Введение
Введение
Значение металлов в современной жизни очень велико. Несмотря на то что химические материалы – пластмассы, синтетические смолы и др. получают все большее распространение, роль металлов не только не уменьшается, но еще более возрастает в связи с освоением космического пространства, разработкой природных богатств земли, находящихся на ее поверхности и под дном океана, с развитием производства атомной энергии, транспорта, связи, микро- и радиоэлектроники и т. д.
Железо является одним из самых распространенных элементов на земле. Его доля составляет ~4 % массы всей верхней части земной коры. Атомная масса железа 55,84, атомный номер 26, плотность 7,86 г/см3, температура плавления 1540° С. Чистое железо – серовато-беловатого цвета, обладает пластичностью и магнитными свойствами.
Добыча железа началась, по крайней мере, за два тысячелетия до нашей эры. Получение чистого железа, его сплавов стало возможным благодаря опыту, накопленному древними металлургами по выплавке меди и ее сплавов с оловом, серебром, свинцом и другими легкоплавкими металлами.
Плавку железа в древности производили в ямах – горнах, обмазанных глиной или выложенных камнем. В горн загружали дрова и древесный уголь. Через отверстие в нижней части горна нагнетали с помощью кожаных мехов воздух. На смесь древесного угля и дров засыпали измельченную железную руду. Сгорание дров и угля проходило интенсивно. Внутри горна достигалась относительно высокая температура.
Благодаря взаимодействию угля и оксида углерода СО, образовавшегося при сгорании угля, с оксидами железа, содержавшимися в руде, железо восстанавливалось и в виде тестообразных кусков накапливалось на дне горна. Куски были загрязнены золой, шлаком, выплавлявшимся из составляющих руды. Такое железо называли сыродутным. Из него необходимо было удалить примеси прежде, чем приступить к изготовлению изделий. Разогретый металл ковали и на наковальне выжимали остатки шлака, примесей и др. Отдельные куски железа сваривали в единое целое.
Такой способ существовал вплоть до XII-XIII вв. Когда стали использовать энергию падающей воды и приводить в движение меха механическим способом, удалось увеличить объем воздуха, подаваемого в горн. Горн сделали больше, стенки его выросли из земли, он стал прообразом доменной печи – домницей. Домницы имели высоту в несколько метров и сужались кверху. Сначала они были квадратными, потом стали круглыми. Подачу воздуха производили через несколько фурм. В нижней части домницы имелось отверстие, замазываемое глиной, через которое после окончания плавки вынимали готовое железо. Улучшение технологии плавки, обкладки стенок домницы природным огнеупорным камнем позволили значительно повысить температуру в горне. На дне печи образовывался жидкий сплав железа с углеродом – чугун. Вначале чугун считали отходом производства, так как он был хрупким. Позже заметили, что чугун обладает хорошими литейными свойствами и из него стали отливать пушки, ядра, архитектурные украшения.
В начале XIV в. из чугуна научились приготовлять ковкое железо, появился двухступенчатый способ производства металла. Куски чугуна переплавляли в небольших тиглях – горнах, в которых. удавалось получать высокую температуру и создавать окислительные условия в области фурм. Благодаря окислению из чугуна выжигали большую часть углерода, марганца, кремния. На дне тигля собирался слой железной массы – крица. Масса была загрязнена остатками шлака. Ее извлекали из тигля клещами или ломом и тут же в разогретом состоянии подвергали ковке для выдавливания загрязнений и сваривания в один прочный кусок. Такие горны назывались кричными. Они обладали большей производительностью, чем сыродутные, и давали металл более высокого качества. Поэтому со временем получение сыродутного железа было прекращено. Выгоднее было получать железо из чугуна, чем непосредственно из руды.
Рекомендуемые материалы
По мере улучшения качества железа возрастали и потребности в нем в сельском хозяйстве, военном деле, строительстве, промышленности. Возрастало производство чугуна, домницы увеличивались в размерах, постепенно превращаясь в доменные печи. В XIV в. высота доменных печей достигала уже 8 м.
Ускоренное развитие металлургии началось после замены древесного угля коксом. Вырубка лесов для получения древесного угля, привела к тому, что уже в XV в. в Англии было запрещено использовать древесный уголь в металлургии. Применение кокса не только удачно решило проблему топлива, но и благоприятствовало росту производительности доменных печей. Благодаря повышенной прочности и хорошей теплотворной способности кокса стало возможным увеличение диаметра и высоты печей. В 1828 г. был выдан патент на применение в доменных печах подогретого воздуха. Эта мера позволила значительно снизить расход кокса, повысить производительность и температуру в горне печей. Позднее были успешно проведены опыты по использованию доменного колошникового газа для подогрева дутья. Раньше все газы выбрасывались в атмосферу, теперь колошник стали делать закрытым и улавливали отходящие газы. Многие операции доменного процесса были механизированы.
Одновременно совершенствовался и способ получения стали. Кричный способ уже не мог удовлетворить потребности в железе. Прочность сталям придавал углерод. Науглероживание кричного железа производили либо в твердом состоянии, либо сплавлением с чугуном в маленьких тиглях. Но такие методы не могли дать много стали. В конце XVIII в. на металлургических заводах появился новый процесс – пудлингование. Сущность процесса пудлингования заключалась в том, что топка была отделена от ванны, в которой расплавляют чугун. По мере окисления примесей из жидкого чугуна выпадали кристаллы твердого железа, которые накапливались на поду ванны. Ванну перемешивали ломом, намораживали на него тестообразную железную массу (до 50 кг) и вытаскивали из печи. Эту массу – крицу обжимали под молотом и получали железо.
В 1856 г. Генри Бессемер в Англии разработал наиболее производительный способ получения стали из чугуна – продувкой воздухом жидкого чугуна в конвертере, выложенном изнутри кремнеземистым кирпичом. В бессемеровских конвертерах перерабатывали чугуны с повышенным содержанием кремния. Процесс шел быстро: 15-18 т чугуна превращались в сталь в течение 15-20 мин. Для переработки чугуна с повышенным содержанием фосфора Томасом был предложен конвертер с футеровкой из оксидов кальция и магния.
В 1864 г. в Европе появились первые мартеновские печи, в которых расплавление чугуна, окисление его примесей производили в подовых (отражательных) печах. Печи работали на жидком и газообразном топливе. Газ и воздух подогревали теплом отходящих газов. Благодаря этому в печи развивались настолько высокие температуры, что стало возможным на поду ванны иметь не только жидкий чугун, но и поддерживать в жидком состоянии более тугоплавкое железо и его сплавы.
В мартеновских печах начали получать из чугуна сталь любого состава и использовать для переплава стальной и чугунный лом. В начале XX в. появились электрические дуговые и индукционные печи. В этих печах выплавляли легированные высококачественные стали и ферросплавы. В 50-х годах XX в. начали использовать процесс передела чугуна в сталь в кислородном конвертере продувкой чугуна кислородом через фурму сверху. Сегодня это наиболее производительный метод получения стали. В последние годы появились значительно усовершенствованные по сравнению с прошлым процессы прямого получения железа из руды.
Развитие сталеплавильного производства повлекло за собой и развитие нового оборудования для горячей и холодной обработки стали. В конце XVIII в. появились прокатные станы для обжатия слитков и проката готовых изделий. В первой половине XIX в. начали применять крупные паровые и воздушные молоты для ковки тяжелых слитков. Последняя четверть XIX в. ознаменовалась появлением крупных прокатных станов и станов для непрерывной прокатки с электрическими приводами.
В России до XVII в. производство железа носило кустарный характер. Выплавкой железа занимались отдельные крестьянские семьи или совместно несколько крестьянских дворов. Строили домницы на землях Новгородчины, Псковщины, в Карелии. В 1699 г. был построен Невьянский завод. Бурное производство чугуна началось при Петре I. Демидовыми на Урале была построена колоссальная по тем временам печь высотой в 13 м, выплавлявшая в сутки 14 т чугуна.
В 1763 г. М. В. Ломоносовым написан труд: «Первые основания металлургии или рудных дел». Эта книга в течение многих лег являлась единственным пособием для русских инженеров и техников.
Развитие капитализма в России в конце XIX в. вызвало подъем в черной металлургии, особенно в южных районах (Украина). В 1870 г. русский купец Пастухов построил в г.Сулине завод для выплавки чугуна на донецком антраците. В местечке Юзовка (ныне г. Донецк) был пущен крупнейший по тому времени металлургический завод. Бурное развитие металлургия Юга получила с открытием залежей железных руд Кривого Рога. В сочетании с запасами донецких углей это стало основой развития горнорудной промышленности Юга России. В отличие от заводов Урала южные заводы были оборудованы более крупными агрегатами. В доменные печи загружали кокс и выдавали в сутки примерно в шесть-семь раз больше чугуна, чем в печах, работающих на древесном угле.
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 20.5 Нарастание недовольства в обществе и отстранение Н.С. Хрущева от власти.
В 1870 г. на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде заработали первые мартеновские печи, а в Донбассе в сталелитейных цехах появились и конвертеры. В 1910 г. была установлена первая дуговая сталеплавильная печь, а в конце 1917 г. под Москвой стал работать электрометаллургический завод с несколькими электропечами.
В годы гражданской войны развитие металлургии было приостановлено, и только в 1926 г. был достигнут уровень 1913 г. – максимальной дореволюционной выплавки стали 4,3 млн. т.
Интенсивное развитие черная металлургия в СССР получила в годы первых пятилеток. Были построены крупнейшие в мире, построены новые заводы высококачественных сталей. В 1940 г. производство стали достигло 18,5 млн. т и проката 13,1 млн. т.
Великая Отечественная война нанесла серьезный урон южным заводам СССР. Большая часть оборудования металлургических заводов была эвакуирована на Восток. Металлурги страны создали в короткие сроки базу для наращивания всех видов вооружений и уже в 1943 г. Советский Союз значительно превосходил врага по производству танков, орудий, самолетов и другой техники.
В послевоенные годы черная металлургия быстро оправилась от потерь. К 1950 г. уровень выплавки черного металла в полтора раза превысил довоенный. Все последующие пятилетки характеризуются последовательным наращиванием объемов производства, строительством новых заводов и цехов. Появились кислородные конвертеры емкостью до 350 т, 900-т мартеновские печи, двухванные сталеплавильные агрегаты, 200-т дуговые электропечи, доменные печи с полезным объемом 5000 м3. Построены непрерывные станы для получения листа, сортового проката, труб, установки для непрерывной разливки стали (УНРС).
В последнее время получила развитие специальная металлургия высококачественных сталей и сплавов: процессы получения стали на установках электрошлакового (ЭШП), вакуумного индукционного (ВИП), вакуумно-дугового (ВДП), электронно-лучевого (ЭЛП), плазменно-дугового (ПДП) переплавов, широко применяются такие методы, как обработка жидкой стали в ковше синтетическим шлаком и аргоном, вакуумирование жидкого металла.
