Превращение элементов — вот будущее металлургии

Превращение элементов — вот будущее металлургии

Все науки, в том числе и самые отвлеченные, самые теоретические, родились из требований практики. Астрономия родилась из необходимости в точном календаре и точных способах ориентации во время морских путешествий, геометрия понадобилась земледельцам для измерения участков вспаханной земли. Но, вероятно, одной из самых прикладных наук, никогда не порывавших своих связей с практикой, всегда была наука о металле…

Мы беседуем с академиком Иваном Павловичем Бардиным. Мы пришли к нему в самом конце трудового дня. Он явно устал. Но его лицо молодеет, а в глазах загораются огоньки, когда он произносит эти слова: «наука о металле».

Его, родившегося в очень небогатой семье, не помышлявшей о том, чтобы сделать сына образованным человеком, натолкнули на путь служения науке сестра матери — учительница и ее муж — студент. Дальнейшая биография Бардина — это история талантливого молодого человека без родственных связей, без знакомств, без родового имения пробивающего себе путь в жизни. Окончив институт, он не смог найти работу в России и поехал в Америку. Там, сунув в карман диплом инженера, простым рабочим трудился на заводе. По возвращении ему, по его собственным словам, выпало счастье работать со знаменитым металлургом М. И. Курако. Затем — огненная черта революции, разделившая, опять же по собственным словам Ивана Павловича, жизнь на две части. Строительство гиганта и первенца советской индустрии — Кузнецкого комбината и огромная организационная и научная работа по расширению и совершенствованию металлургии всей нашей страны. Да, можно понять, почему этот человек, который наибольшим счастьем в своей жизни считает строительство Кузнецкого комбината, волнуется, произнося такие простые слова: «наука о металле».

— Она, эта наука, — продолжает Иван Павлович, — зародилась много тысячелетий назад, еще тогда, когда человек использовал только редкие самородки металлов. Затем он научился получать металлы из руд. И сегодня еще продолжаются его поиски на этом пути. Новые методы получения металлов и металлических изделий из тех или иных руд — и сегодня одна из важнейших задач науки о металле. Как видите, за многие тысячелетия своего существования эта наука отнюдь не исчерпала себя.

Действительно, можем ли мы сказать, что общепринятая сегодня технология получения самого распространенного в современной технике металла — железа — наилучшая из всех возможных?

Обычная схема этого технологического процесса такова: прошедшая обогатительную фабрику железная руда поступает в доменную печь, где перемешивается с коксом и нагревается. Железо восстанавливается и насыщается углеродом, — из домны мы получаем чугун. Затем этот чугун плавим и в специальных печах выжигаем из него углерод — получаем стальные слитки. Перед тем как отдать их тяжелым валкам блюмингов, слябингов и других прокатных станов, металл снова не раз приходится нагревать. А почему бы не выкинуть из этой технологии все промежуточные энергоемкие, трудоемкие и дорогие процессы и не получить непосредственно из руды чистое железо или сталь требующегося состава, причем сразу в форме готового изделия — рельса, швеллера, двутавровой балки? Почему бы не сделать этот прерывистый сегодня процесс — сначала заготовили руду, потом выплавили чугун, потом его перерабатываем в сталь и т. д. — непрерывным?

По-моему, это безусловно возможно, и будущая металлургия откажется от принятой сегодня технологии. Современные домны, мартеновские печи и бессемеровские конверторы, блюминги и слябинги — все эти аксессуары современной техники не будут приняты техникой будущего.

Конечно, нельзя считать, что, например, через ближайшие десять лет мы начнем ломать доменные печи и на их месте воздвигать какие-то новые устройства для получения чистого железа. Нет, доменный процесс еще не исчерпал себя, он поддается дальнейшему совершенствованию, доменные печи мы строим и еще долго будем строить. Доменная печь и сегодня сложнейший агрегат, снабженный огромным количеством автоматических устройств, обслуживаемый всего несколькими рабочими. Домна завтрашнего дня станет полностью автоматической. Управлять ее работой будет счетно-электронная машина, получившая соответствующую «программу действия» на все возможные случаи отклонения процесса от расчетного.

В ближайшие годы процесс получения металла станет непрерывным. Из домны непрерывно будет поступать чугун — и сегодня домна, дающая 2000 тонн чугуна в сутки, производит его более тонны в минуту. Сквозь горячую струю только что выплавленного чугуна будет продуваться кислород — жаркое пламя встанет над ванной, в которой пойдет этот процесс. Пламя унесет с собой излишний углерод, серу, фосфор — все те примеси, которые ухудшают качество металла. Уже не струя чугуна, а сталь польется в кокили разливочной машины непрерывного действия. А выйдя из кокилей, стальные слитки сразу же будут поступать к валкам прокатных станов и превращаться в изделия. Такой непрерывный технологический процесс автоматизировать проще, чем сегодняшний, прерывистый.

Вероятно, — это еще не ближайшие годы, а несколько более отдаленная перспектива, — коренным образом изменится вся конструкция домны. Устройство, в котором происходит восстановление металла, будет горизонтальным агрегатом — вроде большой вращающейся трубы. В нее с одной стороны подадут хорошо очищенную порошкообразную руду — окисел металла без всяких посторонних примесей, а с другой стороны — восстанавливающий газ, например водород. При таком технологическом процессе можно получать металл в виде мелкого порошка, который после добавки соответствующих легирующих элементов идет на переплавку или сразу на прессование.

…Каждое существо имеет свой срок жизни. Говорят, что черепахи живут по 300 лет, а лошади редко доживают до 30-ти. Но, оказывается, имеют «срок жизни» и металлы. Конечно, длительность жизни металла в значительной степени зависит от условий, в которых ему предстоит жить. У столового ножа есть все шансы прожить дольше металла, пошедшего на изготовление самолетного мотора. Ведь нагрузка на этот нож, как правило, невелика, все внутренние изменения в его структуре совершаются крайне медленно. И, как медлительная черепаха, он может жить хоть триста лет. Иное дело — самолетный мотор. Его жизнь куда насыщеннее, чем жизнь самого стремительного коня! В его сердцевине — цилиндрах — клокочут яростные взрывы — по нескольку сотен, а то и тысяч в минуту. Его непрерывно сотрясает, он вибрирует, трепещет… И то, что сегодняшний средний срок жизни получаемого в массовых количествах металла наших моторов, станков и машин достигает 35 лет, — величайшее достижение металлургии.

Ну, а в будущем увеличится срок жизни металла?

Несомненно! Срок жизни металла может быть несравнимо более дли-тельным, чем сейчас. Живут же по нескольку сотен лет булатные клинки, металл которых защищен тонким слоем шлаков — окислов! Конечно, этот металл не получали в массовых количествах в доменных печах под повышенным давлением газов и в прочих невыгодных условиях крупного производства. Но мы должны добиться, чтобы и наш «массовый» металл не уступал по качеству драгоценному булату древних мастеров.

Конечно, сегодняшние легированные стали — вроде нержавеющей — значительно долговечнее, чем даже булат древних мастеров. Но это уже другое технологическое решение задачи: булатная сталь не содержит добавок хрома, никеля и других металлов, достигающих чуть ли не 25 процентов в наших нержавеющих сталях.

Бесспорно, железо — основной металл современной техники. Но не настает ли время, когда железу придется сдать свои позиции и уступить первое место другим металлам? Обычно считают, что железо может быть вытеснено медью — металлом электротехники, крылатым металлом алюминием и юным богатырем, по всем показателям счастливо соперничающим со сталью, — титаном. И соответственно считают, что век будущего будет медным веком (ведь электричество вторгается все в новые области человеческой культуры!), веком алюминия (широко распространенного, практически вездесущего в природе металла — легкого, близкого к меди по электропроводности, прочного в сплавах, как сталь, — металла авиации) или веком титана.

Лично я не думаю, что в ближайшее столетие железо резко сдаст свои позиции. Из железа (я имею в виду, конечно, его сплавы — и в первую очередь с углеродом: сталь и чугун) делаются ныне каркасы гигантских плотин и высотных зданий, корпуса океанских кораблей и машины бесчисленных назначений, трубы нефтепроводов и тонкие механизмы наручных часов, ажурное кружево мостов и железнодорожные вагоны. Вряд ли можно составить полный список вещей, которые делаются из железа! Можно сказать, что вся современная материальная культура, созданная человеком, зиждется на 3 миллиардах тонн железа, заключенного в машинах, сооружениях, средствах транспорта, предметах обихода и т. д. и т. п.

Конечно, стремительно растет и выработка некоторых цветных металлов. Но одновременно растет и количество получаемого железа. Если в 1880 году железо составляло 95,65 процента по весу от всей выработки металлов, то и почти через шестьдесят лет, в 1939 году, когда уже в значительной степени развились и электротехника и авиация, доля железа составила 94,06 процента. Полтора процента за полстолетия — вот темпы, которыми железо до настоящего времени сдавало свои позиции. И вряд ли в ближайшие полвека этот темп так уж резко изменится.

Но, конечно, и алюминий, и магний, и медь, и титан, и цирконий будут занимать все более почетное место. Особенно это относится к титану и цирконию. Обычно считают, что и тот и другой являются редкими металлами. Но во всяком случае по отношению к титану это неверно. Титана в земной коре (по весу) 0,6 процента — это один из наиболее распространенных элементов. Он обладает высокой прочностью (вдвое прочнее железа) при относительно небольшом удельном весе (значительно легче железа). Есть у титана и еще одно чрезвычайно ценное свойство — его высокая способность сопротивляться действию коррозии. Ведь этот жесточайший бич металла уносит около четверти всей мировой добычи железа. Но коррозия практически почти не страшна титану. В этом отношении он не уступает даже платине. Он спокойно противостоит кислотам, щелочам, солям. Многолетнее пребывание в морской воде не заставляет его покрыться тончайшей пленкой окисла. «Царская водка» — концентрированная смесь азотной и соляной кислот, против которой бессильны благородные металлы золото и платина, не действует на титан. По своей химической стойкости он «благороднее» самых прославленных драгоценных металлов.

Титан чрезвычайно жаростоек. Он плавится при температуре 1725 градусов. Это в среднем на 200 градусов выше температуры плавления стали. Все эти свойства и делают его чрезвычайно «опасным» соперником железа. И действительно, производство титана, начатое в мире в 1946 году, растет фантастически быстро. Если в 1948 году было выплавлено всего 10 тонн титана, то в 1954 году эта цифра поднялась до 7200 тонн, а в 1955 уже приблизилась к 20 тысячам тонн! Тут есть над чем задуматься железу.

Мы уже говорили: сталь живет 35 лет. А изделия из титана и циркония будут жить столетия. Они будут практически вечными. И в то же время значительно более легкими, чем изделия из железа.

Судьба титана напоминает судьбу алюминия. Он был получен сравнительно поздно. В 1790 году впервые была выделена в чистом виде окись титана — белый кристаллический порошок. Сто двадцать лет понадобилось для того, чтобы получить сверкающий серебристо-стальной металл — первые несколько граммов металлического титана. Прошло немногим более десяти лет с тех пор, как было впервые налажено промышленное получение титана, а сегодня его уже называют металлом будущего, пророчат ему широчайшее применение в авиации, газовых турбинах, космических ракетах и многочисленных других областях техники. Действительно, тут есть о чем задуматься железу.

Мне хочется коснуться еще одного вопроса — нового вида обработки стали с целью повышения ее механических свойств. Классическими видами такой обработки являются термические — закалка, отпуск, отжиг; химико-термические — цементирование, нитрирование и механические — например, наклеп. Опыты показывают, что в ближайшее время к этим видам обработки прибавится принципиально новый вид — облучение потоком нейтронов. При этом сталь приобретает совершенно новые, неожиданные и удивительные свойства.

Мы живем в атомный век. Человек овладевает не слабыми, ненадежными, временными связями атомов в веществе, а несравненно более важными и глубокими связями элементарных частиц атомного ядра. Достижения атомной техники найдут применение и в металлургии.

Я думаю, что на первых порах человек станет «конструировать» с помощью радиоактивного воздействия легированные стали требующегося состава, не вводя в них редких и дорогих легирующих добавок, а создавая их прямо в ковше расплавленной стали из атомов железа, углерода, может быть, серы и фосфора, может быть, из атомов распространенного элемента, специально для этой цели добавленного в расплав.

Это можно представить себе так. Движется наполненный до краев ковш с плещущей упругими волнами сталью. На несколько десятков секунд он останавливается около какой-то машины, похожей на те, что применяются в медицине для лечения злокачественных опухолей рентгеновскими лучами. Свинцовая груша со скрытым в ней источником радиоактивного излучения требующегося состава склоняется над ковшом, и в недрах расплава под влиянием потока лучей совершаются сложнейшие ядерные превращения. Через несколько минут сталь разливают по изложницам, но ее состав уже не тот, что был совсем недавно. И еще несколько дней — уже в затвердевшей стали — будет меняться этот состав, будет происходить под влиянием вызванной облучением собственной радиоактивности изменение химического состава металла. Вероятно, этим же способом — изменением структуры атомных ядер, искусственным превращением элементов — можно будет получать руды редких и рассеянных элементов. Возможно, появится целая отрасль промышленности — радиационная металлургия, которая будет заниматься изготовлением редких химических элементов из более распространенных. Но вряд ли, учитывая всю стремительность технического прогресса, радиационная металлургия разовьется в отрасль промышленности даже к началу XXI века. Это все-таки дело более отдаленного времени.