Металлы и человек

Впервые этот металл попал в руки человека еще во времена каменного века. Шесть тысяч лет назад древние египтяне делали из него украшения. Наверное, они ценились даже дороже золотых, так как этого металла было тогда меньше, чем золота: ведь только в упавших на землю метеорах находил его иногда человек.

Во втором тысячелетии до нашей эры, четыре тысячи лет назад, этот металл научились выплавлять из руд. Вероятно, первые металлурги, открывшие секрет его производства, жили в странах Древнего Востока — в Египте и Месопотамии. Во всяком случае, в щелях пирамиды Хеопса найдены обломки сделанных из него орудий. Более трех тысяч лет назад с ним познакомились греки и древние народы Закавказья. В Китай этот металл проник еще лет на пятьсот позже. А аборигены Америки и Австралии узнали о нем всего несколько сотен лет назад. Не радостным для них было это знакомство! Новый металл полностью вытеснил камень как материал для изготовления орудий труда и оружия. Из него делали мечи и топоры, посуду и украшения, лемехи плугов и молоты кузнецов. Он вытеснил и бронзу, именем которой был назван целый период в истории человечества. И дал свое имя новой эпохе…

Историки не распространяют название этой эпохи на наше время, обрывая ее где-то в начале нашей эры. Но это не значит, что он стал не нужен. Нет, тысячи новых применений нашел он за минувшие тысячелетия. Многократно улучшили его свойства металлурги, нашли новые удивительные возможности и качества. В тысячи раз выросла его выплавка.

Но особенно стремительным был рост производства этого металла в последнем столетии. Так, если в 1840 году во всех странах мира было выплавлено его около 2,3 млн. тонн, а в 1897 году эта цифра выросла до 3,3 млн. тонн, то в 1960 году она перевалила за 225 млн. тонн.

Если еще в XVIII веке из главного металла делали оружие, корабельные цепи и якоря, гвозди, пуговицы и пряжки, напильники, ножи, пилы и топоры и этим по существу ограничивался список его применений, то в XIX и XX веках число изделий из него растет с головокружительной быстротой.

В 1779 году в Англии из главного металла был построен первый мост. Сколько теперь таких мостов переброшено через реки и пропасти, каналы и проливы — не сосчитать!

В 1787 году на воду было спущено первое судно, сделанное из этого металла. Это была речная шаланда водоизмещением тонн в двадцать. А сколько сегодня таких судов, настоящих плавучих островов водоизмещением в десятки тысяч тонн, бороздят все моря и океаны нашей планеты!

От эпохи к эпохе возрастало значение металла в жизни человека.

В 1788 году в Париже вступили в строй первые сорок миль водопровода, сделанного из того же материала. А сегодня нити трубопроводов оплели все континенты. На тысячи километров перекачивают по ним воду, нефть, газ…

Но главным потребителем главного металла стали дороги, названные его именем.

14 июня 1830 года на конкурсе паровозов победила «Ракета» — машина, построенная шахтером и механиком Джорджем Стефенсоном. Она развила скорость до 30 км в час. «Летела, как ветер», — говорили лондонцы. И это было поистине днем рождения нового транспорта. Нет, наверное, сегодня ни одного человека в нашей стране, которому бы хоть раз в жизни не пришлось воспользоваться его услугами.

По меткому выражению академика И. П. Бардина, весь фундамент современной материальной культуры человечества зиждется на нескольких миллиардах тонн этого металла, добытого трудом людей из руд и воплощенного в станки, машины, сооружения.

Имя этого металла — главного в истории человечества — железо.

На вес золота

Очень немногие люди — сотрудники специальных научно-исследовательских институтов, специалисты-металлурги — могут похвастаться, что они хоть раз в жизни держали в руках самый небольшой слиток чистого железа.

Да, да, не удивляйтесь! По всей вероятности, с вами этого не было. Ибо все то, что мы называем железом, в действительности является чугуном или сталью — сплавами железа и углерода. А по-настоящему чистое железо бывает только в лабораториях, и методы его освобождения от примесей столь сложны, что после очистки оно, вероятно, оказывается не дешевле золота.

Чистое железо — блестящий, серебристо-белый, вязкий и ковкий металл. Оно плавится при 1539 градусах, кипит при температуре около 3000 градусов и крайне непрочно. Из него нельзя построить мост или каркас высотного дома, корпус судна или деталь машины. Только на изготовление безделушек-украшений и можно бы было его использовать да на изготовление некоторых предметов домашнего обихода, вроде ведер и кувшинов. Но, к счастью, железо может быть и прочным… как сталь.

Ученые не раз делали беспредельно простой и в то же время чрезвычайно сложный опыт — клали в фарфоровый тигель кусочки железа, ставили его в электрическую печь и начинали нагревать. Проходили минуты, поднималась температура металла, и вдруг — остановка. По-прежнему отсчитывает киловатт-часы электросчетчик — это значит, что тепло по-прежнему поступает в печь. Но стрелка термометра застыла на одном делении и не движется. Проходит минута, вторая… И вдруг стрелка вздрагивает, и возобновляется равномерное повышение температуры, соответствующее течению времени.

И снова остановка… Тепло подводится к металлу, а температура его не повышается. И снова начинается повышение температуры… Опять остановка, равномерный подъем — и еще одна остановка. Последняя — металл плавится.

Эти остановки всегда, когда мы имеем дело с чистым железом, происходят при одних и тех же температурах. Первая остановка при температуре 768 градусов, вторая — при 910 градусах, третья — при 1400 градусах. А при 1539 градусах, мы говорили, железо плавится.

Нагревание напоминает подъем на лестницу, перемежающуюся широкими горизонтальными площадками. Так же, переходами с площадки на площадку, происходит и остывание металла. Что это за площадки?

Ответить на этот вопрос было нелегко. И первым ответил на него человек, который без всяких термометров и электрических счетчиков невооруженным глазом наблюдал остывание стальных болванок в цехе завода. Это великий русский металлург Дмитрий Константинович Чернов. Он заметил эти площадки.

Сегодня ученые глубоко разобрались в этом вопросе. И вот что они рассказывают.

Первая остановка связана с потерей магнитных свойств железа. До 768 градусов оно магнитно, выше — нет. Наоборот, при охлаждении ниже этой температуры железо становится магнитным. При 910 градусах происходит перестройка всей кристаллической решетки железа. Если до этой температуры атомы железа в кристаллах образовывали кубики и занимали свои места в углах этих кубиков и в центрах их — такая кристаллическая решетка называется объемоцентрированной, — то теперь они образуют кубики, атомы в которых находятся в вершинах кубов и в центрах их граней, — так называемую гранецентрированную кристаллическую решетку. Вот на эту перестройку и затрачивается тепло, когда его подводят к металлу, а температура остается постоянной.

В гранецентрированном кубе содержится на пять атомов металла больше, чем в объемоцентрированном, «упаковка» их здесь плотнее. Поэтому железо меняет при переходе через эту температуру свой объем. Изменяются и некоторые другие его свойства.

При температуре 1401 градус снова происходит изменение кристаллической решетки железа. Выше этой температуры она опять становится объемоцентрированной кристаллической решеткой. И такой остается до температуры плавления.

Железо легко образует сплавы почти со всеми металлами, кроме щелочных и щелочноземельных, и отказывается в большинстве случаев сплавляться с серебром, ртутью, галлием, свинцом и висмутом.

Но самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Вот он-то и образует стали.

Вот для чего нужна «остановка».

Путеводитель по чугунам и сталям

Как это ни странно на первый взгляд, по-настоящему изучены только те сплавы железа с углеродом, в состав которых входит не больше 6,67 процента углерода. Но вот эти-то сплавы, содержащие от долей процента углерода до шести с лишним его процентов, и составляют все многообразие углеродистых сталей и чугунов, которыми располагает современная техника. Малейшее изменение содержания углерода, мало того — изменение условий, при которых образовался тот или иной сплав, например, быстро он охлаждался или нет, уже изменяют его свойства.

Путем проведения тысяч опытов ученые построили так называемую диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов. Выяснилось, что для того, чтобы предвидеть, какими свойствами будет обладать тот или иной сплав, надо знать всю историю его образования — с момента начала застывания и до охлаждения до комнатной температуры, а то и ниже. Вот это и изображает знаменитая диаграмма. Значение ее для черной металлургии не менее, пожалуй, велико, чем значение таблицы Менделеева для химии. Познакомимся же с диаграммой состояния.

Судьбы бесчисленного семейства чугунов и сталей читает металлург по этим линиям.

На нижней линии — ее называют абсциссой — нанесено процентное содержание углерода в железе. Крайняя левая точка соответствует стопроцентному содержанию железа, крайняя правая — 6,67 процента углерода. Это именно то содержание углерода, которое соответствует химическому его соединению с железом. Это соединение химики называют карбидом железа, а металлурги — цементитом. Цементит в чистом виде является чрезвычайно твердым и хрупким веществом. Он легко царапает стекло и имеет нулевую пластичность.

Часть диаграммы состояния сплава железа с углеродом, следующую за 6,67 процента последнего, можно рассматривать как диаграмму состояния сплава цементита с углеродом. Ее исследованиями занимались многие ученые как у нас, так и за границей. Но практического значения эти сплавы не имеют, и мы не будем интересоваться сегодня ими.

На вертикальной линии диаграммы состояния сплавов железа-цементита— так называемой ординате — отмечают температуру. Поле между этими линиями занимают различные состояния сплава.

Верхняя линия диаграммы — линия ликвидуса. Выше ее существует только жидкий раствор углерода в металле. На этой линии при снижении температуры начинается застывание расплава.

Линия ликвидуса по мере увеличения углерода в металле сначала снижается, но потом резко начинает расти. Это означает, что температура начала застывания различна у сплавов, содержащих разные количества углерода. Минимальную температуру имеют сплавы, содержащие 4,3 процента углерода. Это самая низкая точка плавления сплава. Она соответствует самому легкоплавкому сплаву — эвтектике. Этот сплав железа с углеродом плавится при температуре 1130 градусов.

Следующая за линией ликвидуса вниз по диаграмме — линия солидуса. Она начинается в той же точке, что и линия ликвидуса, — мы знаем, что чистые металлы имеют определенную точку плавления, — затем резко снижается и вдруг из кривой линии превращается в прямую.

Это превращение происходит при двух процентах содержания углерода и температуре эвтектики 1130 градусов. Отметим здесь же, что два процента углерода — это максимальное его количество, которое может находиться в железе в виде твердого раствора.

Вся область между линиями ликвидуса и солидуса, — их названия происходят от греческих корней, — это область, в которой сплав находится частично в твердом, частично в жидком виде. В области диаграммы до эвтектики из расплава начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в железе. В заэфтектоидной области из расплава выделяются кристаллы цементита. На линии солидуса происходит окончательное затвердение расплава. Ниже ее сплав бывает только в твердом состоянии. Но изменения его далеко еще не завершены.

Найдите точку, соответствующую на диаграмме состоянию чистого железа, нагретого до температуры 910 градусов. У чистого железа эта линия соответствует одной из «площадок» — той самой, на которой происходит при нагревании перекристаллизация из объемоцентрированной кристаллической решетки в гранецентрированную, а при остывании — наоборот. Из этой точки также выходит какая-то линия, круто спускается до температуры 723 градуса при содержании углерода 0,8 процента и также круто поднимается к уже известной нам точке— 1330 градусов и 2 процента углерода.

На этой линии в сплаве начинается перекристаллизация. Выше этой линии кристаллическая решетка железа гранецентрированная.

Через самую нижнюю точку этой кривой проведена горизонтальная линия. На ней кончается перекристаллизация сплава.

На диаграмме состояний сплавов железо — углерод есть и еще целый ряд линий, главным образом в той области, которая относится к сплавам с малым количеством углерода. Мы не будем рассказывать подробно об этих линиях, которые также свидетельствуют о тех или иных превращениях в сплавах.

Для того чтобы разобраться, что же все-таки может сообщить нам наша диаграмма, рассмотрим застывание сплава, содержащего, например, около одного процента углерода.

При температуре около 1470 градусов, скажете вы, глядя на диаграмму, из расплава начнут выделяться частицы твердого сплава железа с углеродом, имеющие кристаллическую гранецентрированную решетку. Такая структура железа и углерода называется аустенитом.

Аустенит мягок, пластичен, это хорошо знают кузнецы, которые нагревают металл до высокой температуры, прежде чем начать его ковать.

При температуре чуть ниже 1250 градусов весь металл затвердеет. Крупные кристаллы аустенита заполнят весь объем расплава. Углерод, содержащийся в сплаве, в это время весь растворен в нем. Он вклинивается в самую середину гранецентрированной кристаллической решетки. А так как свободное имеющееся там место мало для него, он несколько деформирует, раздвигает всю ее структуру.

Аустенит сохранит свою структуру до пересечения со следующей линией. Это пересечение произойдет при температуре чуть выше 800 градусов.

В нашем аустените содержится, как мы условились, один процент углерода. Он отлично растворился в металле при застывании; весь аустенит при высоких температурах может растворить до двух процентов углерода. Но теперь, когда мы охладили металл до температуры в 800 градусов, столько углерода раствориться в аустените не может. Углерод начинают выбрасывать из кристаллических решеток. Но он уходит не один, а только прихватив с собой на каждый атом по три атома железа в виде химического соединения — карбида железа или цементита.

Это выделение цементита будет продолжаться до температуры 723 градуса, при которой в металле останутся растворенными всего 0,8 процента углерода. И при этой температуре весь оставшийся аустенит превратится в перлит. Это тонкая структура, состоящая из зерен феррита с объемоцентрированной, то есть почти не содержащей растворенного углерода, кристаллической решеткой. Таким он будет оставаться и при нормальной температуре.

Возьмем сплав с содержанием углерода в 0,8 процента. Нагреем выше 723 градусов, чтобы попасть в область аустенита. Выдержим его там некоторое время, чтобы быть твердо убежденными, что весь цементит распался и углерод занял свое место в кристаллах твердого сплава.

Теперь начнем медленно охлаждать сплав. Лучше всего тигель с ним не будем извлекать из электропечи, где мы осуществляли его нагрев, а просто выключим ток. Пусть металл остывает вместе с печью.

Этим способом мы и получим перлит, о котором уже говорили. Измерим его твердость. Окажется, что она равна 200 единицам.

Другой такой же тигель с металлом вынем из печи и дадим ему остыть на воздухе. Измерим твердость. Ого, оказывается, чистый воздух способствовал укреплению здоровья металла! Твердость равна 300 единицам.

Металл из третьего тигля охладим в горячем масле. И масляная ванна полезна металлу. Твердость уже 400 единиц.

И тогда металл из последнего тигля опустим в воду. Взлетает облако пара. Но вот вода перестает кипеть. Достаем слиток и измеряем твердость. Не только спортсменам, но и металлу полезны водяные ванны. Твердость уже 600 единиц — в три раза больше, чем у металла, оставшегося в печи!

Имея перед глазами диаграмму состояния сплава железа и углерода, металлург всегда может сказать, до какой температуры надо нагреть того или иного состава сплав, чтобы закалить его, если он мягкий, или, наоборот, отпустить, если он твердый.

Уже не делая опыта, мы можем вывести из диаграммы и другую закономерность. Чем больше содержится в сплаве углерода, тем он более твердый. Это и понятно: в нем будет содержаться все больше химического соединения железа с углеродом цементита — твердого и хрупкого, и все меньше и меньше феррита — твердого раствора углерода в железе.

Сплавы, содержащие до двух процентов углерода, принято называть сталями. Два процента — это максимальное количество углерода, которое может быть еще растворено в аустените.

Сплавы, содержащие больше двух процентов углерода, называются чугунами.

Вот, оказывается, в чем главное различие между двумя великими братьями сплавами! Мы узнали его, знакомясь с удивительной диаграммой— настоящим путеводителем по чугунам и сталям.

Еще раз пройдем по этой диаграмме.

Мягкие стали с содержанием углерода до 0,3 процента можно гнуть, штамповать, вытягивать в холодном состоянии. Их хорошо берет резец, снимая длинную неломкую стружку. Они хорошо свариваются, легко режутся огнем. Но не пытайтесь их закалить: они почти не принимают закалки.

Стали, содержащие больше углерода — до 0,7 процента, прочны, упруги, но все же достаточно хорошо обрабатываются. И резко увеличивают свою прочность, если их подвергнуть закалке.

Все эти стали называются конструкционными. Из них делаются бесчисленные детали машин, валы, оси, бандажи, железнодорожные мосты, фермы, балки, болты, гайки, гвозди, пружины и т. д. и т. д. Конечно, для каждого изделия подбирают свой сорт стали.

Еще более высокую твердость имеют стали с содержанием углерода выше 0,7 процента. Эти стали — до 1,3 процента содержания углерода— называют инструментальными. Из них делают инструмент для обработки металлов. Конечно, перед тем как пустить этот инструмент в работу, его закаливают. И сталь становится очень твердой.

Еще дальше начинается область чугунов. Совсем недавно он шел только на отливки грубых деталей, таких, как станины станков, да на переработку в сталь. А сегодня даже коленчатые валы автомобилей нередко делают из чугуна, так улучшились его качества. Но о чугунах нам еще придется говорить отдельно.

…Химик, пользуясь периодической таблицей элементов Менделеева, может многое сказать о свойствах того или иного металла, зная только его место в периодической системе элементов. Металлург, имея в руках диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов, не меньше может сказать о качествах той или иной стали, хотя он и никогда не имел с такой сталью дела.

Здесь варят электросталь — металл, превосходящий по качеству булат древних мастеров

Пути, ведущие к домне

Металлургический завод — очень впечатляющее зрелище. Он потряс воображение писателя Александра Куприна еще шестьдесят лег назад, в самом начале нашего века. Молохом, по имени древнего божества, которому приносили человеческие жертвы, назвал его писатель.

«Это была страшная и захватывающая картина. Человеческий труд кипел здесь, как огромный, сложный и точный механизм. Тысячи людей— инженеров, каменщиков, механиков, плотников, слесарей, землекопов, столяров и кузнецов пришли сюда, чтобы, повинуясь железному закону борьбы за существование, отдать свои силы, здоровье, ум и энергию за один только шаг вперед технического прогресса».

Изменилась социальная сущность завода. Изменились профессии людей, дающих жизнь его гигантским сочленениям. Но еще величественнее стал его облик.

Сердце всякого металлургического комбината — его доменные печи. Это к ним ведут протянувшиеся на десятки и сотни километров нити железных дорог от рудников, каменноугольных шахт и известковых карьеров. Это к ним тянутся трубы водопроводов, способных перекачивать целые реки. Это их обступили здания вспомогательных цехов, столь огромных, что их считают самостоятельными предприятиями, — агломерационных фабрик, коксохимических заводов, сталелитейных и прокатных цехов, железных башен кауперов, рудных дворов и многих других подсобных цехов.

Часть из этих предприятий служит для того, чтобы обеспечивать непомерно большой аппетит доменных печей. Другие служат для переработки того, что дает домна.

Словно нити к центру паутины, сходятся к домне судьбы многих веществ. И словно лучи от звезды, расходятся от нее лучезарные судьбы сверкающего металла, драгоценных шлаков, горючего газа.

Есть только один, видимо, путь разобраться в пестром переплетении этих нитей — проследить каждую из них до того круто затянутого общего узла, который и называют доменной печью.

Руда…

Для того чтобы понять ее судьбу, надо сразу сообщить об одной из основных черт характера доменной печи — ее привередливости, разборчивости. Да, она обладает не только отменным аппетитом, но и чрезвычайно разборчива. Чуть что не по ней, и в ее железном чреве начинаются разные неприятности. Она дает меньше чугуна, ухудшает его качество. А то, чего доброго, появится и «козел».

От этого слова — «козел» — бывало, вздрагивали доменные мастера и владельцы заводов. Отчего он происходил, никто не знал. Может быть, попало с рудой в домну слишком много пыли, или оказался некачественным шлак, или прозевал мастер и дутье оказалось чрезмерно холодным… Но в домне возникал и рос, непрерывно рос слиток спекшегося металла, несгоревшего кокса, застывшего шлака. Не поступало дутье, и домна умирала.

Воскресить ее оказывалось трудней, чем построить новую. Домну приходилось ломать, динамитом взрывать стальную скалу, застывшую в ней, и на этом же месте строить новую. Вот к чему иногда приводил недоучет привередливости доменной печи!

Чтобы процесс в домне шел нормально, четко, домну надо «кормить» строго одними и теми же продуктами. Ее можно отрегулировать, «настроить» на любую руду, кокс, флюсы, установить ту или иную ее производительность. Но после этой «настройки» надо выдерживать и количество и качество доменной пищи как можно строже.

Руда является основной составляющей рациона доменной печи. Ох какие разные руды железа имеются в нашей стране! А ведь нередко домны металлургического комбината потребляют руду не только из разных шахт или карьеров, но и из разных месторождений.

Пожалуй, самой лучшей является руда из горы Магнитной. Она содержит свыше 61 процента металла, сотые доли процента вредных примесей серы и фосфора. Несколько уступает ей по содержанию железа криворожская руда — в ней 59 процентов металла, но вдвое больше вредных примесей. 55 процентов железа содержит высокогорская магнетитовая руда, 51 процент — керченская руда, прошедшая, правда, предварительную обработку.

Да разве только в содержании металла дело! Ведь и посторонние примеси к руде имеют большое значение. Они определяют количество и качество флюса, которое надо подать в домну. Важно и физическое ее состояние — много ли в ней крупных и мелких кусков — это определяет проницаемость столба плавильных материалов для газов и расход руды, ибо мелкую пыль стремительные потоки газов уносят с собой.

Кроме того, пористость руды, форма ее кусков определяют скорость хода химических реакций при восстановлении железа в домне, а это в свою очередь влияет на расход горючего.

Качество руды определяется и количеством содержащихся в ней вредных примесей, в первую очередь фосфора и серы. Чем их меньше, тем выше качество получаемого чугуна. Но вредным является, например, и наличие в руде цинка или свинца, которые разрушительно действуют на кладку доменной печи.

Учитывается при оценке качества руды и количество полезных примесей в руде — в первую очередь марганца, реже никеля, ванадия и меди, улучшающих качество получаемого металла.

Нет, если начать кормить доменную печь просто той рудой, которая поступает на завод — предположим, сначала криворожской, потом керченской, — домна будет плохо работать. Поэтому прежде чем «скормить» домне, руду готовят для этого.

Первая стадия подготовки руды состоит в усреднении ее состава. Это осуществляется на рудном дворе — огромном открытом складе руды. Сюда ее привозят из разных забоев, из разных шахт и карьеров и даже из разных месторождений или в трюмах пароходов, или в железных коробках специальных вагонов. Над кучами руды движется гигантский портальный кран. Он буквально «пересыпает из пустого в порожнее», только занятие это имеет здесь большой смысл. Он захватывает железными горстями грейфера порцию руды и несет ее через весь двор, непрерывно словно высевая тоненькой струйкой. Так руды из разных мест, с разным содержанием железа, разного качества перемешиваются друг с другом.

Второй этап подготовки руды к плавке — это ее обогащение.

Прежде всего руда проходит дробление. Дробилки, с грохотом пережевывающие своими тяжелыми челюстями огромные глыбы руды, — ворота каждой современной обогатительной фабрики.

После дробления, промывки и рассортировки по крупности пути руды разделяются. Куски величиной с кулак и несколько меньше поступают на рудный склад. Мелочь идет на дальнейшую переработку.

Она попадает в шаровые мельницы — гигантские вращающиеся вокруг горизонтальной оси бочки, в которых перекатываются чугунные шары. Непрерывный град ударов обрушивается на руду. Полученный порошок проходит магнитное обогащение. Но полученный железорудный концентрат еще не годится для доменной печи. Если эту пыль загрузить в домну, ее или выдует сразу же потоками газов, или она забьет поры и образует в домне «козла». Поэтому она проходит третью стадию подготовки— агломерационную фабрику.

Главным агрегатом агломерационной фабрики является ленточная спекательная машина. Она представляет собой большой транспортер, составленный из железных звеньев, на один конец которого поступает порошок железной руды, колошниковая пыль, коксовая пыль, которая тоже не может пойти в таком виде в домну, и… известняк. Да, тот самый известняк, который играет в домне роль флюсов.

Так «пекут» хлеб доменных печей.

Под звеньями транспортера находится камера, в которой постоянно поддерживается некоторое разрежение. Смесь веществ, насыпаемых из бункеров на транспортер, обжигается пламенем горелок, работающих на доменном и коксовом газе. Непрерывно просасываемый через слой раскаленных веществ воздух поддерживает в них горение.

В этом раскаленном слое и происходит спекание частиц руды. Одновременно выгорает и некоторая часть серы, содержащейся в руде. Происходит разложение извести. Она становится продуктом, пригодным для доменного процесса. Дойдя до конца ленты, спекшийся, еще раскаленный агломерат — твердый, серый, пористый камень — разламывается на куски и попадает в специальные вагоны.

Вот этим-то агломератом (так называют его доменщики) и отсортированными крупными кусками руды питается современная доменная печь.

Кажется, сколько хлопот с обыкновенной рудой! Не лучше ли больше заботиться об управлении доменной печью, чем о таком сложном приготовлении пищи для нее? Не дешевле ли будет?

Нет, не дешевле. Подсчитано, что увеличение содержания железа в руде, идущей в домну, всего на 1 процент повышает производительность печи на 2,5 процента, а расход кокса снижает на 2 процента. Если прикинуть величину цифр, помноженных на все домны Советского Союза, мы увидим, что цифры экономии получаются очень большими, во всяком случае значительно превосходящими цифры расходов на обогащение и на агломерацию.

Флюс…

Знаете ли вы, что в любой руде содержатся породы, имеющие температуру плавления значительно более высокую, чем температура в доменной печи? Например, глинозем плавится при температуре в 2050 градусов, а максимальная температура в печи не превышает 1800–1900 градусов. Между тем глинозема в рудах содержится до 8 процентов. Что же с ним происходит, как удается удалить его из домны?

Вот эту-то задачу — перевести тугоплавкий глинозем и другие вещества в жидкое состояние — выполняют флюсы. Они образуют с глиноземом сплавы, температура плавления которых всегда ниже, чем у самого тугоплавкого из входящих в сплав вещества. Эти сплавы образуют шлак, выпускаемый периодически из домны.

Обыкновенно в качестве флюсов на металлургических заводах используют известняк, реже — доломит и еще реже — мартеновские шлаки.

Кокс…

Обыкновенным каменным углем, даже самым лучшим антрацитом, не может питаться доменная печь. Ведь она привередлива. Ей нужен кокс.

Это и понятно. Тридцатиметровой высоты столб перемежающихся слоев руды, флюсов, горючего лежит в железокаменной трубе доменной печи. И все это вместе должно составлять губчатую, пронизанную порами массу, иначе сквозь нее не смогут пройти газы. Каменный уголь не сможет удержать этого столба грузов, он не обладает такой прочностью. Поэтому, перед тем как использовать его в домнах, каменный уголь превращают в кокс.

Далеко не всякий уголь может превратиться в кокс. Далеко не всякий кокс может пойти в доменную печь.

Впрочем, и кокс сегодня также изготовляют обычно не из одного какого-нибудь угля, а из смеси их. Этот процесс смешения углей напоминает усреднение руд. На Ждановском коксохимическом заводе он осуществляется следующим образом.

Четырех марок уголь поступает на этот завод. Уголь каждой марки поступает в свое хранилище — огромные башни высотой с восьмиэтажный дом.

И этот «пирог» — домне.

Из них уголь через специальные дозаторы направляется на ленту транспортера. Из каждого хранилища течет своя струйка угля: из одного — струйка потолще, из другого — потоньше, из третьего — опять толстая. Как бы многослойный пирог создают они налейте транспортера.

Этот пирог попадает в машины, где осуществляются перемешивание и размол угля. Только после этого смесь углей поступает в коксовые печи.

Коксовая печь — это узкая, но длинная и высокая щель. Ширина ее не превосходит 0,4 м — ведь ее боковые стенки и являются теми противнями, на которых жарится коксовый пирог для домны. Если сделать щель коксовой печи шире, пирог может не пропечься насквозь. Высота этой щели достигает 4,5 м, а длина — 15 м. Вот в нее-то и засыпается смесь углей для коксования.

Коксовые печи строят целыми батареями — одна щель вплотную к другой. А между ними оставляют узкие ходы, в которых сжигают газ. Стенки щелей, в которых лежит уголь, нагреваются до 1000–1100 градусов. Происходит сухая перегонка угля — ведь загореться он из-за отсутствия кислорода не может. Из него испаряются летучие вещества, куски угля срастаются между собой. Весь процесс длится 12–14 часов.

Специальная машина открывает дверцу коксовой печи и выталкивает из нее готовый кокс. Его тушат, охлаждают и сортируют. Только куски не менее 25 мм в поперечнике поступают в домну. Самый мелкий порошок кокса используется на агломерационной фабрике. Промежуточные фракции идут в металлургические цеха. Крошкой посыпают чугун в ковшах, чтобы он не покрывался твердой коркой.

Приготовленный таким методом кокс придирчиво исследуют в лабораториях. В специальный барабан загружают 410 кг кокса и начинают его вращать. 150 оборотов должен выдержать он, причем сквозь щели барабана должно отсеяться не больше определенного количества мелочи. А иногда делают и полный подробный химический анализ.

Такой длинный путь проходит каменный уголь, прежде чем он станет пригоден в пищу доменной печи.

Домна дышит…

Она вдыхает воздух, выдыхает доменный газ.

Но и дышать обычным воздухом, каким дышим все мы, не может доменная печь. И воздух для нее должен пройти специальную подготовку.

Нелегко приготовлять для домны ежеминутно 3500 кубических метров воздуха. Воздуха, содержащегося в зрительном зале Большого театра в Москве, доменной печи не хватит и на десять минут нормального дыхания. За час она вдыхает 270 тонн воздуха, за сутки — 6500 тонн. Чтобы увезти этот воздух в сжиженном, например, виде, понадобилось бы шесть товарных эшелонов.

Подают такое количество воздуха специальные гигантские вентиляторы— воздуходувки. Они засасывают воздух и сжимают его до давления в 3–3,5 атмосферы. Приводятся в действие воздуходувки паровыми турбинами. Мощность паровой турбины, приводящей одну воздуходувку, — 14 тысяч лошадиных сил. Табун в 14 тысяч лошадей, оказывается, нужно, чтобы прогонять сквозь домну ежесуточно 6500 тонн воздуха!

Сжатый воздуходувками воздух надо нагреть до температуры 800—1000 градусов. Для этого на пути его к домне ставят специальные воздухонагреватели — так называемые кауперы. Они представляют собой гигантские, под стать домне башни. Внутри они имеют огнеупорную решетчатую кладку, занимающую большую часть внутреннего пространства. Эта кирпичная кладка и является своеобразным аккумулятором тепла.

Сначала в свободной от кладки части башни сжигают доменный газ. Яростное пламя клокочет в тесной камере. Горячие газы горения с грохотом проносятся сквозь решетку кирпичной кладки и нагревают ее до температуры более 950 градусов. Тогда пламя горелки выключают, а через каупер начинают прокачивать воздух, направляемый в домну. Он нагревается, проходя через кирпичную кладку, до температуры 800–900 градусов.

Конечно, кауперов около каждой домны строят несколько — три, а то и четыре. Пока один обслуживает домну дутьем, другой нагревается, третий находится на ремонте. Но ведь и температура воздуха, проходящего сквозь каупер, постоянно снижается. А ведь домне и воздух нужен с постоянной температурой.

Это обеспечивается специальными автоматическими устройствами, которые направляют в каупер только часть идущего в домну воздуха, причем изменяют постоянно эту часть таким образом, что, смешавшись за каупером с холодной частью потока, они создают смесь постоянной, ровной температуры.

…Когда-то, всего чуть больше ста лет назад, считали, что чем холоднее дутье, подаваемое в домну, тем «ровнее ее ход». Вывод этот делался из того, что зимой печи работали несколько лучше. Первый же опыт в этом направлении изменил все устоявшиеся представления.

Оказалось, что нагрев дутья всего на 300 градусов снижает расходы топлива почти на одну треть. Одновременно процесс интенсифицируется, идет более энергично, производительность домны повышается. Это и понятно: энергии кокса в этом случае не надо тратиться на подогрев воздуха. Заключенное в нем тепло целиком уходит на полезную работу.

Чем выше температура дутья, тем экономичнее работа домны. Поэтому металлурги ведут борьбу за повышение температуры дутья.

В последние годы делаются опыты по обеспечению и постоянства влажности дутья, постоянства содержания в нем водяного пара. Начали добавлять в дутье доменных печей и природный горючий газ — это снижает расход кокса. Доменная печь, оказывается, дышит не только подогретым, а прямо-таки кондиционированным воздухом. Таким воздухом мы едва-едва начали обеспечивать немногие лучшие концертные и театральные залы.

Доменной печи нужно не только есть, дышать, но и пить. Правда, воду она потребляет только для охлаждения. Целые реки ее текут в трубопроводах нижней части стенок печи, ее горна, охлаждают металл фурм, по которым подается дутье.

Для охлаждения доменной печи требуется около 20–25 кубометров воды на каждую тонну выплавляемого чугуна. Значит, в сутки крупная доменная печь прогоняет по венам своей охлаждающей системы 50 тысяч кубометров. Это целое озеро длиной в 100, шириной в 100 и глубиной в 5 м!

Если воду известного Ильмень-озера употребить на охлаждение доменных печей Магнитогорского комбината — а это озеро имеет

1100 кв. км и среднюю глубину около Юм— и не возвращать воду в озеро, оно будет выпито домнами до последней капли меньше чем за три года.

Сам Гаргантюа позавидовал бы ее аппетиту!

Таков аппетит современной доменной печи. Что же представляет она сама — железокаменная башня, увенчанная тяжелой короной переплетающихся труб, окруженная цехами предприятий, непрерывно готовящих для нее руду, флюсы, кокс, воздух и воду? Что творится в ее огненном нутре, в котором плавятся горные породы и рождается главный металл человечества?

Сверху опускаются руда, кокс, флюсы. Снизу, пробиваясь сквозь их слои, поднимаются воздух, газы горения. Проследим, что происходит с шихтой по мере ее опускания сверху вниз на разных этапах ее огнистого пути.

Самая верхняя часть доменной печи называется колошником. Он закрыт тяжелым чугунным приспособлением, выполняющим целый ряд задач. Во-первых, оно равномерно распределяет поступающую сюда шихту по всей площади сечения домны. Во-вторых, не дает уйти доменным газам наружу, рассеяться в воздухе. Доменный газ слишком ценный продукт, чтобы не стоило постараться не упустить его в атмосферу. В-третьих, оно улавливает этот газ и направляет его для использования.

Сложнейшие химические реакции вершатся в огнедышащем чреве домны.

Руда, флюс и кокс поступают в домну отдельными порциями. Их развеска, дозировка, доставка и засыпка полностью автоматизированы. В процессе работы практически весь объем доменной печи заполнен слоями медленно опускающейся смеси этих веществ — шихты. Проходя те или иные участки домны, шихта претерпевает целый ряд превращений.

Прежде всего из нее испаряется влага — ведь доменный газ под колошником имеет температуру 200–300 градусов. При этой температуре начинает выделяться даже так называемая кристаллизационная, то есть химически связанная, влага.

Расширяющаяся книзу часть внутренней полости доменной печи называется шахтой, самый широкий ее участок— распаром. В шахте и распаре происходит восстановление окислов железа газами. Главную роль в этом играет окись углерода. Она имеет интереснейшее свойство отнимать у окислов железа кислород, который присоединяет к себе, и превращаться в углекислый газ При этом выделяется чистое железо.

Окись углерода, пройдя слой руды, у которой она отняла кислород, попадает в слой кокса. Здесь нет кислорода, но зато сколько углерода! И молекула углекислого газа отдает отнятый ею у руды атом кислорода атому углерода, пришедшему из кокса, снова превращаясь в окись углерода. И в следующем слое руды эта молекула окиси углерода снова может восстановить атом железа.

Опускаясь все ниже, руда становится все беднее кислородом, все больше образуется чистого железа. Ведь для восстановления железа из руды вовсе не нужна температура в полторы тысячи градусов. Эта реакция отлично идет при температуре в 450–900 градусов. Восстановленное железо находится в твердом состоянии, представляет собой нечто вроде мягкой губки, в порах которой находятся частицы кокса, шлака, посторонних примесей. Оно очень чисто в это время, только что родившееся железо. В нем нет ни серы, ни фосфора, ни даже углерода. И многих изобретателей мучит мысль: а нельзя ли на этом закончить процесс и, отделив железо от примесей, сразу получить его чистым, а не в виде чугуна? Но шихта опускается ниже, и в железе начинает растворяться углерод. Сразу снижается температура плавления — ведь сталь и чугун плавятся при меньшей температуре, чем чистое железо. И при температуре в 1250–1300 градусов появляются первые капли металла. Они стекают в нижнюю часть доменной печи, в так называемый горн.

В верхней части горна расположены отверстия для дутья. Это сквозь них вдувается в домну нагретый воздух. Вокруг фурм — самое горячее место печи. Здесь бушует пламя, сгорает в кислороде воздуха углерод кокса.

В нижней части печи образуется и шлак. Он тоже стекает в горн, но так как он значительно легче чугуна, он плавает сверху. Внизу остается слой чугуна, над ним — слой шлака. Их и выпускают из домны через два отверстия, называемых летками. Одно отверстие служит для выпуска чугуна, другое — для выпуска шлака.

Конечно, мы рассказали о тех химических и физических процессах, которые протекают в доменной печи, и кратко и неполно. Действительная картина значительно сложнее. А всех ее деталей не представляют себе и ученые. Изучение доменного процесса продолжается.

И еще одно: домны непрерывно совершенствуются. Изменяется — растет — объем доменных печей. Увеличивается давление газов, проходящих сквозь «слоеный пирог». Повышается температура дутья, варьируется его состав. Все это интенсифицирует доменный процесс, повышает производительность. Усовершенствуются и механизмы обслуживания домны. В последнее время делают попытки все управление домной поручить кибернетическим машинам.

Драгоценные шлаки

У доменной печи нет отходов. Все, что она дает, может быть полезно использовано. И если не используется, то только по нерадивости и бесхозяйственности.

Охлаждающая вода… Она уносит из стен доменной печи огромное количество тепла. Ее используют для отопления квартир, парников, снабжения бань и прачечных, для агротеплофикации — подземного полива теплой водой огородных культур, что в ряде случаев вдвое и втрое увеличивает урожаи.

Доменный газ… Более 5 млн. куб. м этого газа дает ежегодно домна. Правда, он не очень энергоемкое горючее — в каждом кубическом метре его содержится всего 850—1000 килокалорий, но и это вполне применимо в целом ряде случаев. Но прежде доменный газ надо очистить.

Есть много способов очистки доменного газа от увлеченной им из шихты пыли, содержание которой иногда достигает до 100 граммов в каждом кубическом метре газа. Обычно грубая первичная очистка производится в инерционных пылеуловителях, чаще называемых циклонами. Струям газа в них придают спиральное движение, заставляют быстро менять направление движения. И центробежная сила, возникающая при этом, выбрасывает частицы пыли из газового потока. Содержание пыли в газе, прошедшем эти аппараты, понижается до 2–5 граммов на кубический метр. Дальнейшая очистка осуществляется в скруберах, где газ течет между увлажненными поверхностями или вообще сквозь струи воды, на которых оседают частицы пыли. Сверхчистую очистку производят в электрофильтрах или дезинтеграторах. В электрофильтрах частицы пыли, попадая в сильное электрическое поле, заряжаются и осаждаются на одном из электродов. Дезинтеграторы очищают газ от пыли мощным потоком распыливаемых вентилятором брызг. Прошедший окончательную очистку газ содержит в себе не больше пыли, чем воздух в вашей комнате.

Вся отделившаяся в газоочистителях пыль используется на агломерационных фабриках.

Мы уже знакомы с использованием доменного газа. Это он спекает рудную пыль на агломерационных фабриках, нагревает кирпичную кладку воздухонагревателей — кауперов. Он работает и в коксовальных печах, производя сухую перегонку каменного угля. Но ему находится на металлургическом комбинате немало и другой работы. В смеси с коксовым газом он сгорает в мартеновских и нагревательных печах, приводит в движение газовые турбины воздуходувок и электрогенераторов и т. д.

Доменные шлаки… Мы назвали их в начале главы драгоценными, и это так и есть.

Бесчисленны применения бывшего отброса.

Шлак мы получаем уже в расплавленном виде. Это горная порода, подобная лаве. Из нее сразу же можно делать отливки — брусчатку для мощения дорог, кислотостойкие облицовочные плиты, трубы. И это почти даром, без всякой дополнительной затраты топлива, только подставить под струю шлака форму, а затем извлечь из нее отливку.

Из доменных шлаков можно изготовлять отличные цементы. Для этого надо шлак — его берут процентов 70–85 — размолоть вместе с цементным клинкером. Получаемый продукт имеет высокую стойкость против действия минерализационных вод и низкое тепловыделение при твердении. Он дешевле обычного цемента, а может применяться везде, где применяется обычный цемент: и в плотинах гидростанций, и в железобетонных стенах сборных домов. Это отличный строительный материал Один из тех материалов, в которых как раз особенно нуждается сейчас наша страна.

Немногие, наверное, из неспециалистов слышали о шлаковой вате. А между тем это отличный теплоизоляционный материал, выдерживающий нагрев до 600 градусов. Изготовление ее крайне несложно: струю шлака разбивают потоком воздуха, и он застывает тонкими и длинными спутанными нитями.

А шлакобетон, шлаковая пемза, щебень — все это тоже может быть получено из шлака.

Колыбелью стали называют иногда мартеновскую печь.

Но, увы, еще очень и очень во многих местах с приставкой «шлако» используют только слово «удаление». Шлаки выливают из доменной печи в ковши емкостью в 20–25 тонн и отвозят на свалку. Чтобы шлак размельчить, его выливают вместе со струей воды: стремительно остывая, он трескается на мелкие кусочки. И растут горы драгоценных шлаков рядом с некоторыми металлургическими комбинатами…

Вот что сказал о шлаках академик И. П. Бардин:

«Шлаки — это огненно-жидкий материал, искусственно получаемый при расплавлении металлических руд. Он подобен материалу, который сама природа „изготовляла“ в давние времена, извергая из недр земли огненные вулканические породы.

Шлаки — это вовсе не отход, как привыкли считать их в течение столетий и как „по инерции“ считают еще и сейчас консервативные и нерадивые хозяйственники.

Шлаки — это сотни миллионов рублей, это тысячи новых домов, это база для дальнейшего строительства!»

Во многих странах, например в Германской Демократической Республике, весь получаемый шлак сразу же направляется на расположенные рядом цементные заводы. И металлургические комбинаты выдают, помимо чугуна, почти такое же по весу количество лишь немногим менее важного, чем чугун, материала — цемента.

В нашей стране почти половина доменных шлаков — более 20 млн. тонн! — и поныне не используется.

…Если увидите, как электровоз или паровоз вывозит на свалку ковши со шлаком, знайте: вы явились свидетелем преступления.

Мы рассказали о судьбах всех продуктов, вырабатываемых в вулканических недрах доменной печи, кроме главного — чугуна.

Вот рабочие проделали первое крохотное отверстие в глиняной летке, и первая тонкая, раскаленная добела струйка расплавленного металла побежала через него. Вот она выросла в ручеек, а затем и в целый пышащий жаром поток. Он сбегает по литейной канавке прямо в ковш, привезенный паровозом.

Чугун идет!

Нет, давно уже не растекается чугун на наших передовых заводах по сделанным в земле канавкам в формы. Его сразу увозят в жидком виде на переделку в сталь.

Чугун идет!

Это новые комбайны и автомобили, рельсы железных дорог и перемахнувшие через реки пролеты мостов, каркасы фабричных цехов и тонкие часовые механизмы.

Чугун идет!

Но долог еще путь этого огненного потока до того совершенного изделия, которое будет служить человеку…

Превращение в сталь

Когда-то железо выплавляли в небольших горнах. Оно получалось мягким, почти не содержащим углерода. Закалялось оно обычно очень плохо.

Росли потребности в металле, росли и печи для их выплавки. Уже в середине XIII века нашей эры в Европе появились шахтные печи. В России их несколько позже назвали домницами. Это уже довольно высокие башни, в которых и осуществлялась выплавка металла.

И тогда-то произошло неожиданное. Металл, выплавляемый в таких домницах, оказался никуда не годным. Он не ковался, был хрупким. Его считали безнадежно испорченным. Это был чугун. В переводе с английского это слово означает «свинское железо». Да и по-русски чугунные отливки нередко называют чушками.

Значительно позже научились выплавлять из чугуна сталь.

Для неспециалиста чугун и сталь совершенно разные металлы. Действительно, чугун — это неуклюжие, громоздкие станины тяжелых станков, неповоротливые катки асфальтоукладчиков, черные сковороды и чугуны домашних хозяек, а сталь — это кружевные переплеты железнодорожных мостов, упругая пружина механизма наручных часов, звонкие буры и сверла, не боящиеся ударов молоты и зубила, вибрирующие от напряжения механизмы станков. Все, что делается из чугуна, можно сделать из стали, и будет не хуже, а лучше.

Поэтому большая часть чугуна идет на переделку в сталь. Суть этой переделки ясна: надо удалить из чугуна избыток углерода, снизить его содержание в металле с 4–5 процентов до долей процента. Но как это сделать? Как извлечь из толщи расплавленного чугуна таящиеся между молекулами железа молекулы углерода?

Это чаще всего осуществляется в мартеновских печах.

Мартеновская печь напоминает снаружи огромный железный ящик. Внутри он выложен огнеупорным кирпичом. Весь этот ящик, вмещающий 300, 350, а то и 500 тонн металла, нередко делают способным наклоняться, поворачиваясь на огромных опорах вокруг горизонтальной оси.

…Жарко в мартеновском цехе и зимой, когда на улице сорокаградусный мороз, и особенно летом, в тридцатиградусную жару. По чугунным плитам пола подходим к мартену. В крохотное окошечко через синее стеклышко заглядываем внутрь. Там под ударами воздушного вихря колышется добела раскаленная поверхность расплавленного вещества. По ней пробегает мелкая рябь волн. Нет, это мы видим не сталь, это — шлак.

А в соседнюю печь тем временем загружают шихту — стальной лом, чугун, флюсы, железную руду. Все эти добавки сложены в специальных корытах — так называемых мульдах. Умная большая машина подхватывает мульду длинным стальным хоботом и засовывает в пышащее жаром нутро мартена. Там она переворачивает ее и высыпает содержимое на под печи. Вынимает пустую мульду, забирает новую и т. д. Работает она удивительно ловко и быстро.

После того как в печь будет загружено полагающееся количество шихты, печь начнут прогревать. Затем из ковша в нее зальют взятый из миксера расплавленный чугун.

Яростное пламя бушует под сводом мартеновской печи. Температура его достигает 1700–1800 градусов, а в фокусе горения — и до 2 тысяч градусов. Огнеупорные вещества, которыми выложены и свод, и стены, и под мартена, работают на пределе плавления. Зорко смотрит сталевар, как бы не потекли сосульки кирпича со свода печи.

Производство стали — это не просто профессия, это еще и сегодня искусство. Через каждые 15–20 минут лаборанты берут пробу металла и шлака. Сталевару помогают многочисленные приборы, в том числе спектрометры и магнитометры. Но очень многое сталевар должен еще просто чувствовать. Сложнейшие процессы обмена веществ происходят в шлаке и металле. Сталевар руководит этими процессами, добавляя в печь по мере надобности или железную руду, или флюсы, или шлак. Он сливает первый шлак с металла и наводит новый шлак, добавляя в печь известь. И, наконец, он сообщает: сталь готова.

К мартену подъезжает гигантский ковш, и струя стали льется в него. Весь процесс переделки чугуна на сталь занимает несколько часов.

В настоящее время 80 процентов всей выплавляемой на земном шаре стали производится в таких мартеновских печах.

Ну, а какие еще способы переделки чугуна в сталь известны сегодня? Какому из них принадлежит будущее?

Бессемер против мартена

Мартеновский способ производства стали возник лет на десять позже бессемеровского и все-таки практически почти вытеснил последний. Этому имеется целый ряд причин.

Бессемеровский способ, безусловно, более производителен. Заключается он в том, что в большой грушеобразный сосуд — конвертор — наливают жидкий чугун и продувают через него воздух. В толще чугуна начинаются энергичные реакции окисления кислородом воздуха содержащихся там примесей, в первую очередь углерода. Процесс этот идет очень энергично. Кипящий, чуть ли не взрывающийся металл бушует в конверторе, сноп искр вылетает под потолок цеха из его горловины. Пятнадцать-двадцать минут длится весь процесс — и сталь готова. Наклоняется горлышко сосуда, и успокоенная струя металла выливается в ковш.

Так легко, быстро, удобно! Не надо затрачивать дорогого горючего, как в мартене: металл здесь разогревается сам за счет тепла, выделяющегося при выгорании примесей.

Но мартен дает более качественную сталь. В бессемеровской стали растворено много азота: ведь воздух, который сквозь нее продували, на 4/5 состоит из этого газа. В ней встречаются крупинки окислов железа, целые воздушные пузырьки. Такую сталь рискованно применять для ответственных деталей. Она неожиданно может поломаться. А в мартене процесс выгорания железа идет ровно, спокойно, можно обеспечить практически любой состав выплавляемой стали. К тому же мартен позволяет использовать для выплавки стали не только жидкий чугун, но и металлический лом, чугунные чушки.

Соперник мартена — стремительный бессемер.

И все-таки бессемеровский способ передела еще нельзя сдавать на свалку. И у него есть свое, и неплохое, будущее. Обеспечивают его новейшие работы советских металлургов.

— Если главной причиной плохого качества конверторной стали является растворенный в ней азот, и он появляется там при ее продувке воздухом, то почему бы нам не отказаться от азота? — решили они. — Почему не продувать металл одним кислородом, который только и нужен для выгорания кремния?

Так и сделали. И оказалось, что сталь получается очень неплохая по качеству. Эти опыты были впервые проведены в 1945 году под руководством инженера Николая Илларионовича Мозгового на московском заводе «Динамо». В 1956 году на выплавку стали на чистом кислородном дутье перешел конверторный цех металлургического завода имени Петровского. А в начале 1958 года вступил в строй самый крупный цех такого типа на заводе «Криворожсталь».

Плавка в конверторе с применением кислорода осуществляется несколько иначе, чем с воздухом. Прежде всего кислород подается не снизу «груши», а через трубку, опущенную в металл сверху. Ведь в месте соприкосновения кислорода и металла температура поднимается до 3 тысяч градусов. При такой температуре плавятся самые тугоплавкие металлы — молибден, тантал, ниобий. Дно конвертора очень скоро прогорало бы, если бы кислород подавали через отверстия в нем, как подают воздух в бессемеровском контейнере.

Плавка на кислороде идет медленнее, чем на воздухе. Подачу газа несколько раз прекращают, чтобы металл несколько остыл и из него успел выделиться шлак. Поэтому она длится 20–25 минут вместо 15 с воздухом. Но и при такой замедленной плавке один конвертор емкостью всего в 35 тонн стали не уступает по производительности 500-тонному мартену: ведь конвертор успевает дать в сутки 50 плавок, то есть 1600 тонн стали, а мартен — лишь 2 плавки, то есть 1000 тонн. И конвертор, конечно, стоит значительно дешевле мартеновской печи. Так, строительство конверторного цеха на Кузнецком комбинате, запланированное на годы семилетки, обойдется, как сообщил в докладе на внеочередном XXI съезде КПСС Н. С. Хрущев, в три раза дешевле, чем строительство мартеновского цеха такой же мощности, и будет осуществлено в более короткие сроки. 1200 тысяч тонн стали будет давать ежегодно этот цех. Отличной стали, не уступающей мартеновской.

На наших глазах происходит второе рождение конвертора на новом техническом уровне.

Но вряд ли стоит спорить, кто кого победит: мартен бессемера или бессемер мартена. По всей вероятности, обновленный бессемеровский процесс будет мирно сосуществовать с мартеновским, вырабатывая для страны все больше, все лучшей по качеству стали. Тем более, что у них обоих есть очень серьезный соперник…

Сталь, рожденная молнией

Металлурги глубоко изучили к настоящему времени процесс превращения чугуна в сталь, влияние шлака того или иного состава, влияние различных примесей и добавок. И сегодня идеальным, с их точки зрения, было бы такое ведение процесса, в котором не участвовали бы ни воздух, ни газы горения топлива. Только варьируя добавками, шлаками, примесями, они берутся сварить самую лучшую сталь точно заданного состава.

Что ж, возможность осуществить такой процесс существует. Мало того, он довольно широко уже применяется. Это — электросталеплавильный процесс.

Печи для электроплавки вышли уже из младенческого лабораторного возраста — они достигают емкости в добрые 180 тонн стали. Это сложные агрегаты, имеющие разнообразное электрическое и механическое оборудование.

…В печь загружают шихту. Включаются и опускаются графитовые электроды. Вот они приблизились к металлическому лому шихты, и молнии обвили куски стали.

Начинается плавка.

В пламени электрических разрядов температура достигает 4 тысяч градусов. Шихта стремительно плавится, струйки металла стекают и накапливаются на подине. И вот электроды уже коснулись жидкого металла.

Уже во время плавки добавляют сталевары в электропечь известь и другие флюсы, наводя первый шлак. В него начинает переходить из расплавленного металла фосфор. Затем они обеспечивают удаление из металла водорода, азота и неметаллических включений. И первый шлак удаляют, скачивают. Для образования нового шлака в печь снова добавляют известь…

Мы не будем рассказывать весь ход плавки, перечислять все добавки железной руды, извести, плавикового шпата, присыпки шлака ферросилицием и молотым коксом, продувки сквозь жидкий металл кислорода и т. д.

Каждая из этих операций имеет свою задачу, свой смысл. И в результате всех этих манипуляций, длящихся около шести часов, получается сталь, какую нельзя получить никаким другим способом. Она содержит предельно малое количество фосфора и серы, очень немного неметаллических включений и точно заданные количества, тех добавок, которые запланированы металлургами.

Иногда в электропечах доваривают сталь, выплавленную в мартене или бессемеровском конверторе. В этом случае продолжительность плавки сокращается до трех часов.

У электростали есть только один существенный недостаток: она дорога. Ведь на производство каждой тонны стали надо затратить около 700 киловатт-часов энергии, не говоря уж о расходе флюсов, электродов и т. д.

Могучее дитя вырастает у такой няньки.

И все же выплавка электростали во всем мире стремительно растет. Уже в 1955 году в США производство ее достигло 7,6 млн. тонн — 7,1 процента от общей выплавки стали. В нашей стране в этом же году было выплавлено 3,4 млн. тонн электростали — 7,5 процента от общей выплавки. Таким образом, Советский Союз занимает второе место в мире по производству электростали.

Электросталь — могучий соперник конвертора и мартена. Но мы видим, что занимаемые ею сегодня позиции и в нашей стране и во всем мире еще не сравнимы с позициями конверторной, а тем более — мартеновской стали.

И все же, вероятно, за ней будущее, если только развитие металлургии не изменит резко своего пути и переделка чугуна в сталь не окажется вообще излишней.

Новорожденный соперник

Но если вы скажете, что вся сталь, получаемая в нашей стране сейчас, выплавлена или в мартеновских печах, или в бессемеровских конверторах, или, в крайнем случае, в электропечах, то вы все-таки ошибетесь. И дело не в том, что кое-где у нас выплавляют для специальных целей кричное железо прадедовскими способами прямо из руды, — нет, новый соперник мартена родился совсем недавно. Первый оборот он сделал в 1958 году в мартеновском цехе Нижне-Тагильского металлургического комбината.

Первый оборот? Что за странность?

Ничего странного здесь нет. Просто соперник мартена представляет собой вращающуюся цилиндрическую наклонную печь.

Она невелика, размером и формой внешне напоминает бетономешалку и так же невзрачно выглядит по сравнению с величественными мартенами, стоящими рядом, как сказочный Конек-Горбунок рядом со своими золотогривыми братьями. Но она, бесспорно, уже в первом своем варианте превосходит по всем показателям мартеновскую печь. Вот как она работает.

Нет, вовсе не с фантастической скоростью вращается ее корпус — он делает всего лишь от 0,2 до 1 оборота в минуту. Из подвесного бункера в нее, когда она еще неподвижна, загружают руду и известь, затем по желобу заливают из ковша чугун, а затем через это же отверстие две фурмы подают в печь кислород.

Одна фурма погружается в расплавленный металл. Пробивающийся сквозь жидкий расплав кислород соединяется с углеродом. Из металла вырывается угарный газ. Его-то и дожигает кислород из второй фурмы. Температура в печи поднимается до 2 тысяч градусов.

Оператор включает рубильник, и печь начинает поворачиваться. Это усиливает перемешивание металла, убыстряет процесс выплавки. Выгорают и сера и фосфор. Постоянное перемещение расплавленной массы по стенкам печи предохраняет, защищает их от разрушения высокой температурой.

Весь процесс варки стали занимает не более 20 минут. Вместе с загрузкой печи, сливом шлака и металла время плавки — 50 минут. Но и это означает возможность осуществлять 24 плавки в сутки.

Преимущества роторной печи даже перед усовершенствованным конвертором несомненны. Она выплавляет сталь с любым по существу содержанием углерода — от 0,05 до 0,8 процента. По качественным показателям эта сталь превосходит конверторную. При конверторном производстве выход годного металла равен 84 процентам, при роторном — на 3 процента больше. А кислорода на передел требуется меньше. Обслуживают роторную печь всего три человека. Малютка является серьезным соперником и мартеновским печам: ведь ее стоимость — даже первой экспериментальной установки! — в восемь раз ниже стоимости мартеновской печи такой же производительности. И места она занимает несравненно меньше. И топлива не требует — только на разогрев, после того как она находилась в ремонте и долго не работала.

Вторая такая же печь сооружается на «Азовстали». Опыт эксплуатации этих первых печей позволит более точно оценить их возможности и права на большую жизнь в металлургии.

Рожденная в вакууме

Перешагнем сразу через целую цепь технологических операций. И вот мы в цехе подшипникового завода. Автоматический контролер берет шарики по одному и быстро поворачивает их перед окуляром фотоэлемента. Электронный представитель ОТК придирчив, но справедлив. Он не забракует хорошего шарика, но и не пропустит бракованного.

И вот у нас в руках брак. В полированном сверкающем металле высокого качества видны какие-то черные точки, соринки.

— Посторонние неметаллические включения, — комментирует специалист-металлург.

Да, конечно, эти шарики не смогут работать в ответственнейших узлах машины — ее подшипниках. Автомат правильно сделал, забраковав их. Но какими путями попали эти соринки в сверхчистый, с превеликой тщательностью выплавленный и обработанный металл?

Таких путей несколько. Первый — их могли занести вместе с нечистыми шихтовыми или шлакообразующими материалами. Второй — это могут быть частицы, выкрошившиеся из футеровки печи или ковша, в котором несли сталь. Третий — это могут быть окислы тех веществ, которые специально вводят в расплавленную сталь для ее очистки, — марганца, алюминия, кальция, титана… И атмосферный воздух, в-четвертых, нередко является виновником таких образований, главным образом окислов и нитридов.

Как от них избавиться или хотя бы резко снизить их количество?

Ответ на этот вопрос ясен: готовить более чистую шихту, тщательнее ремонтировать футеровку, быстрее разливать металл, чтобы он меньше соприкасался с воздухом. И можно осуществить плавку металла вообще в вакууме.

Это дело, конечно, не простое — накрыть электропечь и автоматическое или имеющее дистанционное управление разливочное устройство колпаком, из-под которого выкачан воздух. К тому же откачку паров надо вести непрерывно, ибо они в большом количестве выделяются из металла. Частично они были растворены в нем, частично образуются за счет химических реакций, которые в нем протекают во время плавки.

И все же такие печи уже существуют. В них ведут выплавку лучших марок легированных сталей и сплавов титана, хрома и некоторых других металлов, особенно чувствительных к растворенным в них газам.

Бывает очень полезно осуществлять в вакууме хотя бы разливку полученной стали. В этом случае ковш со сталью помещают в вакуум. Из расплава начинают энергично выделяться растворенные в нем газы. Многие неметаллические включения так же быстро всплывают на поверхность металла и уходят в шлак. Сталь становится качественнее.

Так вакуум стал помощником металлурга. И у него большие перспективы стать одним из главных помощников. Недаром в докладе на внеочередном XXI съезде КПСС Н. С. Хрущев сказал: «Для повышения качества продукции намечается организовать широкое использование вакуума в металлургических процессах…»

Бесконечный слиток

И вот тяжелый ковш, вмещающий добрую сотню тонн стали, величественно плывет под сводами цеха.

«Сталь идет!» — говорят в таких случаях в цехе, и это звучит не менее величественно, чем слова «Чугун идет!» — у домны.

Вот ковш над изложницами — огромными чугунными сосудами, вмещающими по нескольку тонн стали. Они готовы принять металл. Их внутренние поверхности тщательно очищены стальными щетками, обдуты воздухом, смазаны особым составом. Огненная струя устремляется в изложницу.

Сталь застывает. Она застывает медленно: ее теплопроводность — нам это уже известно — в десять раз ниже, чем у меди, в шесть раз ниже, чем у алюминия. Не быстро проходит огромное количество выделяющегося при ее кристаллизации тепла через уже застывшие слои металла.

Кристаллизация стали начинается на периферии, с поверхности металла, прикоснувшегося к металлу изложницы. Здесь возникает корка мелких, хаотически расположенных кристаллов. От этой корки уже начинают расти со всех сторон слитка к его середине крупные, хорошо ориентированные кристаллы металла. К середине сталкивают они все посторонние примеси. И здесь, в связи с тем что при застывании сталь уменьшается в объеме, образуется усадочная раковина, слабина, область ослабленного и загрязненного металла.

Хитроумными ухищрениями удается перенести большую часть усадочной раковины в верхнюю часть слитка. А ее, перед тем как пустить слиток в прокатку, отрезают и отправляют на переплавку. Приходится обычно отрезать и отправлять на переплавку и нижнюю часть слитка. Таким образом до 10–15 процентов стали приходится возвращать в мартен. Пятнадцать тонн из каждых ста тонн выплавленной стали!

Пятнадцать процентов на переплавку — это ужасно!

Это дорого да и не очень удобно. И на наших заводах внедряется сейчас новый способ разливки стали — непрерывная разливка.

Ковш с жидким металлом останавливается не над изложницей, а над специальным разливочным устройством. В какой-то степени оно подобно бункеру, из которого дозаторы равномерно непрерывной струйкой выдают сыпучий материал. Здесь этот материал — жидкая сталь. Отсюда она поступает в кристаллизаторы.

Кристаллизаторы — это квадратные ящики без дна и крышки, зато медные стенки их сделаны двойными и между ними непрерывно циркулирует охлаждающая вода. Вместо дна в кристаллизаторах вставлены куски стали же — так называемые затравки. Вот на них-то и изливается металл.

Соприкоснувшись с медными стенками кристаллизатора, сталь мгновенно покрывается тонкой корочкой застывшего металла. А затравка начинает опускаться. С ней вместе движется и только что образовавшийся стальной кулек — тонкая пленка твердого металла, содержащая внутри жидкую сталь. Но все толще и прочнее становятся стенки этого кулька, и когда металл выходит из кристаллизатора, они уже достаточно прочны, чтобы удержать, не разлить жидкое содержимое. И тут на их еще белые, пышащие жаром стенки обрушивается дождь мелких водяных брызг — затвердевает весь объем слитка.

И тогда рядом с непрерывно растущим слитком появляется газорезка. Острое лезвие пламени, опускаясь вместе со слитком, отрезает от него кусок длиной метра в два. Стальные руки специальных кантователей бережно подхватывают его и подают на транспортер. Всего пятнадцать минут назад бывший жидкой сталью в ковше слиток готов поступать в валки прокатного стана.

Слиток этот непохож на полученный в изложнице. У него нет усадочной раковины. От него не надо отрезать куски в переплавку. Он превратится в прокат — швеллер, рельс, уголок — в несколько раз быстрее, чем при обычной разливке.

А некоторые отливки и не пойдут на прокат. Ведь кристаллизатору можно придать практически любую форму и сразу получить швеллер, уголок — все, что захочется, устраивало бы только качество металла.

Советский инженер А. Н. Мясоедов предложил конструкцию машины для непрерывной отливки труб, работающей на этом принципе. Кристаллизатор при этом делается круглым, а в центре его сверху спускается внутренний охлаждаемый кристаллизатор. Все остальное целиком и полностью соответствует обычному ходу процесса. Машина Мясоедова предназначена для отливки чугунных труб, но может быть применена и для отливки стальных, медных, латунных и т. д. так же, как и принцип непрерывной разливки может быть применен при производстве самых различных металлов.

Не просто было создать установку для непрерывной разливки. Тысячи опытов пришлось проделать, прежде чем из нее пошел в промышленность первый доброкачественный металл. Это произошло в мае 1955 года в новомартеновском цехе завода «Красное Сормово».

Нельзя сказать, что и сегодня установки непрерывной разливки стали работают идеально, хотя число их за минувшие годы значительно выросло. Нет, конечно, нет! Прежде всего, еще слишком мала их производительность— всего около метра в минуту скорость движения слитка из кристаллизатора. Но ведь и скорость полета первых самолетов составляла всего 40–50 км в час, а сегодня она выросла в 40–50 раз. Вырастет и скорость движения слитка, увеличится и производительность установки. За этим методом разлива стали — большое будущее.

Ворота металла

Да, мимо этой машины нельзя пройти, не заметив ее! Она одна занимает целый гигантский цех, растянувшийся чуть не на полкилометра. Ее главный двигатель имеет мощность в 5–7 тысяч лошадиных сил, а общий вес механизмов составляет 3–4 тысячи тонн.

Это — блюминг.

Блюминг — это ворота, сквозь которые неизбежно проходит весь прокат в стране. Все, что имеется у вас дома, кроме сковородок и чугунов на кухне, — перо в вашей ручке, гвозди, железные детали часов, корпус холодильника, детали замка, коньки, водопроводные трубы, — все сделано из металла, когда-то прошедшего сквозь эти ворота.

Принципиально устройство блюминга как будто бы и не очень сложно. Главное в нем — прокатные валки диаметром иногда свыше метра. На валках выбраны углубления — ручьи. Именно сквозь них проходит прокатываемый слиток. Верхний валок подвижный — он может опускаться и подыматься, увеличивая и уменьшая просвет между валками. К валкам и от них ведут рольганги. Главный пост управления расположен на возвышении перед станом. Здесь находятся два оператора.

Нелегко раскатать огненное тесто.

Вот слиток — прямоугольная, двухметровой длины глыба металла весом в 5, а то и 8 тонн, раскаленная до температуры в 1100–1220 градусов, разбрасывая искры, выползает из нагревательной печи. Ее подхватывают железные катки рольгангов и несут к валкам блюминга. Перед самой заготовкой те приходят в движение и захватывают ее самым широким ручьем. Словно кусок пластилина в пальцах ребенка, сминается металл в железных ладонях блюминга. Летят искры, и с другой стороны валков выходит уже несколько обжатый слиток. Его подхватывают рольганги и относят на некоторое расстояние от валков.

Нет, работа блюминга еще далеко не закончена. Рольганги не уносят далеко слиток. Они вдруг изменяют направление движения и возвращают его к валкам блюминга. Те несколько сдвинулись, просвет между ними стал меньше. И снова обминается податливый металл.

Так происходит несколько раз. Специальные устройства — кантователи — переворачивают слиток с боку на бок, пока его форма не станет строго соответствовать требующейся. Обычно это бывает прямоугольник со стороной от 125 до 450 мм. Впрочем, иногда блюминги прокатывают и слябы — плоские заготовки толщиной в 75—125 мм, шириной от 400 до 1600 мм.

Но вот требующийся профиль получен. Рольганги относят прокатанный слиток, ставший вдруг неожиданно длинным, в другой конец цеха. Здесь гигантские ножницы отрезают от него концы, которые тут же специальный конвейер уносит на переплавку, и разрезают его на части требующейся длины.

Тяжело было бы рабочему, если бы ему пришлось управлять всеми механизмами гигантского стана, включая и выключая их по ходу операции.

К счастью, гигантская машина хорошо автоматизирована. Оператор только «набирает» на специальном щите требующуюся программу обработки. Он как бы отдает этим приказание, сколько раз пропустить слиток сквозь валки, на какую величину при каждом проходе уменьшать просвет между ними, когда перевернуть слиток и в какой ручей направить. А затем автоматически действующие механизмы точно выполнят все его распоряжения.

Во время прокатки слитка за ним непрерывно наблюдают внимательные зрачки фотоэлементов. Вышел слиток из нагревательной печи, попал на рольганг — и фотоэлементы включают их на движение к валкам главной клети. Прошел он валки — и фотоэлементы переключают вращение рольгангов на обратное. Нет, не ошибаются умные автоматы!

Прошедший блюминг металл поступает в прокатные станы меньшего размера. Они превращают блюмсы в рельсы, швеллеры, двутавры, в сортовой прутковый металл разнообразных размеров и форм сечения. В тот вид, который охотно используется машиностроением, — в прокат.

Так приходит к нам сегодня черный металл. Три основных этапа его превращения мы видели.

Первый этап — рождение из руды в вулканическом жерле доменной печи. Увы, лишь для немногих целей может быть использован получаемый там непрочный сплав железа и углерода, и поэтому его укладывают в пламенную колыбель мартена — окрепнуть, переродиться в сталь.

Второй этап — это переработка чугуна в сталь. Мы насчитали три практически применяемых вида такой переработки — в мартеновских печах, в бессемеровских конверторах и в электропечах. Но не так уж много вещей в нашем народном хозяйстве делается из литой стали. Поэтому слитки стали, полученные в изложницах, пропускают через блюминг и прокатные станы.

Обработка в валках блюминга — третий этап рождения металла.

А не слишком ли длинна эта дорога, которую должен пройти металл только для того, чтобы стать грубой, необработанной заготовкой, из которой еще предстоит сделать полезную вещь — прокатать рельс, отлить маховое колесо двигателя, отковать лемех плуга?

Великий ускоритель

«Так как горением в таком газе (воздухе, обогащенном кислородом. — М. В.) можно получить очень высокие температуры, полезные во многих (особенно при освещении и в металлургии) применениях, то быть может, что придет время, когда указанным путем станут на заводах и вообще для практики обогащать воздух кислородом…»

Это написал великий Менделеев в своих «Основах химии». Сто лет прошло с тех пор, и мы сегодня видим в применении кислорода один из важных путей интенсификации и совершенствования металлургии. Как далеко вперед умел предвидеть русский химик!

Мы уже говорили о ряде применений кислорода при производстве стали. Однако их значительно больше, чем мы перечислили.

Хорошие результаты дает обогащение кислородом дутья в доменных печах. Правда, при этом резко сужается факел пламени у фурм, через которые подается дутье, но это не мешает обычно нормальному ходу процесса. Зато велики выгоды.

Снижение количества азота в дутье уменьшает его общее количество и, значит, позволяет газам медленнее двигаться через слои шихты. Это улучшает процесс.

Медленное движение газов и снижение их количества позволяют им лучше охлаждаться, подходя к колоснику. Это уменьшает тепловые потери доменного процесса с отходящими газами.

Становится более богатым, энергоемким колошниковый газ. При дутье, содержащем 35 процентов кислорода, получается колошниковый газ, не уступающий по теплотворной способности обыкновенному генераторному.

Ну и, конечно, значительно растет производительность домны. К тому же обогащение дутья кислородом до 35 процентов его содержания не требует конструктивной переделки печи.

Интенсифицирует кислород и мартеновский передел стали. На многих заводах страны уже применяется обогащение подаваемого в мартены воздуха.

Никакой специальной переделки мартеновских печей это не требует, а процесс начинает идти значительно интенсивнее.

Применяется и продувание кислорода сквозь жидкий металл, находящийся в мартеновской печи. Для этого служат специальные фурмы, вводимые в нужный момент сверху в металл. Это несколько напоминает применение кислорода в бессемеровском конверторе.

И в результате на заводе «Запорожсталь», например, продолжительность плавки сокращается с девяти часов до шести.

Добавочный кислородный паек не помешает.

Интересны опыты с продувкой чугуна кислородом прямо в ковше, до заливки его в мартен. При этом — как это похоже на кислородное бессемерование! — частично выгорают кремний, марганец, углерод и можно варить из такого чугуна сталь в мартене без всякой добавки железного лома.

…Все чаще применяется кислород в производстве черного металла. Но это еще только первые шаги. Более крупные великий ускоритель сделает в ближайшем будущем.

В своем докладе на XXI съезде КПСС Н. С. Хрущев подчеркнул, что применение кислорода в металлургии найдет в годы семилетки широчайшее применение. «За счет этого, — сказал он, — можно будет увеличить производительность доменных печей на 8—10 процентов, мартеновских печей — на 20–30 процентов».

Дорогу кислороду!

Разведчики идут в будущее

Да, постоянно совершенствуются, ни на минуту не застывая в раз найденных формах, все звенья этого гигантского и сложного аппарата, служащего для превращения ржавых, бурых камней руды в сверкающий металл. Ученые, инженеры, новаторы — смелые разведчики будущего — выискивают новые и новые пути ускорения процессов, повышения производительности агрегатов, облегчения человеческого труда. И, конечно, в этом огненном конвейере есть еще много, что можно усовершенствовать. И в конце концов будут созданы типовые автоматические металлургические комбинаты, в которых окажется лишним присутствие людей. Все — и управление домной, и составление шихты для нее, и тонкое, ювелирное руководство сталеплавильными печами, и производство проката— возьмут в свои железные руки автоматические машины, снабженные электронными счетно-решающими устройствами. Может быть, один, может быть, два человека будут на целом комбинате для наблюдения над работой некоторых устройств, и все.

Возможно ли это? Да. Скоро ли это произойдет? Нет, конечно, не скоро. Но, может быть, таких комбинатов не будет и никогда, ибо уже давно, оценивая критическим взглядом этот грандиозный конвейер, и специалисты-металлурги и молодые рабочие, впервые знакомящиеся с ним, задают себе один и тот же вопрос: неужели невозможно осуществить это превращение более простым способом? Не через три ступени, а через одну? Существуют, наверное, тысячи проектов реорганизации всего металлургического процесса таким образом, чтобы сразу же получать не «свинское железо» — чугун, а сталь требующегося состава.

Действительно, чего бы, казалось, проще. Чугун собирается на самом дне доменной печи. Устроить в нем отверстия да за пятнадцать минут до выпуска металла продать через расплавленный чугун кислород, выжечь из него углерод прямо в домне и слить в ковши уже малоуглеродистую сталь. И хотя сделать так никто не пробовал, но, по всей вероятности, ничего не получится. Дело не только в том, что бешеный вихрь огня, газов, который начнет бушевать над чугуном, как он бушует над конвертором, нарушит ритмичный, размеренный ход печи. Нет, просто в домне столько углерода, что освободиться от него там немыслимо.

Да, и такие кружевные мосты воздвигнут из сверхпрочных сплавов.

А между тем пути прямого получения железа из руды есть. Их знали уже первые древние мастера. Нет, не утеряны их секреты. И сегодня в нашей стране, на Сулинском металлургическом заводе, в небольших количествах для специальных целей выплавляют сталь из руды в тиглях. В большие горшки из огнеупорной глины закладывают послойно железную руду, уголь, известняк. Затем тигли помещают в печь и нагревают до температуры около 1000–1100 градусов. Мы знаем, что при такой температуре ни железо, ни пустая порода не плавятся. Но за

50—60 часов «плавки» уголь успевает восстановить железо, и его извлекают из горшков в виде спекшегося губчатого куска. Его надо проковать, но это железо, а не чугун.

К сожалению, заменить трехступенчатый процесс домна — мартен — блюминг этот медлительный и неэкономичный способ не может. Он только свидетельство, что пути есть. Ищите!

А вот и попытка найти такой путь. Осуществлена она у нас, на Орско-Халиловском металлургическом комбинате.

Там работает цилиндрическая наклонная вращающаяся печь. Такого типа печей немало можно встретить на разных металлургических заводах. Но никто прежде не применял их для получения железа. В возвышающийся ее конец загружают руду, флюсы, уголь — все в измельченном виде. По мере вращения печи вся эта смесь постепенно скатывается к нижнему концу, а там бьется горячий факел пылеугольного или газового пламени. Газы горения с начальной температурой в 1200–1300 градусов движутся навстречу потоку шихты.

Пустая порода при этой температуре сплавляется с флюсами, образуя вязкие малоподвижные шлаки. А восстановленное железо спекается в комья — крицы. Полученную смесь железа и шлаков охлаждают водой, дробят и рассортировывают магнитным сепаратором. До 35 тысяч тонн крицы в год дает одна такая печь.

Но и этот способ не выдерживает экономического соревнования с существующими. И он только подтверждение, что надо искать.

Вероятно, большие возможности таит в себе обжиг руды в кипящем слое.

Представьте себе большой сосуд, в дне которого проделана масса дырочек и сквозь них непрерывно врывается воздух. Насыпьте теперь в этот сосуд какой-нибудь муки, песка или пыли. Частицы насыпанного вами вещества станут как бы висеть в потоке газов, непрерывно перемешиваясь, образуя волнующийся слой как бы кипящей жидкости. В таком слое очень интенсивно идут многие химические реакции.

Теперь представьте, что в вашем сосуде находится не пыль и песок, а мелко размолотая железная руда и через отверстия в дне врываются раскаленные газы, обладающие способностями восстанавливать железо, Конечно же, в вашем кипящем слое интенсивно пойдет этот процесс восстановления.

Сделайте теперь пол сосуда наклонным, в верхней части подавайте струйкой порции размолотой руды, с нижней сливайте частицы железа и пустой породы на ленту магнитного сепаратора.

Вот и готова первая модель печи с кипящим слоем для бездоменного производства. Сейчас этот метод проходит первые лабораторные испытания. Может быть, они и окажутся удачными.

Но это вовсе не значит, что не надо будет думать над дальнейшим усовершенствованием процесса или что не может быть совершенно другого, еще лучшего решения. Ищите его!

Однажды, в добрую минуту, думая о будущем, известный советский ученый-металлург Иван Павлович Бардин оказал:

— Нет, конечно, существующая сегодня технология получения черного металла далеко не лучшая из возможных… Почему бы не выкинуть из этой технологии все промежуточные энергоемкие, трудоемкие и дорогие процессы и не получать непосредственно из руды чистое железо или сталь требующегося состава, причем сразу в форме готового изделия — рельса, швеллера, двутавровой балки? Почему бы не сделать этот прерывистый сегодня процесс — сначала заготовили руду, потом выплавили чугун, потом его перерабатываем в сталь и т. д. — непрерывным?

По-моему, это безусловно возможно, и будущая металлургия откажется от принятой сегодня технологии. Современные домны, мартеновские печи и бессемеровские конверторы, блюминги и слябинги — все эти аксессуары современной техники не будут приняты техникой будущего.

Конечно, нельзя считать, что, например, через ближайшие десять лет мы начнем ломать доменные печи и на их месте воздвигать какие-то новые устройства для получения чистого железа. Нет, доменный процесс еще не исчерпал себя, он поддается дальнейшему совершенствованию, доменные печи мы строим и еще будем долго строить. Доменная печь и сегодня сложнейший агрегат, снабженный огромным количеством автоматических устройств, обслуживаемый всего несколькими рабочими. Домна завтрашнего дня будет полностью автоматической. Управлять ее работой станет электронная счетно-вычислительная машина, получившая соответствующую программу действий на все возможные случаи отклонения процесса от расчетного.

В ближайшие же годы процесс получения металла станет непрерывным. Из домны будет непрерывно поступать чугун (и сегодня домна, дающая тысячи тонн в сутки, производит его более тонны в минуту), сквозь горячую струю только что выплавленного чугуна продуют кислород — жаркое пламя встанет над ванной, в которой пойдет этот процесс. Пламя унесет с собой излишний углерод, серу, фосфор — все те примеси, которые ухудшают качество металла. Уже не струя чугуна, а сталь льется в дозатор разливочной машины непрерывного действия. А стальные слитки сразу же попадут к ваннам прокатных станов и превратятся в изделие. Такой непрерывный технологический процесс автоматизировать проще, чем сегодняшний, прерывистый.

Металлургия без домны и блюминга? Да, это будущее металлургии.

Вероятно — это еще не ближайшее будущее, а несколько более отдаленная перспектива, — коренным образом изменится вся конструкция домны. Устройство, в котором происходит восстановление металла, будет горизонтальным агрегатом — вроде большой вращающейся трубы. В нее с одной стороны подадут хорошо очищенную порошкообразную руду — окись металла без всяких посторонних примесей, а с другой стороны — восстанавливающий газ, например водород. При таком технологическом процессе можно получить металл в виде мелкого порошка, который после добавки соответствующих легирующих элементов идет на переплавку или сразу на прессование…

Ученый заговорил о другом. Придя домой, я сразу же записал все то, что привел здесь, не изменив ни строчки. И мне нечего к этому добавить, кроме, может быть, только одного слова, которое уже неоднократно встречалось в этой главе:

— Ищите!

Металлургический автомат

Наверное, в тот год, когда в специальных журналах, статьи которых понятны только узкому кругу специалистов, посвященных в тайны профессионального разговора, и поэтому издающихся крайне мизерными тиражами, появятся сообщения о пуске первого автоматического металлургического комбината, для широкой публики это пройдет почти незамеченным. И толпы людей не будут останавливаться у макета этого завода, выставленного в одном из павильонов ВДНХ в Москве. Действительно, разве останавливаются посетители ВДНХ у макетов сверхсовременных домен и мартенов? Специалисты уже полностью «в курсе» — их интересует следующий запланированный шаг их науки, а неспециалисты пойдут в другие павильоны: к коллекции марсианских растений, собранных первой только что вернувшейся экспедицией, к действующему макету термоядерной электростанции, достраиваемой в районе Алдана, к образцам горных пород, поднятых с глубины в 29 километров при бурении разведочных скважин…

Но сегодня многие полжизни не пожалели бы, чтобы хоть взглянуть на этот макет, который будет так неинтересен завтра.

Попробуем же представить себе сегодня этот макет.

…Агрегаты металлургического завода вытянуты в одну линию. Это русло, по которому течет река металла. Но у ее истока нет огненного родника доменной печи, вместо нее — какая-то положенная на опоры вращающаяся горизонтальная труба.

— Печь прямого восстановления, — говорит экскурсовод.

В печи гудит пламя — макет завода работает точь-в-точь как его настоящий двойник.

С одной стороны с трубу шнековый питатель подает мелко измельченную руду, с другой стороны в нее «впадает» труба, по которой поступает горючий газ.

— В нем, в частности, содержатся окись углерода и водород, — поясняет экскурсовод.

Из печи прямо на барабан магнитного сепаратора высыпается какой-то порошок. В нем поблескивают металлическим блеском крупинки неокисленного металла. Сепаратор тщательно отбирает их и отправляет в приемный бункер электропечи, а пустую породу другой транспортер уносит в цех расположенного на этом же макете цементного завода.

Электропечь поражает своей величиной. Она даже больше той газовой печи, в которой родился металл. Несколько пар угольных электродов проходят внутрь сквозь ее крышку. Впрочем, здесь же расположены устройства для индуктивного разогрева и плавления металла. Не в зависимости ли от требуемого качества металла используется тот или иной способ ведения плавки? Экскурсовод подтверждает нашу догадку.

Здесь, в электропечи, в металл поступают требующиеся легирующие вещества и происходит полное или почти полное освобождение от нежелательных примесей. Да, плавка идет в вакууме. Это помогает почти полностью избавиться от растворенных в металле газов. Целое семейство вакуум-насосов расположилось рядом с электропечью, да и весь дальнейший путь, вплоть до полного остывания, металл совершает в вакууме: ведь управляют всеми механизмами, производящими с ним те или иные операции, автоматы, а им вовсе не нужен атмосферный воздух.

Металл переливается из одной секции электропечи в другую, и автоматы тщательно следят за его составом. Одни наводят на нем шлак, другие снимают его, третьи осуществляют еще какие-то операции. И вот он покидает электропечь.

На макете следующая часть установки сделана прозрачной, и мы видим, как тонкая струйка металла попадает в кристаллизатор. Это две бесконечные ленты, подобные гусеницам трактора, приложенным плашмя друг к другу. Между их соприкасающимися звеньями и кристаллизуется металл. И из них выходит еще раскаленная добела, но уже полностью сформованная узенькая — это же макет! — двутавровая балка. Ее здесь же разрезают подвижные газовые резаки, и готовые двутавры направляются в очередную печь на термообработку. Вот рядом с макетом лежит и пачка таких двутавров, уже остывших. Их раздают на память посетителям выставки.

Возьмем и мы… Какой странный этот металл! На темном фоне его явственно виден пестрый узор, напоминающий восточные письмена. А как упруг он!

— Не догадались? — улыбаясь, спрашивает экскурсовод. — Это булат — загадочный сплав древних металлургов. Наш макет настроен на выпуск именно этого сорта стали. Конечно, его большой двойник не занимается этой детской игрой, он выпускает металл значительно лучших свойств. Ну, а здесь для экзотики мы решили…

— А скажите, сколько человек работает на этом заводе? Какова выплавка металла на одного рабочего в год?

— Нелегко ответить на ваш вопрос, — задумывается экскурсовод. — Дело в том, что на этом заводе совсем нет рабочих. В день приема государственной комиссией после отладки все помещения завода были запломбированы. Управляют заводом тоже автоматы. Они составляют и отчетность — о количестве выработанной продукции, проценте брака, качестве полученных заводом исходных продуктов… Они же составляют заявки на требующееся заводу сырье. Правда, раз в два месяца разъездная бригада ремонтников заезжает на завод и производит профилактический ремонт, но эта бригада обслуживает целую группу заводов… Если разделить продукцию завода на них да на немногих рабочих, следящих за подвозом сырья и отправкой готовой продукции, эта производительность будет в сотни раз больше той, максимальной, которую вы знаете…

Давайте отойдем от макета. К нему еще далек путь сквозь время, сквозь творческий труд конструкторов и изобретателей. Но в нем ведь нет ничего невозможного. Все его узлы и детали уже испытаны поодиночке. Их осталось связать в один надежный механизм. И это, безусловно, будет сделано.

Может быть, и не таким он будет в деталях — металлургический завод будущего. Может быть, не вращающаяся печь прямого восстановления, а электродомна или восстановление в кипящем слое будет истоком металлургического потока. Может быть, не добавкой легирующих примесей, а обработкой радиоактивным излучением будут создавать тот или иной химический состав сплава… Это все детали. А главное состоит в том, что это будет автоматическая непрерывная линия, обеспечивающая огромные количества высококачественного металла при минимальной затрате труда. Это — будет!