Металлургия средневековой Европы

В сложившихся в Западной Европе исторических условиях требовался новый подход к металлургии железа: необходимо было добиваться высокой производительности каждого отдельного агрегата, чтобы обеспечивать потребности в инструментах всех слоев немногочисленного населения, и эффективно расходовать имеющиеся не всегда качественные ресурсы. Достичь упомянутых целей можно было только одним путем: повысить интенсивность подачи дутья в агрегат (рисунок 24).

Рисунок 24 – Изображения клинчатых мехов – основного воздуходувного

На рисунке 25 показано, как снижалось количество железа в шлаке по мере повышения интенсивности дутья и соответствовавшего ему увеличения высоты агрегата. Таким образом, «вынужденный» путь развития западноевропейской металлургии железа привел к появлению в позднем Средневековье крупного индустриального производства и заложил основы гегемонии Европы в мире в последующие столетия.

В Скандинавии и в Альпах в VII–VIII 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.

содержание FeO в шлаке, % масс.;

количество дутья, м³/мин

Рисунок 25 – Изменение количества дутья, подаваемого в агрегат, и содержания железа в шлаке в средневековье и в Новое время

Однако полученный «побочный» эффект неожиданно превзошел первоначальные ожидания средневековых мастеров: с увеличением высоты горнов в них стали существенно улучшаться условия теплообмена между опускающимися сверху железорудными материалами и поднимающимся снизу, от фурм, восстановительным газом (оксидом углерода). В печи появилось «дополнительное» тепло, стали более полно проходить реакции восстановления железа, и науглероживания свежевосстановленного железа. Таким образом, получаемая крица стала более равномерной по химическому составу, в ней повысилось содержание железа, а само железо стало более насыщено углеродом.

Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами (рисунки 26,27). Это действительно 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.

Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII 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 и подобные им осмундские печи обеспечивали самый высокий температурный уровень термических процессов. Температура продуктов плавки (крицы и шлака) в них гарантированно достигала 1400 ºС, но условия науглероживания металла в печах все же не позволяли получать в них чугун. Нужно было некоторое увеличение высоты агрегата, чтобы получить новое качество, новый продукт процесса – высокоуглеродистый сплав чугун. Этот было сделано после появления печей шахтного типа – «домниц» (русское название) или «блауофенов» (немецкий термин) 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 или лесного ореха, древесный уголь измельчали до размера грецкого ореха. Оба компонента шихты отделяли от мелких частиц и пыли вручную. Расход древесины для производства угля составлял около 50 кг на один килограмм железа.

После воспламенения древесного угля в нижней части печи достигалась температура 1400–1450 ºС. Наверху печи (на колошнике) температура отходящих газов, состоящих, в основном, из СО и азота, составляла 700–900 ºС. 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%. Как известно, температура плавления низкоуглеродистого железа, составлявшего основную массу крицы, составляет 1480–1520 ºС, поэтому крица получалась твердой.

Рисунок 27 – Домница, 14 в. (действующая модель диаметр 105 см, высота 80 см)

Плавка продолжалась от 4 до 6 часов, после чего раскаленную до белого каления 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. Оставшиеся включения угля и шлака составляли до 10% массы. Поэтому крицу уплотняли деревянными молотами, а затем тщательно проковывали кузнечным молотом для удаления шлака из мелких пор. Всего за сутки, с учетом постоянного ремонта печи, 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, впрочем, 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 - так себе.

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.

Рисунок 28 – Работа средневековых металлургов

В раннем Средневековье был разработан ещё один способ повышения производительности сыродутного горна. Была создана интенсивно работающая низкая печь, постоянно подгружаемая шихтой, получившая название «каталонский горн».

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 29). Таким образом, объем рабочего пространства пиренейских горнов составлял всего лишь 0,3–0,9 м³, т.е. в 5–10 раз меньше штюкофенов, однако, они практически не уступали последним в производительности.

Перед началом процесса горн тщательно чистили от остатков предыдущей плавки в и затем засыпали древесный уголь до уровня фурмы и уплотняли его. На плотную постель древесного угля насыпали кусковую руду (как правило, это был бурый железняк), располагая ее по противофурменной стене. Дополнительные порции древесного угля размещали около фурменной стены.

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.

Обычная длительность плавки достигала 5-6 часов. Таким образом, за сутки успевали произвести 3-4 крицы массой 100-150 кг. После прекращения подачи дутья с крицы сгребали покрывающие ее шихтовые материалы. Затем в отверстие в лицевой стене вставляли лом, а второй лом опускали в горн сверху. 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% (масс.) углерода). Содержание оксида железа в шлаке было существенно ниже, чем в случае применения обычных сыродутных горнов. Оно составляло 35-40% (масс.).

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 XIX в.

Напомним, что нa протяжении многих веков единственным способом обработки железа была ковка. К сeредине XIV 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. Впрочем, вплоть до конца XV 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.

Литье чугуна требовало некоторых изменений в устройстве печи; появились так называемые блауофены (поддувные печи), прeдставлявшие собой следyющий шаг к доменной печи. Они отличались большей высотой (5-6 м), чем штукофены, и допускали непрерывность плавки при весьма высокой температуре. В Германии долгое время предпочитали именно блауофены и не строили доменных печей (рисунки 30, 31).

В блауофенах получали одновременно и железо, и чугун. Когда плавка заканчивалась, шлак выпускали через отверстие, расположенное ниже фурмы. После охлаждения его измельчали и oтделяли корольки чугуна. Крицу вытаскивaли большими клещами и ломом, а затем обрабатывали молотом. Наиболеe крупные крицы весили до 40 пудов. Кроме того, из печи вытаскивали до 20 пудов чугуна. Одна плавка длилась 15 часов. На извлечение крицы требовалось 3 часа, на подготовку печи к плавке — 4-5 часов.

Наконец пришли к идее двухступенчатого процесса плавки. Усовершенствованные блауофены превратились в печь нового типа - доменную, которая предназначалась исключительно для получения чугуна. Вместе с ними был окончательно признан переделочный процесс. Сыродутный процесс стал повсеместно вытесняться двухступенчатым способом обработки железа. Сначала из руды получали чугун, потом, при вторичной переплавке чугуна, - железо. Первая стадия получила название доменного процесса, вторая - кричного передела.

Таким образом, с XVI века в Европе получил распространение так называемый передельный процесс в металлургии — технология, при которой железо ещё при получении за счёт высокой температуры плавления и интенсивного науглероживания перегонялось в чугун, а уже затем, жидкий чугун, освобождаясь от лишнего углерода при отжиге в горнах, превращался в сталь

Металлургические печи, в которых стало возможным выплавлять из руд как кричное железо, так и чугун, получили название «домниц». Русское название происходит от слова «дмение», что означает «дутье». Первые доменные печи представляли собой домницы, переоборудованные для постоянного производства чугуна. На протяжении XV–XVI вв. конструкция печи непрерывно совершенствовалась и к концу XVI – началу XVII в. доменная печь приобрела вид, представленный на рисунке 32.

Рисунок 32 – Внешний вид (а) и конструкция (б) доменной печи конца XVI – начала XVII в.

Древнейшие домны появились в Зигерланде (Вестфалия) во второй половине XV века. Конструкции их отличались от блауофенов тремя чертами: большей высотой шахты, более сильным воздуходувным аппаратом и увеличенным объемом верхней части шахты. В этих печах достигалось значительное повышение температуры и еще более длительная ровная плавка руды. Сначала строили домны с закрытой грудью, но вскоре открыли переднюю стенку и расширили горн, получив домну с открытой грудью. Такая доменная печь при высоте 4,5 м давала в день до 1600 кг чугуна (рисунок 33).

Рисунок 33 – Металлургическое производство на рубеже 16-17 веков

Перерабатывали чугун в железо в кричном горне, сходном по устройству с сыродутной печью. Операция начиналась с загрузки древесного угля и подачи дутья. После того как древесный уголь разгорался вблизи сопла, клали чугунные чушки. Под действием высокой температуры чугун плавился, капля за каплей стекал вниз, проходил через область против фурм и терял здесь часть углерода. В результате металл загустевал и из расплавленного состояния переходил в тестообразную массу малоуглеродистого железа. Эту массу ломами подымали к соплу.

Под воздействием дутья происходило дальнейшее выгорание углерода, и вновь осевший на дно горна металл быстро делался мягким, легко сваривающимся. Постепенно на дне образовывался ком - крица весом 50-100 кг и больше, которая извлекалась из горна для проковки под молотом с целью уплотнения его и выдавливания жидкого шлака. Весь процесс занимал от 1 до 2 часов. В сутки в кричном горне можно было получить около 1 т металла, причем выход готового кричного железа составлял 90-92% веса чугуна. Качество кричного железа было выше сыродутного, так как в нем содержалось меньше шлака.

Однако для широкого распространения доменной плавки в качестве основного мануфактурного способа производства 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 34) 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 и он переходил в тестообразное состояние, в результате на поду печи формировалась крица с небольшим количеством шлака, источником которого служили окисленные примеси чугуна и зола древесного угля. Поэтому полученные крицы тщательно проковывали.

Рисунок 34 – 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, в связи с различием технологий получения, это железо получило название «сварочного».

1 - топка; 2 - пламенный порог; 3 - под печи; 4 - рабочее пространство печи; 5,6 – трубы

Рисунок 35 – Пудлинговая печь конца XVIII в. для пудлингования на каменном угле

Переход от одноступенчатого (сыродутного) процесса к двухступенчатому (доменному и кричному) позволил в несколько раз поднять производительность труда. Возросший спрос на металл был удовлетворен. Но вскоре металлургия встретилась с затруднениями другого рода. Выплавка железа требовала огромного количества топлива. За несколько веков в Европе было срублено множество деревьев и уничтожены тысячи гектаров леса. В некоторых государствах были приняты законы, запрещавшие бесконтрольную рубку леса. Особенно остро этот вопрос стоял в Англии. Из-за нехватки древесного угля англичане принуждены были большую часть необходимого им железа ввозить из-за границы. В 1619 году Додлей впервые применил в плавке каменный уголь.

Каменный уголь начали применять в пудлинговых печах (рисунок 35) для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля, т.к. большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.

Среди многих металлургических профессий того времени, пожалуй, самой тяжелой была профессия пудлинговщика. Пудлингование было основным способом получения железа почти на протяжении всего XIX в. Это был очень тяжелый и трудоемкий процесс. На подину пламенной печи загружались чушки чугуна; их расплавляли. По мере выгорания из металла углерода и других примесей температура плавления металла повышалась, и из жидкого расплава начинали «вымораживаться» кристаллы довольно чистого железа. На подине печи собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали к операции накатывания крицы при помощи железного лома. Перемешивая ломом массу металла, они старались собрать вокруг лома комок, или крицу, железа. Такой комок весил до 50 - 80 кг и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот - для проковки с целью удаления частиц шлака и уплотнения металла (рисунок 36).

Начиная с 1735 г. совершенствование конструкции доменной печи, технологии доменной плавки и изобретения в области металлургии железа следуют одно за другим практически непрерывно. Над совершенствованием профиля рабочего пространства и конструкции доменных печей работали крупнейшие ученые во многих странах. На рисунке 37 показана эволюция профиля доменной печи.

Рисунок 37 – Изменение профиля доменной печи

Однако широкому применению каменного угля препятствовало присутствие в нем серы, мешающей хорошей выделке железа. Очищать каменный уголь от серы научились только в 1735 году, когда Дерби нашел способ поглощать серу с помощью негашеной извести при термической обработке угля в закрытых тиглях. Так был получен новый восстановитель кокс.

Дерби в 1735 г. осуществил и первую доменную плавку только на коксе.

Кучное коксование каменного угля (рисунок 38) было чрезвычайно трудоемким процессом, требовало больших производственных площадей, сопровождалось выделением большого количества токсичных газов. Длительность процесса достигала 6-10 суток, а выход годного (кокса с насыпной массой 350–360 кг/м³) не превышал 50% массы угля.

Куча представляла собой сооружение высотой 3–4, диаметром 3–4 метра, вмещавшее 3–4 тонны угля. В центре кучи из крупных кусков угля или камней выкладывался канал для отвода газов, образующихся при коксовании. Необходимое для коксования тепло получалось при сгорании части угля. При производстве кокса в кучах и других примитивных устройствах получалось много мелкого кокса. Металлурги же использовали только крупные куски. Этот самый старый способ коксования углей просуществовал почти 500 лет и дожил до наших дней. Еще в 1963—1964 годах в Индии коксованием в кучах было получено около трех миллионов тонн такого кокса, который использовался в качестве бытового топлива.

Рисунок 38 – Кучное коксование каменного угля

Первые печи для производства кокса появились во второй половине ХVIII в. в Моравии. Они получили название «шаумбургских стойл» за внешнее сходство со стойлами для содержания лошадей (рисунок 39). Между стенами длиной 8-20 м и высотой 1-1,6 м, расположенными на расстоянии 1,5–2,3 м друг от друга, послойно засыпался уголь. Каждый слой увлажнялся и утрамбовывался. Для создания специальных каналов, по которым должен был поступать необходимый для горения воздух, в уголь закладывали деревянные шесты. После окончания укладки слоев шесты вынимали, и утрамбованный уголь покрывали слоем глины. Каналы, по которым должны были выходить дымовые газы и выделяющиеся при нагреве угля парогазовые продукты его разложения, прокладывали в стенах. Уголь поджигали через отверстия в стенах. Как и в кучах, тепло получалось в процессе сгорания части угля. Этот процесс длился 4–5 дней, и выход кокса составлял более 50 процентов. Эти примитивные устройства, несколько более совершенные, чем кучи, также сохранились до XX века. Развалины стойловых печей можно было видеть еще в 1921 году в районе Старо-Макеевского завода в Донбассе.

Следующим шагом в развитии техники коксования стало строительство ульевых печей (рисунок 40). При этом способе тепло для коксования получали сжиганием в подсводовом пространстве газообразных продуктов пиролиза угля. Длительность коксования уменьшилась до 3 суток, а выход годного возрос до 65%. В ульевых печах кокс получается очень прочный, однородный, все куски почти одних размеров. В кучах и стойлах сгорало очень много угля, в ульевых печах — намного меньше, горели в основном газы, выделяющиеся из угля при нагреве, поэтому выход готового продукта (кокса) был на 5—10 процентов больше, чем в стойловых печах. Из каждой тонны загруженного угля получали до 650 килограммов кокса.

Во второй половине ХIХ в. ульевые печи стали объединять в группы (батареи) с общим боровом для отвода дымовых газов и общими для всех печей устройствами загрузки угля и выгрузки кокса.

Рисунок 40– Ульевая печь для коксования каменного угля

Дальнейшие изменения в конструкции и технологии коксования касались в основном создания отопительных простенков, расположения угольной шихты вертикальными слоями, применения коксовыталкивателей и создания систем улавливания коксового газа.

Крупным, принципиально новым инженерным решением на рубеже пятидесятых годов XIX столетия было создание отопительного простенка. При этом пространство, где проходило горение газов, отделили от камеры, в которой под воздействием тепла, поступающего через стенку, происходил процесс коксования угольной загрузки.

В сравнительно короткий период (20-30 лет) примитивные стойловые и ульевые печи превратились в современные теплотехнические агрегаты.

Одной из первых удачных конструкций такого типа считается печь, изобретенная Э. Коппе и внедренная в производство в 1860-1870 гг. в Бельгии и Германии. Очень похожими по конструкции были и печи Отто-Гофманна (рисунок 41).

Выплавка чугуна на коксе в Западной Европе и СIIIА быстро возрастала: в 1850 г. 70% всех доменных печей работали на коксе, а в 1900 г. – 95%.

Рисунок 41 – Коксовая печь Отто-Гофманна (Германия)

Выгоды промышленного производства из железной руды чугуна были очевидны уже в середине XVI в. А резкий скачок в развитии доменного производства и повсеместное вытеснение доменными печами других агрегатов, применявшихся для экстракции железа из руд, произошел в ходе промышленной революции на рубеже XVIII–XIX вв. (рисунок 42)

Началом промышленной революции принято считать 1733 год, когда Джоном Кеем был изобретен механический челнок для ткацких станков. Это событие практически совпадает с внедрением в металлургическое производство доменной плавки на каменноугольном коксе. Начиная с 1735 г. совершенствование конструкции доменной печи, технологии доменной плавки и изобретения в области металлургии железа следуют одно за другим практически непрерывно.

Рисунок 42 - Общий вид металлургического завода с доменной печью 60-х годов XIX в. (г. Маршен, Бельгия)

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: