До и после Победы. Книга 1
Шрифт:
Так что существенная часть нашего чугуна уходила на изготовление бытовых изделий - прежде всего, для отопления - дверцы, колосники - нам потребуется много обогревательных приборов. Да и буржуйки - по сотне штук в день уже выделывали - но и это всего пять тонн чугуна.
А тридцатипятитонник мог выдать и пять тонн, но в час, в сутки - сто тонн, с учетом остановок на ремонты. А это почти что двенадцать кубометров металла. Не освоим. Пока все силы брошены на ремонт техники - не освоим. Так что часть литейщиков мы переориентировали на эксперименты с отливкой сложных крупногабаритных деталей - картеров, корпусов, рам - пусть потренируются, и если будет получаться - начнем разворачивать свое производство - прежде всего гражданской техники, так как военной - тех же танков - у нас пока и так выше крыши. Ну, на ходу-то примерно двадцать процентов, остальное - пока в ремонтном резерве. В общем, избыток производственных мощностей и металла, хоть и был временным, но подзуживал замутить какое-то более серьезное, чем мины и печки, производство.
ГЛАВА 19.
Вообще, плавильные печи могут быть самые разнообразные - тигельные, в которых металл не соприкасается ни с топливом, ни с пламенем, пламенные, в которых металл соприкасается только с продуктами горения, и так называемые шахтные, в которых металл соприкасается и с топливом, и с продуктами горения. Кроме того, печи делятся и по способу получения тепла - я перечислил печи, в которых тепло получается от топлива, а есть еще конверторы, в которых тепло получается за счет внутренних ресурсов металла - находящихся в нем примесей, при сгорании которых и образуется тепло, в результате чего чугун превращается в сталь или железо - бессемеровские и томасовские конвертеры. Ну и третий способ нагрева - электричеством - дуговые печи, печи сопротивления, индукционные - с сердечником и без. КПД - то есть использование тепла непосредственно на расплавление или переработку металла - различается. Так, у тигельных - не более пяти процентов, остальное вылетает в трубу. У пламенных - 8-12%. Шахтные дают КПД уже в 40-55%. И самый высокий КПД у электропечей - 50-65%.
Причем объемы строительных работ использовавшихся тут печей были небольшими, как и сами печи. Так, печь для плавления ковкого чугуна емкостью 25-30 тонн имела площадь пода 13 квадратных метров - 7 на 1,8 метра. Глубина ванны - 30 сантиметров. При общем весе печи в 254 тонны кирпичная кладка составляла 90 тонн (то есть при весе кирпича в 3,5 килограмма потребуется где-то 26 тысяч штук - при нашем многомиллионном производстве кирпича - сущая ерунда), металлические детали - 21 тонну (то есть менее трех кубометров металла), фундамент и набивка пода - 132 тонны (при весе бетона в 2,3 тонны на кубометр - порядка шестидесяти кубометров). В общем - объемы материала - довольно ерундовые. Ну, еще труба высотой 20 метров и внутренним диаметром в метр. И такая печура плавила свои тридцать тонн за 10-12 часов, то есть почти три тонны в час, при расходе каменного угля в 9 тонн, или мазута - 6 тонн. Сейчас ее переделывали на генераторный газ. Подобная печь, но на 5-7 тонн, была уже легче - всего 95 тонн, из которых кирпича - 37 тонн (десять с половиной тысяч штук), металла - 11 тонн (полтора кубометра), фундамент и под - 48 тонн (20 кубов) - ну совсем смешные объемы. Труба - и пониже, и пожиже - высотой 14 и внутренним диаметром 0,7 метра. Свои семь тонн она плавила за пять часов - чуть более тонны в час - в два с половиной раза менее производительная, чем ее старшая сестра, но несмотря на это - и более прожорливая - 2,8 тонны угля или 1,75 тонны мазута на плавку - то есть относительно веса металла она потребляла топлива уже не 30 процентов угля или 20 процентов мазута, а 40 или 25 соответственно. Да, масштабные конструкции было строить тяжелее (хотя и ненамного), но эксплуатировать их - выгоднее.
Но для переплавки небольших порций металла или выделки стали из чугуна на местных заводах уже было достаточно много и другого оборудования, причем это были не те циклопические сооружения, что я запомнил по телевизионным репортажам - нет, это были вполне компактные объекты, по размерам сравнимые с человеком. И этих объектов хватало для местной промышленности.
Например, в так называемых малобессемеровских конверторах чугун переделывается в сталь не продувкой воздуха через всю толщу металла, а поверхностным дутьем - в этом случае сталь получается с низким содержанием азота, и ее использовали для тонкостенного и мелкого фасонного литья - например, ножи для сенокосилок, хотя их отливали и из чугуна, ну или заготовок затворов для пистолетов-пулеметов. Причем конвертор на одну тонну металла был небольшим сооружением. Внутренний диаметр - 70 сантиметров, да еще кладка 25 сантиметров - итого, стальной кожух был внешним диаметром 120 сантиметров, и столько же высотой - эдакий бочонок. Толщина стали - 15 миллиметров. У фурм кладка была потолще - 45 сантиметров. Глубина ванны - всего сорок сантиметров. Продувая 60 кубометров воздуха в минуту с избыточным давлением всего 0,2 атмосферы, за 15 минут переделывали тонну металла. Вес качающейся части - менее трех тонн, то есть опоры и поворачивающиеся механизмы были вполне компактными. Были тут конверторы и еще меньших размеров - на полтонны, а максимальный, что я тут видел - на три тонны. Это если считать только малобессемеровские.
А чугун для этих конверторов плавили в вагранках - это довольно экономичные печи для расплавления металла, в которых топливо и металл находятся в одном объеме. Вагранка производительностью полторы тонны расплавленного металла в час также была довольно компактным сооружением - внутренний диаметр печи - всего 50 сантиметров, толщина металлических стенок - 6 миллиметров, футеровка - 20 сантиметров, внутренняя высота, где плавился металл - 3,5 метра, до загрузочного окна - 4 метра. И всего четыре фурмы основного ряда, размером 70х140 миллиметров каждая, и четыре - дополнительного ряда, размером 30х40 - размер фурм подбирался таким образом, чтобы площадь каждой фурмы основного ряда составляла 20% внутренней площади вагранки, а дополнительного - 2-3%. И многие вагранки были с двумя, а то и тремя рядами - если в вагранке был только один ряд фурм, то воздух отклонялся к стенкам, где сопротивление шихты наименьшее, соответственно, в центре воздуха было недостаточно, углерод сгорал не полностью и эффективность использования топлива падала - а для расплавления металлов важно, чтобы топливо максимально окислялось, то есть превращалось в углекислый газ, а не в угарный - в этом плане кокс, антрацит были более преимущественным топливом, чем, например, бурые или каменные угли, а тем более древесный уголь, дрова, торф или торфяной кокс - у первых была наименьшая реакционная способность, то есть способность восстанавливать двуокись углерода до окиси, то есть угарного газа - при таком восстановлении затрачивается тепловая энергия, которая в противном случае шла бы на разогрев и расплавление металла, что, собственно, и нужно от вагранки - а так, в высокореакционных топливах много ее уходило впустую - на "производство" угарного газа. Так, если при использовании угольного кокса и антрацита терялось 7-20% тепла, то с торфом, торфяным коксом, дровами и древесным углем - 50-70% - наружу вылетало гораздо больше угарного газа, который внутри печи либо восстановился из углекислого, либо не прогорел во время движения внутри вагранки. Так вот - дополнительные ряды фурм как бы отжимали струи воздуха нижних фурм ближе к центру и там уменьшался недостаток воздуха - эффективность использования топлива повышалась - все большее его количество сгорало, отдавая тепло расплавляемому металлу - потери тепла снижались более чем на двадцать процентов. Причем даже однотонные вагранки были неплохим подспорьем, особенно если они оборудовались копильником, где расплавленный металл постепенно накапливался, чтобы быть использованным разом. Печка на 25 тонн в час была более солидным сооружением. Внутренний диаметр был уже два метра, металл стенок - толщиной 12 миллиметров, футеровка - 30 сантиметров, общая высота - под семь метров. И фурм побольше - уже по 12 в каждом ряду, и размеры - 150х350 и 80х80. Ну и воздуха, соответственно, требовалось разное количество - 2 и 32 тысячи кубометров в час, с дополнительным давлением 350 для однотонной или уже под тысячу миллиметров водяного столба для двадцатипятитонника.
Причем, помимо добавления дополнительных рядов фурм, применялись и другие приемы экономии топлива. Например, воздух подают холодным, но могут ставить и рекуператоры - в стенках шахты или в трубе вагранки - так можно подогреть воздух до двухсот градусов, что сэкономит до 20% кокса. Но ваграночные газы - особенно при использовании топлив с высокой реакционной способностью, еще можно дожигать, нагревая вдуваемый воздух уже до 400 градусов - в этом случае экономия топлива составит уже 35%. Достаточно дорогой кокс можно частично заменить вдуванием угольной пыли - всего три процента пыли по весу от кокса снижает расход кокса на десять процентов и повышает производительность на 40%. Или природного газа - а это еще экономия кокса. Ну или генераторного, с которым можно сэкономить пару-тройку процентов. Короче - греть, греть и еще раз - греть все что только можно - и чтобы снизить расход основного топлива, и чтобы повысить производительность, а также и температуру выдаваемого металла - так он дольше может храниться до следующей операции без подогрева, что снижает напряженность процессов, а также повышается его текучесть, что хорошо сказывается на отливке в формы.
Причем во время плавки происходят изменения состава металла - тут и окисление, и выгорание углерода, и обратный процесс - науглероживание от соприкосновения с топливом, и даже насыщение серой - особенно интенсивно это происходит в нижней части вагранки, где уже расплавленный жидкий металл омывает куски топлива. Причем в начале плавки насыщение происходит особенно заметно - пока металл не вытянет серу из поверхностных слоев топлива. Потом-то насыщение серой падает, но в первых порциях содержание серы может подняться до полупроцента - и это тоже надо учитывать при дальнейшем использовании металла - можно ли его пускать в последующие процессы, или первые порции лучше отложить в сторону. В этом плане торфяной кокс или древесный уголь были предпочтительнее того же угольного кокса или антрацита, несмотря на их более эффективную работу по расплавлению металла - тут уже надо бы и посчитать - что выгоднее - использовать менее эффективное топливо либо тратить топливо, силы и время на удаление серы.
Вообще, плавка металла или его выплавка из руды - это обратимая реакция, и, как всякая обратимая реакция, она может проходить в обе стороны - либо с образованием соединений, либо - с образованием исходных элементов - направление зависит от температуры и концентрации элементов. Так, восстановление железа из руды - это, грубо говоря, разложение оксида железа на железо и кислород. Причем, чтобы разложить оксиды железа, необходимо затратить тепло - с увеличением температуры прочность оксидов снижается. Так, чтобы разложить окись железа II - FeO - требуется затратить 64 ккал на моль, то есть на 71,8 грамма оксида, на оксид железа III - Fe2O3 - требуется уже 197 ккал на моль, то есть на 159,7 грамма, а на четвертый - Fe3O4 - 266 ккал на 231,5 грамма. А образование из углерода и кислорода одного моля угарного газа даст 29 ккал на один моль весом 28 грамм, образование моля углекислого газа - уже 98 на 44 грамма - такую теплоту мы и получим, если сожжем 12 грамм углерода. Соответственно, в идеале для восстановления 55,8 грамм железа - а это чуть более семи кубических сантиметров - из окиси железа-2 надо затратить 44/64*12 = 8,25 грамм углерода - если в виде графита, то это 3,7 кубических сантиметра - ну, если он полностью соединится с кислородом, находящимся в окисле. А чтобы он соединился - окисел железа сначала надо разрушить, хотя бы немного. То есть нужно внешнее тепло. Или сжечь часть углерода, поставив в зону реакции внешний кислород.
Обратимая реакция при постоянной температуре в конце концов достигает равновесия - сколько образуется исходных веществ, столько же образуется и результатов реакции, и они не зависают в таком состоянии, а постоянно переходят друг в друга - исходные вещества реагируют и создают результаты реакции, а результаты - распадаются под действием тепла в исходные вещества. При образовании результатов тепло выделяется, при их разложении на исходные - тратится. То есть при некоторой температуре и условии, что объем замкнут, то есть отсутствуют потери или приход веществ, те же оксиды железа будут постоянно распадаться на чистое железо и кислород и соединяться в оксид железа. Повторю, это без внешнего воздействия. И чтобы сдвинуть эти обратимые реакции в нужную сторону - надо соответствующим образом воздействовать на них - например, постоянно вносить углерод, который будет соединяться с кислородом с выделением тепла, и удалять эти соединения, также удалять из зоны реакции и остающийся непрореагировавшим углерод обратно - другими словами, постоянно увеличивать концентрацию нужных веществ и уменьшать концентрацию ненужных. Естественно, сделать это довольно просто - результат окисления, то есть сгорания углерода - углекислый и угарный газы, которые могут естественным путем подниматься вверх. А результат восстановления железа - жидкий металл, который - также естественным путем - стекает вниз. То есть природа позаботилась о том, чтобы облегчить нужные процессы. Но, видимо, чтобы жизнь не казалась нам вечным праздником, она же подкинула в этот процесс несколько сложностей, борьба с которыми, собственно, и составляет секреты мастерства металлургов. И имя этим сложностям - примеси.
ГЛАВА 20.
Природа щедро замешала в руды и другие вещества все, что только оказалось под рукой и из всего, что только побывало рядом - осадочные породы, снесенные с соседних гор, потоки горячей воды, приносившие снизу десятки элементов, несвойственных данной местности, потоки магмы, вырывавшиеся в этом месте миллионы лет назад, да еще как следует перемешанные перемещениями коры, сдвигами и провалами - возможно, блендер сработал бы менее эффективно, чем природа. Кальций, магний, сера, фосфор, кремний, медь и цинк - все это и многое другое встречалось в рудах металлов в тех или иных пропорциях. Соответственно, все эти довески переходили и в металл. Какие-то из них были полезны, какие-то - вредны, третьи - не оказывали особого влияния на нужные человеку свойства металлов - и задачей металлургов было максимально избавиться от первых, сохранив, а при необходимости - и добавив - вторые. Ну а уж с третьими - как получится.