Техника в ее историческом развитии
Шухардин С.В., Ламан Н.К., Федоров А.С.
Наука, 1982 г.
ПЕРЕХОД НА НОВЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
1, УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА
К 70-м годам ХТХ в. быстро растущие запросы машиностроения, железнодорожного и морского транспорта потребовали значительного расширения производства черных металлов и повышения их качества. Увеличивались размерыдоменных печей, совершенствовалась их конструкция, вводились новые вспомогательные устройства. К 1870 г. объемы отдельных доменных печей уже превышали 400 м3. а их высота достигала почти 23 м. применялись мощные воздуходувки, использовались разнообразные устройства для улавливания газа и распределения шихты.
Широко распространилась конструкция кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа для доменных печей, предложенная в 1857 г. английским инженером Э. Каупером и поныне носящая его имя.
К концу XIX в. каменноугольный кокс почти повсеместно вытеснил другие виды топлива, используемые для выплавки чугуна, В 1900 г. доменные печи Англии, Германии и Францииработали только па коксе. В США во второй половине прошлого столетия для производства чугуна наряду с древесным углем широко применяли антрацит. Так, в I860 г. 48,5% чугуна выплавляли на антраците, 43,2% — па древесном угле и лишь около 8% — па коксе. Однако к концу века доля коксового чугуна в США увеличилась до 87%. В России в это время на коксе выплавляли около 70% чугуна. Металлургия Урала работала в основном на древесном угле. Почти все доменные печи Швеции производили древесноугольный чугун.
В описываемый период металлурги все большее внимание стали уделять подготовке к плавке основного материала доменного производства — железной руды. Уже издавна использовали такие процессы, как дробление крупнокусковых руд, их обжиг и промывку. Помимо этого, в конце XIX в. начали применять кусков и химическому составу. В начале XX в. в производстве внедряется процессагломерации окусковывание мелких и пылеватых руд методом брикетирования, а также сортировку железной руды по крупности, заключающийся в окусковывании мелких руд и колошниковой пыли, которые спекали в специальных агломерационных устройствах.
Предварительная подготовка железных руд, использование высококачественного топлива — кокса, применение более совершенных воздуходувных машин и горячего дутья позволили сооружать доменные печи значительно большего объема и более высокой производительности. Это, в свою очередь, вызвало необходимость разработки более рациональной конструкции самой печи, а также вспомогательных устройств и механизмов доменного цеха. Особое внимание металлурги XIX в. уделили разработке профилядоменной печи, т. е. внутреннего очертания ее рабочих пространств. Шахта старинных доменных печей имела четырехгранное сечение. Однако уже в XVIII в. повсеместно перешли на круглое сечение всех зон печи. В то время горн печи, в котором сгорало топливо и накапливались расплавленные чугун и шлак, имел относительно небольшой диаметр по сравнению с другими зонами печи, особенно распаром. Английский металлург первой половины XIX л. Д. Гиббоне исследовал рабочее пространство доменной печи после ее многодневной эксплуатации. Он убедился, что уже после шести месяцев работы теряется половина толщины огнеупорных стенок горна и заплечиков. В дальнейшем процесс разгорания кладки шел значительно медленнее. В брошюре «Практические заметки о конструкции доменных печей Страффордшлра», изданной в 1839 г., Гиббоне писал: «Мне казалось, что если я построю печь таким образом, что внутренние очертания рабочего пространства ее заранее уже будут иметь ту форму, которая получается вследствие разгара, то я ограничу разрушительное действие огня и предохраню значительную часть стен горна и заплечиков от разгара». Печь, построенная Гиббонсом на основании результатов его опытов, отличалась более широким горном и показала хорошую производительность. Однако еще долгое время продолжали строить невысокие печи с узким горном и широким распаром.
В J872 г. была опубликована работа известного французского металлурга Л. Грюнера «О доменных печах», в которой были изложены прогрессивные взгляды па соотношение отдельных элементов доменной печи. Грюпер предложил вытянутый профиль печи, при котором отношение ее высоты к диаметрураспара не должно быть меньше 4. Ученый доказывал необходимость увеличения поперечника горна и уменьшения диаметра распара. Выводы Грюнера использовались при строительстве доменных печей и привели к изменению их профиля 12, с. 265—272].
Во второй половине XIX в. непрерывно возрастают высота и полезные объемыдоменных печей. В Англии их оптимальные объемы достигают 500—600 м3. В США в конце века полная высота доменных печей доходила до 30—32 _ч, а диаметргорна в наиболее крупных печах составлял 3,5— 4,5 м. В это время американцы достигли более значительных успехов в разработке рационального профилядоменных печей, опередив европейских конструкторов [I, с. 29J.
К концу минувшего столетия была создана конструкция доменной печи, принципиально не отличающаяся от современной. Вновь сооружаемые печи имели облегченную тахту, опиравшуюся на металлические колонны. Для подводавоздуха к фурмам устанавливали кольцевой воздухопровод. На .многих американских печах применяли охлаждение заплечиков и верхней части горна. Четко определились два типа конструкции доменных печей — американский и немецкий. Особенностью первого был металлический кожух, на который опираются все колошниковые устройства. Вес кладки шахты, кожуха и колошника передается на колонны, окружающие горн. Немецкая конструкция не имела сплошного железного кожуха. Кирпичная кладка стягивалась железными бандажами. Колошниковые устройства держались на колоннах, которые служили продолжением колонншахтной части печи.
В последние десятилетия прошлого века коренной реконструкции подверглись отдельные элементы доменной печи. Б 18G7 г. немецкий инженер1 Ф. Люрман впервые соорудил печь с закрытым горном. Для выпускашлака в гори была вделана специальная фурма, охлаждаемая проточной водой.. Она расположена значительно нише воздушных фурм, по которым в печь подается горячее дутье. Фурма Люрмана облегчила операции по выпускушлака из печи и быстро получила широкое распространение.
Переход к сооружению горнов закрытого типа облегчил конструктивное решение устройств для их охлаждения. Специальные холодильники были предложены и для охлаждения заплечиков. Таким образом, интенсивное охлаждениегорна и заплечиков наряду с использованием более высококачественных огнеупоров способствовало повышению долговечности службы ;>тих важнейших элементов доменной печи.
Применение горячего дутья все более высокой температуры потребовало существенного изменения конструкции фурм. Когда температура вдуваемого в печь воздуха превысила 200° С, появились литые чугунные фурмы, внутри которых находился змеевик с проточной водой. В 18G5 г. их начали заменять более совершенными бронзовыми фурмами с водяным охлаждением. Фурменный прибор доменных печей представлял собой довольно громоздкую конструкцию. Несмотря на охлаждение, фурмы часто горели и требовали замены. В дальнейшем стали использовать составные фурмы. Наружная часть фурмы, охлаждаемая водой, прочно вделывалась в кладку печи, не достигая зоны горения топлива. В нее вставляли тонкую и длинную дутьевую фурму, соединенную патрубком с кольцевым воздухопроводом, окружающим печь и объединяющим все фурмы.
Отходящий газ доменных печей использовали в качестве топлива. В состав колошникового газа входят окись углерода и водород. Его теплотворная способность достигает 900 ккал/м3 и более.
В 1850 г. английский инженер Парри впервые сконструировал газовый: затвор на колошнике печи, объединив его в один агрегат с прибором для засыпки шихты. Аппарат Парри состоял из засыпной воронки и конуса, запирающего ее снизу. Благодаря простоте и надежности это устройство с небольшими конструктивными изменениями используют и до нашего времени. Оно обеспечивает наиболее рациональное распределение шихты в доменной печи при ее загрузке. Колошниковый газ удаляется из печи по специальным газопроводам. Усовершенствование засыпного и газоулавливающего аппарата Парри заключалось в применении двойного конуса, что обеспечило полную сохранность колошникового газа при засыпке шихты. Американский инженер Мак-Ки предложил вращать воронку засыпного аппарата с помощью специального электромотора. Это обеспечивает равномерное распределение шихты в доменной печи.
Значительный рост высоты и производительностидоменных печей в XIX в. потребовал серьезной реконструкции устройств для подачи сырых материалов и уборки продуктов плавки. Старые подъемники вертикального типа требовали присутствия рабочих на колошниковых площадках, которые вручную подавали вагонетки с шихтой от подъемника к загрузочному аппарату. Уже в середине прошлого столетия вертикальные подъемникистали заменять наклонными. Это позволило механизировать,. а потом и автоматизировать процесс загрузки печей.
На европейских металлургических заводах на рубеже XIX—XX вв. наиболее широко использовали наклонный бадьевой подъемник, Цилиндрические бадьи, наполнявшиеся шихтой на складе сырых материалов доменного цеха, электролебедкой подавали по наклонному подъемнику на загрузочную площадку и устанавливали под засыпной воронкой. Затем днищебадьи автоматически открывалось и шихта высыпалась в печь.
В США подъемники вместо бадьи имели открытую с одной стороны вагонетку — скип. По наклонному мосту ходили одновременно два скипа. Пока один из них наполнялся шихтой в так называемой скиповой яме. второй скип автоматически переворачивался над колошником, шихта поступала в засыпной аппарат. Скиповой подъемник по сравнению с бадьевым отличался простотой устройства, надежностью в работe и более высокой производительностью. Скиповые подъемникистали использовать на металлургических заводах всех стран.
В 60-х годах XIX в. все шире осуществлялся переход к новым способампеределачугуна в сталь. Бессемеровские конвертеры перерабатывали жидкий чугун. В мартеновских печах также более экономичной была выплавка стали из жидкого чугуна; в этом случае не требовалось топлива для расплавления чугуна, который уже поступал в жидком виде, значительно сокращалась и продолжительность процесса плавки.