Криогеника и металлургия: как кислород, полученный из воздуха, изменил производство стали

Промышленная революция XIX века резко увеличила спрос на чугун и сталь. Однако технологии того времени имели серьёзные ограничения. Доменные печи работали на воздушном дутье, что ограничивало интенсивность горения кокса и снижало производительность. Превращение чугуна в сталь требовало больших затрат топлива и времени, а качество получаемого металла часто страдало из-за насыщения азотом — воздух, используемый для продувки, приносил его в избытке.

Выход был найден в использовании технически чистого кислорода. Но для этого кислород нужно было научиться производить в промышленных масштабах — дёшево и в огромных количествах. Эту задачу решила криогеника. Развитие методов низкотемпературного разделения воздуха на рубеже XIX–XX веков дало металлургии мощный инструмент, который кардинально изменил отрасль, позволив резко повысить производительность и качество продукции.

Первый промышленный ожижитель: цикл Линде

Карл фон Линде (1842–1934) — немецкий инженер и физик, уже был признанным авторитетом в области холодильной техники. Его аммиачные холодильные машины работали по всему миру. Однако Линде видел более далёкую перспективу: получение из воздуха дешёвого кислорода. Но для этого воздух сначала надо сжижить, чтобы затем разделить на компоненты.

В 1895 году Линде сконструировал и построил первую промышленную установку для получения жидкого воздуха. В её основе лежал эффект Джоуля–Томсона — охлаждение газа при его медленном расширении через дроссель. Линде дополнил этот принцип противоточным теплообменником: холодный газ, выходящий из установки, использовался для охлаждения свежего сжатого воздуха, поступающего на вход. Это решение, известное как цикл Линде-Хемпсона, стало основой первых промышленных ожижителей.

Однако просто жидкий воздух — это смесь. Нужно было разделить его на чистые кислород и азот. И Линде решил эту задачу. В 1902 году он создал, а к 1907 году усовершенствовал непрерывно действующий ректификационный аппарат для разделения воздуха на компоненты. Позднее, в 1910 году, он изобрёл процесс двойной ректификации, который и по сей день лежит в основе мирового производства кислорода. Созданная им компания Linde AG существует и сегодня как один из лидеров в области промышленных газов.

Детандер и цикл низкого давления: вклад Клода и Капицы

Следующий шаг сделал французский инженер Жорж Клод, основатель компании Air Liquide. Он предложил охлаждать воздух не только дросселированием, но и расширением с отдачей внешней работы — при этом эффект охлаждения значительно сильнее. Для этого он применил расширительную машину — детандер. В установке Клода часть сжатого воздуха поступала в детандер, где, расширяясь, совершала механическую работу и сильно охлаждалась. Этот холодный поток затем смешивался с остальным воздухом в теплообменнике, охлаждая его до температур ожижения. Метод Клода позволял достичь более глубокого охлаждения и был экономичнее чисто дроссельного цикла.

В 1939 году выдающийся советский физик Пётр Леонидович Капица предложил ещё более эффективное решение. Он запатентовал цикл низкого давления, в котором использовал сконструированный им турбодетандер — высокоэффективную ротационную расширительную машину. В установке Капицы воздух сжимался всего до 0,6–0,7 МПа (6–7 атмосфер) — на порядок ниже, чем в циклах Линде и Клода, что радикально упрощало и удешевляло процесс. За эту разработку в 1941 году Капица был удостоен Сталинской премии 1-й степени. Цикл низкого давления с турбодетандером стал основой современных крупнотоннажных воздухоразделительных установок, производящих кислород для металлургии.

Кислород в доменном процессе

Дешёвый чистый кислород кардинально изменил металлургию в двух ключевых направлениях: в выплавке чугуна в доменных печах и в превращении жидкого чугуна в сталь.

Идея обогащения доменного дутья кислородом была известна давно. Ещё в 1876 году английский изобретатель Генри Бессемер получил патент на этот принцип. Однако лишь криогенное разделение воздуха сделало процесс промышленно осуществимым.

При добавлении кислорода в дутьё (до 25–35% вместо обычных 21%) резко интенсифицируется горение кокса. Производительность доменной печи возрастает на 2,5–3,5% на каждый дополнительный процент кислорода. В СССР одним из первых этот метод применил Новотульский металлургический завод. В 1948 году там пустили кислородную станцию, а доменная печь №1 перешла на обогащённое дутьё. Результаты оказались впечатляющими: при выплавке ферромарганца производительность печей выросла почти на 90%.

Кислород в конвертерном процессе

Ещё более кардинальную революцию кислород произвёл в сталеплавильном производстве. Классический бессемеровский процесс (продувка сжатым воздухом снизу) давал сталь, насыщенную азотом — хрупкую и некачественную. Мартеновские печи требовали много топлива и давали низкую производительность.

Идею использовать чистый кислород впервые предложил советский инженер-металлург Николай Илларионович Мозговой. В 1933 году он выдвинул идею продувки жидкого чугуна чистым кислородом, а в 1936 году впервые в мире осуществил такую продувку в 1,5-тонном агрегате. Работы велись под руководством выдающегося металлурга, академика Ивана Павловича Бардина, создателя и первого директора ЦНИИчермет (Центрального научно-исследовательского института чёрной металлургии).

В 1939–1941 годах на Московском заводе станкоконструкций были проведены успешные опыты по продувке чугуна кислородом сверху в ковше. Эти эксперименты заложили основу будущего промышленного кислородно-конвертерного процесса.

Первое промышленное внедрение состоялось в 1952 году в Австрии, на заводах городов Линц и Донавиц — отсюда аббревиатура LD (Linz-Donawitz). Однако параллельно в СССР, на экспериментальной базе ЦНИИчермет при Новотульском металлургическом заводе, в 1952 году уже работал 10-тонный конвертер, на котором отрабатывались технологические режимы будущего советского кислородно-конвертерного производства.

В 1956 году на металлургическом заводе имени Петровского в Днепропетровске был пущен первый в СССР промышленный кислородно-конвертерный цех. Сегодня кислородно-конвертерный процесс — основной способ производства стали в мире, полностью вытеснивший мартеновский.

Применение в цветной металлургии

Криогенный кислород оказался не менее востребован и в цветной металлургии, например, при пирометаллургической переработке медных концентратов. Применение кислорода позволило перерабатывать бедное сырьё, утилизировать отходящие газы и извлекать попутные ценные компоненты.

Потребность в промышленном кислороде была столь велика, что уже на ранних этапах индустриализации в СССР началось строительство специализированных кислородных станций при металлургических комбинатах. Ключевую роль в организации этого процесса сыграл академик И.П. Бардин.

Криогенный кислород стал тем катализатором, который превратил старую металлургию в современную, высокопроизводительную и относительно более чистую отрасль. Кислородное дутьё позволило доменным печам работать значительно эффективнее, а кислородно-конвертерный процесс дал возможность выплавлять сталь невероятно быстро — десятки тонн за 20–30 минут вместо 6–8 часов, требовавшихся мартеновской печи. Качество металла при этом стало несравненно выше.

Без криогенных технологий металлургическая промышленность была бы совершенно иной — менее мощной и гораздо более «грязной»!