электронная плавка. Она позволила путем расплавления и кристаллизации получать сверхчистые вещества. В таких веществах нуждается ракетная и атомная техника, да и сама электроника.
А вот электронный луч совсем в ином применении — с его помощью печатаются книги. Установка похожа на телевизор, но вместо экрана — бумажная лента, на которой луч прочерчивает строку за строкой. От него на бумаге остается заряд. Распыленная типографская краска и наэлектризованная бумага встречаются внутри камеры, бумага притягивает частички краски и текст проявляется, как на фотопленке.
Наиболее искусно электронами управляют в электронно-лучевых трубках (рис. 28). Такая электронно-лучевая трубка — основная часть телевизоров, радиолокаторов, фототелеграфа.
Электроника, радиоэлектроника и радиотехника, электронная оптика и электронная техника, электронография и электрооптика, электроорганический синтез и электрострикция — вот далеко не полный перечень наук и технических применений, предмет которых — процессы в приборах, основанные на движении электронов в вакууме и в веществе. Специальные области техники занимаются разработкой, производством и применением электронных приборов и устройств; в многочисленных научных институтах исследуют процессы, происходящие при формировании, распространении и фокусировке электронных и ионных пучков и т. д. Вот к чему привело открытие электрона.
7. Бездымная и бездоменная металлургия
— Ну что же, давайте пофантазируем, — подумает читатель, — когда-то это будет?
Однако заводы и комбинаты без высоких дымящих труб, без домен и мартенов — это не мечта, а реальность. Принципиальные изменения происходят сейчас даже в тех технологиях, которые, казалось бы, устоялись в веках. Причины тому — не только необходимость повышения качества металлопродукции, но и требования экологии: производство не должно отравлять окружающей среды.
Одним из реальных шагов в выполнении решений XXV–XXVII съездов КПСС о повышении качества металлопродукции является создание Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) (г. Старый Оскол Белгородской области). Но прежде чем говорить об особенности работы,
ДАВАЙТЕ СНАЧАЛА ВСПОМНИМ О ТРАДИЦИОННОМ СПОСОБЕ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ.
Металлургическое производство возникло на заре развития человеческого общества. В древности железо получали не в жидком, а в размягченном состоянии в сыродувных горнах, где в качестве топлива использовали древесный уголь (рис. 30, а).
По мере развития техники и увеличения потребности в металлах для получения железа использовали более высокие горны, а для подачи воздуха в горн стали применять воздуходувные устройства (рис. 30, б). Это привело к ухудшению механических свойств полученного сплава. Металл стал хрупким, но с хорошими литейными свойствами. Этот сплав был назван чугуном. При таком способе производства появилась возможность для хорошего отделения отходов (шлаков) от металла.
Сначала чугун выбрасывали, а с XIII в. начали вторично переплавлять с рудой (рис. 30, в).
Рис. 30.Способы выплавки железа:
а — древний горн для получения железной крицы; б — горн с воздушным дутьем (XVI в.); в — доменная печь (конец XVIII в.)
Полученный сплав, в котором углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов содержалось меньше, чем в чугуне, назвали сталью. Так зародился двухступенчатый способ производства железа из руды: сначала в шахтной печи — домнице (домне) выплавляли железоуглеродистый сплав — чугун, а затем его перерабатывали на сталь в так называемых кричных горнах.
Значительно позже, вероятно, лишь в XIV в., чугун начали использовать еще и для литья готовых изделий.
Такая двухстадийная схема производства стали и в настоящее время является основной. Техника выплавки чугуна и производства стали постепенно совершенствовалась и развивалась. В частности, с 1735 г. для выплавки чугуна стали применять твердое топливо — кокс. Кокс получают путем сухой перегонки специальных сортов (коксующихся) каменных углей без доступа воздуха при температуре 1000–1100 °C в так называемых коксовых батареях. С 1828 г. для ускорения процессов получения чугуна в доменном производстве стали применять дутье нагретого до 1000–1200 °C воздуха. Крупным усовершенствованием доменного процесса стало обогащение воздушного дутья кислородом (до 30 %), а также использование в качестве топлива природного газа.
КАК ГОТОВЯТ РУДУ К ПЛАВКЕ?
Перед плавкой железные руды подвергают специальной обработке с целью увеличения содержания железа в шихте, повышения ее однородности по крупности кусков и химическому составу.
Руда в основном проходит следующие стадии подготовки: дробление и сортировку по классам крупности, обогащение, усреднение, окускование.
Крупность добываемых руд в естественном виде очень различна. При открытой добыче размер отдельных кусков достигает 1000—12 000 мм, а при подземном — 300–800 мм. Для дальнейшего использования руда такой крупности должна быть предварительно подвергнута дроблению (рис. 31, а — г).
Рис. 31.Схематическое изображение основных способов дробления: раздавливание (а), истирание (б), раскалывание (в), удар (г)
Применяемые в настоящее время дробильные устройства позволяют получать продукт крупности до 6—15 мм. Однако такая руда плохо поддается обогащению. В целях улучшения процесса обогащения раздробленная руда проходит еще стадию помола. Размеры кусков руды после такого измельчения в среднем равны 1 мм. Для тонкого измельчения применяют главным образом мельницы, в которых удар сочетается с истиранием. В качестве дробящих тел применяют шары и стержни, а иногда твердые окатанные куски горной породы (гальку). В процессе вращения барабана (рис. 32) и происходит разбивание шарами кусков руды с одновременным истиранием.
Рис. 32.Схематическое изображение шаровой мельницы
Измельченная руда через решетку поступает в разгрузочное устройство.
Дробление и измельчение руды — энергоемкий и дорогостоящий процесс. На горных обогатительных фабриках (ГОК) стоимость процесса дробления и измельчения руды составляет от 35 до 70 % расходов на весь цикл обогащения, а стоимость дробильных устройств достигает 60 % стоимости оборудования фабрики.
Под обогащением руд понимают такой процесс обработки полезных ископаемых, целью которого является повышение содержания полезных примесей путем отделения рудного минерала от пустой породы. Все применяемые на практике способы обогащения руд являются, по существу, их механической обработкой и основаны на использовании различий в физических и физико-химических свойствах слагающих руду минералов.
В процессе обогащения руда проходит следующие стадии обработки: а) промывка водой с целью отделения песчано-глинистой породы и отделения веществ с существенно меньшей плотностью, чем металл; б) применение магнитной сепарации, основанной на использовании наличия у железосодержащих минералов магнитной восприимчивости. Обогащенная руда проходит при этом дальнейший процесс распределения (усреднения) по размерам.
Очищенная (обогащенная) руда перерабатывается в кусковые материалы необходимых размеров агломерацией или окатыванием.
Агломерация заключается в спекании руды (40–50 %), известняка (15–20 %) при температуре 1300–1500 °C в специальных агломерационных машинах. При этом из руды удаляется часть примесей, в ней разлагаются карбонаты, при этом образуется пористый офлюсованный материал — агломерат.
Вторым возможным продуктом являются окатыши. Процесс производства окатышей впервые был опробован в нашей стране в 1936 г. Тонко измельченный концентрат вместе с флюсами и топливом увлажняют и загружают во вращающуюся чашу (гранулятор) или в пустотельный барабан, где и образуются окатыши — шарики диаметром 25–30 мм. Готовые окатыши высушивают при 1200–1350 °C. Основная цель обжига окатышей сводится к упрочнению их до такой степени, чтобы они в дальнейшем выдерживали транспортировку, перегрузку и доменную плавку без значительных разрушений.
ИТАК, РУДА ПОДГОТОВЛЕНА К ПЛАВКЕ И ЗАГРУЖЕНА В ДОМНУ ЧТО ПРОИСХОДИТ ДАЛЬШЕ?
Доменная печь работает по принципу противотока: шихтовый материал движется сверху вниз, а навстречу ему поднимается поток горячих газов — продуктов сгорания топлива. При этом протекают следующие процессы: горение топлива, восстановление и науглероживание железа, восстановление других элементов, образование шлаков.
Основным продуктом доменного процесса является чугун. В зависимости от химического состава и назначения чугуны делят на передельные, которые предназначены для передела их в сталь, и литейные, предназначенные для переплава и получения фасонных отливок. Кроме чугуна доменный процесс позволяет получать ферросплавы — железо с повышенным содержанием других элементов.
Как говорилось выше, чугун отличается большой хрупкостью и поэтому не нашел широкого применения в современном машиностроении. Механические свойства чистого железа, в частности его прочность, ниже подобных свойств сплавов железа. В чистом виде железо — дорогой материал, и обычно его используют для специальных целей.
В технике и в быту в основном используют сталь. Значение стали в народном хозяйстве чрезвычайно велико. Нельзя назвать практически ни одной отрасли хозяйства, где бы ее не применяли. Уровень экономической мощи государства определяется в значительной степени количеством выплавленной стали. Годовое производство стали, приходящееся на душу населения в странах с развитой промышленностью, составляет 400–600 кг и более. В СССР на душу населения в настоящее время выплавляется около 600 кг стали в год.
КАКИМ ОБРАЗОМ ЧУГУН ПРЕВРАЩАЮТ В СТАЛЬ?
Техника производства стали в основном отработана в XIX в.