Бессемеровский способ выплавки стали

Бессемеровский способ выплавки стали — это технологический процесс передела жидкого чугуна в сталь без подвода тепла извне, основанный на продувке расплава воздухом через фурмы, расположенные в днище конвертера. Изобретённый в 1856 году английским инженером Генри Бессемером, этот способ стал первым промышленным методом массового производства жидкой стали, положив начало эпохе конвертерной металлургии. Благодаря высокой производительности и относительной простоте процесса, бессемеровский способ в XIX — начале XX века произвёл революцию в сталелитейной промышленности, однако к середине XX века был практически полностью вытеснен кислородно-конвертерным процессом из-за ряда технологических ограничений.

История

Предпосылки изобретения

До середины XIX века сталь получали в основном двумя способами: кричным переделом (пудлингованием) и тигельной плавкой. Кричный способ давал относительно небольшие объёмы металла низкого качества, а тигельная плавка позволяла получать высококачественную сталь, но была крайне дорогой и малопроизводительной. Потребность в дешёвой и массовой стали резко возросла с развитием железнодорожного транспорта, строительством мостов и кораблей. В 1855 году Генри Бессемер, работая над усовершенствованием артиллерийских орудий, начал эксперименты по получению стали из чугуна.

Изобретение и патентование

Основная идея Бессемера заключалась в том, что при продувке жидкого чугуна воздухом содержащиеся в нём примеси (кремний, марганец, углерод) окисляются кислородом воздуха, выделяя при этом значительное количество тепла. Это тепло не только поддерживает расплав в жидком состоянии, но и повышает его температуру, позволяя получить сталь без дополнительного сжигания топлива. 21 августа 1856 года Бессемер продемонстрировал свой процесс на заводе в Шеффилде, получив сталь из чугуна. В 1856 году он получил британский патент № 2321 на «усовершенствование в производстве железа и стали».

Внедрение и первые трудности

Первоначально процесс столкнулся с серьёзными проблемами. Использование чугуна с высоким содержанием фосфора приводило к тому, что сталь получалась хрупкой и ломкой («горячеломкость»). Бессемер выяснил, что для успешного процесса необходим чугун с низким содержанием фосфора (менее 0,1 %), что сильно ограничивало сырьевую базу. Выход из этой проблемы был найден в 1878 году британскими металлургами Сидни Гилкристом и Перси Томасом, которые предложили использовать в конвертере основную футеровку (из доломита) и добавлять в расплав известь для связывания фосфора в шлак. Этот процесс получил название томасовского способа.

Развитие и распространение

Несмотря на ограничения, бессемеровский способ быстро распространился по всему миру. Первые бессемеровские конвертеры были установлены в Великобритании, США, Германии, Франции, а затем и в России. В 1870-х годах в России началось строительство бессемеровских цехов на Путиловском заводе в Санкт-Петербурге, на Нижнетагильском заводе, а также на заводах Юзовки (ныне Донецк). К концу XIX века бессемеровский способ стал основным методом производства стали в мире, обеспечивая до 80 % её выплавки. Однако с развитием мартеновского процесса, который позволял использовать разнообразное сырьё (в том числе стальной лом) и получать сталь более высокого качества, доля бессемеровского способа начала снижаться. Окончательный удар по нему нанесло изобретение в 1952 году кислородно-конвертерного процесса, который лишён главного недостатка бессемерования — насыщения стали азотом из воздуха.

Устройство и принцип действия

Конвертер Бессемера

Основным агрегатом является бессемеровский конвертер — грушевидный (или цилиндрический) стальной сосуд, футерованный изнутри огнеупорным материалом. В зависимости от типа футеровки различают:

• Кислый конвертер (бессемеровский в узком смысле) — футерован динасом (кремнезёмом). Используется для передела чугуна с низким содержанием фосфора.
• Основной конвертер (томасовский) — футерован доломитом или магнезитом. Используется для передела фосфористого чугуна.

Конвертер имеет горловину для заливки чугуна и выдачи готовой стали, а также отверстия в днище (фурмы), через которые с помощью воздуходувных машин подаётся сжатый воздух под давлением 1,5-2,5 атмосферы. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси для загрузки и выгрузки.

Химизм процесса

Процесс протекает в три периода:

1. Период окисления кремния и марганца. В начале продувки кислород воздуха в первую очередь окисляет кремний (Si) и марганец (Mn), содержащиеся в чугуне. Реакции экзотермические, температура расплава быстро повышается. Образуются оксиды SiO₂ и MnO, которые переходят в шлак.
2. Период окисления углерода. После того как кремний и марганец выгорели, начинается интенсивное окисление углерода (C) с образованием угарного газа (CO). Этот период характеризуется бурным кипением ванны, появлением яркого факела над горловиной конвертера и сильным шумом. По цвету и характеру факела опытный сталевар определяет момент окончания процесса.
3. Период перегрева стали. После выгорания углерода до заданного уровня (обычно 0,05-0,15 %) продувку прекращают. Оставшийся в стали кислород удаляют путём раскисления — добавления ферромарганца, ферросилиция или алюминия. Готовую сталь сливают в ковш.

Особенности процесса

• Без использования топлива. Вся энергия для нагрева и плавления получается за счёт экзотермических реакций окисления примесей.
• Высокая скорость. Плавка длится 10-20 минут, что в десятки раз быстрее пудлингования или тигельной плавки.
• Насыщение азотом. При продувке воздухом сталь насыщается азотом (до 0,01-0,02 %), что ухудшает её механические свойства (снижает пластичность, повышает хрупкость, вызывает старение). Это главный недостаток бессемеровского способа.
• Ограничения по сырью. Требуется чугун с низким содержанием фосфора и серы, а также с определённым содержанием кремния (1,5-2,5 %) для обеспечения необходимого теплового баланса.

Классификация и виды

По типу футеровки

• Бессемеровский (кислый) процесс. Использует кислую футеровку (динас). Пригоден для чугунов с низким содержанием фосфора (менее 0,1 %). Шлак кислый, не способен связывать фосфор. Сталь получается с низким содержанием серы и фосфора, но с повышенным содержанием азота. Применялся для производства рельсов, балок, проволоки.
• Томасовский (основной) процесс. Использует основную футеровку (доломит) и добавку извести. Позволяет перерабатывать фосфористые чугуны (до 2 % P). Фосфор окисляется и связывается известью в шлак, который затем используется как удобрение (томасшлак). Сталь, полученная томасовским способом, содержит больше фосфора и азота, чем бессемеровская, и считается менее качественной.

По типу перерабатываемого чугуна

• Белая сталь — получается из чугуна с низким содержанием кремния и марганца.
• Серая сталь — получается из чугуна с повышенным содержанием кремния.

Применение и значение

Промышленное применение

Бессемеровская сталь использовалась для производства:

• Рельсов. Бессемеровский процесс был специально разработан для получения дешёвых рельсов, что позволило бурно развивать железнодорожную сеть в XIX веке.
• Балок и швеллеров. Для строительства мостов, зданий, каркасов.
• Проволоки и канатов. Для изготовления канатов, сеток, пружин.
• Артиллерийских орудий. Бессемер изначально стремился получить сталь для пушек, однако из-за насыщения азотом сталь часто была хрупкой, что приводило к разрывам стволов.

Историческое значение

Бессемеровский способ стал первым массовым промышленным методом получения стали. Он позволил:

• Снизить стоимость стали в 10-15 раз по сравнению с тигельной плавкой.
• Увеличить производительность труда в десятки раз.
• Обеспечить строительство железных дорог, мостов, небоскрёбов, кораблей и других крупных сооружений.
• Стимулировать развитие горнодобывающей промышленности, машиностроения и транспорта.

Критика и ограничения

Несмотря на революционность, бессемеровский способ имел ряд существенных недостатков:

• Низкое качество стали. Из-за насыщения азотом сталь была склонна к старению, хрупкости и коррозии. Она не подходила для изготовления ответственных деталей, работающих при ударных нагрузках.
• Ограниченная сырьевая база. Требовался чугун с низким содержанием фосфора, что было редкостью. Томасовский процесс решил эту проблему, но давал ещё более низкое качество.
• Невозможность переработки лома. Процесс был рассчитан только на передел жидкого чугуна. Использование стального лома нарушало тепловой баланс.
• Высокая температура. Процесс протекал при очень высоких температурах, что приводило к быстрому износу футеровки (срок службы конвертера составлял 100-200 плавок).
• Сложность управления. Процесс был очень быстрым и требовал высокой квалификации сталевара для точного определения момента окончания продувки.

Интересные факты

• Генри Бессемер получил более 100 патентов на различные изобретения, но именно бессемеровский способ принёс ему мировую славу и состояние.
• Первый бессемеровский конвертер в России был установлен в 1870 году на Воткинском заводе.
• В 1860-х годах в США бессемеровский процесс был внедрён Александром Холли, который основал компанию «Бессемер Стил Компани».
• В 1870-х годах в Германии томасовский процесс позволил перерабатывать огромные запасы фосфористых железных руд Эльзаса-Лотарингии, что дало мощный импульс развитию немецкой металлургии.
• Несмотря на то, что бессемеровский способ устарел, его принцип — продувка расплава газом — лёг в основу современных кислородно-конвертерных процессов, которые являются основным способом производства стали в XXI веке.

Источники

1. Бессемер, Генри. «Автобиография Генри Бессемера». 1905.
2. Карабасов, Ю. С., Черноусов, П. И., Коротченко, Н. А. «Металлургия и время: энциклопедия». Том 2. М.: МИСиС, 2012.
3. Беккерт, М. «Металлургия стали: история, теория, технология». М.: Металлургия, 1980.
4. «История металлургии стали в России». Под ред. А. П. Гуляева. М.: Наука, 1987.
5. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. Том IIIa. «Бессемеровский процесс». СПб., 1891.