Текст книги "100 великих чудес техники"

Сергей Мусский
100 великих чудес техники

Введение

«Техника, – по определению «Энциклопедического словаря юного техника», – это совокупность устройств и приемов, применяемых человеком в производственной и непроизводственной деятельности для облегчения и ускорения трудовых процессов, техника – это машины, станки, приборы, инструменты и др., это здания и сооружения, дороги и каналы, средства общественного транспорта; это и непроизводственное оборудование и инструменты: коммунальное оборудование, холодильники, кухонные и стиральные машины, пылесосы; средства транспорта и связи личного пользования и т д. К понятию «техника» относится и технология: совокупность наиболее эффективных приемов, методов, способов использования оборудования и других технических средств для обработки сырья, материалов и изделий и получения полуфабрикатов и готовой продукции».

Уже самые древние люди умели делать простейшие технические приспособления. Постепенно, вместе с развитием техники, изменялся и сам человек. Особенно значительные изменения произошли в XX веке. Очевидно, что развитие техники с каждым годом идет все быстрее. Такое ускорение технического прогресса несет человеку не только радости, но и создает множество проблем, нередко очень серьезных.

Как считает Алоиз Хунинг, профессор Дюссельдорфского университета: «Задача техники – преобразовывать природу и мир человека в соответствии с целями, поставленными людьми на основе их нужд и желаний. Лишь редко люди могут выжить без своей преобразующей деятельности. Без техники люди не смогли бы справиться с окружающей их природной средой. Техника, следовательно, – это необходимая часть человеческого существования на протяжении всей истории».

Однако, «если человек лишь Homo Faber (человек делающий), тогда он крайне опасен. Homo Faber – полезная составная часть человека, только если и поскольку человек признан как Homo Sapiens (человек разумный)».

И дело не только в развитии военной техники – техники уничтожения, которая, как ни парадоксально, очень часто становилась и двигателем прогресса. К примеру, ракета «Восток», на которой Юрий Гагарин первым в мире полетел в космос, – это вариант межконтинентальной баллистической ракеты Р-7А.

Дело и в другом. Один из основателей крупнейшей компании Силиконовой долины «Sun Microsystems Inc.» Билл Джой выступил с резкой критикой безостановочного развития технологий. Джой призвал ученых к этике, которая бы ограничивала «жажду знаний» в некоторых особо опасных направлениях. Впервые о сдерживании прогресса заговорил не представитель «зеленых», а ведущий специалист по высоким технологиям.

«Мы влетаем в новый век без плана, без контроля, без тормозов, – пишет Джой. – Момент, когда мы уже не сможем контролировать ситуацию, быстро приближается»

По мнению ученого, изложенному в статье «Почему мы не нужны будущему», есть три направления, в которых человечество ожидают наиболее опасные катаклизмы. Это интеллектуальные роботы, генная инженерия и нанотехнологии. Джой предсказывает появление абсолютно нового класса проблем, которые будут связаны с возможностью быстрого размножения ошибок именно в этих трех областях. Это могут быть быстро эволюционирующие роботы, которые за ближайшие тридцать лет достигнут почти человеческого уровня интеллекта и будут бороться с человеком за ресурсы, либо новые болезни, созданные генной инженерией для выборочного поражения отдельных групп людей (например, по национальному признаку), либо самовоспроизводящиеся наномеханизмы, способные привести к массовым разрушениям.

«Единственное решение, которое я вижу, – это ограничение развития опасных технологий, ограничение стремления к знаниям в некоторых сферах», – считает Джой. И хотя развитие программного обеспечения приносит пользу человечеству, теперь он может представить себе день, когда по моральным соображениям прекратит такую работу. По его мнению, пример контроля над ядерным и биологическим оружием показал верный путь самосохранения человечества, и сейчас пришло время снова задуматься, чем грозит людям современная наука. Остается надеяться, что разум победит!

НАУКА И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Конвертеры

В 1855 году англичанин Генри Бессемер провел интереснейший опыт: он расплавил в тигле кусок доменного чугуна и продул его воздухом. Хрупкий чугун превратился в ковкую сталь. Все объяснялось очень просто – кислород воздуха выжигал углерод из расплава, который удалялся в атмосферу в виде оксида и диоксида. Впервые в истории металлургии для получения продукта не требовался дополнительный подогрев сырья. Это и понятно, ведь Бессемер реализовал экзотермическую реакцию горения углерода. Процесс был удивительно быстротечен. В пудлинговой печи сталь получали лишь за несколько часов, а здесь – за считанные минуты. Так Бессемер создал конвертер – агрегат, превращающий расплавленный чугун в сталь без дополнительного нагрева. Д.И. Менделеев назвал бессемеровские конвертеры печами без топлива. А поскольку по форме агрегат Бессемера напоминал грушу, его так и называли – «бессемеровская груша».

В бессемеровском конвертере можно переплавлять не всякий чугун, а только такой, в составе которого имеются кремний и марганец. Соединяясь с кислородом подаваемого воздуха, они выделяют большое количество теплоты, которая и обеспечивает быстрое выгорание углерода. Все же теплоты не хватает, чтобы расплавлять твердые куски металла. Поэтому в бессемеровском конвертере нельзя перерабатывать железный лом или твердый чугун. Это резко ограничивает возможности его применения.

Бессемеровский процесс – быстрый, дешевый и простой способ получения стали, но есть у него и большие недостатки. Поскольку химические реакции в конвертере идут очень быстро, то углерод выгорает, а вредные примеси – сера и фосфор – остаются в стали и ухудшают ее свойства. Кроме того, при продувке сталь насыщается азотом воздуха, а это ухудшает металл. Вот почему, как только появились мартеновские печи, бессемеровский конвертер стал редко употребляться для выплавки стали. Гораздо больше конвертеры использовали для выплавки цветных металлов – меди и никеля.

Сегодняшний конвертер, конечно, можно в определенном смысле называть потомком бессемеровского детища, ибо в нем, как и прежде, сталь получают, продувая жидкий чугун. Но уже не воздухом, а технически чистым кислородом. Это оказалось намного эффективнее.

Кислородно-конвертерный способ выплавки стали пришел в металлургию более чем полвека назад. Созданный в Советском Союзе по предложению инженера-металлурга Н.И. Мозгового, он полностью вытеснил бессемеровский процесс А первая в мире тонна кислородно-конвертерной стали была успешно выплавлена в 1936 году на киевском заводе «Большевик».

Оказалось, что таким способом можно не только перерабатывать жидкий чугун, но и добавлять в него значительные количества твердого чугуна и железного лома, который раньше можно было перерабатывать только в мартеновских печах. Вот почему кислородные конвертеры получили такое большое распространение.

Но только в 1950-е годы конвертеры для выплавки стали окончательно выдвинулись на первый план. Степень использования тепла в кислородном конвертере гораздо выше, чем в сталеплавильных агрегатах подового типа. Тепловой коэффициент полезного действия конвертера составляет 70 процентов, а у мартеновских печей не более 30. Кроме того, газы отходящие из конвертера, используются при дожигании в котлах-утилизаторах, или как топливо при отводе газов из конвертера без дожигания.

Существует три вида конвертеров: с донной продувкой, верхней и комбинированной. В настоящее время наиболее распространенными в мире являются конвертеры с верхней продувкой кислородом – агрегаты весьма производительные и относительно простые в эксплуатации. Однако в последние годы во всем мире конвертеры с донным и с комбинированным (сверху и снизу) дутьем начинают теснить конвертеры с верхней продувкой.

Рассмотрим устройство кислородного конвертера с верхней продувкой. Средняя часть корпуса конвертера цилиндрической формы, стены ванны сферической формы, днище плоское. Верхняя шлемная часть конической формы. Кожух конвертера выполняют из стальных листов толщиной 30–90 миллиметров. В конвертерах садкой до 150 тонн днище отъемное, крепят его к корпусу болтами, что облегчает ремонтные работы. При садке 250–350 тонн конвертер делают глуходонным, что вызвано необходимостью создания жесткой конструкции корпуса, гарантирующей от случаев прорыва жидкого металла.

Корпус конвертера крепят к специальному опорному кольцу, к которому приваривают цапфы. Одна из цапф через зубчатую муфту соединена с механизмом поворота. В конвертерах вместимостью больше двухсот пятидесяти тонн обе цапфы являются приводными. Конвертер цапфами опирается на подшипники, установленные на станинах. Механизм поворота позволяет вращать конвертер вокруг горизонтальной оси.

Корпус и днище конвертера футеруют огнеупорным кирпичом. Подача кислорода в ванну конвертера для продувки металла осуществляется через специальную фурму, вводимую в горловину конвертера.

Первой операцией конвертерного процесса является загрузка скрапа. Конвертер наклоняют на некоторый угол от вертикальной оси и специальным коробом-совком вместимостью через горловину загружают в конвертер скрап – железный и стальной лом. Обычно загружают 20–25 процентов скрапа на плавку. Если скрап не подогревают в конвертере, то затем сразу же заливают жидкий чугун. После этого конвертер устанавливают в вертикальное положение, через горловину в конвертер вводят кислородную фурму.

Для наводки шлака в конвертер по специальному желобу вводят шлакообразующие материалы: известь и в небольшом количестве железную руду и плавиковый шпат.

После окисления примесей чугуна и нагрева металла до заданных величин продувку прекращают, фурму из конвертера удаляют и сливают металл и шлак в ковши. Легирующие добавки и раскислители вводят в ковш.

Продолжительность плавки в хорошо работающих конвертерах почти не зависит от их вместимости и составляет 45 минут, продолжительность продувки – 15–25 минут. Каждый конвертер в месяц дает 800—1000 плавок. Стойкость конвертера – 600–800 плавок.

Движение металла в конвертере весьма сложное, помимо кислородной струи, на жидкую ванну воздействуют пузыри оксида углерода. Процесс перемешивания усложняется еще и тем, что шлак проталкивается струей газа в толщу металла и перемешивается с ним. Движение ванны и вспучивание ее выделяющимся оксидом углерода приводят значительную часть жидкого расплава в состояние эмульсии, в которой капли металла и шлака тесно перемешаны друг с другом. В результате этого создается большая поверхность соприкосновения металла со шлаком, что обеспечивает высокие скорости окисления углерода.

Конвертеры с донной продувкой кислородом из-за меньшего угара железа позволяют получить больший (на 1,5–2 процента) выход годной стали по сравнению с конвертерами с верхней продувкой. Плавка в 180-тонном конвертере с донной продувкой длится 32–39 минут, продувка – 12–14 минут, то есть производительность выше, чем у конвертеров с верхней продувкой. Однако необходимость промежуточной замены днищ нивелирует это различие в производительности.

Первые конвертеры с донной продувкой за рубежом были построены в 1966–1967 годах. Необходимость создания такого конвертера обусловлена, в основном, двумя причинами. Во-первых, необходимостью переработки чугунов с повышенным содержанием марганца, кремния и фосфора, поскольку передел такого чугуна в конвертерах с верхней продувкой сопровождается выбросами металла в ходе продувки и не обеспечивает должной стабильности химического состава готовой стали. Во-вторых, тем, что конвертер с такой продувкой является наиболее приемлемой конструкцией, позволяющей осуществить реконструкцию существующих бессемеровских и томасовских цехов, и вписывается в здание существующих мартеновских цехов. Этому конвертеру свойственно наличие большого числа реакционных зон, интенсивное окисление углерода с первых минут плавки, низкое содержание оксидов железа в шлаке. В силу специфики работы сталеплавильной ванны при донной продувке в конвертерах подобного типа выход годного несколько выше, чем в других конвертерах, а запыленность отходящих газов ниже.

В конвертерах с донной продувкой, имеющих большое число фурм, все технологические процессы протекают интенсивнее, чем в конвертерах с верхней продувкой Однако общая производительность конвертеров с донной продувкой не превышает значительно таковую для конвертеров с верхней продувкой по причине ограниченной стойкости днищ.

Чтобы предохранить кладку днища конвертера от действия высоких температур, фурму делают в виде двух коаксиальных трубок – по центральной подается кислород, а по периферийной – какое-либо углеводородное топливо, чаще всего природный газ. Таких фурм обычно 16–22. Большое число более мелких фурм обеспечивает лучшее перемешивание ванны и более спокойный ход плавки.

Струя топлива отделяет реакционную зону от днища, снижает температуру около днища в месте выхода кислородных струй за счет отбора тепла на нагрев топлива, крекинг и диссоциации составляющих топлива и продуктов их окисления. Охлаждающий эффект, кроме того, обеспечивается пылевидной известью, которая подается в струю кислорода. Таким образом, продувка расплавленного металла несколькими струями кислорода снизу создает ряд благоприятных особенностей в работе конвертера. Обеспечивается большее число реакционных зон и большая межфазная поверхность контакта кислородных струй с металлом. Это позволяет увеличить интенсивность продувки, повысить скорость окисления углерода. Улучшается перемешивание ванны, повышается степень использования кислорода. В результате появляется возможность расплавления больших по массе кусков скрапа. Лучшая гидродинамика ванны обеспечивает более ровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает выбросы. В силу этого в конвертерах с донной продувкой можно перерабатывать чугуны с повышенным содержанием марганца и фосфора.

Стремление повысить производительность агрегатов одновременно с необходимостью повысить однородность состава и температуры металла при возможности изготовления сталей широкого диапазона привело к использованию комбинированной продувки при относительно небольшом (по сравнению только с донной продувкой) количестве газов, вдуваемых через фурмы, установленные в днище конвертера. В последнее время появилось два основных варианта такого процесса, когда снизу подают кислород или инертные газы с целью обеспечить интенсивное перемешивание ванны и ускорить процесс удаления примесей. При этом, как и при донной продувке, снизу вместе с газами может подаваться пылевидная известь. По такому важному показателю, как возможный расход скрапа, конвертеры с верхней, донной и комбинированной продувкой оказываются приблизительно на одном уровне, при несколько более высоком выходе годного при донной продувке.

В настоящее время в мире применяется и разрабатывается много различных методов комбинированной продувки расплавленной ванны, рационально сочетающих верхнюю и донную продувку, причем в последней используется как кислород, так и инертные газы (аргон, азот).

В кислородно-конвертерном процессе с верхней продувкой достаточно интенсивное перемешивание достигается только в середине плавки при интенсивном окислении углерода. В начале и в конце плавки перемешивание недостаточно, что затрудняет глубокое рафинирование металла от серы и фосфора. Комбинированная подача кислорода через верхнюю и донные фурмы еще более, чем при одной донной продувке, ускоряет процесс окисления углерода и повышает производительность конвертера.

По сравнению с чисто донной продувкой в случае комбинированного процесса в сопоставимых условиях температура металла выше. Кроме того, при комбинированной продувке уменьшение расхода кислорода через верхнюю фурму снижает пылеобразование и разбрызгивание.

И еще одно преимущество кислородных конвертеров: здесь все процессы механизированы и автоматизированы, все чаще управление конвертерами поручается компьютерам.

Дуговые электроплавильные печи

Вся история металлургии – это борьба за качество, за улучшение физических и механических свойств металла. А ключ к качеству – химическая чистота. Даже крохотные примеси серы, фосфора, мышьяка, кислорода, некоторых других элементов резко ухудшают прочность и пластичность металла, делают его хрупким и слабым. А все эти примеси находятся в руде и коксе, и избавиться от них трудно. Во время плавки в доменной печи и в мартеновской печи основная часть примесей переводится в шлак и вместе с ним удаляется из металла. Но в тех же домнах и мартенах в металл попадают вредные элементы из горючих газов и ухудшают его свойства. Получить действительно высококачественную сталь помогла электрометаллургия, отрасль металлургии, где металлы и их сплавы получают с помощью электрического тока. Это относится не только к выплавке стали, но и к электролизу металлов и, в частности, расплавленных их солей – например, извлечению алюминия из расплавленного глинозема.

Основную массу легированной высококачественной стали выплавляют в дуговых электрических печах.

В дуговых сталеплавильных печах и плазменно-дуговых печах (ПДП) теплогенерация возникает за счет энергетических преобразований дугового разряда, происходящего в воздухе, парах расплавляемых материалов, инертной атмосфере или иной плазмообразующей среде.

Согласно общей теории печей М.А. Глинкова дуговые сталеплавильные и плазменно-дуговые печи представляют собой печи-теплообменники с радиационным режимом работы, поскольку энергетические условия на границе зоны технологического процесса, то есть на зеркале ванны жидкого металла, создают электрические дуги и огнеупорная футеровка рабочего пространства. Кроме этого, в дуговых сталеплавильных печах вертикально расположенные графитированные электроды создают неравномерное излучение дуг, зависящее от диаметра электродов и параметров электрического режима.

По условиям теплообмена между дугами, поверхностями рабочего пространства и металлом, особенностям электрофизических процессов дугового разряда, энергетическому и электрическому режимам всю плавку в дуговых печах от начала расплавления твердой металлошихты до слива жидкого металла делят на этапы.

Перед началом плавки куполообразный свод печи поднимают, отводят в сторону и загружают сверху в печь шихтовые материалы. Затем свод ставят на место, через отверстия в нем опускают в печь электроды и включают электрический ток. Чугун, железный лом и другие материалы начинают быстро плавиться.

По мере оплавления шихты под электродами и вокруг них образуются «колодцы», в которые опускаются дуги и электроды. Наступает этап «закрытого» горения дуг, когда плавление шихты происходит в «колодцах», снизу путем теплопередачи излучением на близлежащие слои шихты и теплопроводностью через слой жидкого металла, накопившегося на подине. Холодная шихта на периферии рабочего пространства нагревается за счет тепла, аккумулированного футеровкой: при этом температура внутренней поверхности футеровки интенсивно снижается с 1800–1900 до 900—1000 градусов Кельвина. На этом этапе футеровка рабочего пространства экранирована от излучения дуг, поэтому целесообразно обеспечить максимальную тепловую мощность с учетом электротехнических возможностей печного трансформатора.

Когда количества наплавленного жидкого металла будет достаточно для заполнения пустот между кусками твердой шихты, электрические дуги открываются и начинают гореть над зеркалом металлической ванны. Наступает этап «открытого» горения дуг, при котором происходит интенсивное прямое излучение дуг на футеровку стен и свода, температура повышается со скоростью до 30-100 градусов Кельвина в минуту и возникает необходимость снижения электрической мощности дуг в соответствии с тепловоспринимающей способностью футеровки.

Современные дуговые сталеплавильные печи работают на трехфазном токе промышленной частоты. В дуговых печах прямого действия электрические дуги возникают между каждым из трех вертикальных графитированных электродов и металлом. Футерованный кожух в дуговых сталеплавильных печах имеет сфероконическую форму. Рабочее пространство перекрыто сверху купольным сводом. Кожух установлен на опорной конструкции с гидравлическим (реже с электромеханическим) механизмом наклона печи. Для слива металла печь наклоняют на 40–45 градусов, для скачивания шлака – на 10–15 градусов (в другую сторону). Печи оборудованы механизмами подъема и поворота свода – для загрузки шихты через верх печи, передвижения электродов – для изменения длины дуги и регулирования мощности, вводимой в печь. Крупные печи оборудованы устройствами для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, системами удаления и очистки печных газов.

Отечественные плазменно-дуговые печи имеют вместимость от 0,5 до 200 тонн, мощность – от 0,63 до 125 МВт. Сила тока на мощных и сверхмощных плазменно-дуговых печей достигает 50-100 кА.

В зависимости от технологического процесса и состава шлаков футеровка плазменно-дуговых печей может быть кислая (при выплавке стали для фасонного литья) или основная (при выплавке стали для слитков).

Особенностью конструкции плазменно-дуговых печей с огнеупорной футеровкой как разновидности плавильных ванных печей дугового нагрева является наличие одного или нескольких плазмотронов постоянного тока и подового электрода – анода. Для сохранения атмосферы плазмообразующего газа рабочее пространство плазменно-дуговых печей герметизируется с помощью специальных уплотнений. Наличие водоохлаждаемого электрода в подине создает опасность взрыва, поэтому плазменно-дуговые печи снабжают системой контроля состояния футеровки подины и сигнализацией, предупреждающей о проплавлении подового электрода жидким металлом.

В настоящее время работают плазменно-дуговые печи с огнеупорной футеровкой вместимостью от 0,25 до 30 тонн мощностью от 0,2 до 25 МВт. Максимальная сила тока – до 10 кА.

Наиболее энергоемким периодом плавки в печах обоих типов является период плавления. Именно тогда потребляется до 80 процентов общего расхода энергии, причем в основном электрической. Длительность всей плавки в зависимости от принятой технологии выплавки электростали может быть 1,5–5 часов. Электрический коэффициент полезного действия дуговых сталеплавильных печей составляет 0,9–0,95, а тепловой – 0,65-0,7. Удельный расход электрической энергии составляет 450–700 кВт-ч на тонну, снижаясь за счет уменьшения удельной теплоотдающей поверхности для более крупных дуговых сталеплавильных печей.

Плазменно-дуговые печи имеют более низкие показатели. Электрический коэффициент полезного действия у них равен 0,75-0,85. Это объясняется дополнительными потерями в плазмотроне при формировании плазменной дуги. Тепловой же – около 0,6, так как возникают дополнительные потери в водоохлаждаемых элементах конструкции. Особенностью эксплуатации плазменно-дуговых печей является использование дорогостоящих плазмообразующих газов, что вызывает необходимость создания систем регенерации отработанных газов и применения технологически приемлемых дешевых газовых смесей.

Новые возможности в сталеплавильном производстве появились в связи с успешным освоением в конце 1980-х годов донного (через подину) выпуска металла из дуговых электропечей. Такая система выпуска была успешно реализована, например, в сталеплавильном цехе завода фирмы «Тиссен шталь» в Оберхаузене (ФРГ), на 100-тонных печах завода в Фридриксферке (Дания) и др. Они могут довольно длительное время работать в непрерывном режиме, например, датские 100-тонные агрегаты – в течение недели. При выпуске плавки, который длится не более 2 минут, печь наклоняется всего на 10–15 градусов вместо 40–45 градусов (для обычных агрегатов). Это позволяет почти полностью заменить огнеупорную футеровку стен водоохлаждаемыми панелями, резко сократить расход различных материалов и электроэнергии, производить полную отсечку печного шлака.

Как это ни удивительно на первый взгляд, современная дуговая сталеплавильная печь сверхвысокой мощности имеет удельный расход энергии значительно более низкий, чем мартеновская печь. К тому же труд сталевара мартеновской печи значительно тяжелее и утомительнее работы конверторщика или электросталеплавильщика.