Процесс Бессемера

Процесс Бессемера — это способ передела чугуна в сталь без использования дополнительного топлива, основанный на продувке жидкого чугуна воздухом через дно конвертера. Процесс был назван в честь английского изобретателя Генри Бессемера, который запатентовал его в 1856 году. Бессемеровский процесс стал первым промышленным способом массового производства литой стали, что произвело революцию в металлургии, строительстве, машиностроении и транспортной инфраструктуре XIX века.

История

Предпосылки изобретения

До середины XIX века сталь производилась в небольших количествах трудоёмкими и дорогими методами, такими как тигельная плавка (получение литой стали) или кричный передел (получение сварочного железа). Чугун, получаемый в доменных печах, был хрупким из-за высокого содержания углерода (2–4 %). Для получения ковкого железа или стали требовалось удалить избыток углерода и примеси (кремний, марганец, фосфор, серу). Существовавшие технологии (пудингование) были медленными, требовали больших затрат ручного труда и топлива.

Изобретение Генри Бессемера

В 1854 году, в ходе Крымской войны, британский инженер Генри Бессемер работал над созданием более мощного артиллерийского снаряда. Он обнаружил, что стволы орудий из чугуна не выдерживают давления пороховых газов, а стальные стволы слишком дороги. Бессемер поставил задачу разработать дешёвый способ получения качественной стали.

В 1856 году он запатентовал процесс, при котором воздух продувался через расплавленный чугун в специальном сосуде — конвертере. В ходе экспериментов Бессемер установил, что кислород воздуха окисляет примеси (кремний, марганец, углерод), выделяя при этом большое количество тепла. Это тепло не только поддерживало металл в жидком состоянии, но и повышало его температуру, позволяя обойтись без дополнительного топлива. Первая публичная демонстрация состоялась 11 августа 1856 года на заводе в Глостере.

Совершенствование технологии

Ранние эксперименты столкнулись с проблемами: сталь получалась хрупкой из-за избытка растворённого кислорода, а также не удалялся фосфор, что делало её непригодной для чугуна, содержащего этот элемент (большинство европейских руд). В 1858 году английский металлург Роберт Мюшет предложил добавлять в расплав после продувки специальный сплав — зеркальный чугун (ферромарганец), который раскислял сталь и связывал серу. Это позволило получать качественный продукт.

В 1878 году британские изобретатели Сидни Гилкрист Томас и Перси Карлайл Гилкрист разработали «томасовский процесс» — модификацию бессемеровского, в которой конвертер футеровался основным (доломитовым) огнеупором, а в шихту добавлялся известняк. Это позволило удалять фосфор из чугуна, что открыло возможность использования фосфористых руд, распространённых в Европе (например, в Лотарингии и Эльзасе).

Распространение и упадок

Бессемеровский процесс быстро распространился в Великобритании, США, Германии, Франции и России. Первый бессемеровский конвертер в России был запущен в 1870 году на Нижнетагильском заводе, а затем на Путиловском заводе в Санкт-Петербурге (1872). К концу XIX века бессемеровский способ стал основным для производства стали в мире, вытеснив пудингование. Однако у него были существенные недостатки: невозможность переработки металлолома, высокие потери металла с угаром (до 10–15 %), низкое качество стали из-за растворённого азота воздуха, а также ограничения по составу чугуна (требовался чугун с низким содержанием фосфора и серы).

В начале XX века бессемеровский процесс начал уступать место мартеновскому способу (открыт в 1864 году), который позволял перерабатывать стальной лом и точнее контролировать состав стали. После Второй мировой войны, с развитием кислородно-конвертерного процесса (ЛД-процесс, 1950-е годы), бессемеровский способ был практически полностью вытеснен. К 1970-м годам последние бессемеровские конвертеры были закрыты.

Физико-химические основы

Процесс основан на окислении примесей чугуна кислородом воздуха. Продувка воздуха через расплавленный чугун (температура около 1300 °C) вызывает следующие реакции:

1. Окисление кремния: Si + O₂ → SiO₂. Кремний окисляется первым, выделяя большое количество тепла. Оксид кремния (SiO₂) образует шлак.
2. Окисление марганца: Mn + O₂ → MnO. Марганец также окисляется, переходя в шлак.
3. Окисление углерода: C + O₂ → CO₂ и 2C + O₂ → 2CO. Углерод окисляется, образуя угарный газ (CO), который сгорает над ванной, создавая характерный факел. Этот процесс является основным для превращения чугуна в сталь (снижение содержания углерода с 2–4 % до менее 1,5 %).
4. Окисление фосфора (в томасовском процессе): 2P + 5O₂ → P₂O₅. Образующийся оксид фосфора связывается с основным шлаком (известью).

Реакции окисления являются экзотермическими, что позволяет поддерживать металл в жидком состоянии без внешнего нагрева. Температура в конвертере может подниматься до 1600–1700 °C. После завершения продувки в сталь добавляют раскислители (ферромарганец, ферросилиций, алюминий) для удаления растворённого кислорода.

Устройство конвертера

Бессемеровский конвертер представляет собой грушевидный или цилиндрический сосуд, изготовленный из стальных листов и футерованный изнутри огнеупорным материалом. Основные элементы:

• Корпус: стальной кожух, выложенный огнеупорным кирпичом. Для кислого процесса (бессемеровского) использовался динасовый (кварцевый) кирпич, для основного (томасовского) — доломитовый.
• Горловина: верхняя часть, через которую заливают чугун и сливают готовую сталь.
• Днище: содержит отверстия (фурмы) для подачи воздуха. В ранних конструкциях фурмы располагались в днище, в более поздних — в боковых стенках.
• Цапфы: оси, на которых конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси для загрузки, продувки и слива.
• Воздушная система: компрессор, воздухопровод и ресивер для подачи сжатого воздуха под давлением 1,5–2,5 атмосферы.

Технологический процесс

Процесс в бессемеровском конвертере состоит из нескольких этапов:

1. Загрузка конвертера: конвертер поворачивают в горизонтальное положение, заливают жидкий чугун (обычно 10–30 тонн). В томасовском процессе также добавляют известь.
2. Продувка: конвертер возвращают в вертикальное положение, и через фурмы днища начинают подавать сжатый воздух. Продувка длится 10–20 минут. Визуально процесс контролируется по цвету и длине факела над горловиной: сначала факел короткий и красноватый (окисление кремния), затем становится длинным и ярко-белым (окисление углерода), а в конце резко опадает (окончание процесса).
3. Раскисление: после прекращения продувки в конвертер добавляют раскислители (ферромарганец, ферросилиций, алюминий) для связывания растворённого кислорода и корректировки состава.
4. Слив стали: конвертер наклоняют, и сталь сливают в ковш. Шлак, образующийся на поверхности, сливают отдельно или удаляют механически.

Классификация и виды

Различают два основных типа бессемеровского процесса:

• Кислый бессемеровский процесс (собственно бессемеровский): футеровка конвертера кислая (кремнезёмистая). Пригоден для переработки чугуна с низким содержанием фосфора (менее 0,1 %) и серы. Шлак кислый, фосфор не удаляется.
• Основной бессемеровский процесс (томасовский): футеровка конвертера основная (доломитовая), в шихту добавляется известь. Шлак основной, что позволяет удалять фосфор (до 0,05 %). Пригоден для чугунов с высоким содержанием фосфора (до 2 %). Томасовская сталь часто содержала повышенное количество азота, что делало её склонной к хрупкости.

Применение и значение

Бессемеровский процесс имел огромное значение для промышленной революции:

• Массовое производство стали: позволил получать сталь в количествах, недоступных ранее. Если в 1850 году мировое производство стали составляло около 50 тысяч тонн, то к 1900 году оно превысило 28 миллионов тонн, в значительной степени благодаря бессемеровскому процессу.
• Строительство: сталь стала основным материалом для мостов (например, Бруклинский мост), небоскрёбов (первые высотные здания в Чикаго), железнодорожных путей и рельсов.
• Машиностроение: изготовление паровых машин, котлов, вагонов, кораблей, артиллерийских орудий.
• Военное дело: производство стальных пушек, броненосцев и снарядов.

Однако бессемеровская сталь имела ряд недостатков: она была склонна к хладноломкости (из-за растворённого азота) и красноломкости (из-за серы), а также имела неоднородную структуру. Поэтому для ответственных деталей (например, для мостов или орудийных стволов) часто использовали тигельную или мартеновскую сталь.

Интересные факты

• Генри Бессемер получил более 100 патентов в различных областях, включая производство сахарного тростника и типографские краски.
• Первый бессемеровский конвертер в США был установлен в 1864 году в Уайанде (штат Мичиган).
• В России бессемеровский процесс активно внедрялся на Урале и в Сибири, где были богатые запасы железных руд с низким содержанием фосфора.
• Томасовский шлак, содержащий фосфор, использовался в качестве удобрения в сельском хозяйстве.
• Бессемеровский процесс был вытеснен кислородно-конвертерным, который использует чистый кислород вместо воздуха, что позволяет получать сталь более высокого качества.

Источники

1. Бессемер, Генри. Автобиография. — Лондон, 1905.
2. Мезенин, Н. А. «Повесть о мастерах железного дела». — М.: Металлургия, 1973.
3. «История металлургии чугуна и стали» / Под ред. Ю. С. Карабасова. — М.: МИСиС, 2006.
4. Савельев, А. А. «Металлургия стали». — М.: Металлургия, 1985.
5. Техническая энциклопедия. Том 2. — М.: ОГИЗ РСФСР, 1931.