Тигельное производство ковкого железа

Когда человек научился получать железо из руд, процесс его получения заключался в использовании сыродутных горнов и был малопроизводителен. Этот процесс стали улучшать - ввели обогащение железа углеродом и последующую его закалку. Так получилась сталь. К 1-му тысячелетию до н.э. железо стало наиболее распространенным среди используемых человеком материалов (Европа, Азия).

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.

Тигельная плавка была общедоступным кустарным способом производства, «домашняя» технология. С освоением же технологии получения металлов в «волчьих ямах» металлургия превратилась в первую настоящую индустрию. Однако уже к началу Новой эры архаичная «волчья яма» 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.

Отличия металлургических агрегатов, в которых обрабатывалась железная руда, от их предшественников, заключались в следующем:

1) для восстановления железа из оксидов требовалось значительно большее количество древесного угля, чем при плавке медной руды, где он играл роль только источника тепла;

2) 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 конкретном случае – после образования шлака.

Минимальная температура формирования шлакового расплава, основной составляющей которого является минерал фаялит (Fe₂SiO₄) составляет около 1200 °С.

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. В древности пытались снизить температуру плавления шлака путем добавления в шихту специальных флюсующих добавок, например 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.

Тигельный способ производства ковкого железа, а впоследствии стали, был повсеместно распространён 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 19 в.

Для тигельной плавки применялись тигли цилиндрической формы высотой до 1, 2 м и внутренним диаметром до 12 см. 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 º 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 дробили до крупности лесного ореха и тщательно перемешивали. Шихту загружали в предварительно обожженные тигли, которые затем помещались в горн и частично засыпались гравием для устойчивости.

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.

Высокое качество тигельной стали обеспечивался длительным контактом 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.

Производство стали из чугуна вели в окислительных кричных горнах, а затем в пудлинговых печах (Г. Корт, 1784г.), конвертерах (Г. Бессемер, 1856г. и С. Дж. Томас, 1878г.), мартеновских печах (Эмиль и Пьер Мартены, 1864г.) и кислородных конвертерах.

Каменный уголь тогда еще не умели использовать для этой цели: содержащаяся в нем сера переходила в сталь, делая ее непригодной.