим результатам как для промышленности, получающей в своё обращение до 20 млн. пудов

вгод ценного металла, так и для изобретателя, собирающего ныне ежегодно до 2 млн. рублей за свою приви-

легию».

Рельсовая война

Полную и безоговорочную победу сталь Бессемера одержала на фронте рельсового производства – за 21 год она полностью вытеснила железо. На долгие годы железные дороги стали основным потребителем бессемеровского металла. Первые стальные рельсы производил уже упоминавшийся Джон Браун (1861 г.), но окончательный успех был обеспечен, когда этим производством стала заниматься Лондонская и Северо-Западная железная дорога.

Джон Рамсботтом

Бессемер не без юмора вспоминал, как на его предложение — заменить железные рельсы стальными — главный инженер, мистер Рамсботтом (John Ramsbottom)

посмотрел на него с удивлением и ответил: «Мистер Бессемер, Вы, должно быть, хотите, чтобы меня отдали под суд за смертоубийство».

Но Рамсботтом недаром считался одним из лучших инженеров Англии – он живо схватывал технические новинки. Бессемеру удалось убедить его, что предлагаемый стальной рельс имеет мало общего с твёрдой, но хрупкой тигельной сталью. «Пришлите мне, пожалуйста, тонн десять этого материала, чтобы я мог его вволю потерзать»,

– попросил Рамсботтом. И действительно, Рамсботтом, получив пробные рельсы, на совесть занялся их «терзанием». Рельс в холодном состоянии был закручен штопором и лопнул только после того, как наружные стороны вытянулись больше чем в полтора раза против первоначальной длины. Затем стальной квадратный брус (сечением 10×10 см) в горячем состоянии закручивали вдоль продольной оси до тех пор, пока он не лопнул. Это

Глава 3

сЭр айзак лоутиан

белл – «первосвящен-

ник анГлийской металлурГии»

дный») сильно перегревался в вагранке или отражаельной печи («физический нагрев»). Вследствие этого выгорание углерода начи- с самого начала прокремнием и происходило

. По этому способу после полного обезуглероживания металла требовалась «передувка» для удаления остатков кремния. Этот способ также назывался русским, поскольку уральские сталеплавильщики внедрили его даже раньше немецких. Заслуга Германии заключается в теоретическом исследовании этого способа профессором Мюллером.

креПкий ореШек

Триумфальное шествие конвертерного способа производства стали сдерживала практически единственная, но существенная проблема — фосфор.

Суть проблемы состояла в том, что огнеупорная футеровка бессемеровского конвертера изготавливалась из материалов, содержащих, преимущественно оксид кремния, который в химических реакциях проявляет свойства кислоты. Оксиды железа и марганца, которые могли бы связать растворённый в металле фосфор, имеют основные (щелочные) свойства и вследствие этого взаимодействуют, в первую очередь, с кислотными (кислыми) оксидами футеровки.

Кроме того, процесс дефосфорации в существенной степени зависит от температуры. Это обстоятельство вносило путаницу в представления металлургов того времени. Было известно, что оксиды железа, которыми

Благодаря опытам Белла стало понятно, что использовать для удаления фосфора железистые шлаки в конвертере с кислой футеровкой не удастся, а кроме того, нельзя сделать и футеровку из железистых материалов (как в пудлинговой печи), поскольку она будет разрушаться из-за взаимодействия с углеродом чугуна.

богата футеровка пудлинговой печи, обеспечивают удаление фосфора в процессе пудлингования, однако далеко не сразу стало понятно, что этому способствуют также умеренные, по сравнению с конверторной плавкой, температуры пудлингового процесса. Решить проблему фосфора пытались многие выдающиеся металлурги.

Первосвященник английской металлургии

Айзак Лоутиан Белл (Isaac Lowthian Bell) — химик, промышленник и политик, которого современники называли «первосвященником британской металлургии», в 1870 г. выпустил книгу «Химические явления при выплавке чугуна», в которой подвёл итог своим почти сорокалетним изысканиям преимущественно в области доменного производства чугуна. В заключительной части своего труда

он констатировал, что проблема удаления фосфора при производстве литой стали приобрела первостепенное значение, поскольку малофосфористые руды, из которых можно получать бессемеровский чугун, стали слишком дороги ввиду своей редкости и повышенного спроса на них.

С целью обогащения шлака бессемеровского процесса оксидом железа, Белл пробовал продолжать передувку до тех пор, пока шлак вследствие окисления железа не приблизится по его содержанию к пудлинговому и не начнёт взаимодействовать с фосфором. В конце плавки получался негодный металл – с высоким содержанием кислорода и с прежним количеством фосфора. Кроме того, оксиды железа взаимодействовали с кремнезёмом футеровки конвертера, разъедая (ошлаковывая) её. В другом опыте Белл влил в конвертер расплавленный шлак с высоким содержанием оксида железа. При повороте реторты произошла сильная реакция взаимодействия

оксида железа с растворённым в металле углеродом, в результате чего большая часть расплава была выброшена из конвертера.

Благодаря опытам Белла стало понятно, что использовать для удаления фосфора железистые шлаки в конвертере с кислой футеровкой не удастся, а кроме того, нельзя сделать и футеровку из железистых материалов (как в пудлинговой печи), поскольку она будет разрушаться из-за взаимодействия с углеродом чугуна. Таким образом, успешная борьба с фосфором была возможна лишь в конвертере с основной футеровкой.

Основная футеровка

Идея футеровать конвертер материалами на основе основных оксидов возникла вскоре после начала распространения способа Бессемера: уже в 1860 г. известный австрийский учёный и металлург-практик, директор Леобенской Горной академии Петер фон Туннер (Peter von Tunner) предложил применять для этой цели магнезит (MgCO3). В 1865 г. один немецкий металлург предлагал использовать доломит (Ca,Mg(CO3)2), однако администрация завода Кёнигсхютте в Силезии не разрешила произвести опыт. В 1869 г. Мюллер высказал идею применения для кладки конвертора магнезитового кирпича, а кремнезём связывать известковыми шлаками. Француз Луи Грюнер в 1875 г. в своем учебнике металлургии указал материал основной футеровки – обожжённый доломит. Год спустя французский инженер Тесью дю Мотей проводил передел фосфористого чугуна, используя футеровку из магнезитового кирпича.

Основной причиной, по которой упомянутые исследователи не достигли успеха, было то, что процесс вёлся по «классической» технологии: продувку чугуна заканчи-

вали после второго периода, когда окислялся углерод, как это обычно и делалось в бессемеровском процессе. При этом в конвертер не вводили добавок-флюсов, связывающих фосфор в шлаке. В этих условиях после завершения продувки фосфор переходил из шлака обратно в металл.

Проблема удаления фосфора при конвертерной плавке была комплексной – требовалось найти подходящий материал для футеровки, разработать способ её изготовления, подобрать шлакообразующие материалы, а также изменить технологию собственно конвертерной плавки в соответствии с изменениями в химизме процесса.

Научное обоснование

Серьёзное научное обоснование применению материалов на основе основных оксидов для футеровки конвертера появилось благодаря работам англичанина Джорджа Снелюса (George James Snelus).

Снелюс получил блестящее образование. Он прошел обучение в Оуэнс-колледже (Манчестер) под руководством профессора Роско (применившего спектральный анализ для изучения бессемеровского процесса) и в лондонской Королевской Горной школе. Снелюс был он одним из лучших учеников Горной школы и по результатам экзаменов неоднократно занимал первые места и награждался медалями. На втором году обучения он был назначен ассистентом профессора Франкланда и с успехом вёл преподавательскую деятельность. В итоге Снелюс получил учёную степень (associate) в области горного дела и металлургии и был принят химиком на металлургический завод в Даулейсе – один из крупнейших в Великобритании.

Снелюс серьёзно занимался научной работой, был одним из первых членов организованного в это время Института Чугуна и Стали и регулярно выступал с до-

Глава 4

кладами на его заседаниях наряду с такими светилами металлургической науки, как Джон Перси и Айзак Белл.

Снелюс разработал оригинальный способ отбора газа из конвертера для последующего химического анализа. Его опыты позволили достоверно установить ход окисления углерода при продувке, что дало возможность более эффективно управлять процессом. Исследовав рафинировочные, пудлинговые и конвертерные шлаки различных заводов, Снелюс обнаружил, что чем более основным был шлак, т.е. чем выше в нём было содержание основных оксидов, тем выше было и содержание фосфора. Напротив – кремнистые, кислые шлаки содержали минимальное количество фосфора.

Работая с различными огнеупорными материалами, Снелюс установил, что известь, полученная путём обжига известняка (CaCO3), обладает необходимыми огнеупорными свойствами. Дальнейшие исследования показали, что из раздробленной до порошкообразного состояния извести с добавками оксидов железа (для сни-

жения температуры обжига) можно формовать кирпичи для футеровки металлургических агрегатов.

Проведённые в небольшом конверторе опытные плавки показали, что использование основной футеровки и основного шлака позволяет снизить содержание фосфора с 1,5 до 0,01 % и получить практически свободный от фосфора металл, образец которого Снелюс бережно хранил долгие годы. Окрылённый успехом, Снелюс построил 7-тонный конвертер, но здесь его ждал неприятный сюрприз – сделанная из основного материала футеровка оказалась недостаточно прочной и для использования в конвертерах крупных размеров не подходила. Отложив на время дальнейшие эксперименты, Снелюс в 1872 г. взял патент «на употребление извести или известняка, доломита или других сортов (известняка) во всех формах, в которых он окажется применим, для футеровки всех видов печей, в ко-

торых металлы или оксиды перерабатываются в расплавленном состоянии».

Перфекционизм как тормоз прогресса

Не сомневаясь в правильности своего подхода с химической точки зрения, Снелюс не хотел ставить о нём в известность широкую металлургическую общественность, пока технология не будет доработана до промышленного применения, тем более что научное сообщество вообще было настроено скептически по поводу возможности удаления фосфора из литой стали.

Перфекционизм (в психологии убеждение о необходимости достижения наилучшего результата) Снелюса сыграл с ним злую шутку: к 1879 г., когда Томáс объ-

явил о своём успехе в решении проблемы дефосфорации металла, он так ещё и не довёл свой процесс до стадии промышленного применения и имел патент лишь с самыми общими формулировками. Тем не менее, конкуренты заключили мировое соглашение, согласно которому патентные права Снелюса распространялись на Великобританию и Северную Америку, а Томаса - на континентальную Европу.

Впоследствии Снелюс был назначен начальником бессемеровского производства Металлургического Завода Западного Камберленда (West Cumberland Iron Works), а затем и его директором. На этом заводе он внедрил множество усовершенствований, касающихся организации работы в бессемеровском цехе. Снелюс одним из первых предложил заливать чугун в конвертер непосредственно из доменной печи, используя для транспортировки жидкого чугуна в конвертерный цех 8-тонный ковш собственной конструкции.

В 1883 г. заслуги Джорджа Снелюса как одного из разработчиков технологии дефосфорации стали в конвертере были признаны металлургическим сообществом Великобритании, ему была присуждена Золотая медаль Бессемера «как первому человеку, получившему чистую по примесям сталь из чугуна, содержащего примеси, в бессемеровском конвертере, футерованном основными материалами».

Самый знаменитый клерк XIX века

Над проблемой удаления фосфора в ходе конвертерного передела чугуна работали яркие и неординарные личности, признанные светила химии и металлургии, но решить её было суждено скромному младшему клерку лондонского полицейского суда Сидни Томáсу, который

благодаря своему изобретению практически мгновенно стал мировой знаменитостью.

Сидни Джилкрист Томáс (Sidney Gilchrist Thomas) родился 16 апреля 1850 г. в лондонском квартале Кэнонбери (Canonbury). Его отец, Уильям Томас, уроженец Уэльса, служил поверенным в Департаменте внутренних доходов