Металлургия и физика.

Митр металла окружает нас. Из него сделаны корабли и самолеты, станки и автомобили, приборы и сельскохозяйственные машины, экскаваторы и аппараты бытовой техники, космические корабли и мосты, нефтевышки и газгольдеры. Роль металлургии в жизни человечества огромна. Ведь металлургия, развиваясь, в свою очередь стимулирует развитие смежных областей индустрии: горного дела, топливной промышленности, химии, машиностроения, энергетики, значение которых само по себе велико.

Чтобы произвести 1 т металла, надо затратить 4-5 т исходного сырья. Черная металлургия потребляет, например, почти четверть всего добываемого в стране угля; ей необходимо также очень большое количество огнеупоров, флюсов и металлов, используемых в качестве присадок; 20% всей электроэнергии, производимой в стране, тоже поступает на металлургические предприятия.

А сам металлургический комбинат – потребитель не только сырья, но и сложнейшего оборудования: доменного, сталелитейного, прокатного, литейного и т.д. Не случайно заводы, производящие металлургическое оборудование, такие, например, как Уральский завод тяжелого машиностроения им. Серго Орджоникидзе, стали одними из самых больших машиностроительных заводов мира. В свою очередь металлургические заводы, производя прокат и отливки, дают полуфабрикат машиностроению. А машиностроение – одна из основных отраслей современной техники. Кроме того, очень значительное количество металла потребляет строительство. Применение металлоконструкций и сборного железобетона резко увеличило спрос на прокат и арматурную сталь и, таким образом, развитие металлургии непосредственно связано с ростом индустриальных способов строительства как промышленного, так и гражданского. Нельзя не упомянуть о значении металлургии для роста химической и нефтегазовой индустрии, требующей, как известно, огромное количество труб большого диаметра, гигантских резервуаров, реакторов и т.д.

Следовательно, прогресс металлургии стимулирует развитие смежных с ней отраслей техники, в которых трудятся миллионы людей, и в свою очередь сам стимулируется развитием этих отраслей. А это означает, что экономика страны, обладающей высокоразвитой металлургической промышленностью, всегда будет носить индустриальный характер.

Наконец, развитие металлургии имеет огромное значение и для оборонного потенциала страны. Вот почему так глубоко и верно определение В.И. Лениным роли железа в современном обществе. «Относительно железа – одного из главных продуктов современной промышленности, одного из фундаментов, можно сказать, цивилизации – отсталость и дикость России особенно велики».

Кстати, в России в 1913 г. производство стали составило всего 4,2 млн. т, в то время как в США производили 31,8 млн. т стали. За годы советской власти развитие металлургии шло исключительно высокими темпами. В 1965 г. в СССР было произведено 91 млн. т стали. А согласно Программе КПСС, в дальнейшем производство стали составит 250 млн. т в год. Чтобы представить себе, как колоссальна эта цифра, скажем, что из всего этого металла можно отковать круглую заготовку диаметром 1 м и опоясать ею земной шар по экватору.

Человечество издавна знакомо с железом, хотя оно в чистом виде в природе и не встречается. Единственное исключение – гренландское месторождение железа, возникшее в результате любопытного явления. Очевидно, произошло извержение вулкана, причем магма содержала железную руду. По случайному стечению обстоятельств извержение прошло через пласт угля. Таким образом, руда в магме частично восстановилась и затем застыла в виде зерен железа, вкрапленных в кристаллическую породу.

Однако в период первых цивилизаций человек смог познакомиться лишь с метеоритным железом. Производить же его из руды люди научились примерно в 1500-1200 гг. до н.э. Это железо получалось при нагревании руды в горнах, куда закладывали древесный уголь. При этом процессе руда не плавилась, а железо восстанавливалось в губчатую массу, которая получила название «крица». Крица проковывалась, при этом из неё выбивались частицы шлака, снова подогревалась, пока, наконец, не становилась годной для поковок. Кстати, древняя крица и до наших дней таит в себе немало загадок. До сих пор неясна причина удивительной коррозионной стойкости некоторых изделий из крицы. Так, например, близ Дели (Индия) стоит колонна из крицы, откованная около двух тысяч лет тому назад. Пока трудно понять, почему колонна не корродировала во влажном муссонном климате, тем более что, когда индийские ученые решили поставить контрольный опыт и с этой целью отлили аналогичную колонну, то последняя разрушилась от коррозии через несколько месяцев.

В XIV-XV вв. появилась домна – основной металлургический агрегат. Естественно, что конструктивно первые домны и нынешние весьма существенно различаются в первую очередь размерами, но принципиальное решение было найдено именно в средние века. Первые домны работали на древесном угле: лишь в 1735 г. на смену древесному углю пришло минеральное топливо. В XIX в. были созданы сталеплавильные агрегаты: мартен и конвертер, а несколько позже – электропечь. Основной сталеплавильный агрегат – конвертер был изобретен первым, хотя интенсивное внедрение его в металлургию произошло лишь в нашем веке.

Таким образом, металлургический процесс в своем принципиальном решении создан очень давно – около 100 лет тому назад. Но ученые продолжали поиски в этой области, потому что и ныне существующий металлургический процесс во многом ещё не совершенен. Например, подсчитано, что по теоретическим данным для производства 1 т стали достаточно лишь 1/3 т условного топлива. На самом же деле расходуется до 1,5-2 т, т.е. в 5-7 раз больше. Причину этого расхождения нетрудно понять, если учесть, что только при прокатке бесполезно теряется большое количество тепла.

Но это лишь частный пример, хотя и немаловажный. Главное в другом. Основа современного технического процесса – это непрерывная технология. Самая высокая производительность труда, как правило, достигается на таких производствах, где организован конвейер, независимо от того, собирают ли на нем моторы, станки или автомобили. Известно, что внедрение в строительную практику унифицированных железобетонных панелей позволило поставить на поток сборку жилых домов, причем подобные методы строительства успешно внедрены во всех городах страны. Однако металлургический процесс в отличие от ряда ныне существующих технологических процессов – отнюдь не непрерывный, а периодический, что вызывает целый ряд трудностей. Домна выплавляет чугун, который выпускают в ковши. Затем чугун заливают или в мартен, или в конвертер, или в электропечь. Наконец, полученная сталь поступает в отливку или на прокатный стан. Причем лишь сравнительно недавно в металлургию начала внедряться непрерывная разливка стали.

Таким образом, очевидно, что главный порок современной технологии получения стали – это дискретность, т.е. прерывность процесса. В идеальном решении металлургический цикл должен представлять собой своеобразный конвейер, в начале которого в передел поступает шихта, а на конце выходит или конечное изделие, или прокат. Сегодня металлурги начинают широко обсуждать различные аспекты этой актуальной технологической проблемы. Так, например, профессор М. Глинков писал (газета «Правда» от 3 марта 1965 г.): «На основе практики периодических процессов и достаточно достоверных расчетов можно считать, что производительность агрегатов непрерывного действия будет значительно выше производительности мартенов. В непрерывных агрегатах этого возможно достичь за счет совмещения во времени основных и вспомогательных операций сталеплавильного процесса и за счет проведения отдельных элементов этого процесса в наилучших условиях – с наименьшей затратой времени».

Уже сейчас с целью увеличения выплавки стали создаются огромные 900-тонные мартеновские печи, 270-тонные конвертеры и 250-тонные дуговые печи. Кроме этого, резко форсируется режим плавки, что, кстати сказать, приводит к резкому кратковременному нарастанию тепловых нагрузок. Рассматривается вопрос о конструировании ещё более мощных металлургических агрегатов – таких, например, как 500-тонные конвертеры. Анализируя этот путь с точки зрения непрерывной технологии, легко заметить, что и создание колоссальных сталеплавильных агрегатов и их пиковая перегрузка становятся весьма нерациональными. Кроме того, такие агрегаты требуют создания комплекса вспомогательных механизмов для их обслуживания.

Высокая интенсивность работы в свою очередь ухудшает условия труда сталеваров. Казалось бы, что радикальным способом решения проблемы является комплексная автоматизация. Но комплексная автоматизация металлургического передела в свою очередь ставит очень сложные проблемы. Известный специалист в области автоматизации профессор Г. Шаумян писал: «Основным критерием эффективности автоматизации является улучшение условий труда и резкий рост его производительности». И далее «...таким образом, генеральным направлением в автоматизации должна быть разработка новых прогрессивных технологических процессов и создание таких высокопроизводительных средств производства, которые были вообще невозможны, пока человек управлял вручную процессами производства».

В правоте этого утверждения нетрудно убедиться, анализируя задачу комплексной автоматизации ныне существующего металлургического цикла. В результате периодичности процесса схема автоматики окажется чрезмерно сложной и громоздкой, она будет изобиловать буквально сотнями тысяч различных реле, переключателей, электронных устройств и т.д. И достаточно будет выйти из строя какому-нибудь элементу автоматики, чтобы это привело к остановке всей системы в целом. С другой стороны, когда будет создана новая технология получения металла – непрерывная, то её, как и всякий непрерывный процесс, автоматизировать намного проще; к тому же такая схема будет работать значительно устойчивей, нежели периодическая схема. Естественно, что нельзя обойти и вопрос экономичности автоматизации. Ведь сложная схема автоматики периодического процесса сама по себе будет стоить очень дорого и к тому же потребует большого количества высококвалифицированных специалистов для эксплуатации. Всё это отрицательно скажется на рентабельности производимого продукта.

Вот почему так актуальна проблема непрерывных процессов в технике и, в частности, в металлургии. Это новый путь, позволяющий резко увеличить производительность труда, увеличить выпуск продукции, поднять технологию на новую ступень.

Пути решения этого вопроса лежат в сфере использования новых физических методов и средств, применяемых достаточно широко в области технической физики. Именно применение богатого арсенала физических средств даст возможность металлургии не только создать новую непрерывную технологию производства металла, но и резко улучшить качественные характеристики чугуна и стали.

В предлагаемой брошюре рассматривается ряд способов, закладывающих основы непрерывной технологии с использованием новых технологических решений и некоторых новых методов применения физических средств в металлургии. Учитывая, что эти методы широко известны технической общественности, нежели традиционные способы, авторы изложили этот раздел более популярно, чем предшествующий, посвященный непрерывным процессам производства и обработки металла.