реферат. Железо. История железа
 Скачать 83.77 Kb.
|
4.2 Штюкофены и осмундские печиКонструкция агрегатов была очень похожей, основные различия заключались во «внешнем оформлении»: осмундские печи, как правило, заключались в деревянные срубы, а конструкция штюкофенов усиливалась снаружи каменной кладкой. Штюкофен Печи строили многогранного сечения, чаще всего в виде двух четырехгранных призм с общим большим основанием. Фурма использовалась одна и устанавливалась горизонтально в нижней части печи таким образом, что ниже нее располагались лишь отверстия для выпуска из печи шлака. Печь наполовину загружали порцией древесного угля, перемешанного с небольшим количеством легкоплавкой железной руды. В результате плавления этой первой шихты, стенки нижней части печи покрывались своеобразным защитным слоем – «гарнисажем». Только после такой длительной подготовки агрегата переходили собственно к процессу плавки. Шихту готовили тщательно: куски руды, представлявшей собой красный или бурый железняк с массовым содержанием железа около 50 %, дробили до крупности гороха или лесного ореха, древесный уголь, требования к качеству которого непрерывно возрастали, измельчали до размера грецкого ореха. Оба компонента шихты отделяли от мелких частиц и пыли вручную. Печь наполовину заполняли древесным углем, а затем загрузку руды и угля производили последовательно горизонтальными слоями толщиной не более 10–12 см. После воспламенения древесного угля, в нижней части печи, где проходила реакция неполного горения углерода угля до монооксида углерода, достигалась температура 1400–1450 ºС. Наверху печи (на колошнике) температура отходящих газов, состоящих, в основном, из СО и азота, составляла 700–900 ºС. Поэтому отходящий газ при взаимодействии с кислородом воздуха воспламенялся и непрерывно горел в течение всей плавки. Железистые шлаки отличаются высокой жидкоподвижностью, поэтому они легко вытекали из печи через отверстия в стенках, расположенные немного ниже уровня фурмы. Присутствие в рудах монооксида марганца, взаимодействовавшего с кремнеземом, облегчало восстановление железа и уменьшало его потери в ходе плавки. Плавка продолжалась от 4 до 6 ч., после чего раскаленную до белого каления крицу клещами извлекали через пролом в передней стенке горна. В крице оставались включения угля и шлака, составлявшие до 10 % её массы. Поэтому крицу уплотняли деревянными молотами, а затем тщательно проковывали кузнечным молотом, для удаления шлака из мелких пор. Потери железа со шлаком и в результате отбраковки попрежнему оставались высокими и могли достигать половины от количества железа, попавшего в печь с рудой. Всего за сутки, с учетом постоянного ремонта печи, успевали произвести 2–4 крицы. Высоким был и расход древесного угля. 4.3 Каталонский горнВ раннем Средневековье был разработан еще один способ повышения производительности сыродутного горна, который заключался в разработке конструкции низкой, но интенсивно работающей печи, постоянно подгружаемой шихтой. По пути создания такого горна пошли металлурги юго-западной Европы. В X–XI вв. здесь была разработана технология плавки железа в горнах, получивших название «каталонских». Каталонские горны появились сначала в испанских, а затем и во французских Пиренеях. Современники выделяли три модификации этих агрегатов: собственно каталонский горн – самый крупный по размерам и производительности, а также наваррский и бискайский горны, несколько меньших размеров. Длина горнов составляла от 0,6 до 1,2 м, ширина – от 0,6 до 1,0 м и глубина 0,5–0,8 м (рис. 5.4). Таким образом, объем рабочего пространства пиренейских горнов составлял всего лишь 0,3– 0,9 м 3 , то есть в 5–10 раз меньше штюкофенов, и, тем не менее, они практически не уступали своим «высоким» собратьям в производительности. На каждом железоделательном заводе устраивалось не менее 10 каталонских горнов. Они располагались вдоль одной общей стены, которая строилась со стороны реки, на которой устраивались водоналивные колеса, приводящие в действие дутьевые мехи. Эта стена называлась «заводской». К ней примыкали «фурменная» и «противофурменная» стены. В фурменной стене, под углом около 40 º к уровню земли, устанавливалась коническая, слегка сплюснутая, фурма из красной меди длиной около 20 и диаметром 2–3 дюйма. Противофурменная стена устанавливалась со значительным наклоном наружу и выполнялась с изогнутым сводом. В лицевой стене предусматривались отверстия для ломов (два) и выпуска шлака, а также специальное устройство для установки «шесточной» железной доски, которая меняла угол наклона для регулирования загрузки в горн шихтовых материалов (на рис. 5.4 не показаны). С особой ответственностью строили дно горна. Его выполняли из цельного огнеупорного камня (гранита, песчаника или слюдяного сланца). Верхнюю сторону камня тщательно обрабатывали, добиваясь, чтобы она была гладкой и немного вогнутой. Камни служили от 3 месяцев до полугода. Под камнем, на старом мельничном жернове, устраивалась «постель» из дробленого шлака и глины. Труба над горном не делалась, и для выхода образующихся газов служило отверстие в крыше заводского помещения. Перед началом процесса горн тщательно чистили от остатков предыдущей плавки. Затем засыпали древесный уголь до уровня фурмы и уплотняли его. На плотную постель древесного угля насыпали кусковую руду располагая ее по противофурменной стене. Дополнительные порции древесного угля размещали около фурменной стены. В ходе плавки, по мере выгорания угля и плавления руды, в горн вводили их новые порции, причем отсутствие жестких требований к газодинамическим параметрам шихтовых материалов, позволяло использовать руду мелких фракций. Из рудной пыли делали смоченные водой комки, которые и загружали в горн. Периодически из горна выпускали шлак, пробивая специально предусмотренные для этого отверстия. После прекращения подачи дутья с крицы сгребали покрывающие ее шихтовые материалы. Затем в отверстие в лицевой стене вставляли лом, а второй лом опускали в горн сверху. Действуя ломами как рычагами, крицу вынимали из горна по пологой выгнутой противофурменной стене. В эпоху позднего Средневековья при нормальном ходе процесса извлечение железа из руды в крицу достигало 60–70 % при расходе древесного угля 3–3,5 кг на килограмм крицы. Получался низкоуглеродистый металл (менее 0,5 % (масс.) углерода). Содержание оксида железа в шлаке было существенно ниже, чем в случае применения обычных сыродутных горнов. Оно составляло 35–40 % (масс.). ГЛАВА 5. МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА В 19-21 ВЕКЕ5.1 Бессемеровский процессПри развитии машиностроительной, судостроительной промышленности и распространении железной дороги появилась необходимость в появлении более качественной стали. Для этого ранее применяемые технологии изготовления не подходили. Год изобретения бессемеровского процесса производства стали принято считать 1856. Именно тогда рассматриваемая технология была запатентована автором Генри Бессемером. Подобное изобретение позволило существенно ускорить развитие машиностроительной промышленности и распространить железную дорогу для транспортировки различных вещей. конвертер — устройство, в котором сквозь жидкий чугун, получаемый в доменных печах, продувался воздух. В конвертере происходит выгорание углерода, растворённого в железе, что позволяет получать сталь в существенно больших количествах, чем это было ранее доступно. Альтернативой применения конвертера на протяжении XX века являлась мартеновская печь, в которой также происходило дожигание углерода. К концу XX века мартеновские печи стали очевидно устаревшей технологией и были вытеснены кислородно-конвертерным производством стали. Ранее применяемые методы производства обладали относительно невысоким показателем производительности. Поэтому на заводах не было достаточного количества металла. Тигельный метод был достаточно дорог, а главное, органичен по объему выпуска Бессемер начал работать над улучшением качества получаемого чугуна, которое применялось для изготовления дальнобойного орудия. Получаемые механизмы для дальних выстрелов должны выдерживать длительную эксплуатации. На протяжении длительного периода он разработал довольно большое количество различных технологий, которые позволили повысить качество чугуна и упростить процесс производства металла. До появления бессемеровского процесса производства металла в промышленности практически не было плавленой стали, так как разогреть шихту до температуры более 1 500 градусов Цельсия пока не могли. Продувка полученного сплава проводилась атмосферным воздухом. При этом подача воздуха проходит не на протяжении всего периода производства стали. 5.2 Кислородно-конвертерный процессКислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму Фу́рма ( приспособление для вдувания газа в металлургическую печь) , которая вводится в металл сверху. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров. Впервые кислородно-конвертерный процесс в промышленном масштабе был осуществлен в Австрии в 1952 - 1953 гг. на заводах в городах Линце и Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам городов, в нашей стране - кислородно-конвертерного). В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т, продолжительность плавки в которых составляет 30 - 50 мин. Процесс занимает главенствующую роль среди существующих способов массового производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного способа заключается в возможности переработки чугуна практически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого сортамента сталей, включая легированные, высокой производительностью, малыми затратами на строительство, большой гибкостью и качеством продукции. Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной. Это обеспечивает лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих материалов. Кожух конвертера выполняют сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360осо скоростью от 0,01 до 2 об/мин. В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали через летку исключает возможность попадания шлака в металл. Летка закрывается огнеупорной глиной, замешанной на воде. Процесс производства стали в кислородном конвертере состоит из следующих основных периодов: загрузки металлолома, заливки чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака. Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин лоткового типа. Затем с помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5 % О2. Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 - 60 % от общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего 5 - 7 минут после начала продувки. По достижении заданного содержания углерода дутые отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения перемешивания металла и шлака) выливают в ковш. Полученный металл содержит повышенное содержание кислорода, поэтому заключительной операцией плавки является раскисление металла, которое проводят в сталеразливном ковше. Для этой цели одновременно со сливом стали по специальному поворотному желобу в ковш попадают раскислители и легирующие добавки. Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на шлаковозе под конвертером. Течение кислородно-конвертерного процесса обусловливается температурным режимом и регулируется изменением количества дутья и введением в конвертер охладителей - металлолома, железной руды, известняка. Температура металла при выпуске из конвертера около 1600оС. 5.3 ЭлектропечьВыплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразовании электроэнергии в тепловую при горении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов. Впервые в мире возможность использования дуги для плавления металлов была показана В. В. Петровым в 1803 году. Петров показал, что с помощью такой дуги можно не только расплавлять металлы, но и восстанавливать их из окислов, нагревая их в присутствии углеродистых восстановителей. Кроме того, ему удалось получить сваривание металлов в электрической дуге. Хотя ДСП применялись во время второй мировой войны для получения сплавов стали, широкое распространение получила только после её окончания. В отличие от конвертерного процесса выделение тепла в электропечах не связанно с потреблением окислителя. Поэтому электроплавку можно вести в любой среде - окислительной, восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления. Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют, главным образом в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах. Дуговые печи бывают различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами мощностью до 125 тысяч киловатт. Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги превышает 3000оС. Дуговые печи работают на переменном токе. При горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый период плавки, когда катодом является электрод, дуга горит, т. к. пространство между электродом и шихтой ионизируется за счет испускания электронов с нагретого конца электрода. При перемене полярности, когда катодом становится шихта - металл, дуга гаснет, т. к. в начале плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. При последующей перемене полярности дуга вновь возникает, поэтому в начальный период плавки дуга горит прерывисто, неспокойно. Заключение В данной работе я изучил историю железа как с точки зрения добывающей промышленности, так и с точки зрения его воздействия на человечество в целом. Мною была приведена информация о различных эпохах человечества и влияния железа на развития целых государств за счет этого полезного ископаемого. Из всей вышенаписанной информации можно сформулировать вывод о том, что успех многих древних государств основывался во многом на добыче и использовании железа. Благодаря такой ценности данного полезного ископаемого с каждым веком технологии обработки и добычи железа совершенствовались, тем самым повышая уровень развития человечества, о чем я так же написал в своей работе. Опыт истории взаимодействия человечества с железом демонстрирует нам необходимость продолжения развития во всех отраслях, связанных с этим невероятно важным металлом. Список литературыЧерноусов П.И., Мапельман В.М., Голубев// О.В. Металлургия железа в истории цивилизации. – М.: МИСиС, 2005 – c 64-103 [интернет ресурс]/История производства стали/ https://metallsk.ru/articles/istoriya-proizvodstva-stali/ - дата обращения 12.11.22 [интернет ресурс]/Железо: химические свойства/ http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/chyornyie/zhelezo/osnovnyie-harakteristiki.html /- дата обращения 05.12.22 [интернет ресурс]/Урок 9: железо/ https://100urokov.ru/predmety/zhelezo/ Дата обращения 05.12.22 [интернет ресурс]/производство стали в электропечах/ https://metalspace.ru/education-career/osnovy-metallurgii/proizvodstvo-stali/409-proizvodstvo-stali-v-elektropechakh.html/ -дата обращения 06.12.22 |