История металлургии и мировое металургическое производство

№1530 

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ 

(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) 
Кафедра руднотермических процессов 

ЧЕРНОУСОВ П И, ТРАВЯНОВ А Я 
НЕДЕЛИН С В 

Одобрено методическим 
советом института 

ИСТОРИЙ МЕТАЛЛУРГИИ И 
МИРОВОЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ 
ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 

Для студентов специальности 110100 

МОСКВА 1999 

АННОТАЦИЯ 

Учебное пособие для практических занятий является 
первым изданием обеспечивающим новый учебный курс преподавание по которому было начато в 1994 году для студентов 
обучающихся по специальности 110100 Учебный курс является 
оригинальной дисциплиной не имеющей аналогов в отечественной практике преподавания в ВУЗах металлургического профиля 

Учебное пособие содержит текст 7 практических занятий 
изложено на 100 стр и включает 21 рис 

Содержание 

СОДЕРЖАНИЕ 

Стр 

ВВЕДЕНИЕ 
4 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ N<> 1 

Производство стали из железных руд 
5 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2 

Сыродутный горн 
14 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3 

Определение параметров процессов переработки железных руд в Средние Века (IX XVI) 
25 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4 

Определение минимальной потребности в 
производстве железа 
41 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5 

Сопоставление затрат на производство 
«дельного» железа промышленным и кустарным способами в России в начале XVIII века 
50 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 6 

Исследование структуры производства первичного металла на примере металлургического завода в Серене (Бельгия) в середине 
XIX века 
60 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 7 

Производство стали в бессемеровском конверторе в 1900 г в США 
80 

ЛИТЕРАТУРА 
97 

3 

История металлургии и мировое металлургическое производство 

ВВЕДЕНИЕ 

Настоящее издание представляет собой пособие для 
практических занятий по специальной дисциплине являющейся 
базовой для последующего обучения студентов специальности 
110100 Поэтому авторы ставили перед собой цель ознакомить 
студентов с основными металлургическими терминами и поня 
тиями дать знания о наиболее важных процессах производства 
железа и сплавов на его основе, сыгравших определяющую 
роль в развитии человеческой цивилизации научить выполне 
нию простейших инженерных расчетов а именно определению 
количества шихтовых материалов и продуктов процессов производства металла количества образующихся отходящих газов 
построению балансов основных элементов металлургического 
производства и т п 

Все практические занятия основаны на конкретной исторической информации и содержат ссылки на источники ее получения Кроме того пособие содержит сведения об организаци 
онной структуре металлургического производства о социальном 
составе металлургических предприятий в пособии приведены 
данные о калькуляции затрат на производство товарного железа 
и чугуна о технологических приемах определения количества 
произведенного продукта и способах управления процессом 
плавки 

В пособии разобран пример выполнения домашнего задания - основного текущего контрольного мероприятия по курсу 
«История металлургии и мировое металлургическое производ 
ство» и содержатся все варианты этого задания 

Авторы благодарны за участие в подготовке данного 
учебного 
пособия 
кафедры 
руднотермических 
процессов 
младшему научному сотруднику Митрохиной Л А и аспиранту 
Иванову А В 

Практическое занятие №1 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1 

«Производство тигельной стали 
из железных руд» 

Историческая справка 

Способы производства железа (стали) из руд в «волчьих 
ямах» и в тиглях помещённых в специальные горны (подобные 
горнам применявшимся для изготовления керамических изделий) стали первыми в истории человеческой цивилизации Повидимому оба способа являются металлургическими приёмами 
унаследованными от освоенного ранее производства меди и 
бронзы с существенными усовершенствованиями связанными с 
природными отличиями руд металлов и их поведением в ходе 
плавки Наиболее важными из вышеупомянутых усовершенст 
вовании стали 
• 
создание восстановительной атмосферы в металлургическом 
агрегате с помощью помещения в него избыточного количе 
ства древесного угля 

• 
совершенствование конструкции горна использование высокоогнеупорных 
материалов 
применение 
воздуходувных 
средств или создание естественного притока воздуха что в 
совокупности позволило достигнуть температурного уровня 
более высокого чем при производстве меди и бронзы (не 
менее 1200 °С против 600 1000 °С при производстве меди и 
бронзы) 

Судьба способов оказалась различной 
примитивная 
«волчья яма» относительно быстро уступила место «сыродут 
ному» горну тигельный же процесс выплавки железа из руд получил дальнейшее развитие прежде всего в странах азиатского 
континента поскольку позволял хотя и в небольших количествах получать сталь высочайшего (даже по современным стан 
дартам) качества 

В некоторых регионах Азии тигельный способ произвол 
ства железа (стали) из руд просуществовал до конца XIX века а 
в кустарном металлургическом производстве применяется до 

5 

История металлургии и мировое металлургическое производство 

сих пор Расцвет производства тигельной стали - так называв 
мых вуца (вутца) 
Дамаска 
или булата 
приходится 
на 
V XIII века 

В данном практическом занятии будет разобран процесс 
тигельной плавки железной руды воспроизведённый методами 
«практической археологии» для условий Северной Ферганы 
IX XII веков 

Археологические исследования 

При раскопках городища Ахсикет в Северной Фергане 
были обнаружены предметы и материалы применявшиеся в 
производстве стали в IX XIII веках Найдены остатки горна 
фрагменты тиглей с остатками шлака и невосстановленными 
спёками склады древесного угля и доломита свалка шлаков и 
полуобгоревших растений Исследования археологических ма 
териалов в том числе методами металлографии и «практиче 
ской археологии», позволили установить детали древнего способа производства стали 

Конструкция тиглей 

Тигли имели цилиндрическую форму (рис 1 1) Материалом для их изготовления служила специальная смесь из одной части песка и девяти частей жаростойкой глины Тигли изготавливались по «шаблону» - матерчатому чулку - и могли выдерживать температуру до 1650 °С Тигли закрывались полусферическими крышками с отверстиями в центральной части 
для выхода газов во время плавки 

Шихту для производства стали составляли железная 
руда доломит и древесный уголь которые предварительно 
дробились и тщательно перемешивались Шихту загружали в 
тигли которые помещались в горн и частично засыпались гравием для устойчивости и равномерного прогрева (рис 1 2) 

6 

Практическое занятие №1 

0 2 см 

1,2 м 

0 10 см 

2 -4 см 

i_^^ 

Рис 1 1 Конструкция тигля для производства железа из руды (по 
данным раскопок городища Ахсикет в Северной Фергане) 

Технология плавки 

Выступавшие над гравием части тиглей обкладывались 
древесным углем камышом и кустарниковыми растениями, дававшими при горении высокую температуру После достижения 
необходимой температуры в тигле начинайся процесс восстановления оксидов железа углеродом древесного угля затем 
плавился шлак и, наконец железо 

Окончательный состав стали формировался в нижней 
части тигля в результате просачивания капель металла через 
слой ранее сформировавшегося и более лёгкого шлака Тигель 
оставался в горне после окончания плавления до полного остывания Остывший слиток металла извлекали, разбивая тигель 

7 

Подача 
дутья с 
помощью 

мехов 

Тигли с рудой 
древесным 

углем и 
доломитом 

ъ. 

Огнеупорная 
глина 

Рис 1 ? Горн для тигельной плавки 

Практическое занятие №1 

Исходные данные и допущения 

Шихта включает гематитовую железную руду и древесный уголь взятые в соотношении 1 к 2 5 по объёму а также доломит 

Железная руда состоит из Fe203, Si02 MnO и V205 и 
имеет насыпную массу 1 75 т/м3 

Доломит состоит из CaO MgO Al203 и С02 Содержание 
СОг в доломите составляет 45 % (масс) 

Древесный уголь имеет насыпную массу 0 2 т/м3 Наличием в древесном угле золы пренебрегаем 

Химические составы спёка сформировавшегося после 
начального этапа процесса и конечного шлака плавки представлены в табл 11 

Таблица 11 

Химический состав спёка и конечного шлака (данные археологи' 
ческих исследований %(масс)) 

Материал 

Спёк 
Конечный 
шлак 

Основные компоненты 

Si02 
126 

186 

MnO 

0,4 

0,6 

СаО 

3,8 

57 

MgO 

16 

24 

FeO 
58 5 

67 6 

Al203 

30 

4 5 

V205 

22 

2 6 

С 
17 9 

00 

Насыпная масса спёка р = 2,55 кг/дм3 
Спёк занимал примерно 90 % объёма тигля 

В состав стали помимо железа ванадия кремния входят 
также, % (масс j углерод - 1 4, сера - 0 05 и фосфор - 0 05, 
присутствие которых в шихтовых материалах мы не учитываем 

Задача расчета 

Определить массу компонентов исходной шихты те 
железной руды, древесного угля и доломита массу шлака массу и химический состав стали 

9 

История металлургии и мировое металлургическое производство 

Решение 

Объём тигля считая его цилиндром составляет 

I/ 
я d ,, 
3,14 1 „_ 
_ ._ 
з 
V**.'-^- 
Н = -^— 
12 = 9,42 дм3 

Объем спека 

Voto'V^n 
0 9 = 8 48 дм3 

Масса спека 

Л*сп*,а=8 48 2 55=21 6 кг 

Масса шлака по «балансу СаО» (можно считать также по 
балансам MgO или Al203 которые полностью переходят в шлак) 
составит 

. . 
21,6 3,8 100 
1ЛЛ 

Построим баланс основных элементов плавки 
Баланс железа 

Г*спе« =21,6 ^
^
^
З 
КГ 

F e ^ =14,4 Ц£Ц«7,57 кг 

Рвмвтапп* = гвепвка — Гвшлака = 2 26 КГ 

Баланс кремния 

Si02oiea=21/6 ^ 
= 2,72 кг