Европейская металлургия от костра до мартена
На протяжении всей истории человечества образ хозяйствования нашей цивилизации определяли металлы. Вообще говоря, все первые металлы, открытые человечеством, стоят правее водорода в электрохимическом ряду напряжений металлов. Это так просто потому, что все остальные по закону неумолимой термодинамики будут окислены во влажных и окислительных условиях атмосферы и литосферы. Точнее говоря, те, что правее водорода, тоже будут окислены – но сильно позже. А пока что встречайте: медь, серебро, золото, сурьма!
Справа все интересующие нас металлы, а заодно ртуть и платина. Не влезли палладий и висмут, но они встречаются реже метеоритов
Все эти элементы при определенной доле удачи могут быть встречены в самородном виде – неслыханное счастье для тех, кому до того предстояло пользоваться каменными орудиями труда. Металлу можно придавать почти любую форму, он не раскалывается, а деформируется при ударах, а еще его можно затачивать и делать качественно лучшие орудия труда. Золото, серебро и медь уже к позднему неолиту вовсю использовались для изготовления украшений, а в 6 тысячелетию человечество открыло для себя медные инструменты. Однако самым лучшим доступным металлом было, конечно, железо. Для того, чтобы найти его в чистом виде, нужно поистине дьявольское везение – оно встречается только в упавших метеоритах и является настоящей царской прерогативой (так, кинжал из гробницы Тутанхамона сделан именно из такого железа).
Новую веху в истории обработки металлов ознаменовала восстановительная металлургия. Люди открыли, что, если спекать некоторые минералы с углем, в камешках получившегося шлака заблестят кусочки меди. Это позволило человечеству перейти на небывало высокий по сравнению с неолитом уровень технологий. Новые медные инструменты и так были на порядок лучше каменных, но теперь они стали по-настоящему доступны. Вскоре появились первые печи для плавки меди, которые, например, можно найти в древних городах Анатолии. Так, первое найденное литое изделие датируется 5000 г. до н. э.
диаграмма Эллингема
Теперь сделаем небольшое отступление обратно к современности и обратим свои взоры на диаграмму Эллингема. Эта диаграмма показывает нам, насколько при разных температурах стабильны различные оксиды. Также она позволяет легко определить, восстановит ли углерод или угарный газ нужный оксид до металла при данной температуре – для этого всего лишь нужно посмотреть, в какой точке линия С и СО становится ниже линии соответствующего металла. Из нее можно понять, например, что даже при небольшом нагревании и углеродом, и угарным газом медь восстановится со свистом, а вот чтобы восстановить железо, придется хорошенько постараться (но все же меньше, чем для многих других металлов).
Проблема состоит не только в этом. Мало просто восстановить металл, необходимо его еще и расплавить, иначе вместо слитка, которому можно придать любую форму, получится просто серый (в случае железа) или красный (в случае меди) порошок. Поэтому для эффективного изготовления железных изделий нужна такая печь, которая сможет расплавить железо. Однако построить ее не так-то просто, первые железоделательные печи появились на территории той же Анатолии у хеттов примерно к 1200 г. до н. э. До этого человечество обходилось медью или бронзой – сплавом меди с мышьяком или оловом (бронза была попрочнее меди, дольше изнашивалась и плавилась при меньшей температуре).
Сыродутная печь
Такие требования сформировали облик европейской железной металлургии на многие века. Схема печи оставалась общей: высокая глиняная/земляная труба, в которой вперемежку уложены слои железной руды (как правило, болотной бурой слизи или каменной руды) и древесный уголь. Все это мероприятие было крайне малопрофитным в смысле целевого продукта, в железо превращалось около 30% руды в лучшем случае. Несмотря на это, железные орудия были на порядок выгоднее орудия из любого другого металла, доступного европейцам, из-за не в пример большего качества.
Описанный выше способ выплавки железа назывался сыродутным. Получившийся кусок железа содержал крайне большое количество шлаков, поэтому его проковывали большое количество раз. При этом получившееся железо обладало существенным недостатком. При получении оно было крайне твердым и незатачиваемым (так как содержало большое количество углерода), а при дальнейшем выгорании – очень мягким. Поэтому единственным способом получить нормальное, функциональное изделие было сваривание нескольких пакетов железа методом проковки сложенных слоев железа, просыпанных между собой бурой. Усовершенствовав технологи многократной проковки заготовки до предела и чередуя мягкие и твердые слои железа, человечество научилось изготавливать булатную сталь – один из лучших видов металлургической продукции своего времени.
Одним из основных шлаков в металлургическом производстве Средневековья был чугун. Он выплавлялся из руды раньше всех, потому что в нем больше углерода, а, чем больше в каком-либо твердом веществе примеси, тем ниже его температура плавления. Также чугун крайне хрупок и тяжел, что затрудняло его применение в металлургии. Довольно большая часть железа всегда уходила в шлаки в виде чугуна, откуда его было уже не выдернуть. В больших по размеру печах (штукофенах и блауофенах) с четырех-пятиметровыми «резервуарами» для руды и угля в чугун и шлак уходило просто огромное количество железа. Обычно из чугуна потом изготавливали низкотехнологические изделия типа кувалд, ядер и прочего. Забавный факт – и по сей день шлаки металлургического производства используются в дорожном строительстве как материал для брусчатки.
Схема современной доменной печи
Следующей вехой развития железного производства стали доменные печи. Человечество догадалось, что, если печь сделать достаточно большой, можно будет подбрасывать в нее уголь и руду прямо в процессе плавки, а железо, сталь, чугун и шлаки сливать из нее через отдельные летки. Этот процесс в 15-16 вв. стал очередным технологическим бумом для Европы – несмотря на то, что доменную печь нельзя было останавливать, а угля и руды она жрала абсолютно непомерное количество, она позволила европейцам превзойти весь мир по выплавке металла на душу населения, а, следовательно, по артиллерийской мощи.
С учетом роста населения и постоянно растущего спроса на железо его производство на душу населения в 11-13 вв. достигало порядка килограмма на человека в год. Для сравнения – современный небольшой ножик весит порядка 200 граммов, лезвие небольшого топора – около 700 граммов, а ведь еще нужно на чем-то готовить, чем-то строить, опять же всяческие метизы типа гвоздей, скоб, крюков и прочего. В итоге мы понимаем, что уровень сыродутной металлургии даже с учетом перекрытия некоторых потребностей другими металлами давал ужасающе мало.
Ситуация менялась, как ни парадоксально, с увеличением количества металлических изделий – можно было срубать больше деревьев, прокапывать более глубокие шахты, возводить более сложные конструкции. Производство росло в геометрической прогрессии – размер печей для выплавки железа все увеличивался, увеличивался от простой сыродутной печи к штукофену и блауофену и наконец-то вырос до настоящей домны с непрерывным циклом выплавки. И тут понеслась – положительная обратная связь сделала свое дело.
Всеевропейское внедрение в 15-16 веках доменной печи сразу, буквально за несколько десятилетий, увеличило количество производимого на душу населения железа втрое, а то и вчетверо. Нашей цивилизации впервые стали по-настоящему доступны каменные железные руды. Забегая вперед, скажу, что в Швеции, стране, которая на тот момент поставляла больше половины всего европейского железа, к 18 веку производство достигло невероятных 20 кг железа на человека. Впрочем, до обогащения и прочих технологических процессов мы пока еще не дошли – пока что это просто загрузка печи камнями руды, углем и флюсом – специальным веществом, чтобы снизить количество примесей в плаве и уменьшить температуру плавления.
Проблемой доменного производства была необходимость в огромном количестве качественного древесного угля – каменный уголь содержал много вредных для железа примесей, поэтому деревья приходилось вырубать в огромных масштабах. Об экологии тогда никто не заботился, но бескрайние леса были, очевидно, не во всех странах. Также откровенным минусом все еще был уход огромного количества железа в чугун, хрупкий и потому не годный для создания инструментов и метизов. Единственной масштабной отраслью применения чугуна было артиллерийское дело – на отливку пушек и ядер шли многие тонны чугуна. И вот тут человечество сделало пока чисто эмпирическое, но очень важное открытие – из чугуна при высокой температуре может выгорать углерод. Естественно, ни о каком углероде речь тогда не шла, но этот факт позволил железоделательному производству перейти еще на один технологический уровень выше.
Все помнят, как в морозилке замерзает соленая вода? Образуется большая ледышка, самого рассола становится меньше, концентрация соли в нем растет. Похожий процесс происходит и при плавлении чугуна на воздухе. Углерод из него частично выгорает, частично переходит в жидкую фазу, а на дне печи начинают образовываться кристаллы железа. Это явление заметил английский металлург Генри Корт, и вскоре практика пудлингования – перемешивания расплава чугуна вошла в Британии в крайне широкое распространение.
Печь для пудлингования. 1) Под 2) Труба с клапаном для регулирования силы тяги 3) Порог, отделяющий металл в рабочем объёме от топлива 4) Колосниковая решётка, на которой находится горящее топливо (уголь) 5) Боковое окно для пудлинговщика 6) Окно для заброса топлива
Как происходило пудлингование? Сначала в печи, обложенной огнеупорной футеровкой (отделка печи, позволяющая оградить тело печи от разрушительного влияния расплавов) без доступа открытого пламени расплавлялся чугун. По прошествии некоторого времени рабочие засовывали в расплав огромные железные штанги (около 40 килограммов весом) и начинали интенсивно перемешивать его. Вскоре на штангах выкристаллизовывалось чистое железо, температура плавления которого намного выше, чем у чугуна. Далее получившуюся крицу вынимали из расплава, проковывали и разделяли на слитки.
Естественно, процесс этот был далеко не из самых легких, однако он позволил высвободить для промышленности огромное количество чистого железа и разом решить проблему переизбытка чугуна. Процесс пудлингования доминировал в металлургии на протяжении практически ста лет, после чего был вытеснен сразу тремя способами – бессемеровским (открытым Генри Бессемером в 1856 году), томасовским (открытым в 1878 году Сидни Гилкристом Томасом) и мартеновским.
Принцип работы любого конвертера
Бессемеровский и томасовский процессы довольно схожи. В качестве основного реактора используется веретенообразная печь с огнеупорной футеровкой (в случае бессемеровского процесса – кислой, содержащей SiO2, в случае томасовского – основной, содержащей доломит CaCO3xMgCO3). В процессе плавки печь нагревается, опять же, без доступа открытого пламени, после чего продувается сжатым воздухом через сопла, расположенные в дне печи. Расплав поддерживается в горячем состоянии из-за процесса окисления примесей руды, проходящего с выделением температуры. Далее полученное железо подвергается дополнительному науглероживанию с образованием стали. Основное отличие двух способов состоит в химическом составе плава.
В томасовском процессе могут быть использованы загрязненные серой и фосфором руды – продукты окисления фосфора и серы связываются материалом футеровки, давая окисляющий железо углекислый газ. У этого способа есть недостаток – фосфор и сера удаляются из плава не в полном объеме, поэтому железо получается более ломким. В бессемеровском же процесса футеровка печи не позволяет использовать основные флюсы, что делает его более требовательным к качеству руды. Однако этот способ дает более качественное железо, что и определило его производственное преимущество в долгосрочной перспективе.
Настало время сказать несколько слов и про мартеновский процесс. Он был открыт в 1864 году французским инженером Пьером Мартеном. Основное его отличие от бессемеровского и томасовского способов состоит в том, что газообразное топливо (обычно природный газ или коксовый газ) подаются прямо в зону плавки, где расплавляют чугун и одновременно окисляют его. Мартеновский процесс получил особенно широкое распространение в качестве способа передельной металлургии, которая использует для выплавки новой стали железный лом.
Сейчас практически все процессы старины глубокой (кроме доменной выплавки, конечно) уже ушли в прошлое. Их заместили новые гиганты – конвертерно-кислородный (переиначенный бессемеровский) и электродуговой способы выплавки стали. Однако история их, как мне кажется, довольно увлекательна, чтобы помнить ее и интересоваться ей.
Божественно прекрасный томасовский конвертер
Автор: Павел Ильчук
VPS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Источник
Металлургия железа в истории цивилизации (Черноусов П.И., Мапельман В.М., Голубев О.В.)
Тем не менее, необходимо отметить, что большинство современных исследователей считает металлургические знания древних китайцев заимствованными из Древней Индии. Это касается, прежде всего, технологии тигельной плавки бронзы и железа и способов производства экзотических металлов Древнего Мира и Средневековья – цинка, висмута и сурьмы.
Древним центром индийской цивилизации считается территория в верховьях реки Инд. В III тыс. до н.э. здесь жил народ, обладавший письменностью, строивший большие города, умевший обрабатывать металлы и достигший выдающихся успехов в животноводстве. Древние индийцы сумели одомашнить не только лошадей, овец, коз и свиней, но еще и буйволов и слонов. Цивилизация, построенная в Пенджабе (ее называют также цивилизацией Мохенджо-Даро или Хараппской), поддерживала взаимовыгодные торговые связи с жителями древнего Шумера. По мнению некоторых специалистов здесь находился один из первых металлургических центров человечества.
Искусство индийских мастеров металлургов было широко известно народам Древнего Мира. У соседей индийцев – персов – существовала поговорка «в Индию сталь возить», близкая по смыслу нашей пословице «ехать в Тулу со своим самоваром».
С высочайшим качеством индийского металла смогли познакомиться воины одной из лучших армий латенской эпохи железного века – македонской. Известность получил случай, произошедший в сражении армии Александра Великого с войсками индийского царя Пора на реке Идасп. Царь Пор, все время находившийся в гуще сражения, в итоге был захвачен в плен, однако на его доспехах победители не смогли обнаружить существенных вмятин или царапин – настолько прочной оказалась сталь, из которой они были сделаны.
К началу новой эры индийская сталь была важнейшей статьей импорта и к западу от Индии – в Римской империи, и к востоку – в империи Поднебесной. Однако стоимость ее была чрезвычайно высока: известны случаи, когда за один клинок отдавали нескольких слонов. Неудивительно, что металлургическое ремесло было окружено в Индии ореолом таинственности, а в рассказах об искусстве металлургов правда перемежалась с домыслами.
Вот как описывает технологию изготовления меча из «чистого» (высококачественного) железа древнеиндийская поэма: «…Когда огонь молнии пронзает землю и проникает в глубь ее, копают по следу молнии и извлекают из земли кусок железа. Железо разрубают на куски и нагревают до цвета пылающего угля. Затем его скармливают голодным домашним птицам, которые выделяют его с пометом готовым для изготовления мечей».
Описание однако не лишено смысла. Молния вполне может выбирать места с большим содержанием железа – это ж электричество. В месте попадания молнии порода очень сильно нагревается – происходит частичное выплавление железа (кислорода ведь мало). Ну а с использованием домашних птиц и кельты были знакомы…
Качество стали, получаемой тигельной плавкой, определяющим образом зависело от состава исходной руды – только природнолегированный металл мог в результате сложной и кропотливой обработки превратиться в прекрасную сталь. Это обстоятельство отмечали и сами индийцы. Знаменитый ученый-энциклопедист Бируни, живший в X–XI вв., в своем трактате «Минералогия, или собрание сведений для познания драгоценностей» посвятил главу металлургии железа (она так и называется «О железе»). Бируни подразделял железо по его способности принимать или не принимать закалку на «мужское» и «женское». Первое – твердое уже по своей природе, а второе – мягкое, и обрабатывать его с целью изготовления оружия бесполезно просто из-за его «женского» происхождения.
Помимо изготовления высококачественных лезвий, индийцы прославились умением создавать крупные поковки. Ими впервые была освоена технология изготовления методами горячей кузнечной сварки железных колонн и балок из криц массой не более 40 кг. Таким образом, именно в Индии железо и сталь превратились в конструкционные материалы. Во многих индийских храмах, построенных во второй половине I тыс., роль основных несущих конструкций выполняют железные балки длиной до 6 м.
Наиболее известными фундаментальными сооружениями из железа в средневековой Индии являются колонны в Дели и Дхаре.
Железная колонна в Дели – не только место паломничества индийцев, но и одна из главных достопримечательностей, привлекающая внимание туристов из всех стран Мира. По наиболее распространенной версии считается, что металл для колонны был выплавлен в середине IV в. Это были крицы массой около 30 кг.
Первоначально колонна была установлена в 415 г. в одном из храмов на востоке Индии в память о легендарном царе Чандрагупте II. На ее вершине располагалась статуя священной птицы Гаруды. В Дели колонна была перевезена около 1050 г. по приказу царя Ананг Полы. В настоящее время она размещается во дворе мечети Кувват-уль-Ислам в городе-крепости Лал-Кот в 20 км южнее старого Дели (отсюда происходит другое название колонны – «кутубская»).
Высота колонны составляет 7,8 м, из которых над поверхностью земли находятся 6,3 м. Диаметр у основания составляет 458 мм, по направлению вверх колонна конически сужается до диаметра 290 мм и заканчивается художественной капителью высотой около 1 м. Масса колонны достигает почти 6 т.
Удивительно, что после почти 1600 лет существования колонна практически не имеет характерных проявлений ржавчины, и это несмотря на то, что ее ежедневно пытаются «заключить в объятия» тысячи посетителей. Согласно народному поверью: кто прислониться к колонне спиной и сведет за ней руки – у того исполнится заветное желание. По этой причине на высоте от 1,1 до 1,4 м над уровнем земли колонна отполирована до блеска и на ней хорошо видны отдельные неметаллические включения и трещины.
Нержавеющая колонна в Дхаре располагается в стороне от туристских маршрутов и поэтому имеет гораздо меньшую известность. Дхар был крупным городом в средневековом королевстве Мальва на севере Индии. Предполагается, что дхарская колонна была изготовлена примерно в тоже время, что и делийская. В период вторжения монголов она была сброшена с каменного постамента и разломилась на две части, повторное падение колонны произошло в XVI в. и теперь существуют три ее обломка общей длиной 13,22 м. Масса колонны оценивается в 7,3 т.
Химический анализ металла, из которого изготовлены колонны, показал, что это именно железо с очень низким содержанием углерода – менее 0,02% (масс.) и высоким содержанием фосфора – около 0,3% (масс.). Однако эти цифры не объясняют удивительной стойкости металла к коррозии.
Широкое распространение повторного использования (переплавки) ставит все датировки под очень большое сомнение.
Способы производства железа (стали) из руд в тиглях, помещенных в специальные горны (подобные древнейшим горнам, применявшимся для изготовления керамических изделий), и в ямах, получивших в Западной Европе название «волчьих», стали первыми в истории человеческой цивилизации. Оба способа являются металлургическими приемами, унаследованными от освоенного ранее производства меди и бронзы с существенными усовершенствованиями, связанными с природными отличиями руд металлов и их поведением в ходе плавки.
На то, что древнейшим способом производства всех видов металлов являлся тигельный, указывают многочисленные археологические находки последних десятилетий во многих регионах мира: в Малой Азии, Европе, на Дальнем Востоке. В нашей стране, на Урале, в районе «чудских» разработок, датируемых II тыс. до н.э., найдены медные и железные руды в глиняных горшках, а рядом с ними – металлургические шлаки вместе с каменными и медными орудиями труда.
И здесь прослеживается слишком уж сильное единообразие в технологиях, методах и приемах.
По мнению специалистов исторической науки, тигельная плавка металлов в домашнем очаге представляла собой общедоступный кустарный способ производства, с освоением же технологии получения металлов в «волчьих ямах» металлургия превратилась в особое ремесло – первую настоящую самостоятельную индустрию в истории цивилизации. Однако необходимо отметить, что архаичная «волчья яма» уже к началу новой эры была практически повсеместно вытеснена гораздо более прогрессивным металлургическим агрегатом – сыродутным горном, тигельный же процесс выплавки железа из руд получил дальнейшее развитие (прежде всего в странах Азии), поскольку позволял, хотя и в небольших количествах, получать сталь высочайшего, даже по современным стандартам, качества.
В чем заключаются отличия металлургических агрегатов, в которых обрабатывалась железная руда, от их предшественников? Во-первых, для восстановления железа из оксидов требовалось значительно большее количество древесного угля, чем при плавке медной руды, где он играл роль только источника тепла. Во-вторых, конструкция горна и технология плавки должны были обеспечивать существенно более высокий температурный уровень процесса, поскольку разделение железа и пустой породы возможно только после перевода одного из материалов в расплавленное состояние, в данном конкретном случае – после образования шлака.
Минимальная температура формирования шлакового расплава, основной составляющей которого является минерал фаялит (Fe2SiO4) составляет около 1200°С. Между тем при производстве меди и бронзы температура в печи составляла не более 1000°С. Поэтому для повышения температурного уровня процесса необходимо было применение более мощных воздуходувных средств или создание условий для интенсивного естественного притока воздуха.
Необходимо отметить, что в древности пытались снизить температуру плавления шлака путем добавления в шихту специальных флюсующих добавок. Известно, что в Месопотамии и Малой Азии для этих целей еще во II тыс. до н.э. использовалась смесь костной золы и доломита. Однако этот способ мог давать ощутимый эффект лишь в отдельных случаях и только при тигельной плавке.
Не слабо. Откуда бы им мог быть известен подобный способ воздействии на процесс. Тоже якобы «случайным образом».
Тигельный способ производства ковкого железа, а впоследствии стали, был повсеместно распространен уже в Древнем Мире. Тяготение европейской металлургии к сыродутной плавке железа наметилось лишь в последние столетия этой эпохи. В Азии тигельная плавка просуществовала в качестве основной металлургической технологии до конца XIX в., а в кустарном производстве применяется до сих пор. Расцвет тигельной металлургии высококачественной стали, так называемых, вутца (вуца), дамаска или булата, приходится на V–XIII вв.
Именно в тиглях впервые был выплавлен новый высокоуглеродистый железный сплав – чугун. Произошло это, по-видимому, в Китае в середине I тыс. до н.э. Для получения чугуна в тигли помещали шихту, состоящую из кричного железа и древесного угля, и производили длительную выдержку тиглей в горнах при температуре свыше 1200°С. Постепенное растворение углерода угля в железе позволяло получить из твердого кричного железа насыщенный углеродом жидкий металл – «синтетический» чугун.
Известны многочисленные археологические находки остатков печей, фрагментов тиглей со шлаками и невосстановленными спеками, складов руд, древесного угля и флюсов этого периода. Исследования этих материалов, в том числе методами металлографии и «практической археологии», позволили достаточно точно воспроизвести технологию процесса.
Опишем ее в том виде, в котором она применялась в Средней Азии в IX–XII вв.
Для плавки применялись тигли цилиндрической формы, высотой до 1,2 м и внутренним диаметром до 12 см (рис. 3.1). Толщина стенок составляла от 2 до 4 см. Материалом для изготовления тиглей служила специальная смесь из песка и жаростойкой глины. Тигли изготавливались по «шаблону» – матерчатому чулку. Они могли выдерживать температуру до 1650°С. Сверху тигли закрывались полусферическими крышками с отверстиями в центральной части для выхода газов во время плавки.
В состав шихты входили: железная руда, древесный уголь и флюсы, из которых наиболее часто использовался доломит. Все шихтовые материалы предварительно дробились до крупности лесного ореха и тщательно перемешивались. Шихту загружали в предварительно обожженные тигли, которые помещались в горн и частично засыпались гравием для устойчивости и равномерного прогрева (рис. 3.2).
Выступавшие над гравием части тиглей обкладывались древесным углем, камышом и кустарниковыми растениями, дававшими при горении высокую температуру. По мере повышения температуры в тигле начинался 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 образовавшегося и более легкого шлака.
Тигель оставался в горне после окончания процесса до полного остывания. Остывший слиток металла извлекали, разбивая тигель. Его масса редко превышала 2–3 кг, но этого количества было вполне достаточно для изготовления клинка или деталей доспехов.
Секрет высокого качества тигельной стали заключался в длительном контакте сначала крицы, а позднее – расплавленного металла, с железистым шлаком. При этом из металла в шлак переходили наиболее вредные, с точки зрения качества металла, примеси: фосфор и сера.
Сыродутный горн стал первым металлургическим агрегатом, специально предназначенным для производства железа из руд. Его конструкция явилась следствием желания древних металлургов повысить интенсивность поступления в агрегат воздуха, что было необходимым условием повышения температуры процесса.
Сначала для экстракции железа из руды использовали «волчьи ямы», их иногда применяли еще и в начале новой эры. Например, в ямах диаметром до 1,5 м и глубиной до 0,6 м обрабатывали железную руду германские племена. Ямы обязательно устраивались в местах интенсивного естественного движения воздуха: на холмах, в предгорьях, в лесных просеках. Однако очень быстро пришли к тому, что наиболее эффективным способом усиления дутья является сооружение над ямой надстройки – своеобразной аэродинамической трубы.
В основании древнейших из известных сыродутных горнов располагались все те же круглые ямы, стенки которых были обмазаны толстым слоем глины. Именно к ямам подводились каналы для нагнетания в агрегат воздуха. Над ямами из прутьев сплеталась коническая конструкция, которая затем обмазывалась огнеупорной глиной. Впоследствии сыродутные горны перестали сильно углублять в землю, что значительно облегчило их обслуживание.
По данным последних археологических исследований, первые сыродутные горны появились в начале II тыс. до н.э. Широкое, практически повсеместное распространение, они получили в латенском периоде железного века, то есть в V–I вв. до н.э.
Название горна «сыродутный» (сырое дутье) появилось в середине XIX в., когда для подачи воздуха в доменные печи стали использовать мощные паровые машины, а сам воздух – подогревать. После этого архаичные печи, в которые дутье подавалось с помощью привода от водяных колес, а тем более за счет мускульной работы человека, быстро стали неконкурентоспособными. Именно к таким печам и стали применять термин «сыродутные».
В настоящее время, с точки зрения истории металлургической техники, принято деление агрегатов для экстракции железа из руд по виду основного продукта процесса:
- «сыродутный горн» – агрегат, в котором при любых параметрах процесса может быть получено только кричное железо;
- «домница» – печь, в которой в зависимости от условий плавки можно было производить либо кричное железо, либо чугун, либо оба продукта одновременно;
- «доменная печь» – агрегат, в котором при любых параметрах плавки может быть выплавлен только чугун.
Другое название сыродутного горна, используемое в специальной литературе – «низкий горн» – указывает на то, что его высота не превышала человеческий рост, то есть составляла не более 1,5 м, и он легко обслуживался мастерами-металлургами вручную.
Температура нагрева материалов в сыродутных горнах не превышала 1300°С, что является недостаточным для плавления получавшегося в результате процесса, низкоуглеродистого железа. Поэтому продуктом «плавки» была «крица», представлявшая собой пористый (похожий на губку) материал – спек неравномерного по химическому составу железа со шлаком. Шлак постоянно вытекал из печи через специальный канал в ее нижней части. Отсюда происходит еще одно название сыродутного горна, особенно часто применяемое в немецкой литературе – «печь с бегущим шлаком».
Главной составляющей шлака, как и в случае тигельной плавки, был фаялит, поэтому потери железа со шлаком были чрезвычайно высоки и достигали на начальном этапе освоения технологии 80% от массы загруженного в агрегат железа. Тем не менее, сыродутный горн во многих регионах Азии и Африки просуществовал до конца XIX в., а у народов некоторых отдаленных регионов (например, на островах Индийского и Тихого океанов) встречается до сих пор.
Сыродутные горны отличались большим разнообразием конструкций. Чаще всего они строились из высокоогнеупорной глины на каркасе из плетеных прутьев, а для укрепления стенок печи применялись деревянные обручи. Иногда горн полностью помещался в деревянный сруб или обкладывался камнями. У славянских народов и в Скандинавии распространение получила конструкция, в которой нижняя часть печи располагалась в землянке, а верхняя незначительно выступала над поверхностью земли.
Внутреннее пространство печи представляло собой два усеченных конуса с общим большим основанием (хотя нередко использовались и другие конфигурации: усеченные пирамиды, цилиндры и т. п.). Горн снабжался одним или несколькими глиняными фурмами (соплами – от старорусского «сопеть», то есть «дуть») с диаметром, постепенно уменьшающимся в направлении внутреннего пространства печи, и составлявшим, как правило, от 60 до 25 мм. В фурмы вставлялись дутьевые мехи, причем если использовалась одна фурма, то в нее вставлялись два меха, попеременная работа которых обеспечивала относительно постоянный приток воздуха в печь. Для выхода шлака внизу печи оставляли канал, перед которым вырывали углубление для скапливающегося расплава.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник
