Примитивная печь

В древности металлургические процессы были настолько примитивны, что приходилось использовать только высококачественное сырье. В качестве восстановителя использовался исключительно древесный уголь — продукт неполного горения древесины. В настоящее время трудно дать точную оценку металлургическим технологиям, которые применялись у древних египтян, но настенные росписи эпохи Древнего царства в Мемфисе показывают, каким образом плавили металлы (рис. 1).

Египетская настенная роспись, изображающая процесс плавления и литье золота

Печи, используемые древними людьми для производства металла из руды, необходимо было строить заново каждый раз после производства металла. Добавлялись дополнительные слои древесного угля и руды, золота разжигался огонь и продолжал гореть в течение 3—4 дней. Когда металл, выплавленный из руды, попадал в полость у основания пода, огонь выгребался и получалась отливка примерно в 1 кг металла. Процесс повторялся до тех пор, пока не заканчивалась руда. Чтобы получить чистый металл, полость в поду часто выкладывали глиной. В дальнейшем, когда появилась необходимость создания металлического производства (рис. 2) в связи с повышением спроса на металлы, были построены печи многократного использования. При обработке железных руд полученный металл представлял собой твердую массу, загрязненную шлаком из-за его высокой точки плавления. Частично удавалось избавиться от шлака, нагревая и повторно подвергая ковке, чтобы раздробить шлак.

Примитивная печь для легкоплавких руд. На заднем плане показана обжиговая печь для получения активированного угля из древесины

В древности впервые было замечено, что при раздувании пламени дыханием или создании потоков воздуха горение становится интенсивнее. Это наблюдение, возможно, было причиной для усовершенство­вания печных операций с использованием дутьевых трубок. С их помощью можно было для повышения температуры горения угля направить струю воздуха прямо в пламя, что было более эффективно, чем ис­пользование случайных воздушных потоков. Древний египетский рисунок изображает дутьевые трубки в действии для небольших печей в Древнем царстве (третья-пятая династии, 2690-2420 гг. до н. э.) (рис. 3).

Древний египетский рисунок, изображающий исполь­зование трубок для увеличения температуры в печи

Постепенно размеры печей увеличивались и их обслуживание становилось все более сложным, а при­менение дутьевых трубок — недостаточно эффектив­ным. Данное обстоятельство привело к изобретению мехов, сделанных из кожи козла с подводящей к пла­мени трубкой. В египетской настенной живописи изо­бражены рабочие, стоящие на мехах (рис. 4). Переме­щая свой вес с одной ступни на другую, рабочий направляет воздух из мехов в пламя, в то время как, снимая ногу с другого меха с отвер­стием, он заставляет его наполнять­ся воздухом. Спустя некоторое время возникла необходимость в исполь­зовании двух мехов, и каждый куз­нец оперировал парой.

Египетская настенная роспись, демонстрирующая ис­пользование мехов для раздувания огня воздухом

Первая шахтная печь

Большие мехи использовались и в дальнейшем, но их уже приводили в движение лошади. Водяное коле­со стало важной частью производст­ва. Возможность использования энергии воды становится более важ­ным фактором, чем наличие руды при выборе местоположения. Таким образом, предпочтительное место­ положение производства перемес­тилось с гор, несмотря на близость к руде и древесине, к рекам. Дутье, производимое очень большими при­водимыми водой мехами (рис. 5), привело к следующим усовершен­ствованиям:

  • интенсификация выделения тепла, обусловленная использова­нием больших мехов, привела к плавлению включений шлака. Как только железо расплавлялось, оно растворяло заметные количества уг­лерода, затвердевшее изделие ста­новилось хрупким и требовало даль­нейшей обработки для удаления избытка углерода;
  • наличие растворяющегося уг­лерода привело на практике к пони­жению точки плавления железа. Рас­плавленное железо непосредственно отливалось в конечные продукты ти­па листового железа и ядер орудий или полос для продажи или дальней­шей обработки в кричном горне;
  • стало возможным загружать печи, не прерывая процесс (рис. 6);
  • это, в свою очередь, позволяло относительно большим печам увели­чить производительность.

Большие мехи для подачи воздуха в печь, приводимые в движение водяным колесомВертикальная печь XVIII в. с непрерывной верхней загрузкой шихты

Водяные мехи

В Каталонии новое устройство, известное как водяные мехи, применяли для подведения воздуха к поду печи. Для этого использовалась энергия, произведенная падающим столбом воды в трубе, воздух выводился сквозь боковые отверстия трубки у ее вершины и поступал в закрытую камеру. Из камеры воздух поставлялся в печь. Железо, являющееся продуктом переработки руды, становилось пастообразным при температурах около дутьевой фурмы, формировалась сцементированная дислокация. Далее руда максимально вырабатывалась, шлак удалялся с пода и ковался в форме полосы. Кричный горн мог выплавить 150 кг металла за 5 ч вместо 20 кг, производимых его предшественниками.

Использование кокса

В самом начале для процесса плавки железной руды использовали древесный уголь. Позже был найден ископаемый уголь, но вскоре было установлено, что он размягчается в печи и загрязняет металлургические процессы. Этот фактор вместе с трудностями добычи так же, как и законы, запрещающие уничтожение леса, увеличили стоимость древесины. Эта проблема была решена, когда из угля был впервые получен кокс. Использование кокса позволило создать конструкции печей больших размеров с соответствующим увеличением выхода конечного продукта.

Технология, необходимая для функционирования доменной печи, работающей на коксе, стала доступной для использования в производстве в 1735 г., когда Абрахам Дерби достиг первого длительного и успешного применения минерального топлива в доменной печи (рис. 7). Быстрое внедрение доменных печей, работающих на коксе, подтверждено тем фактом, что к 1796 г. в Великобритании древесно-угольные доменные печи были почти полностью выведены из эксплуатации.

Технология получения кокса из угля

Замена в мехах шкур животных на специально обработанную древесину произошла вскоре после изобретения Хансом Лобсинджером в середине XVI в. деревянных мехов. Однако мехи Видхолма, как был назван один из их видов, были только переходной ступенью в эволюции деревянных воздуходувок, или «бадей», которые обеспечили дутье для многих известных доменных печей. Цилиндрические чугунные «мехи» — по сути, поршневой насос — были изобретены в 1760 г. знаменитым инженером-строителем Джоном Смитоном. Совокупный эффект этого изобретения и усовершенствования парового двигателя Джеймсом Уаттом около 1769 г. обеспечили доменную печь первой действительно надежной воздуходувкой, способной подводить достаточное количество воздуха к расплавляемой железной руде, используя минеральные топлива. Первая доменная печь, в которой были использованы эти изобретения, была построена в компании Carron Works в Шотландии в 1769 г.

Европейские производители изделий из железа стали использовать новый источник энергии для привода воздуходувки в 1894 г., когда был изобретен газовый двигатель Твайта для сжигания колошникового газа. Нежелание британской и американской железной промышленности использовать колошниковый газ в то время было связано с проблемами очистки газа. После внедрения воздуходувок следующей ступенью в их развитии было использование паровой турбины, или турбовоздуходувки, которая впервые появилась в 1910 г. Благодаря ее небольшому размеру в сравнении с совершающими возвратно-поступательное движение воздуходувками, обеспечивающая такую же подачу воздуха при существенном упрощении обслуживания, турбовоздуходувка оставалась незаменимой на протяжении многих лет до введения в эксплуатацию газотурбинной воздуходувки сталелитейной корпорацией США в 1958 г.

Кричный горн

Кричный горн был мастерской, где измельчен­ный чугун в чушках расплавлялся в лещади и обезуг­лероживался окислительным шлаком. Формовались стальные блюмы из жидкого металла и, как только они затвердевали, обрабатывались молотом в готовые поковки. Рабочие, обслуживающие печь, были спо­собны в некоторой степени контролировать свойст­ва изделия, но их практические навыки были ограни­ченны.

Учение о флогистоне

Антуан Лавуазье (1743-1794)В XVII в. делались попытки понять природу огня и процесса плавки. Когда-то считалось, что при горе­нии угля в окалине выделялся флогистон (от греч. «пламя») и оставалась зола. Если руда или оксид на­гревались с углем, это вызывало выход флогистона в пламя, что формировало металл следую­щим образом:

Руда + Флогистон > Металл.

В 1772 г. французский химик Лавуазье (рис. 8) был первым, кто наконец нанес фатальный удар этой теории, так как не­сколькими годами ранее был от­крыт кислород, и он интерпретировал явление сгорания как процесс окисления.

Обжиг

Раньше в плавильных печах перерабатывались в основном окисленные руды, так как переработка
сульфидных материалов была связана с целым ря­дом проблем. Успешными были лишь применявшие­ся в то время технологии, связанные с получением металлического свинца из галенита в малой подо­вой печи. Руда смешивалась с топливом, которое всплывало в ванне расплавленного свинца в чугунном ковше с футеровкой. Поступление воздуха обес­печивалось боковой продувкой. Полученный свинец просачивался через футеровку в ванну и перели­вался вниз по отлогому желобу в железный резерву­ар вне печи. Куски шлака удалялись по мере их фор­мирования и добавки новых порций руды и топлива. Однако производительность была очень мала. Плавление сульфидов меди не приводило к получению металла.

В дальнейшем было установлено, что сульфидные руды должны быть нагреты при определенных усло­виях, чтобы получить продукт обжига — оксид, ко­торый может быть переработан с получением метал­ла при вторичном нагреве с древесным углем. Первый этап нагрева характеризовался выбросом вредных га­зов серы (SO2). Превращение сульфида в продукт обжига без плавления стало известным как полный об­жиг (кальцинирование) и в дальнейшем было под­вергнуто совершенствованию.

Обжиг в кучах

Метод обжига в кучах был одним из самых ранних примененных для окисления сульфидов и широко использовался на протяжении девятнадцатого века для обработки медных руд (рис. 9). Руда кусками складывалась внутрь деревянного каркаса в кучи с достаточным количеством древесины для обеспечения горения сульфидов. Для облегчения сгорания в куче оставлялись поперечные каналы. Обычно использовали кучи высотой 2—3 м и площадью 15?30 м. Такие кучи содержали приблизительно 2000 т руды. Древесина поджигалась, и выделялось достаточное количество тепла для обеспечения самостоятельного горения сульфидов. Диоксид серы выбрасывался в атмосферу.

Обжиг медных сульфидных руд в кучах на заводе Копер Клиф, Онтарио (1887)

Руда должна была содержать, по крайней мере, 12 % серы, чтобы обеспечить процесс горения. С другой стороны, если содержание серы было слиш­ком высоко, необходимо было с большой осторож­ностью регулировать подачу сжатого воздуха для предотвращения плавления шихты. По этой причи­не руды с высоким содержанием серы иногда смеши­вались с низкосортными рудами, чтобы иметь нуж­ное содержание серы в куче. Высота кучи также являлась функцией содержания серы в руде. Руда, со­держащая 15 % Б, насыпалась в кучи высотой ~2,4 м, в то время как руда, содержащая 35 % 8 или больше, складывалась в 1,5-м кучи. Кучи могли гореть от нескольких недель до нескольких месяцев в зависи­мости от размера, характера руды и количества серы, которую предполагалось оставить в продукте окис­ления.

Когда обжиг подходил к концу, обожженный про­дукт загружался в вагонетки для перевозки на следую­щий передел. Обычно во время этой операции про­исходило большое пылеобразование, особенно при ветреной погоде, что приводило к потерям обожжен­ной руды и увеличению загрязнения окружающей среды. Процесс был очень неэффективен из-за того, что часть кучи окислялась полностью, другая частьшла на плавку на штейн, и тем не менее какая-то часть кучи содержала неокисленную руду. Кроме то­го, выделяемый SO2 был губителен для раститель­ности на очень больших территориях. Процесс стал считаться устаревшим только в начале XX в.

Вертикальные печи — кильны

Кучи были заменены малыми вертикальными пе­чами — кильнами, сделанными из кирпичей, извест­ных как «стойла» для отжига руды. Они были построе­ны вплотную в ряд с дымоходом, проходящим между рядами, ведущими к вытяжке, и были приблизитель­но 2,5?3,0 м и 1,8 м высотой и имели емкости 25—30 т каждая. Кильны загружались и разгружались вруч­ную. Диоксид серы выбрасывался высоко в атмосфе­ру. Процесс был много лучше, чем использование куч, но все еще малоэффективен.

Обжиг с дутьем

Этот метод был нацелен на подготовку агломери­рованного продукта от окисления пирита, который подходил для загрузки в доменные печи. Было об­наружено, что, если через слой горячей руды про­дувался воздух под действием тяги, происходило ее окисление, в результате чего образовывалась агломе­рированная пористая масса. Процесс проводился в больших чугунных тиглях (резервуарах), имеющих ложное дно или решетку, через которую под давлением пропускали воздух. Тигли имели полусферическую форму размером 2,5?3 м, глубиной 1,2-1,8 м и вмеща­ли 8—10 т шихты (рис. 10). После окисления шихты ти­гель поднимался подъемным краном и содержимое вываливалось на пол, где аглоспек разбивался на кус­ки подходящего размера.

 Тигельный обжиг руды с подачей дутья

Во время процесса решетка была покрыта слоем горящего угля или раскаленным докрасна огарком, который поджигал шихту, когда начиналась продув­ка. Тигли закрывались крышками во время сгора­ния. Первые попытки окислять сульфиды этим ме­тодом не были успешными, так как интенсивно выделяемая теплота при их окислении плавила загру­жаемый материал, что препятствовало прохождению воздушного потока. Эта проблема была решена в ре­зультате смешения сульфидов с некоторым количе­ством СаО или СаСО3. Хотя процесс и был реализован, но он не был эффективен, так как загрузка шихты осуществлялась периодически.

Барабанные печи

Использовались печи для окисления богатых концентратов с получением конечного огарка в виде агломерата. Воздух, необходимый для окисле­ния, подводился через равные промежутки при по­мощи труб, располагающихся на оси печи для предотвращения потери шихты из печи. 18-метровый печной барабан перерабатывал ~60 т/сут кон­центрата. Проблема в эксплуатации таких печей за­ключалась в склонности к перегреву, в результате чего образовывался полурасплавленный материал, прилипающий к стенам, что впоследствии уменьша­ло диаметр печи.

Отражательная печь

Использовались печи ~ 18 м длиной и 5 м шириной с топкой в одном конце и загрузочным окном, откры­вающимся в сторону, в другом. Руда загружалась на под печи в самой дальней от топки точке и продви­галась вручную толкателем через загрузочное окно. Глубина рудного пласта достигала 7—10 см. Ручная работа была заменена толкателем, механически перемещаемым по поду с помощью цепей. Однако ме­тод был громоздким, неэффективным и дорогим и устарел через несколько лет.

Вращающийся под

Вместо длинной прямой печи бы­ла предложена кольцевая печь. На рис. 11 показана простая конструк­ция печи, где руда из загрузочного бункера падает в центр вращающе­гося пода, немного выгнутого в цен­тре. Во время вращения частицы ру­ды окисляются и скатываются, пока не достигнут разгрузочного края.

Обжиг сульфидных руд в кольцевой печи на вра­ щающемся поде

Агломашина

Процесс окисления сульфидов на движущейся аглоленте — непрерыв­ный процесс и может быть полно­стью автоматизирован. Агломашина шириной 1 м и длиной 7 м обжигает ? 140 т/сут свинцового сульфида. За счет рециркуляции части отработан­ного газа от второй половины колос­ника можно увеличить содержание SO2 в конечном газовом продукте. Механизм был изобретен американ­скими инженерами Ричардом Ллой­дом (1870—1937) и Артуром Дуайтом (1864—?) и известен как механизм Ду­айта-Ллойда.

Многоподовая печь

Первая многоподовая печь была спроектирована в Бирмингеме (Анг­лия) в 1850 г. Александром Парксом (1813—1890). Она имела два дополнительных пода диам. 3 м (рис. 12). В 1883 г. англичанин МакДугал улучшил конструкцию. В целом печь представляет собой цилиндрическую стальную конст­рукцию, футерованную кирпичом и состоящую из множества подов, над которыми движутся перегребатели, установленные под углом и присоединенные к вертикальному валу в центре печи. Вал приводится в действие конической шестерней в нижней части пе­чи, и при вращении перегребатели также начинают вращаться.

Одна из первых конструкций многоподовой печи

Руда или концентрат, загружаемые на верхний под, перемещается через всю площадь пода от периферии к центру, где проваливается через отверстия на второй под. На втором поду перегребатели установлены так, чтобы перемещать руду к периферии пода, откуда ру­да поступает через отверстия на следующий, нижний под. Горячий газ, подаваемый на нижний под, вхо­дит в контакт с рудой на подах в противотоке, поки­дая печь сверху. Руда обычно высушивается на первых двух верхних подах, в то время как химические реак­ции происходят на последующих нижних. Перегребные устройства съемны, что дает возможность демон­тировать их для ремонта. Внутренняя часть печи охлаждается потоками холодного воздуха через центральный вал для предотвращения перегрева. Полые внутри перегребные устройства также снабжены воз­душным охлаждением. Пылеунос в этих печах ни­зок — 1—5 %. Печь диам. 7,6 м имеет 6—12 подов и может обжигать 100—200 т/сут материала.

При использовании данной печи для окисления сульфидов было замечено, что большая часть серы удалялась во время пересыпки шихты с пода на под, а не во время перегребания. Это привело к удалению некоторых из промежуточных подов, для того чтобы использовать больший объем и улучшить условия про­текания процесса окисления. Например, семиподовая печь диам. 7,6 м обжигала 40 т/сут концентратов суль­фида цинка. За счет удаления 2, 3, 4 и 5 подов произошло увеличение объема камеры сгорания, где про­исходило свободное пересыпание концентрата вниз. Вследствие реализации данного нововведения печь стала обжигать до 100 т/сут руды. Совершенствова­ние условий работы многоподовой печи привело впо­следствии к реализации так называемого процесса окисления во взвешенном слое.

Окисление во взвешенном слое

Этот процесс был предложен в начале 1950-х гг. инженерами Оутокумпу в Финляндии. В нем тонко­ раздробленная руда или концентрат распыляется в го­рячей камере в потоке воздуха. Из-за хорошего кон­такта твердых частиц с газовой фазой реакции окисления интенсивно происходят во взвешенном состоянии. Выделяемого тепла экзотермических ре­акций обычно достаточно для того, чтобы поддер­живать камеру постоянно горячей. Продукт окисле­ния падает на дно камеры, где собирается и выгружается из печи.

В первых конструкциях влажный концентрат по­давали к двум верхним подам для сушки, затем вы­гружали для измельчения. Хорошо высушенный кон­центрат окислялся при падении с высоты ~6 м. Огарок в конечном счете попадал на систему из двух подов, где окончательно окислялся. В более позд­ней конструкции влажный концентрат подавался на два пода, расположенных у основания печи. Высу­шенный материал перегружался в шаровую мельни­цу и затем поступал вместе с воздухом наверх в каме­ру печи. Окисленный продукт падал на под, расположенный над сушильными подами, откуда выгружался из печи. Преимущество этой конструк­ции заключалось в устранении вращения всей цен­тральной колонны, за исключением небольшого уча­стка пода печи, что упрощало ее обслуживание. Современная конструкция представляет собой боль­шую футерованную огнеупорным кирпичом каме­ру, в которой тонко измельченный и высушенный сульфидный концентрат вдувается в камеру смеше­ния вместе с подогретым воздухом.

Реактор псевдоожиженного слоя

Печь кипящего слоя — это большая вертикальная футерованная кирпичом стальная цилиндрическая камера, в которую через перфорированный под вду­вается воздух. Тонкоизмельченный сульфидный кон­центрат загружается с одной стороны печи винтовым конвейером, а продукт реакции непрерывно выгружа­ется из другого отверстия, расположенного в проти­воположном конце печи. Эффективный контакт газа с твердыми частицами позволяет уменьшить до мини­мума необходимое для окисления количество возду­ха. Получаемые газы богаты S02, а температура обжи­га в печи может поддерживаться с высокой степенью точности, что позволяет обеспечить высокий уровень контроля качества получаемого огарка.

Обжигательная печь псевдоожиженного слоя бы­ла изобретена Фрицем Винклером (1888—1950) в со­трудничестве с BASF в Германии в 1922 г. для газифи­кации углей. В 1942 г. компания «Стандард Ойл Девелопмент» ввела в эксплуатацию свой первый блок каталитического крекинга с псевдоожиженным ката­лизатором для производства авиационного бензина из более тяжелых нефтепродуктов. В дальнейшем пра­ва на эту технологию были приобретены компанией «Дорр-Оливер», и первая обжигательная печь псев­доожиженного слоя для обжига золотоносных арсенопиритных концентратов была установлена на шахте «Кохинур Виланс» (Онтарио) в 1947 г. Вторая обжи­говая печь была построена на заводе «Голден Сайкл» в Крипл-Грик (Колорадо) в 1952 г. Несколько лет спустя печи кипящего слоя были применены для обжига пиритов при производстве серной кислоты и других сульфидных концентратов.

Горизонтальная печь

Горизонтальная печь вначале широко использова­лась в производстве стекла, в ней порции песка, соды и измельченного известняка сплавлялись вместе. В связи с тем, что применяемые в металлургической практике высококачественные сульфидные руды по­степенно истощались, возникла необходимость при­менения процессов обогащения низкокачественных руд, которые заключались в дроблении, измельчении сульфидной руды, после чего измельченный концентрат поступал на флотационную переработку. Получаемая после флотации пульпа не могла быть направ­лена на дальнейшую переработку в шахтных печах. Такая технология стала применяться при получении меди.

Когда затвердевший штейн дробили и измельчали, одна его половина окислялась, а затем смешивалась с оставшейся, после чего готовая смесь расплавлялась с флюсами в печи, где проходила реакция взаимодей­ствия между оксидом и сульфидом меди с получени­ем металлической меди и переводом железа в шлак:

2СuО + Сu2S > 4Сu + SO2.

Вид медного завода столетия в Суонси, Уэльс

Уэльсские металлурги в Суонси (рис. 13) достигли больших успехов в реализации этого процесса, ко­торый получил название «уэльсский процесс». Штейн, доставляемый со всего мира от Бьютта в штате Мон­тана до Чукикамата в Чили, отправлялся в Суонси для переработки на медь. В отличие от вертикальной плавильной печи, которая является высокопроизво­дительным реактором и теплообменником вследст­вие организации в ней противоточного процесса те­пло- и массообмена, горизонтальная плавильная печь имеет ряд существенных недостатков:

  • наличие неэффективной теплопередачи (тепло от свода к поверхности расплава в основном переда­ется радиацией), что приводит к неэффективному ис­пользовании топлива;
  • чрезмерное пылеобразование (измельченный концентрат загружается под прямым углом к газово­му потоку), что приводит к необходимости установки громоздкой системы пылеулавливания;
  • отработанные газы имеют высокую темпера­туру, что вынуждает устанавливать громоздкие и до­рогие системы регенерации тепла.

Регенеративный принцип

Горизонтальная печь широко применялась также при производстве стали. Попытки улучшения процесса тесно связаны с реализацией принципа «регенерации» (сбережения тепла), предложенного немецким инженером Карлом Вильгельмом Сименсом (1823—1883), который иммигрировал в Англию в 1843 г. и стал называться сэром Чарльзом Уильямом Сименсом. Ему помогал брат Фредерик Сименс (1826—1904). Впервые в промышленности печи Сименса с большим успехом применили в 1861 г. на стекольных заводах в Бирмингеме. В 1867 г. Сименс в своем патенте предложил получать сталь, плавя в горизонтальной печи чугун в чушках, при этом удаляя углерод и добавляя железную руду. Тем временем двое французских рабочих Эмиль и Пьер Мартен (отец и сын) провели ряд экспериментов, которые заключались в расплавлении чугуна в чушках в отражательной печи, а для снижения содержания углерода добавлялся в необходимой пропорции металлолом. Они также использовали систему регенерации Сименса. Этот процесс стал в дальнейшем известным как процесс Сименса—Мартена.

Усовершенствованная шахтная печь

Конструкция печи для производства расплавленного высокоуглеродистого железа постепенно совершенствовалась, в отличие от первых горнов, в которых производился только ковкий чугун. Ее совершенствование заключалось в увеличении высоты горна и верхней загрузки садки с промежутками. Такая печь в дальнейшем стала известна как шахтная печь. Новый тип печи представлял собой вертикальную, футерованную огнеупорным кирпичом камеру, образованную двумя прилегающими друг к другу основаниями вертикальными камерами, имеющими форму двух усеченных конусов, и уже имел черты, сходные с современной доменной печью. Железная руда, флюс и древесный уголь загружались в верхней части шахты печи, в то время как воздух вдувался в печь через фурмы в нижней ее части.

Расширение цилиндрической части дымовой трубы, которая первоначально использовалась для увеличения тяги и обеспечения подогрева и сушки, было первым этапом в усовершенствовании конструкции горна или домницы и важным шагом в дальнейшей эволюции доменной печи. Увеличение спроса на выпускаемую металлургическую продукцию потребовало повышения производительности печи, что также послужило стимулом для внедрения в промышленность усовершенствованной конструкции печи. Выпускное отверстие для шлака было предусмотрено внизу, в боковой стене. Это отверстие заделывалось кирпичной или каменной кладкой, которая разрушалась каждый раз при удалении шлака, после чего оно снова замуровывалось. Древесный уголь был единственным используемым в то время топливом.

Конвертер

Генри Бессемер (1813-1898), соз­ давший конвер­ терный способ передела чугуна в стальВ 1856 г. в Англии Генри Бессемер (1813—1898) (рис. 14) и независимо от него Уильям Келлай (1811-1888) в США изобрели свой процесс про­изводства стали из чушкового чугуна, заключавшийся в про­дувании воздуха через рас­плавленный материал. Новый процесс стал называться кон­вертированием. При реализа­ции данного процесса время, необходимое для производст­ва стали, было сокращено во много раз и была исключена необходимость использования дополнительного топлива для поддержания тем­пературы, необходимой для проведения химических превращений.

Использование конвертирования привело к значи­тельному увеличению производства стали. В 1880 г. Пьер Манэ во Франции адаптировал процесс произ­водства стали методом Бессемера для медной про­мышленности. Он использовал воздуходувку для окис­ления FeS в медном штейне и конвертирования Cu2S в металлическую медь. В результате «реакция обжига» была замещена «реакцией конвертирования»:

Сu+ + e > Сu;
S2- + O2 > SO2 + 2е .
Суммарная реакция
Cu2S + O2 > 2Cu + SO2.

По ряду причин он был вынужден использовать конвертер с боковым дутьем. В 1960 г. та же самая ме­тодика с некоторыми модификациями была примене­на для производства никеля.

Донная продувка

Конвертер, используемый для продувки чугуна воздухом снизу, — это стальная емкость в форме гру­ши, футерованная огнеупорным кирпичом и снаб­женная подом с воздушной камерой, или фурмой, содержащей множество сопел, через которые посту­пает воздух. Конвертер мог наклоняться относитель­но своей горизонтальной оси. В производстве стали конвертер загружали жидким металлом в горизон­тальном положении. Затем, когда он еще находился в этом положении, начиналась его продувка воздухом. Как только конвертер поворачивался в вертикаль­ное положение, струи сжатого воздуха начинали про­ходить через жидкий металл. Используемое давле­ние воздуха составляло 100—200 кПа, этого было дос­таточно только для того, чтобы препятствовать доступу металла внутрь сопел. Применение более высокого давления могло привести к выбросу ме­талла из конвертера. После завершения процесса конвертер наклоняли для слива шлака и металла, и процесс повторяли. Емкость таких конвертеров составляла обычно 15—40 т. Использовались сопла в количестве 26—36 шт и приблизительно 16 мм в диа­метре.

Для ускорения процесса окисления начали ис­пользовать кислородно-воздушное дутье вместо воз­духа. С целью пред