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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Aço fundido. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Na história da metalurgia do ferro, houve três reviravoltas revolucionárias que tiveram um impacto profundo em todo o curso da história humana: a primeira ocorreu na Antiguidade, quando surgiram os fornos de fornalha; a segunda ocorreu na Idade Média, após a descoberta do processo de alteração; a terceira ocorreu na segunda metade do século XIX e esteve associada ao início da produção de aço fundido. O aço em todos os tempos permaneceu o produto mais necessário e desejado da metalurgia do ferro, porque só ele possuía a dureza e a resistência necessárias para a fabricação de ferramentas, armas e peças de máquinas. Mas antes de se transformar em um produto de aço, o metal teve que passar por uma série de operações de trabalho intensivo. Primeiro, o ferro foi fundido a partir do minério. Em seguida, o ferro fundido foi reduzido a ferro macio. Finalmente, por forjamento a longo prazo de um anel de ferro, foi obtida a peça de aço necessária (ou apenas uma peça bruta para ela, que foi então submetida ao acabamento final em máquinas de corte de metal). A produção de ferro macio, e em particular forjamento, tem sido o gargalo no processo de processamento de ferro. Eles levaram mais esforço e tempo, e os resultados estavam longe de ser sempre satisfatórios. Este problema tornou-se especialmente agudo no século XNUMX, quando a demanda por aço barato aumentou acentuadamente. Naturalmente, muitos cientistas e inventores tiveram uma ideia, que Bessemer mais tarde expressou: como obter um metal com as propriedades do ferro e do aço, mas na forma líquida, para que possa ser usado para fundição? A solução deste problema exigiu várias décadas de trabalho árduo de muitos metalúrgicos. Ao longo do caminho, várias descobertas e invenções importantes foram feitas, cada uma das quais constituindo uma era na história do processamento de ferro. Até o final do século XVIII, a conversão do ferro fundido em ferro maleável macio ocorria apenas em fornos de floração. Este método, no entanto, era inconveniente em muitos aspectos. O metal obtido durante ela era heterogêneo - em alguns lugares se aproximava em suas qualidades do ferro maleável, em alguns lugares - do aço. Além disso, o trabalho exigia muito tempo e esforço físico. Uma vez que o combustível (carvão) estava em contato direto com o ferro, as exigências eram muito altas, pois quaisquer impurezas afetavam a qualidade do produto final. O consumo de carvão era muito alto (em média, eram necessários até 1 kg de carvão para repor 4 kg de ferro). Nas forjas maiores, não era possível obter mais de 24 kg de ferro em 400 horas. Enquanto isso, o mercado exigia cada vez mais ferro e aço. Para atender a esses pedidos, era necessário encontrar uma maneira mais perfeita de refazer o ferro fundido. Um passo significativo nesse caminho foi o processo de empoçamento proposto em 1784 pelo inglês Cort em um forno especialmente projetado.
Puddling é o processo metalúrgico de conversão de ferro fundido em ferro macio de baixo carbono (ferro forjado). A essência do processo é a fusão do ferro fundido em um forno especial sem contato com o combustível e a mistura do metal fundido com varetas especiais, nas quais grudam partículas de ferro fundido, formando gradativamente uma crosta pastosa pesando até 40-60 kg. Na saída do forno de pudim, o kritsa obtido é forjado e enviado para achatamento. O pudim de ferro solda bem, tem alta plasticidade, contém poucas impurezas (fósforo, enxofre, inclusões não metálicas). O principal dispositivo do forno de pudim era o seguinte. O combustível foi queimado na fornalha. Os produtos da combustão através do limiar de pedra caíram no espaço de trabalho do forno, onde o ferro fundido carregado com escórias ferruginosas estava localizado na lareira. A escória sob a ação da chama passou para um estado pastoso e derreteu parcialmente. Com o aumento da temperatura, o ferro fundido começou a derreter e suas impurezas queimaram devido ao oxigênio contido nas escórias. Assim, o ferro fundido foi descarbonetado, ou seja, transformou-se em um grito de ferro esponjoso. Uma diferença importante entre o forno de pudling e o bloomery era que ele permitia o uso de qualquer combustível como combustível, incluindo carvão bruto barato, e seu volume era muito maior.
Fornos de pudim tornaram o ferro mais barato. Ao mesmo tempo, ao contrário das buzinas gritantes, o forno de Kort não exigia sopro forçado. O acesso aéreo e a boa tiragem foram alcançados graças a um tubo alto. Esta foi uma das razões pelas quais os fornos de pudim se tornaram difundidos em todo o mundo. No entanto, uma desvantagem significativa desses fornos era que o ar soprava apenas a parte superior do ferro fundido. Para que a redução do ferro ocorresse uniformemente e em todo o volume, era necessário abrir periodicamente o forno e agitar o ferro fundido. Era trabalho braçal pesado. Além disso, como a força e as capacidades do trabalhador eram limitadas, o forno não podia ser muito grande. (Para permitir a agitação, Cort forneceu dois tubos, um dos quais estava sob o forno e o segundo - no final do forno. Foi aberto no momento em que era necessário reduzir a temperatura.) Em meados do século XIX, os fornos de pudim deixaram de atender às novas necessidades da indústria. Para acompanhar a demanda, vários fornos tiveram que ser construídos para cada alto-forno grande (em média, dez fornos de pudling atenderam um alto-forno). Isso aumentou o custo e tornou a produção mais difícil. Muitos inventores pensaram em como substituir a poça por uma maneira melhor de recuperar o ferro. Antes de outros, esse problema foi resolvido pelo engenheiro inglês Bessemer. Bessemer veio para a metalurgia depois de muitos anos de trabalho no aprimoramento de peças de artilharia e conchas. Ele estabeleceu o objetivo de encontrar uma maneira de produzir aço fundido de alta qualidade a partir do qual os canhões pudessem ser fundidos. Observando muitas vezes o derretimento do ferro fundido, ele notou que o ferro sólido reduzido é formado primeiro perto dos tubos do soprador. Isso o levou à ideia de obter aço soprando ar intensamente através de ferro fundido fundido. Bessemer realizou seus primeiros experimentos em um cadinho fechado, que ele aqueceu em uma forja com coque. O resultado superou as expectativas mais loucas. Em menos de uma hora de sopro, ele transformou ferro em aço de primeira classe. Além disso, outros experimentos mostraram que não há necessidade de introduzir calor no processo metalúrgico de fora. O fato é que o ferro fundido contém seu próprio material combustível como impurezas: silício, manganês, carbono - no total, cerca de 45 kg de materiais combustíveis para cada tonelada de ferro fundido. Por sua queima, eles permitiram aumentar significativamente a temperatura de fusão e obter o aço em estado líquido. Em 1856, Bessemer demonstrou publicamente o conversor fixo que havia inventado. O conversor tinha a forma de um fogão vertical baixo, fechado na parte superior com uma abóbada com um orifício para a saída de gases. Na lateral da fornalha havia um segundo orifício para despejar o ferro fundido. O aço acabado foi liberado através de um orifício na parte inferior do forno (durante a operação do conversor, estava entupido com argila). Tubos sopradores (tuyeres) foram localizados perto da lareira do forno. Como o conversor estava parado, a purga foi iniciada antes que o ferro fosse despejado. Caso contrário, o metal inundaria as ventaneiras. Pela mesma razão, foi necessário soprar até que todo o metal fosse liberado. Todo o processo não levou mais de 20 minutos. O menor atraso no lançamento deu um casamento. Este inconveniente, bem como uma série de outras deficiências do conversor fixo, forçou Bessemer a mudar para um forno rotativo. Em 1860, ele obteve uma patente para um novo projeto de conversor, que sobreviveu em termos gerais até hoje.
O método Bessemer foi uma verdadeira revolução no campo da metalurgia. Em 8 a 10 minutos, seu conversor transformou 10 a 15 toneladas de ferro fundido em ferro dúctil ou aço, o que anteriormente levaria vários dias de operação de um forno de pudim ou vários meses de operação da antiga floração. No entanto, depois que o método de Bessemer começou a ser aplicado em condições industriais, seus resultados se mostraram piores do que em laboratório, e o aço saiu de qualidade muito ruim. Durante dois anos, Bessemer tentou resolver esse problema e finalmente descobriu que em seus experimentos o ferro fundido continha pouco fósforo, enquanto na Inglaterra o ferro fundido fundido a partir de minérios de ferro com alto teor de fósforo era amplamente utilizado. Enquanto isso, fósforo e enxofre não queimaram junto com outras impurezas; de ferro fundido, eles caíram em aço e reduziram significativamente sua qualidade. Isso, além do alto custo do conversor, levou ao fato de que o método de Bessemer foi introduzido muito lentamente na produção. E 15 anos depois, na Inglaterra, a maior parte do ferro fundido foi derretida em fornos de poça. Os conversores são muito mais usados na Alemanha e nos EUA.
Juntamente com o método Bessemer de produção de aço, o método de lareira aberta logo adquiriu um grande papel. Sua essência era que o ferro fundido era fundido com sucata em um forno regenerativo especial. Este forno foi inventado e construído em 1861 pelos engenheiros alemães Friedrich e William Siemens para as necessidades da indústria do vidro, mas foi mais amplamente utilizado na metalurgia. A composição do forno incluía produtores de gás (ou geradores de gás), o próprio forno com regeneradores de calor (ou regeneradores) para aquecimento de gás e ar e um compartimento de fundição (pátio).
Geradores e regeneradores foram interligados por um sistema especial de canais para gás, ar e produtos de combustão. Estes últimos foram descarregados em uma chaminé de até 40 m de altura, que fornecia a tiragem necessária. Os geradores estavam localizados sob a lareira ou nas laterais do forno. Os regeneradores eram câmaras especiais para aquecimento de gás e ar. Válvulas variáveis especiais direcionavam gás e ar para uma câmara ou outra, e os produtos da combustão eram descarregados na tubulação. A combustão ocorreu da seguinte maneira. O gás e o ar eram aquecidos em sua própria câmara e depois entravam no espaço de fusão, onde a combustão acontecia. Os produtos da combustão, tendo passado pelo fundo do forno, correram para os regeneradores e cederam a maior parte de seu calor aqui para a colocação dos regeneradores e depois foram para a chaminé. Para que o processo prosseguisse continuamente, com a ajuda de válvulas, o ar e o gás eram direcionados primeiro para um par de regeneradores e depois para outro. Como resultado dessa troca de calor pensativa, a temperatura no forno atingiu 1600 graus, ou seja, excedeu a temperatura de fusão do ferro puro sem carbono. A criação de fornos de alta temperatura abriu novos horizontes para a metalurgia. Em meados do século 1864, todos os países industrializados tinham enormes estoques de sucata. Devido à sua alta refratariedade, não pôde ser utilizado na produção. Os engenheiros franceses Émile e Pierre Martin (pai e filho) propuseram fundir esta sucata com ferro fundido em um forno regenerativo e assim obter aço. Em XNUMX, na fábrica de Sireil, sob a liderança da Siemens, realizaram a primeira fundição bem-sucedida. Então esse método começou a ser aplicado em todos os lugares. Os fornos de lareira aberta eram mais baratos que os conversores e, portanto, eram mais amplamente utilizados. No entanto, nem o método de Bessemer nem o método a céu aberto permitiram obter aço de alta qualidade a partir de minério contendo enxofre e fósforo. Esse problema permaneceu sem solução por uma década e meia, até que em 1878 o metalúrgico inglês Sidney Thomas surgiu com a ideia de adicionar de 10 a 15% de cal ao conversor. Neste caso, formaram-se escórias que podiam reter fósforo em compostos químicos fortes. Como resultado, o fósforo foi queimado junto com outras impurezas desnecessárias e o ferro fundido se transformou em aço de alta qualidade. O significado da invenção de Thomas foi enorme. Tornou possível a produção de aço em grande escala a partir de minérios contendo fósforo, que eram extraídos em grandes quantidades na Europa. Em geral, a introdução dos processos Bessemer e open-hearth possibilitou a produção de aço em quantidades ilimitadas. O aço fundido rapidamente conquistou seu lugar na indústria e, desde os anos 70 do século XIX, o ferro forjado caiu quase completamente em desuso. Já nos primeiros cinco anos após a introdução da produção de forno aberto e Bessemer, a produção mundial de aço aumentou 60%. Autor: Ryzhov K.V.
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