Каталонский горн. Штюкофены. Кричный горн для фришевания

В исторических условиях Западной Европы требовался новый подход к металлургии железа: необходимо было добиваться высокой производительности каждого агрегата, чтобы обеспечивать потребности в инструментах всех слоев населения, эффективно расходовать имеющиеся и не всегда качественные ресурсы. Достичь этих целей можно было только повысив интенсивность подачи дутья в агрегат.

В Скандинавии в 7–8 вв. стали строить сыродутные горны высотой больше человеческого роста, причем увеличение высоты агрегата происходило очень интенсивно и к концу тысячелетия строились печи высотой до 5 м. Изначально стремились к повышению производительности печи. Однако полученный «побочный» эффект превзошел первоначальные ожидания - с увеличением высоты горнов в них стали улучшаться условия теплообмена между железорудными материалами и поднимающимся снизу, от фурм, восстановительным газом (СО). В печи появилось «дополнительное» тепло, стали более полно проходить реакции восстановления и науглероживания железа. Получаемая крица стала более равномерной по химическому составу, в ней повысилось содержание железа, а само железо стало более насыщено углеродом.

Каталонские горны появились сначала в испанских, а затем и во французских Пиренеях. Длина горнов составляла от 0, 6 до 1, 2 м, ширина – от 0, 6 до 1 м и глубина 0, 5–0, 8 м (рисунок 1.7). Таким образом, объем рабочего пространства пиренейских горнов составлял всего лишь 0, 3–0, 9 м³.

Рисунок 1.3 – Каталонский горн

Каталонский горн (рисунок 1.3) имел раздельную загрузку руды и древесного угля, специальную фурму для подачи воздушного дутья, отдельную шлаковую летку и наклонную переднюю стенку горна, позволяющую извлекать готовую крицу щипцами с рабочей площадки без остановки процесса. Впервые процесс производства кричного железа стал непрерывным, что резко повысило производительность горнов.

Перед началом процесса в горн засыпали древесный уголь до уровня фурмы и уплотняли его. Сверху насыпали кусковую руду (как правило, это был бурый железняк), располагая ее по противофурменной стене.

Применение клинчатых мехов позволило значительно увеличить количество воздуха, подаваемого в единицу времени и количество сжигаемого в единицу времени древесного угля. Следствием этого было повышение температур в нижней части горна, улучшение условий восстановления железа и снижение содержания оксидов железа в шлаке. К 11-12 вв. на крупных печах высотой до 4–5 м впервые в больших масштабах наряду с крицей начали получать и некоторое количество жидкого чугуна (2–4% С), вытекавшего из печи вместе со шлаком. К этому времени температуры в нижней части горна достигали 1300–1350 °С, а содержание FeO в шлаке уменьшилось до 10–15%. Чугун не куется, и первоначально его считали нежелательным отходом производства, который загружали повторно в горн вместе с железной рудой.

В ходе плавки, по мере выгорания угля и плавления руды, в горн добавляли их новые порции, причем можно было использовать руду мелких фракций. Из рудной пыли делали смоченные водой комки, которые и загружали в горн. Периодически из горна выпускали шлак, пробивая специально предусмотренные для этого отверстия.

Сигналом к окончанию процесса служил белый цвет пламени, который указывал на начало окисления железа крицы.

Длительность плавки достигала 5-6 часов, за сутки успевали произвести 3-4 крицы массой 100-150 кг. Действуя ломами как рычагами, крицу вынимали из горна по пологой выгнутой противофурменной стене.

Извлечение железа из руды в крицу достигало 60-70 % при расходе древесного угля 3-3, 5 кг на килограмм крицы. Получался низкоуглеродистый металл (менее 0, 5% углерода). Содержание оксида железа в шлаке было существенно ниже, чем в случае применения обычных сыродутных горнов. Оно составляло 35-40%.

Каждый каталонский горн обслуживался бригадой из 8 человек. В состав бригады входили: мастер, его помощник, следивший за работой воздуходувной техники, два плавильщика, обеспечивавшие процесс производства крицы, молотовой мастер с помощником, рабочий, готовивший шихтовые материалы к плавке, и весовщик, осуществлявший контроль за хранением, расходованием материалов и ведавший учетом готовой продукции.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, каталонские горны находились в эксплуатации и после появления доменных печей, с которыми в Испании они конкурировали вплоть до середины 19 в.

Нa протяжении многих веков единственным способом обработки железа была ковка. К сeредине 14 века относят первые грубые отливки из него. С развитием артиллерии применение чугуна расширилoсь. Сначала его стали употpеблять на отливку ядер, а затем на литье отдельных частей самих пушек. До конца века чугун был еще низкого качества — неоднородный, недостаточно жидкий, со следaми шлака.

Из него выходили грубые и незатейливые изделия: надгробия, молоты, печные котлы и прочая незамысловатая продукция.

Вскоре в чугуне открыли и другие положительные свойства. Твердую крицу было нелегко достать из печи. На это обычнo уходило несколько часов. Между тем печь остывала, на разогрев ее шло дополнительное топливо, тратилось лишнeе вpемя. Выпyстить из печи расплавленный чугун было намного проще. Печь не успевала остыть и ее можно было сразу загружать новой пoрцией руды и угля. Процесс мог происxодить беспрерывно. Кроме того, чугун обладал прекрасными литейными качествами.

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это была высокая печь — с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица (рис. 1.4).

Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в 7 веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце 13 века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.

Штюкофены обеспечивали самую высокую температуру процесса. Температура крицы и шлака в них достигала 1400 º С, но условия науглероживания металла не позволяли получать в них чугун. Требовалось увеличение высоты агрегата, чтобы получить высокоуглеродистый сплав – чугун. Этот было сделано после появления печей шахтного типа – «домниц» (русское название) или в начале XIV столетия.

Шихту для плавки готовили тщательно: куски руды, представлявшей собой красный или бурый железняк с массовым содержанием железа около 50 %, дробили до крупности гороха, древесный уголь - размера грецкого ореха. Оба компонента шихты отделяли от мелких частиц и пыли вручную.

Рисунок 1.4 – Домница (штюкофен)

После воспламенения древесного угля в нижней части печи достигалась температура 1400–1450 º С. Наверху печи (на колошнике) температура отходящих газов, состоящих, в основном, из СО и азота, составляла 700–900 º С. Основным механизмом восстановления железа из оксидов была их реакция с твердым углеродом, поэтому содержание СО₂ в отходящих газах было ничтожным.

В результате плавки получался металл с низким содержанием кремния (менее 0, 05 % масс), марганца (менее 0, 5%) и фосфора (менее 0, 01%). Содержание углерода в различных участках крицы колебалось в пределах от 0, 05 до 1, 5%. Температура плавления такого низкоуглеродистого железа составляет 1480–1520 º С, поэтому крица получалась твердой.

Плавка продолжалась от 4 до 6 часов, после чего раскаленную до бела крицу клещами извлекали через пролом в передней стенке горна. Пролом делался в месте установки фурмы, что позволяло одновременно производить контроль состояния и при необходимости замену сопла дутьевого устройства. За сутки успевали произвести 2–4 крицы.

Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи — в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.

Иногда штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века - пушечные ядра. Правда, ядра из него получались низкопрочные.

Ядра для пушек из железистых шлаков в Европе отливали еще в конце XVI в. Из литой брусчатки делались дороги. В Нижнем Тагиле до сих пор сохранились здания с фундаментами из литых шлаковых блоков.

Первые доменные печи представляли собой домницы, переоборудованные для постоянного производства чугуна. В 15-16 вв. конструкция печи непрерывно совершенствовалась и к концу XVI – началу XVII в. доменная печь приобрела вид, представленный на рисунок 1.5.

Рисунок 1.5 –Конструкция доменной печи конца 16 – начала 17 вв.

Однако для широкого распространения доменной плавки в качестве основного железных изделий необходимо было разработать технологию передела чугуна в ковкий металл. Такая технология была создана во второй половине XVI в. в Бельгии и получила название «фришевание».

Суть процесса фришевания (рисунок 1.6) заключалась в окислении примесей чугуна в струе воздушного дутья в ходе плавления и стекания капель чугуна по древесному углю. При этом из чугуна последовательно удалялись кремний, марганец, фосфор и углерод. Чугун переходил в тестообразное состояние, в результате на поду печи формировалась крица с небольшим количеством шлака

Рисунок 1.6 – Конструкция кричного горна для фришевания

Полученный металл представлял собой ковкое железо с такими же свойствами, как и у железа, выплавленного в сыродутных горнах или домницах. Однако ввиду различия технологии получения ковкое железо получило название «сварочного».