Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
Несмотря на громадное значение бессемеровской стали, проблема улучшения качества металла осталась не решенной. А специальное машиностроение требовало массового производства именно высококачественной стали. Кроме того, дешевая бессемеровская сталь вытеснила старый пудлинговый металл, и появились крупные нереализованные запасы последнего. Требовалось найти пути передела его в сталь.
Проводились опыты, в ходе которых пытались сплавить в пламенных печах чугун и железо, но в них не удавалось достичь необходимой температуры.
В 1856 г. немецкие инженеры братья Вильгельм и Фридрих Сименс сконструировали для нужд стекольной промышленности регенеративную газовую печь. Смешиваясь с воздухом, газ горел, развивая высокую температуру, достаточную для плавки даже тугоплавких металлов. Регенератор представлял собой сдвоенную камеру, заполненную решетчатой кирпичной кладкой, через которую пропускались печные газы, отдававшие кладке значительную часть своего тепла. Затем по этой же кладке в обратном направлении пропускали воздух и горючий газ, предназначенные для горения. Подогрев предотвращал охлаждение печи воздухом или газом и повышал температуру в печи примерно на 1000 градусов.
Но именно высокая температура, как ни странно, вначале тормозила внедрение регенеративных печей в металлургическое производство. Поначалу металл загружали в печь в огнеупорных тиглях, и в ходе плавки расплавлялся не только металл, но и тигль. В ряде опытов оплавлялись даже стенки печи, а однажды рухнул ее свод.
Принцип регенерации тепла и отопления печи газом использовал в своей печи французский металлург Пьер Мартен. По предоставленным В. Сименсом чертежам он построил регенеративную сталеплавильную печь, использовав для кладки ее стен и свода огнеупорный кирпич, способный выдерживать высокие температуры. Она была запущена в 1864 г. Сущность мартеновского процесса заключается в том, что сталь производится на поду регенеративных пламенных печей путем переработки в них чугуна и стального лома (скрапа). В мартеновской печи происходит не просто плавка загруженных материалов: до самого конца процесса в печи идет химическое взаимодействие между металлом, шлаком и газом.
Мартеновская печь относится к типу отражательных печей. Ванна, где идет плавка, выложена огнеупорным кирпичом. Над ванной – сферический свод. Продукты горения топлива, а вместе с ними и тепло отражаются от него и направляются в ванну, где расплавляют металл. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение тепла по всей площади ванны. Сначала в качестве топлива в мартене применяли смесь доменного и коксового газов, сейчас все шире используется природный газ. Нагретые в регенераторах воздух и газ подаются в верхнюю часть мартена, где смешиваются и сгорают, давая температуру до 1800–2000 °C.
Для загрузки сырья в передней стенке печи имеются завалочные окна, закрываемые стальными задвижками. В задней стене – выпускное отверстие, через которое готовую сталь сливают в ковш. Когда идет плавка, выпускное отверстие забито пробкой из огнеупорной глины.
Работа в мартеновской печи происходит в несколько этапов, сначала в печь загружают холодные материалы (шихту) – железный лом, руду, известь. Их насыпают в стальные ящики – мульды. Завалочная машина захватывает мульду, вносит через завалочное окно в печь, переворачивает, высыпая содержимое. После окончания загрузки заслонки опускают и в печь вводят максимальное количество газа и воздуха, чтобы шихта быстрее прогрелась и расплавилась. После этого к печам подвозят ковши с доменным чугуном. Его доставляют из миксера, где чугун хранится в жидком виде. Мостовой кран поочередно поднимает ковши, наклоняет их, и чугун по специальному желобу льется в печь. Выплавка стали в мартене продолжается много часов. За это время пробы металла несколько раз отправляют в лабораторию, где исследуется их химический состав. В случае необходимости в печь вводятся недостающие вещества. На последнем этапе плавки происходит очищение стали от вредных примесей и раскисление – удаление из металла кислорода. Для этого в ванну добавляют раскислители: ферросилиций, ферромарганец, алюминий.
Во второй половине XX в. были созданы двухванные печи. В них применяют не воздух, а чистый кислород. Это дает такое количество тепла, что позволяет печам обходиться без регенераторов. Их производительность в 2–4 раза выше, чем однованных, а расход топлива – в 10–15 раз меньше.
Самые большие в мире мартеновские печи построены на Мариупольском металлургическом комбинате. Объем ванны в этих печах 900 м3.
Но даже кислород не помог мартеновским печам выдержать конкуренцию с электрическим конвертером.
Электросталеплавильный процесс ведет свое начало от электрической дуги, которую получил, экспериментируя с гальваническим элементом, профессор физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петров в 1802 г. Спустя год он опубликовал книгу «Известие о Гальвани-Вольтовских опытах», в одной из глав которой описал превращение некоторых оксидов в металлы посредством электрического тока.
В 1853 г. во Франции был взят патент на конструкцию электропечи для плавки стали. В 1879 г. Вильгельм Сименс сконструировал электропечь, в которой впервые сумел выплавить железо из руды. Однако эта печь была далека от совершенства и полученное железо содержало много примесей.
В 1891 г. создатель дуговой электросварки Н. Г. Славянов осуществил плавку стали и других металлов в небольших тигльных печах с электродами. Большой вклад в развитие электропечей внес французский ученый Анри Муассан. В 1892 г. он представил во Французской академии наук свою конструкцию, позволявшую получать температуры до 4000 °C.
Широкому применению электрического тока мешала его относительно высокая стоимость. Но эта проблема была решена после появления первых гидроэлектростанций. На стыке XIX–XX вв. Поль Эру во Франции и Эрнесто Стассано в Италии практически одновременно построили дуговые плавильные печи.
Благодаря особым условиям в плавильном пространстве, прежде всего восстановительной атмосфере и температуре до 5000 °C, металлурги получили возможность не только полнее очищать металл от нежелательных примесей, но и выплавлять легированную сталь. Спрос на электросталь резко возрос в годы Первой мировой войны, когда металл высокого качества понадобился для производства пушек, брони и других видов вооружения.
За несколько десятилетий с момента возникновения электрического способа выплавки электропечи прибавили в объеме, их конструкции стали более совершенными. Поскольку в них можно плавить даже такие тугоплавкие металлы, как вольфрам и молибден, металлурги могут плавить сталь, легированную любыми металлами. В 1940–1950-е годы в электропечах стало применяться кислородное дутье. Оно позволило увеличить производительность электропечей, сократить расход электроэнергии, электродов, дорогих легирующих добавок. Повысилось и качество металла.
В индукционных электропечах нет электродов, что позволяет получать практически безуглеродную высоколегированную сталь.
Следующим шагом в развитии электропечей стали вакуумные индукционные и дуговые печи. Создаваемое в вакуумной камере разрежение заставляет пузырьки газа выходить из жидкого металла.
Современные методы литья позволяют производить качественную сталь без дефектов. Это помогает сократить дальнейшую механическую обработку и получить высокие эксплуатационные свойства материала.
Лодка. Гребные суда
Появление плавательных средств было вызвано необходимостью передвижения по водоемам: рекам и озерам. Из-за отсутствия дорог путешествие по воде было быстрее и легче. Помимо того, плавательные средства требовались для рыбной ловли.
Первым средством передвижения по воде были стволы деревьев. Их очищали от веток и плыли, лежа на бревне и работая ногами. Затем стали делать плоты, связывая вместе несколько стволов или связок камыша. Они управлялись шестом, а на глубоких местах использовали гребную доску. Плот позволял перевозить грузы.
Для быстрого плавания по воде больше подходила лодка, выдолбленная из ствола. Ее делали, выдалбливая или выжигая в стволе углубление для гребца. Один конец ствола заостряли для увеличения скорости передвижения. На мелководье лодка, как и плот, управлялась шестом, а на более глубоких местах гребли веслом, в которое постепенно превратилась гребная доска.
Часто лодки делали из выскобленной коры деревьев. Куски коры сшивались и связывались, а швы заливались смолой. Жители Севера делали каркас лодки из китового уса, натягивая на него шкуры животных.
Самое раннее изображение весла было обнаружено на древнеегипетской вазе, датированной III тысячелетием до н. э. Первые лодки для плавания по Нилу изготавливались из папируса. Его стебли собирали в крепкие связки, сплетавшиеся затем в толстый изогнутый мат с поднятыми концами. Их удерживал в таком положении трос из папируса.
