Пудлинг (металлургия)

Эта статья об устаревшем методе очистки чугуна. Чтобы узнать о других значениях, см. Лужа (значения) .

Схематический чертеж пудлинговой печи

Пудлинг — это процесс превращения чугуна в прутковый (кованый) чугун в отражательной печи, работающей на угле . Он был разработан в Англии в 1780-х годах. Расплавленный чугун перемешивали в отражательной печи, в окислительной камере. окружающая среда сжигает углерод, в результате чего получается кованое железо . Это был один из наиболее важных процессов изготовления первых заметных объемов ценного и полезного пруткового железа (ковкого кованого железа) без использования древесного угля . В конечном итоге печь будет использоваться для производства небольшого количества специальных сталей .

Хотя это был не первый процесс производства пруткового железа без древесного угля, лужение было, безусловно, самым успешным и заменило более ранние процессы заливки и штамповки , а также гораздо более старые процессы отделки и цветения древесным углем . Это позволило значительно расширить производство железа в Великобритании, а вскоре после этого и в Северной Америке. Это расширение представляет собой начало промышленной революции в том, что касается металлургической промышленности. В большинстве случаев применения кованого железа в XIX веке , включая Эйфелеву башню , мосты и оригинальный каркас Статуи Свободы , использовалось луженое железо.

История

Современное лужение было одним из нескольких процессов, разработанных во второй половине XVIII века в Великобритании для производства пруткового железа из чугуна без использования древесного угля. Он постепенно заменил более ранний процесс с использованием древесного угля, который проводился в кузнице для украшения .

Потребность в лужах

Чугунный чугун содержит много свободного углерода и является хрупким . Прежде чем его можно будет использовать и прежде чем его сможет обработать кузнец , его необходимо преобразовать в более ковкую форму, например, в прутковое железо, раннюю стадию кованого железа .

Авраамом Дарби Успешное использование кокса для своей доменной печи в Коулбрукдейле в 1709 году. снизило цену на чугун, но этот чугун, работающий на коксе, изначально не был принят, так как его нельзя было переработать в прутковый чугун существующими методами. Примеси серы из кокса делали его « красным » или хрупким при нагревании, и поэтому процесс очистки для него был невозможен. Лишь примерно в 1750 году, когда паровая продувка увеличила температуру печи настолько, что можно было добавить достаточное количество извести для удаления серы , коксовый чугун начал применяться. Кроме того, были разработаны более эффективные процессы для его усовершенствования.

Изобретение

Аврааму Дарби II , сыну новатора доменного дела, удалось превратить чугун в куски в 1749 году, но подробности его процесса неизвестны. Братья Крэнадж , также работавшие на берегу реки Северн , предположительно достигли этого экспериментально, используя угольную отражательную печь , в которой железо и сернистый уголь можно было хранить отдельно, но она никогда не использовалась в коммерческих целях. Они были первыми, кто выдвинул гипотезу, что железо может превращаться из чугуна в чушки только под действием тепла. Хотя они не знали о необходимых эффектах кислорода, подаваемого из воздуха , они, по крайней мере, отказались от прежнего заблуждения, что необходима смесь с материалами из топлива. Их эксперименты оказались успешными, и в 1766 году им был предоставлен патент № 851, но, похоже, их процесс не был принят в коммерческом обороте.

В 1783 году Питер Онионс в Доулайсе построил большую отражательную печь. С этого он начал успешную коммерческую деятельность и получил патент №1370. Печь была усовершенствована Генри Кортом в Фонтли в Хэмпшире в 1783–1784 годах и запатентована в 1784 году. Корт добавил к дымоходу заслонки, чтобы избежать некоторого риска перегрева и «сгорания» железа. Процесс Корта заключался в перемешивании расплавленного чугуна в отражательной печи в окислительной атмосфере, тем самым обезуглероживая его. Когда железо «пришло в природу», то есть до пастообразной консистенции, его собрали в комок, раскатали и раскатали (как описано ниже). Это применение рифленых роликов на прокатном стане для прокатки узких прутков также было внедрением компанией Cort существующих прокатных станов на континенте. Попытки Корта лицензировать этот процесс не увенчались успехом, поскольку он работал только с древесном угле чугуном, выплавленным на . Модификации были внесены Ричардом Кроушей на его металлургическом заводе в Сайфартфе в Мертир-Тидфиле, который включал первоначальный процесс очистки, разработанный у их соседей в Доулайсе.

Спустя девяносто лет после изобретения Корта американская лейбористская газета напомнила о преимуществах его системы:

«Когда железо просто расплавляют и заливают в какую-либо форму, его текстура становится зернистой и настолько хрупкой, что его невозможно использовать в любых целях, требующих большой прочности на разрыв . Процесс литья заключался в перемешивании расплавленного железа, вытекшего в лужу. , и это привело к такому изменению его анотомического расположения, что сделало процесс перекатывания более эффективным».

Процесс Корта (запатентованный) работал только с белым чугуном , а не с серым чугуном , который был обычным сырьем для кузниц того периода. Эта проблема была решена, вероятно, в Мертир-Тидфиле путем объединения луж с одним элементом несколько более раннего процесса. Это включало в себя еще один вид очага, известный как «нефтеперерабатывающий завод» или «гасящийся огонь». При этом чугун плавился и вытекал в корыто. Шлак отделился, плавал на расплавленном железе и был удален путем опускания дамбы в конце желоба. Результатом этого процесса было удаление кремния из металла, в результате чего остался белый хрупкий металл, известный как «тончайший металл». Это был идеальный материал для загрузки в пудлинговую печь. Эта версия процесса была известна как «сухая лужа» и продолжала использоваться в некоторых местах даже в 1890 году.

Дополнительная разработка в рафинировании серого чугуна была известна как «мокрая лужа», также известная как «кипение» или «свинье кипячение». Его изобрел лужерез по имени Джозеф Холл из Типтона . Он начал добавлять железный лом в шихту . Позже он попробовал добавить окалину железа (по сути, оксиды железа, такие как FeO , Fe ₂ O ₃ , или Fe ₃ O ₄ ). Результат был впечатляющим: печь сильно кипела, образуя пузырьки угарного газа . Это произошло из-за химической реакции между оксидами железа в окалине и углеродом, растворенным в чугуне: С + Fe ₂ O ₃ → CO + 2 FeO . К его удивлению, из полученного шарика-лужицы получилось хорошее железо.

Одна из больших проблем с образованием луж заключалась в том, что до 15% железа уносилось вместе со шлаком, поскольку в качестве слоя использовался песок. Холл заменил кровать обожженным шлаком, в результате чего количество отходов сократилось до 8%, а к концу века оно снизилось до 5%.

Впоследствии Холл стал партнером в создании металлургического завода Bloomfield в Типтоне в 1830 году, а с 1834 года фирма стала Bradley, Barrows and Hall. Это версия процесса, наиболее часто используемая в середине-конце 19 века. Преимущество влажной лужи заключалось в том, что она была намного более эффективной, чем сухая лужа (или любой более ранний процесс). Наилучший выход железа, достижимый из сухой лужи, составляет одну тонну железа из 1,3 тонны чугуна (выход 77%), но выход из мокрой лужи составил почти 100%.

Производство мягкой стали в пудлинговой печи было осуществлено примерно в 1850 году. в Вестфалии , Германия, и был запатентован в Великобритании от имени Lohage, Bremme и Lehrkind. Он работал только с чугуном, изготовленным из определенных видов руды. Чугун нужно было плавить быстро, а шлак должен был быть богат марганцем . Когда металл появился в природе, его нужно было быстро удалить и обработать черепицей, прежде чем произойдет дальнейшее обезуглероживание . Этот процесс был применен на металлургическом заводе Лоу-Мур в Брэдфорде в Йоркшире ( Англия ) в 1851 году и в долине Луары во Франции в 1855 году. Он широко использовался.

Эволюция производства кованого (луженого) чугуна, чугуна и стали в Великобритании и Франции. На этих графиках можно заметить переход между каждым металлом для обеих стран.

Пудлинговый процесс начал вытесняться с внедрением бессемеровского процесса , в результате которого производилась сталь. Его можно было бы превратить в кованое железо с помощью процесса Aston за небольшую часть затрат и времени. Для сравнения, средний размер загрузки пудлинговой печи составлял 800–900 фунтов (360–410 кг). в то время как загрузка бессемеровского конвертера составляла 15 коротких тонн (13 600 кг). Процесс производства луж нельзя было масштабировать, поскольку он был ограничен объемом, с которым мог справиться лужеобразователь. Его можно было расширить только за счет строительства новых печей.

Процесс

Внешний вид одинарной пудлинговой печи. А. Дампер; Б. Рабочая дверь

Процесс начинается с подготовки пудлинговой печи. Это включает в себя доведение печи до низкой температуры и последующую ее футеровку . Обшивка — это процесс окраски решетки и стенок вокруг нее оксидами железа, обычно гематитом ; это действует как защитное покрытие, предотвращающее прогорание расплавленного металла в печи. Иногда вместо гематита использовали мелко истолченный огарок. В этом случае печь необходимо протопить в течение 4–5 часов для расплавления огарка, а затем охладить перед загрузкой.

белый чугун или рафинированное железо Затем в подину печи помещают . Этот процесс известен как загрузка . При мокрой луже также загружается железный лом и/или оксид железа. Затем эту смесь нагревают до тех пор, пока верхняя часть не расплавится, позволяя оксидам начать смешиваться; обычно это занимает 30 минут. Эту смесь подвергают сильному потоку воздуха и перемешивают длинными стержнями с крючками на одном конце, называемыми лужеобразными стержнями или стержнями . через дверцы в печи. Это помогает железу-III ( Фе ³⁺ вещества, действующие как окислители ) из оксидов вступать в реакцию с примесями в чугуне, особенно с кремнием , марганцем (с образованием шлака) и в некоторой степени с серой и фосфором , которые образуют газы, выходящие с выхлопными газами печи.

Затем добавляется больше топлива и температура повышается. Железо полностью плавится и углерод начинает выгорать. При мокром луже образование монооксида углерода (CO) и диоксида углерода (CO ₂ ) в результате реакций с добавленным оксидом железа приводит к образованию пузырьков, из-за которых масса кажется кипящей. В результате этого процесса шлак вздувается сверху, давая зрителю визуальное представление о ходе горения. По мере выгорания углерода температура плавления смеси повышается с 1150 до 1540 ° C (от 2100 до 2800 ° F). поэтому во время этого процесса печь необходимо постоянно подавать. Температура плавления увеличивается, поскольку атомы углерода в смеси действуют как растворенное вещество в растворе, что снижает температуру плавления смеси железа (как дорожная соль на льду).

Работая бригадой из двух человек, лужерез и помощник могли производить около 1500 кг железа за 12-часовую смену. Из-за напряженного труда, жары и дыма продолжительность жизни лужиц была очень короткой: большинство из них умирали в возрасте 30 лет. Лужу никогда не удавалось автоматизировать, потому что лужерез должен был чувствовать, когда шарики «пришли в себя».

Лужистая сталь

В конце 1840-х годов немецкий химик Франц Антон Лохаге разработал модификацию процесса лужи для производства не железа, а стали на заводе Haspe Iron Works в Хагене ; Впоследствии она была коммерциализирована в Германии, Франции и Великобритании в 1850-х годах, а луженая сталь была основным сырьем для литой стали Krupp даже в 1870-х годах. До разработки основной огнеупорной футеровки (с оксидом магния , MgO) и широкого внедрения процесса Гилкриста-Томаса ок . 1880 г. дополнены кислотными бессемеровскими конвертерами (огнеупорным материалом из SiO ₂ ) и мартеновские печи, потому что, в отличие от них, пудлинговая печь могла использовать фосфорные руды, изобилующие в континентальной Европе.

Пудлинговая печь

Вертикальные и горизонтальные сечения одной пудлинговой печи. А. Каминная решетка; Б. Огнеупорные кирпичи; C. Перекрестные папки; Д. Камин; Е. Рабочая дверь; Ф. Харт; G. Чугунные стопорные пластины; H. Стена моста

Пудлинговая печь — это технология производства металла, используемая для создания кованого железа или стали из чугуна, полученного в доменной печи . Печь сконструирована таким образом, чтобы направлять горячий воздух на утюг без прямого контакта топлива с утюгом. Эта система обычно известна как отражательная печь или мартеновская печь . Основным преимуществом этой системы является отделение примесей топлива от заряда.

Схема двойной пудлинговой печи

В очаге железо загружается, плавится и лужится. Форма очага обычно эллиптическая; 1,5–1,8 м (4,9–5,9 футов) в длину и 1–1,2 м (3,3–3,9 футов) в ширину. Если печь предназначена для варки белого железа, то глубина пода не должна превышать 50 см (20 дюймов). Если печь предназначена для варки серого чугуна, то средняя глубина пода составляет 50–75 см (20–30 дюймов). Из-за большого количества тепла, необходимого для плавления шихты, решетку приходилось охлаждать, чтобы она не расплавилась вместе с шихтой. Это делалось путем подачи на него постоянного потока прохладного воздуха или выливания воды на дно решетки.

В камине, где сжигалось топливо, использовалась чугунная решетка, размер которой менялся в зависимости от используемого топлива. Если используется битуминозный уголь , то средний размер решетки составляет 60 см × 90 см (2,0 × 3,0 фута), и в нее загружается 25–30 см (9,8–11,8 дюйма) угля. Если используется антрацитовый уголь, то размер решетки составляет 1,5 × 1,2 м (4,9 × 3,9 фута), и в нее загружается 50–75 см (20–30 дюймов) угля.

Двойная пудлерная печь аналогична одинарной пудлерной печи, с основным отличием в том, что в ней имеются две рабочие дверцы, позволяющие двум пудлерам работать в печи одновременно. Самым большим преимуществом этой установки является то, что она производит вдвое больше кованого железа. Это также более экономично и экономично по сравнению с одной печью.

См. также

• Тигельная сталь
• Обезуглероживание
• Двойной молоток
• Сталелитейное производство

Сноски

Источники

• Ландес, Дэвид. С. (1969). Освобожденный Прометей: технологические изменения и промышленное развитие в Западной Европе с 1750 года по настоящее время . Кембридж, Нью-Йорк: Пресс-синдикат Кембриджского университета. ISBN  0-521-09418-6 .
• Шуберт, HR (1958). Добыча и производство металлов: чугун и сталь . История технологий IV: Промышленная революция. Издательство Оксфордского университета.

Дальнейшее чтение

• WKV Gale, Iron and Steel (Longmans, Лондон, 1969), 55 и далее.
• WKV Гейл, Британская металлургическая промышленность: техническая история (Дэвид и Чарльз, Ньютон Эббот, 1967), 62–66.
• Р. А. Мотт, «Сухая и влажная лужа», Пер. Ньюкомен Соц. 49 (1977–78), 153–58.
• Р. А. Мотт (ред. П. Сингер), Генри Корт: великий изящный (The Metals Society, Лондон, 1983).
• К. Барракло, Сталелитейное производство: 1850–1900 (Институт материалов, Лондон, 1990), 27–35.
• Оверман, Фредрик (1854). Производство железа во всех его отраслях . Филадельфия: ХК Бэрд. стр. 259–302 .
• Статья Пола Белфорда о N. Hingley & Sons Ltd.
• Железный лужерез: Моя жизнь на прокатных станах и что из этого вышло . Джеймс Дж. Дэвис . Нью-Йорк: Гроссет и Данлэп, 1922 г. (написано К. Л. Эдсоном)