Средневековая технология получения железа
Труды Г.Агриколы
В раннем Средневековье был разработан еще один способ повышения производительности сыродутного горна, который заключался в разработке конструкции низкой, но интенсивно работающей печи, постоянно подгружаемой шихтой. По пути создания такого горна пошли металлурги Юго-Западной Европы в X—XI вв.: здесь была разработана технология плавки железа в горнах, получивших название «каталонских».
Каталонские горны появились сначала в испанских, а затем и во французских Пиренеях. Современники выделяли три модификации этих агрегатов: собственно каталонский горн — самый крупный по размерам и производительности (рис.1.1), а также наваррский и бискайский горны несколько меньших размеров. Длина горнов составляла от 0,6 до 1,2 м, ширина — от 0,6 до 1,0 м и глубина - 0,5-0,8 м.
 |
Рис.1.1 Каталонский горн, снабженный водотрубной воздуходувкой (тромпой).
1 - пробка, расположенная в верхнем водном резервуаре и предназначенная для регулирования потока воды в нижний резервуар; 2 - отверстия для всасывания воздуха, выполненные в трубе под углом 40-45" к горизонту; 3 - труба, служащая для создания потока воды между верхним и нижним резервуарами; 4 - слив воды из нижнего резервуара; 5 — патрубок для отвода воздушного дутья к фурменному устройству; 6 - коническая фурма, изготовлявшаяся, как правило, из красной меди; 7 — железная руда; 8 — формирующаяся железная крица; 9 — железистый шлак; 10- канал для выпуска шлака из горна
|
|
|
Еще одним направлением развития горнов стали осмундские печи и штюкофены. Отметим, что конструкция агрегатов была очень похожей, а основные различия заключались во внешнем «оформлении»: осмундские печи, как правило, заключались в деревянные срубы, а конструкция штюкофенов (рис.1.2) усиливалась снаружи каменной кладкой. Печи строили многогранного сечения, чаще всего в виде двух четырехгранных призм с общим большим основанием. Использовалась одна фурма, которая устанавливалась горизонтально в нижней части печи таким образом, что ниже нее располагались лишь отверстия для выпуска из печи шлака.
Рис.1.2 Характерная конструкция штюкофена или «высокого» горна.
Перед началом плавки внутреннее пространство печи обмазывали огнеупорной глиной и набивали угольным порошком. Затем производили «обжигание горна», которое заключалось в прогреве кладки путем сжигания дров и некоторого количества древесного угля. После этого печь наполовину загружали порцией древесного угля, перемешанного с небольшим количеством легкоплавкой железной руды. В результате плавления этой первой, или «задувочной», шихты стенки нижней части печи покрывались своеобразным защитным слоем — «гарнисажем». Только после такой длительной подготовки агрегата переходили собственно к процессу плавки.
|
|
|
Шихту готовили тщательно: куски руды, представлявшей собой красный или бурый железняк с содержанием железа около 50%, дробили до крупности гороха или лесного ореха; древесный уголь, требования к качеству которого непрерывно возрастали, измельчали до размера грецкого ореха. Оба компонента шихты отделяли от мелких частиц и пыли вручную. Печь наполовину заполняли древесным углем, а затем загрузку руды и угля производили последовательно горизонтальными слоями толщииой не более 10—12 см.
После воспламенения древесного угля в нижней части печи, где проходила реакция неполного горения углерода угля до монооксида углерода (СО), достигалась температура 1400—1450°С. На верху печи, на колошнике (название его происходит от слова «колоша», т.е. мера твердого сыпучего материала) температура отходящих газов, состоящих, в основном, из СО и азота, составляла 700-900°С. Вот почему отходящий газ при взаимодействии с кислородом воздуха воспламенялся и непрерывно горел в течение всей плавки. Основным механизмом восстановления железа из оксидов была их реакция с твердым углеродом, поэтому содержание СО2, образующегося при восстановлении железа монооксидом углерода, в отходящих газах было ничтожным.
|
|
|
Главной составляющей шлака, как и в обычных сыродутных горнах, был фаялит. Шлак содержал 45—50% монооксида железа, 25—35% кремнезема, 4-6% глинозема, до 5% извести и магнезии и до 15% монооксида марганца. Кроме того, в шлаке в значительных количествах присутствовали щелочи, фосфор (иногда более 1%) и сера. Железистые шлаки отличаются высокой жидкоподвижностью, поэтому они легко вытекали из печи через отверстия в стенках, расположенных несколько ниже уровня фурмы. Присутствие в рудах монооксида марганца, взаимодействовавшего с кремнеземом, облегчало восстановление железа и уменьшало его потери в ходе плавки.
В результате плавки получался металл с низким содержанием кремния (менее 0,05%), марганца (менее 0,5%) и фосфора (менее 0,01%). Содержание углерода в различных участках крицы колебалось в широких пределах от 0,05 до 1,5%. Как известно, температура плавления низкоуглеродистого железа, составлявшего основную массу крицы, достигает 1480—1520°С, поэтому крица получалась твердой. Однако с повышением высоты печей и улучшением условий теплообмена содержание углерода в крице увеличивалось, и с начала 2-го тысячелетия ее часто извлекали из штюкофенов оплавленной.
|
|
|
Плавка продолжалась 4—6 часов, после чего раскаленную добела 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. В крице оставались включения угля и шлака, составлявшие до 10% ее массы, поэтому ее уплотняли деревянными молотами, а затем тщательно проковывали кузнечным молотом для удаления шлака из мелких пор. Потери железа со шлаком и в результате отбраковки по-прежнему оставались высокими и могли достигать половины от количества железа, попавшего в печь с рудой. Всего за сутки с учетом постоянного ремонта печи успевали произвести 2—4 крицы.
Высоким был и расход древесного угля: непосредственно на процесс экстракции железа из руды он составлял 3-4кг на 1кг «сырого» железа, еще столько же топлива требовалось сжечь при переработке сырца в товарный продукт. С учетом того, что при производстве древесного угля масса продукта составляла не более 15% от массы дров, общий расход высококачественной древесины на производство 1кг железа достигал почти 50кг. Потребность в древесном угле была столь высока, что к концу тысячелетия пришлось существенно усовершенствовать технологию его производства: от архаичного способа выжига в ямах перешли к более производительной и экономичной технологии получения продукта в кучах диаметром свыше 3метров.
Штюкофены и осмундские печи обеспечивали самый высокий температурный уровень термических процессов раннего Средневековья. Температура продуктов плавки (крицы и шлака) в них гарантированно достигала 1400°С, но условия науглероживания металла в печах все же еще не позволяли получать в них чугун. Нужен был еще один шаг, еще некоторое увеличение высоты агрегата, чтобы получить новое качество и новый продукт процесса, а именно высокоуглеродистый сплав — чугун. Этот шаг был сделан после появления печей шахтного типа - «домниц» (русское название) или «блауофенов» (немецкий термин) в начале XIV в.
В горной промышленности в XV— XVI вв. широкое распространение получают гораздо более сложные, чем это было раньше, механические приспособления для устройства и эксплуатации шахт. Немецкий учёный и инженер Георг Бауэр, более известный под латинизированным именем Агрикола, подробно описывает уже сравнительно сложное шахтное оборудование своего времени (первая половина XVI в.). Он рассказывает о тележках для перевозки руды, двигавшихся с шумом по дороге с деревянной колеёй, о механизмах для откачки с больших глубин воды и поднятия наверх руды, приводимых в движение силой животных (лошадей) или силой падающей воды, о вентиляционных установках, о толчеях для дробления руды и т. д. Интересно отметить, что Агрикола описывает машину, в которой благодаря сложной системе передачи одно водяное колесо приводит в движение три различных исполнительных механизма — толчею для дробления руды, мельницу для размола и мешалки. Однако такая машина была, очевидно, редкостью, так как сам Агрикола называет её «единственной в своём роде». Создание этого более совершенного шахтного оборудования позволило устраивать глубокие шахты и разрабатывать недоступные ранее пласты. Это был настоящий переворот в горном деле.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 858; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!