Некоторые итоги металлургии. Некоторые итоги. Опубликовано в журнале Литейное производство, 2000 год
 Скачать 64 Kb.
|
|
УДК 669.01 Опубликовано в журнале «Литейное производство», 2000 год. В.К. Афанасьев Некоторые итоги и перспективы металлургии Часть I – XX век. Планета Земля – ничтожно малая частица космоса – полностью подчиняется законам Космоса, но не воле человека. Поэтому неразумное поведение человека чревато (предполагается, что это было не раз) гибелью цивилизации. Значительный вклад в эту гибель вносит один из больших разделов деятельности человека – современная металлургия. Глазами металлурга планета Земля – это крупногабаритная шарообразная отливка, кристаллизующаяся в условиях –250С при давлении 10–16 мм рт. ст. Очень малая часть этой отливки застыла ("земная твердь"). Кристаллизация ее дает выделения газов, которые удерживаются магнитным полем Земли и составляют то, что называется атмосферой. "Земная твердь" – это результат дегазации земной жидкости, и как всякий результат такого плана, расположенный на жидкости, он называется шлаком. Это первичные шлаки, т. е. шлаки, не созданные человеком и являющиеся продуктом окружающего и независимого от нас материального мира. С помощью подразделений металлургии (геология, петрография, археология и др.) первичные шлаки нами разделены на два вида: во-первых, те шлаки, из которых мы можем извлечь нужный нам элемент, называем рудой; во-вторых, те шлаки, которые для нас являются препятствием и не поддаются нашим представлениям, мы называем пустой породой. Накопленный опыт изучения химического состава первичных шлаков отливки Земля позволяет сделать главное заключение – это азото-кислородные соединения с подавляюще малым содержанием водорода. Водород, выделяющийся при кристаллизации Земли, удаляется в космос на пополнение запасов межзвездного газа и уже на высоте 100 км атмосфера Земли почти полностью состоит из водорода [1 – 2]. Металлургия многие века получает необходимые для человека металлы с помощью единственно возможного способа – восстановления естественных шлаков до металлического состояния потерянным водородом. Присутствие его в качестве основного восстановителя зачастую завуалировано (электролиз многих расплавов, элементы-носители водорода и т. д.). Например, получение железных сплавов (чугуна и стали) держится на кальции, который имеет большое сродство к водороду, все электролизные процессы получения металлов предусматривают осаждение их на катоде, на котором концентрируется водород и т. д. Практическим путем металлурги вновь для получения монолитного металлического состояния нужного вещества вводят недостающий водород, т. к. монолитное состояние – это Н – N – О. Общепринятый путь получения металлов включает в себя образование расплава, выстаивание и кристаллизацию. Другими словами, металлург повторяет то, что делала природа. Это повторение предусматривает дегазацию расплава при выстаивании, всплывание на поверхность сопутствующих элементов и их соединений, т. е. образование шлака. Такой шлак, сделанный руками человека, называется вторичным. Он получен, по сравнению с природным, быстро и грубо, но главное заключается в том, что в сознании металлурга укрепилась основная подавляющая мысль – такой шлак надо отправлять в отвал, как непригодный для дальнейшего получения металлов. Таким образом, на поверхности Земли накопилось большое количество отходов металлургического производства, которые оказывают очень вредное влияние на экологию, т.е. сокращают жизненное пространство. Попытки переработки и полезного применения вторичных шлаков в деятельности металлургов весьма скромны и часто вредны (шлакоцемент, шлакобетон и др.). Во вторичных шлаках, полученных практически мгновенно, по сравнению с первичными, формировавшимися в течение сотен и тысяч лет, не успевают пройти разделительные процессы и поэтому концентрация вредных элементов (галогены, группы серы и фосфора) в них гораздо больше. Итак, многомиллионные "запасы" вторичных шлаков на поверхности Земли – это первое преступление перед окружающей нас природой. К нему следует добавить побочный продукт металлургической деятельности – отходы военной и "мирной" атомной энергетики. Здесь уровень знаний настолько низок, что продукты разложения радиоактивных элементов тоже складируются в сухих и водных участках Земли. Имеющиеся и создаваемые технологии переработки отходов технической деятельности человека являются весьма дорогостоящими, а потому малоперспективными. В глубокой древности человек определил, что чистый металл имеет низкие свойства по сравнению со сплавом. "Бронзовый" век предшествовал "железному", который длится уже много веков. Так появилось легирование, предусматривающее введение в основу (Si, Al, Fe, Mg, Cu, Ti, Cr, Mo, Co и др.) всех доступных для этих целей элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Усложнение химического состава сплавов часто не достигает поставленной цели, но оно упорно применяется и расширяется. Это влечет за собой резкое повышение стоимости металлических изделий, что в свою очередь тоже снижает уровень жизни. Свойства же и способы получения многих сплавов, экспериментально подобранных в XIX веке и начале XX века, остались выше, чем разработанных впоследствии. Примером этого могут служить нержавеющая сталь 18-8, сталь Гадфильда, быстрорежущая сталь, магнитные материалы и многое другое. Если же эти материалы подбирались опытным путем, то следовало ожидать на их примере создания рабочей теории легирования, которая позволила бы упростить, удешевить, оптимизировать составы и повысить их свойства. Этого не произошло, и до сих пор создание новых сплавов проводится по методу проб и ошибок. К сожалению, этот метод имел расцвет около ста лет назад. Практика же легирования и увеличение объема производства металлов и сплавов потребовали разработки новых месторождений, строительства заводов (в том числе и ферросплавных), новых электростанций для электролиза и прочее. Все это привело к резкому повышению стоимости изделий и ухудшению экологической обстановки и, что самое главное, не дало возможности создать новые металлические материалы со "сверхсвойствами". К настоящему времени цивилизация не имеет материалов дешевых и доступных для создания принципиально новых устройств, несмотря на выдающийся полет конструкторской мысли. Наибольшее достижение металлургии XX века – космические материалы, но они тоже созданы методом проб и ошибок в той сфере науки и производства, где стоимость изделий очень высокая, но она играет второстепенную роль – военно-промышленном комплексе. Итак, победивший путь создания материалов – легирование можно считать вторым крупнейшим преступлением перед природой на Земле. Оба приема современной металлургии – получение металлов и сплавов и легирование появилось от наших предшественников. Они эмпирически закладывали научные основы создания материалов, а мы так и не смогли завершить эту работу по постижению тайн формирования химических, физических и механических свойств. Итог плачевный – XX век заканчивается при полном отсутствии рабочей теории получения металлов и сплавов. Это означает, что наши последователи будут увеличивать количество отходов, строить электростанции, заводы по производству новых легирующих элементов, ферросплавов и лигатур, что в конечном итоге приведет к еще большему увеличению озонной дыры, отравлению окружающей среды, гибели флоры и фауны и неотъемлемой части их – нас самих. Часть II – XXI век. В 1993 году один из выдающихся металлургов нашего времени В.И. Баптизманский в журнале "Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия" (№8) опубликовал статью "Пути развития черной металлургии". Это одна из последних попыток зрелых и опытных представителей металлургии посмотреть в будущее самого главного раздела жизнедеятельности человека на Земле. Видится оно им следующим образом: 1 – заменить мартеновский процесс на кислородно-конверторный; 2 – заменить обычную разливку стали на непрерывную; 3 – широко применять ковшовую обработку металла; 4 – полезно использовать шлаки и отходящие газы. В.И. Баптизманский отмечает: "В целом по техническому уровню производства черная металлургия СНГ отстает от промышленно развитых стран примерно на 15 – 20 лет, хотя на отдельных предприятиях, в первую очередь на комбинатах Новолипецком и "Азовсталь", применяются технологии мирового уровня и даже превышающие его. Как уменьшить и ликвидировать этот разрыв? Данный вопрос следует рассматривать в тактическом и стратегическом плане и временном аспекте". Основной концепцией развития сталеплавильного производства является повышение качества стали. Этот объект наиболее близок В.И. Баптизманскому. Достижение высокого качества видится ему в производстве "... особенно низколегированного и с малым содержанием серы (наиболее вредная примесь), фосфора, азота, неметаллических включений" металла. Другими словами, сера, фосфор, азот, кислород и элементы, образующие так называемые неметаллические включения, переводятся в ранг бесполезных и, чаще всего, вредных. Новыми технологиями на первом этапе являются: "применение пылеугольного топлива в доменных печах, непрерывной разливки стали только в конверторных цехах, ковшовой облагораживающей обработки металла порошкообразными десульфораторами, вакуумом, аргоном (наиболее дешевый способ); в области прокатки – замена наиболее устаревших станов и расширение применения термической обработки металла с прокатного нагрева и выпуска изделий с покрытиями". Этот этап применения "Эффективных, но традиционных, широко известных технологий не обеспечит нам уменьшение разрыва в техническом уровне между черной металлургией СНГ и металлургией развитых стран; на этом пути можем только отстать. Поэтому на втором этапе развития металлургии нужно идти самостоятельно или вместе с инофирмами на пути широкого исследования и затем использования принципиально новых процессов, которые только начали применяться или находиться в стадии отработки и даже идей." "В дальнейшем, по нашему мнению, по мере увеличения производства электроэнергии (в основном, по-видимому, по линии атомной энергетики) доменную плавку и производство чугуна начнут заменять прямым бескоксовым производством стали из железнорудного материала на основе использования в качестве восстановителей ВОДОРОДА И МОНООКСИДА УГЛЕРОДА". В заключение В.И. Баптизманский считает, что "на первом этапе развития следует внедрять технологии, которые могут дать наибольший результат, особенно по качеству металла, при минимальных затратах. На втором этапе модернизации черной металлургии нужно идти по пути широкого исследования и затем использования новых процессов." Видение В.И. Баптизманского будущего черной металлургии в определенной мере является пророческим, а именно в области второго этапа. Этот этап должен быть очень коротким, срочным по времени, где необходимо проводить не долговременные выдачу идей и исследования и когда-то в далеком необозримом будущем внедрение этих исследований в жизнь, а сейчас приступить к действиям в металлургии вообще. Эти действия должны базироваться на совершенно иных представлениях, по сравнению с теми, с которыми мы вступаем в XXI век. Эти представления вначале тайно, подспудно, а затем более явно, наподобие антимира зарождались и развиваются уже на протяжении многих веков. В конечном итоге они вылились в гигантское количество публикаций, периодическую систему элементов, международные конгрессы. Эти представления предусматривают в далеком начале – всемирный эфир, затем – флогистон, и наконец – водород, азот, кислород в качестве основополагателей материального мира. Неразрывная связь веков для металлургов проявляется в том, что разработанные материалы с применением бывших "вредных" элементов в конце XX века станут основными материалами XXI века. Интенсивная разработка новых металлических сплавов, технологии их получения и обработки предусматривает применение водорода, азота, кислорода, серы, фосфора и других бывших "вредных" элементов в качестве основных легирующих элементов. Это приводит к получению материалов более высокого качества и более низкой себестоимости. Эволюционные процессы развития сознания человека вообще и металлурга в частности требуют выхода в практическую деятельность. Этот выход уже идет с нарастающей скоростью. Обыденным стало применение азота в качестве легирующего элемента многих металлических сплавов, все более и более для легирования алюминиевых и некоторых других сплавов применяется водород, а кислород является неотъемлемым элементом многих крупнейших металлургических процессов (электрошлаковый переплав, электрошлаковое литье, кислородно-конверторное производство и др.). Судя по патентной литературе последних лет, среди веществ, применяемых для обработки расплава, увеличивается доля воздуха, водяного пара, углеводородов, паров различных водных растворов. Возможно, что это возвращение к хорошо забытому старому. Так, например, автор известного металлургического приема Бессемер продувал чугунный расплав водяным паром. В области обработки расплава металлурги опытным путем через преодоление многих трудностей приходят к логическому завершению изысканий – они стали применять в своем производстве водород, азот и кислород, присутствие которых наследуется в металлических изделиях вплоть до их разрушения. В 1980 году В.И. Шаповаловым защищена пионерская докторская диссертация на тему "Взаимодействие водорода как легирующего элемента с железоуглеродистыми сплавами, железом и некоторыми его аналогами", где подведен итог большого количества работ по решающей роли водорода в формировании свойств железных сплавов, железа, никеля, кобальта, хрома и меди. К сожалению, сильное и подчас решающее влияние водорода, азота и кислорода на свойства металлов и сплавов практически не входит в учебные планы и учебники для студентов металлургических и машиностроительных специальностей. Поэтому естественно, что, опираясь на полученные знания в учебных заведениях, только что родившемуся металлургу, воспитанному на старых взглядах, потребуются многие годы, чтобы согласиться с тем, что изложено выше. Основной идейной, творческой и практической платформой в металлургии XXI века должна быть следующая, во многих аспектах созревшая и бурно развивающаяся позиция: творцами всех свойств являются водород и две его разновидности: Н + – Н – Н – , водород азот кислород а остальные элементы – носители этих трех. При таком подходе следует ожидать решения многих важнейших вопросов, которые достаются в наследство от XX века. Это правомочно хотя бы потому, что Земля является субмикроскопической частью необозримого материального мира, в котором газообразные (звезды), жидкие (части взорвавшихся звезд), жидко-твердые (планеты) и твердые (остывшие планеты и остатки от них) живут и умирают в межзвездном газе, который состоит из водорода [1]. Важнейшие вопросы, которые следует решать в срочном порядке во избежание дальнейшего развития надвигающейся экологической катастрофы, следующие: Необходимо полностью убрать с поверхности Земли отходы технической деятельности человека с помощью главного восстановителя – ВОДОРОДА. Вводить зацикленное производство черных и цветных металлов и сплавов с переработкой собственных шлаков до состояния пригодного для последующего получения металлов и сплавов. Уйти от электролизных процессов получения металлов (Cu, Ni, Al, Mg и др.): помимо загрязнения окружающей среды и очень высокой стоимости (за счет потребления гигантского количества электроэнергии), они ухудшают свойства. При получении металлов и сплавов принять на вооружение "теорию" и практику образования зародышей и их роста в мировом океане, т. к. эта практика способна потрясти воображение любого разумного человека. При создании сплавов постоянно увеличивать присутствие водорода, азота и кислорода в качестве основных легирующих элементов. Разработать новые процессы получения и обработки металлов и сплавов с позиций ведущей роли водорода в формировании служебных и технологических свойств, что позволит получать дешевые материалы с необычно высоким уровнем физических, химических и механических свойств. Например, доменный чугун получит второе дыхание и станет высококачественным материалом многоцелевого назначения, сплавы Al с Si и Si с Al и др. станут основными легкими сплавами с очень низким коэффициентом линейного расширения ( = (01)10-6 град-1) и обязательно – легкие сплавы, сжимающиеся при нагреве. На этой платформе будут устранены белые пятна в вопросах электричества, магнетизма, полиморфных превращений, природы выделений промежуточных фаз, фазовых превращений и т.д. Активизировать усилия по познанию периодической системы элементов, построенной по "семерке" и до сих пор не понятой. Все попытки вывести какие-либо закономерности по ней заканчиваются появлением многих исключений, что свидетельствует о незаконченности понимания. Кроме символов элементов и "электронного построения" металлургу ничего не остается и поэтому он старым способом продолжает выдавать "на гора" все более сложные композиции. В то же время практика показывает, что мы имеем дело с великим законом. Перечисленные и другие вопросы в различных стадиях решения входят в основное научное направление кафедры физики металлов Сибирского государственного индустриального университета "Основные закономерности влияния элементов внедрения на свойства металлов и сплавов". Естественно, что приведенные соображения никогда не будут полными, в то же время они отражают весьма злободневные элементы поиска и претворения в жизнь выхода из так называемых "научно-технической революции" и "энергетического кризиса", и поэтому хотя бы частичное решение этих вопросов позволит перейти на более высокий уровень жизнедеятельности человека на Земле. Литература Физика космоса (маленькая энциклопедия) / Гл. ред. Сюняев Р.А., М.: Советская энциклопедия, 1986. – 783 с. Галактионова Н.А. Водород в металлах. – М.: Металлургия, 1967. – 304с. |