Бессемеровский процесс

Бессемеровский процесс — это способ передела жидкого чугуна в сталь без затрат дополнительного топлива, основанный на продувке чугуна воздухом в специальном конвертере с целью окисления примесей. Процесс назван по имени изобретателя, английского инженера и промышленника Генри Бессемера, получившего патент на него в 1856 году. Бессемеровский процесс стал одной из основ современной металлургии, позволив впервые в истории организовать массовое производство литой стали, что дало толчок развитию промышленной революции, строительству железных дорог, мостов, кораблестроению и строительству.

История

Предпосылки изобретения

До середины XIX века сталь была сравнительно дорогим и трудоёмким в производстве материалом. Основным способом получения стали был кричный передел (пудингование) или цементация железа; эти методы были медленными, малопроизводительными и требовали больших затрат древесного или каменного угля. Чугун выплавляли в доменных печах, но для превращения его в сталь требовалось многократное перегревание и механическая проковка. Потребность в стали стремительно росла с развитием железнодорожного строительства и машиностроения.

Изобретение Генри Бессемера

Генри Бессемер (1813–1898) был изобретателем-самоучкой, ранее прославившимся созданием тигельного способа изготовления пушечных ядер. В 1854 году, в разгар Крымской войны, он занялся поиском способа литья пушек из стали, более прочной, чем чугун. Его опыты показали, что при продувке расплавленного чугуна струёй воздуха происходит интенсивное окисление углерода и других примесей, резко повышающее температуру металла, что позволяет получить жидкую сталь без дополнительного нагрева. В 1855 году Бессемер подал заявку на патент, а 24 августа 1856 года публично продемонстрировал свой процесс в Вулвиче (Лондон). Первые литые стальные пушки оказались хрупкими из-за высокого содержания фосфора и серы, поэтому Бессемеру пришлось дорабатывать технологию в течение нескольких лет. Полный успех пришёл после открытия Робертом Мюшетом (англ. Robert Mushet) положительной роли зеркального чугуна (сплава железа, марганца и углерода) для раскисления стали и улучшения её свойств.

Первое промышленное применение

Уже в 1860 году в Шеффилде Бессемер начал производство стальных рельсов, которые оказались в 8–10 раз долговечнее чугунных. В 1864 году его процесс был внедрён в США (Пенсильвания), а к 1870-м годам бессемеровская сталь стала основным конструкционным материалом в развитых странах. В России первый бессемеровский конвертер был установлен на Воткинском заводе в 1858 году, а в 1873 году началось производство в Нижнем Новгороде. С 1860-х годов метод распространился по всей Европе.

Развитие и вытеснение

К концу XIX века выяснилось, что бессемеровский процесс имеет фундаментальные недостатки: он плохо подходит для переработки чугуна с высоким содержанием фосфора (более 0,1%), а также требует использования специальных огнеупорных материалов (кислых). Решением стало изобретение Томаса Сидни Гилкриста (англ. Sidney Gilchrist Thomas) в 1877 году, который предложил использовать в конвертере основную футеровку (из доломита) и добавлять в плавку известь — так появился томасовский процесс, позволявший перерабатывать фосфористые чугуны. Однако в XX веке на смену бессемеровскому и томасовскому процессам постепенно пришёл мартеновский (кислородно-конвертерный) способ, обеспечивающий более высокий контроль качества и позволяющий использовать стальной лом. Последняя промышленная установка бессемеровского процесса в США была остановлена в 1970-х годах.

Устройство и принцип работы

Конвертер

Основным аппаратом бессемеровского процесса является бессемеровский конвертер (или реторта) — грушевидный стальной сосуд (обычно ёмкостью от 5 до 25 тонн), футерованный изнутри кислым огнеупорным материалом (динас — кварцит с добавкой глины). Снизу конвертер имеет специальное сопло (или несколько сопел) для подачи сжатого воздуха. Корпус конвертера может наклоняться вокруг горизонтальной оси для заливки чугуна и слива готовой стали.

Ход плавки

Процесс протекает в несколько этапов:

1. Загрузка: Конвертер наклоняют, в него заливают жидкий чугун (температура около 1200–1400 °C). Для интенсификации процесса иногда добавляют небольшое количество извести (до 1–2% от массы чугуна) для частичного ошлакования оксидов.
2. Продувка: Включают подачу воздуха под давлением (1,5–2,5 атмосферы) через сопла в днище. Воздух проходит через слой жидкого чугуна, интенсивно перемешивая его. Происходит горение присадок: углерод (C) окисляется до угарного газа (CO), кремний (Si) — до диоксида кремния (SiO₂), марганец (Mn) — до оксида марганца (MnO). Эти реакции являются экзотермическими, температура резко повышается до 1600–1700 °C. Видимым признаком процесса является вырывающееся из горловины яркое пламя: сначала оно тусклое и дымное (горит кремний и марганец), затем становится коротким и ослепительно-белым (активное горение углерода). Когда выгорает большая часть углерода, пламя резко опадает — это сигнал окончания продувки.
3. Раскисление: После прекращения продувки конвертер наклоняют, в сталь вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций, алюминий) — обычно в виде зеркального чугуна или других сплавов. Это необходимо для удаления растворённого в жидкой стали кислорода, который при застывании образует пузыри и ухудшает механические свойства.
4. Слив: Готовую сталь сливают в ковш, а затем разливают в изложницы (формы). Шлак, плавающий сверху, обычно удаляют отдельно.

Химизм процесса

Основные химические реакции, протекающие в конвертере:

• Горение кремния: Si + O₂ → SiO₂ (выделяется много тепла, шлакуется с оксидами металлов).
• Горение марганца: Mn + O₂ → MnO (участвует в образовании шлака).
• Горение углерода: 2C + O₂ → 2CO (угарный газ) — главная реакция, обеспечивающая нагрев и выделение энергии; часть CO догорает над зеркалом ванны.
• Окисление железа: Fe + O₂ → FeO (часть железа неизбежно переходит в шлак, что снижает выход металла — до 10–15% чугуна теряется).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность: Плавка длится 10–20 минут, а не несколько часов, как при кричном переделе или в тигле. За смену можно выплавить до 200–300 тонн стали.
• Отсутствие топлива: Процесс идёт за счёт тепла, выделяемого при окислении примесей самого чугуна.
• Литая сталь: Получается жидкая сталь, которую можно разливать в любые формы.

Недостатки

• Требования к сырью: Чугун должен содержать минимум фосфора и серы, иначе сталь получается хрупкой («красноломкая» или «хладноломкая»). Для процесса подходили только чугуны, полученные из руд с низким содержанием фосфора (например, шведская руда).
• Потери металла: Высокий угар (до 10–15% и более), так как часть железа выгорает вместе с примесями.
• Ограниченный контроль: Процесс трудно регулировать, чтобы точно выдержать содержание углерода в стали. От оператора требовалось высокое мастерство и опыт.
• Кислая футеровка: Препятствует удалению фосфора, который остаётся в металле. Для переработки фосфористых чугунов потребовалось изобретение томасовского процесса.
• Качество стали: Из-за насыщения азотом воздуха (при высоких температурах) сталь могла иметь повышенную хрупкость, особенно при пониженных температурах.

Применение

В XIX веке бессемеровская сталь нашла массовое применение в производстве:

• Железнодорожные рельсы (стальные рельсы оказались в 5–8 раз износостойчеё чугунных);
• Судовые броневые плиты и корпуса;
• Мостовые конструкции (например, сталь для моста через реку Форт в Шотландии);
• Рельсовая и обручейная проволока, кабель;
• Инструментальные стали (отчасти);
• Стальные пушки и орудийные стволы.

С начала XX века область применения бессемеровской стали сокращалась, и к середине XX века процесс практически полностью исчез, уступив место мартеновскому и кислородно-конвертерному способу (которые, по своей идее, являются его прямыми наследниками).

Значение и наследие

Бессемеровский процесс произвёл революцию в металлургии, позволив получать сталь в невиданных ранее количествах и по цене в 5–7 раз ниже, чем раньше. Это дало толчок строительству трансконтинентальных железных дорог (в США — в частности, после Гражданской войны), возведению многоэтажных зданий (стальные каркасы) и созданию мощного военно-морского флота. Развитие бессемеровского процесса стимулировало научные исследования в области металлургии, физической химии высоких температур, а также привело к быстрому прогрессу в технологии огнеупоров. Именно благодаря бессемеровской стали в конце XIX — начале XX века были построены гигантские мосты (например, Эйфелева башня и мост Бруклин) и небоскрёбы Нью-Йорка и Чикаго.

Интересные факты

• Первый патент Бессемера был аннулирован в 1858 году из-за обнаруженной хрупкости стали; лишь доработка с зеркальным чугуном (Мюшет) и совершенствование формы конвертера привели к успеху.
• В конвертере Бессемера первоначально не было футеровки дна — воздух подавался через специальное сопло в боку или через отверстия в днище, которые быстро забивались. Конструкция с воздушным дутьём «снизу» (глуходонный конвертер) была запатентована в 1868 году.
• В 1862 году Бессемер основал сталелитейную компанию Bessemer Steel Works в Шеффилде; продукция завода пользовалась огромным спросом.
• Метод получил шутливое название «поршневой процесс» из-за того, что в конвертере под давлением воздуха чугун «выплёвывался» струёй, создавая эффект фонтана.

Источники

• Бессемер, Генри // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. — СПб., 1890–1907.
• Металлургия стали: Учебник для вузов / Под ред. А. Г. Прядко, Г. И. Котельникова. — М.: Металлургия, 1978.
• Векслер А. П. Бессемеровский процесс // Большая советская энциклопедия. 3-е изд. — М., 1970.
• Джейн M. Смит Технология чугуна и стали: Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1984. — Гл. 4.
• Sheffield’s Steel Industry: A History. George Barnsdale. — London: F. J. Parsons Ltd., 1998. — 112 p.