История железа

Герою знаменитого романа Даниэля Дефо повезло. Корабль, с которого он спасся, сидел на мели совсем недалеко от острова. Робинзон сумел погрузить на плот все необходимое и благополучно переправился на остров. Ему повезло еще раз — цитируем роман: «После долгих поисков я нашел ящик нашего плотника, и это была для меня поистине драгоценная находка, которой я не отдал бы тогда за целый корабль с золотом»...

Что было в плотницком ящике? Обыкновенный железный инструмент: топор, пила, молоток, гвозди.

Через два столетия на другой необитаемый остров попали герои другого известного романа — пятеро американцев. Они сумели не только выжить на острове, но и создать себе более или менее нормальные условия жизни, что определенно не удалось бы, если бы всеведущий инженер Сайрес Смит (заметим, что по-английски «смит» означает «кузнец») не сумел найти на таинственном острове железную руду и сделать железные инструменты. Иначе опять пришлось бы Жюлю Верну выручать своих героев с помощью знаменитого капитана Немо.

Как видим, без железа не может обойтись даже приключенческая литература. Чрезвычайно важное место занимает этот металл в жизни человека.

Цифры, отражающие годовой уровень выплавки стали, в значительной степени определяют экономическую мощь страны.

Развитию черной металлургии — металлургии железа — придавал первостепенное значение Владимир Ильич Ленин. Еще до Октябрьской революции, в 1913 г., в статье «Железо в крестьянском хозяйстве» он писал: «Относительно железа — ...одного из фундаментов, можно сказать, цивилизации — отсталость и дикость России особенно велики». Действительно, в тот год, а 1913 год считался в царской России годом промышленного подъема, в огромной стране со 150-миллионным населением было выплавлено лишь 3,6 млн. т стали. Сейчас это средняя годовая производительность среднего металлургического завода. Сегодня Россия по выплавке чугуна и стали уверенно держит первое место в мире. В 1975 г. в нашей стране было выплавлено 141 млн. т стали, а в 1980 г. — 148 млн. т. Мировое производство стали подошло уже к рубежу 700 млн. т. Много стали (данные за 1980 г.) выплавляют Япония — 111,5 млн. т, США — 100,8 млн. т, страны Общего рынка — 128,6, в том числе ФРГ — 44,1 млн. т.

Общая доля развивающихся стран — 56,8 млн. т, в том числе Бразилии — 15,4, а Индии — 9,4 млн. т (остальные — меньше).

Начало железного века

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1 : 160 : 1280 : 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов. Как свидетельствует в «Одиссее» Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллесом, награждали куском золота и куском железа. Железо было в равной степени необходимо и воину, и пахарю, а практическая потребность, как известно, — лучший двигатель производства и технического прогресса.

Термин «железный век» введен в науку в середине XIX в. датским археологом К. Ю. Томсеном. «Официальные» границы этого периода человеческой истории: от IX-VII вв. до н.э. когда у многих народов и племен Европы и Азии начала развиваться металлургия железа, и до времени возникновения у этих племен классового общества и государства. Но если эпохи называть по главному материалу орудий труда, то, очевидно, железный век продолжается и сегодня.

Как получали железо наши далекие предки? Сначала так называемым сыродутным методом. Сыродутные печи устраивали прямо на земле, обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы. Эту трубу заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля.

Железная руда восстанавливалась, и получалась мягкая крица — железо с включениями шлака. Такое железо называют сварочным; в нем содержалось немного углерода и примесей, перешедших из руды. Крицу ковали, куски шлака отваливались, и под молотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывали различные орудия.

Век сварочного железа был долгим, однако людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо. Знаменитую дамасскую сталь (или булат) делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IV в. до и. э.). Но технология ее производства, так же как процесс изготовления булатных клинков, много веков держалась в секрете.

Процесс производства стали сводится в сущности к выжиганию из чугуна примесей, к окислению их кислородом воздуха. То, что делают металлурги, рядовому химику может показаться бессмыслицей: сначала восстанавливают окисел железа, одновременно насыщая металл углеродом, кремнием, марганцем (производство чугуна), а потом стараются выжечь их. Обиднее всего, что химик совершенно прав: металлурги применяют явно нелепый метод. Но другого у них не было.

Главный металлургический передел — производство стали из чугуна — возник в XIV в. Сталь тогда получали в кричных горнах. Чугун помещали на слой древесного угля, расположенный выше фурмы для подачи воздуха. При горении угля чугун плавился и каплями стекал вниз, проходя через зону, более богатую кислородом, — мимо фурмы. Здесь железо частично освобождалось от углерода и почти полностью от кремния и марганца. Затем оно оказывалось на дне горна, устланном слоем железистого шлака, оставшегося после предыдущей плавки. Шлак постепенно окислял углерод, еще сохранившийся в металле, отчего температура плавления металла повышалась, и он загустевал. Образовавшийся мягкий слиток ломом поднимали вверх. В зоне над фурмой он еще раз переплавлялся, при этом окислялась еще какая-то часть содержащегося в железе углерода. Когда после переплавки на дне горна образовывалась 50-100-килограммовая крица, ее извлекали из горна и тут же отправляли на проковку, цель которой была не только уплотнить металл, но и выдавить из него жидкие шлаки.

Наиболее совершенным железоделательным агрегатом прошлого была пудлинговая печь, изобретенная англичанином Генри Кортом в конце XVIII в. (Кстати, он же изобрел и прокатку профильного железа на валках с нарезанными в них калибрами. Раскаленная полоса металла, проходя через калибры, принимала их форму.)

Пудлинговая печь Корта загружалась чугуном, а подина (дно) и стены ее были футерованы железной рудой. После каждой плавки их подновляли. Горячие газы из топки расплавляли чугун, а потом кислород воздуха и кислород, содержащийся в руде, окисляли примеси. Пудлинговщик, стоящий у печи, помешивал в ванне железной клюшкой, на которой осаждались кристаллы, образующие железную крицу.

После изобретения пудлинговой печи в этой области черной металлургии долго не появлялось ничего нового, если не считать разработанного англичанином Гунстманом тигельного способа получения высококачественной стали. Но тигли были малопроизводительны, а развитие промышленности и транспорта требовало все большего и большего количества стали.

Мартен и конвертер

Генри Бессемер был механиком, вдобавок без систематического образования. Он изобретал, что придется: машинку для гашения марок, нарезную пушку, различные механические приспособления. Бывал он и на металлургических заводах, наблюдал за работой пудлинговщиков. У Бессемера появилась мысль переложить эту тяжелую «горячую» работу на сжатый воздух. После многих проб он в 1856 г. запатентовал способ производства стали продуванием воздуха через жидкий чугун, находящийся в конвертере — грушевидном сосуде из листового железа, выложенном изнутри кварцевым огнеупором.

Для подвода дутья служит огнеупорное днище со многими отверстиями. Конвертер имеет устройство для поворота в пределах 300°. Перед началом работы конвертер кладут «на спину», заливают в него чугун, пускают дутье и только тогда ставят конвертер вертикально. Кислород воздуха окисляет железо в закись FeO. Последняя растворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец... Из окислов железа, марганца и кремния образуются шлаки. Такой процесс ведут до полного выгорания углерода.

Затем конвертер снова кладут «на спину», отключают дутье, вводят в металл расчетное количество ферромарганца — для раскисления. Так получается высококачественная сталь. Способ конвертерного передела чугуна стал первым способом массового производства литой стали.

Передел в бессемеровском конвертере, как выяснилось позже, имел и недостатки. В частности, из чугуна не удалялись вредные примеси — сера и фосфор. Поэтому для переработки в конвертере применяли главным образом чугун, свободный от серы и фосфора. От серы впоследствии научились избавляться (частично, разумеется), добавляя в жидкую сталь богатый марганцем «зеркальный» чугун, а позже и ферромарганец.

<

С фосфором, который не удалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее. Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержанием фосфора, оставались непригодными для производства стали. Выход был найден английским химиком С. Д. Томасом, который предложил связывать фосфор известью. Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженным доломитом, а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь. Образовывался известково-фосфористый шлак, который легко отделялся от стали. Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.

Самая большая революция в сталеплавильном производстве произошла в 1865 г., когда отец и сын — Пьер и Эмиль Мартены — использовали для получения стали регенеративную газовую печь, построенную по чертежам В. Сименса. В ней, благодаря подогреву газа и воздуха, в особых камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая высокая температура, что сталь в ванне печи переходила уже не в тестообразное, как в пудлинговой печи, а в жидкое состояние. Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлять слитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы... И все это в огромных масштабах! Кроме того, появилась возможность использовать громадные количества железного лома, скопившегося за долгие годы на металлургических и машиностроительных заводах.

Последнее обстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В начале XX в. мартеновские печи почти полностью вытеснили бессемеровские и томасовские конвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в очень малых количествах.

Конвертерное производство могло бы стать исторической редкостью, такой же, как и пудлинговое, если бы не кислородное дутье. Мысль о том, чтобы убрать из воздуха азот, не участвующий в процессе, и продувать чугун одним кислородом, приходила в голову многим видным металлургам прошлого; в частности, еще в XIX в. русский металлург Д. К. Чернов и швед Р. Окерман писали об этом. Но в то время кислород был слишком дорог. Только в 30-40-х годах прошлого столетия, когда были внедрены дешевые промышленные способы получения кислорода из воздуха, металлурги смогли использовать кислород в сталеплавильном производстве. Разумеется, в мартеновских печах. Попытки продувать кислородом чугун в конвертерах не привели к успеху: развивалась такая высокая температура, что прогорали днища аппаратов. В мартеновской печи все было проще: кислород давали и в факел, чтобы повысить температуру пламени, и в ванну (в жидкий металл), чтобы выжечь примеси. Это позволило намного увеличить производительность мартеновских печен, но в то же время повысило температуру в них настолько, что начинали плавиться огнеупоры. Поэтому и здесь кислород применяли в умеренных количествах.

В 1952 г. в австрийском городе Линце на заводе «Фест» впервые начали применять новый способ производства стали — кислородноконвертерный. Чугун заливали в конвертер, днище которого не имело отверстий для дутья, было глухим. Кислород подавался на поверхность жидкого чугуна. Выгорание примесей создавало такую высокую температуру, что жидкий металл приходилось охлаждать, добавляя в конвертер железную руду и лом. И в довольно больших количествах. Конвертеры снова появились на металлургических заводах. Новый способ производства стали начал быстро распространяться во всех промышленно развитых странах. Сейчас он считается одним из самых перспективных в сталеплавильном производстве.

Достоинства конвертера состоят в том, что он занимает меньше места, чем мартеновская печь, сооружение его гораздо дешевле, а производительность выше. Однако в конвертерах сначала выплавляли только малоуглеродистые мягкие стали. В последующие годы был разработан процесс выплавки в конвертере высокоуглеродистых и легированных сталей.