Стихи
Проза
Разное
Песни
Форум
Отзывы
Конкурсы
Авторы
Литпортал

О НЕРАЗГАДАННОЙ ТАЙНЕ СЫРОДУТНЫХ АГРЕГАТОВ


О НЕРАЗГАДАННОЙ ТАЙНЕ СЫРОДУТНЫХ АГРЕГАТОВ
... Есть нужда — решенье будет! Предок печь сооружает,
Уложив руду и уголь, жар мехами раздувает.
Кислород руды и уголь газ СО образовали,
А железо, в виде губки, уплотняли и ковали ...
К сожалению, секреты берегли от чуждых глаз.
Как не жаль, но люди смертны, не дошёл секрет до нас …
Прасолов Ю., "Сталь"


В глубокой древности человек научился получать железо путём нагрева железных руд в смеси с древесным углём с последующим восстановлением оксидов железа руды за счёт их химического взаимодействия с образующимся в ходе горения угля восстановительным газом СО и углеродом древесного угля. Считается, что первыми агрегатами для осуществления такой технологии послужили так называемые «волчьи ямы»” (нем. Wolf-ofen – «волчьи печи») – примитивные конструкции металлургических печей, расположенные ниже поверхности грунта и часто окружённые небольшим валом из глины и мелких камней для уменьшения потерь тепла. Для осуществления горения топлива (дров или древесного угля) в топке, расположенной в нижней части рабочего пространства печи, в грунте выполнялись каналы для бокового подвода дутья (атмосферного воздуха) к нижней части волчьей ямы.

Бытует также мнение, что первое железо было получено на открытом костре, однако его следует признать ошибочным в результате низкой температуры пламени костра, которая недостаточна для восстановления железа из его оксидов, содержащихся в железных рудах. На открытом костре древний человек мог получать только олово (температура плавления 232°C), свинец (328°C) и алюминий (660°C). Поэтому даже золото (1064°C), а также медь (1083-1085°C) и бронзу (930-1140°C), получение последней из которых предполагало вначале получение меди, на открытом костре не получишь, не говоря уже о получении железа. Для получения более высоких температур требовалась аккумуляция тепла, получаемого от костра, в закрытом пространстве, что и отобразилось в создании человеком таких закрытых пространств, названных печами или горнами, – сначала в грунте, который выполнял роль теплоизолирующих стен, а в дальнейшем (см. ниже) – с помощью надземных сооружений со стенками из специального огнеупорного материала – глины, камней и т.п. При этом, подача воздуха в пространство печей способствовала повышению температуры в их рабочем пространстве, причём увеличение интенсивности вдувания воздуха приводило к увеличению этой температуры.

Полезным получаемым продуктом (помимо бесполезного выходного продукта – жидкого шлака) в таких примитивных железоделательных агрегатах была железная крица – твёрдый рыхлый ком размягчённого губчатого низкоуглеродистого железа с вкраплениями в нём большого количества несгоревшего угля и золы, падающих на крицу сверху, и частиц шлака, образующегося при плавке железной руды и восстановления её оксидов железа в условиях относительно низких температур (до 1200-1300 °С). Также крицу называют «сыродутным» или «сварочным»  железом, содержание углерода в различных участках которой было различно и находилось в пределах 0,05-1,5 %. Т. е. крица – это бесформенный кусок стали, значительно насыщенный перечисленными выше экзогенными неметаллическими включениями (шлаком, углём и золой), которые в дальнейшем удалялись (выдавливались из неё) проковкой крицы в горячем (нагретом) состоянии.

Металлургические агрегаты для получения железа, которые в настоящее время получили название сыродутные*, человеком постоянно видоизменялись – увеличивались размеры печей, усовершенствовалась их форма, повышалась мощность подаваемого дутья.

Так, вслед за “волчьими ямами” появился другой, более прогрессивный тип печей – низкие (высотой 0,8-1,6 м) сыродутные горны (по немецкой терминологии – Rennofen), одной из разновидностей которых являлся каталонский горн.

Со временем низкие горны заменили последующие конструкции сыродутных печей – высокие (высотой 2-3,5 м) горны (нем. Stückofen), которые были распространены в Альпах и центральной Европе, а также в Скандинавии, Финляндии, Карелии (осмундские или крестьянские печи) и в восточной Европе, включая Древнюю Русь (словакские или славянские печи).

Штюкофены же, в свою очередь, сменил следующий, ещё более совершенный тип сыродутных печей – домницы (нем. Blauofen) высотой 5-6 м – непосредственный предки доменных печей.

В последних двух типах печей (в славянских печах и домницах) параллельно с твёрдой низкоуглеродистой крицей в качестве продукта плавки начало получаться и жидкое высокоуглеродистое железо – чугун, количество которого в первом случае было около 10 %, а во втором – около 30 % от массы всего получаемого железа.

И, наконец, появились доменные печи, которые заменили домницы (блауофены) и начали выдавать в качестве полезного продукта исключительно чугун. Первые доменные печи были древесноугольными, затем появились домны, работающие на коксе с подачей пылеугольного топлива через фурмы, после чего изобрели доменные печи, в которых пылеугольное топливо было заменено на более калорийный природный газ.

Не смотря на многочисленные проведённые эксперименты и теоретические описания сыродутного процесса рядом авторитетных учёных (Б.А.Колчин, О.Ю.Круг, Н.Н.Терехова, Л.С.Розанова, В.И.Завьялов, R.Pleiner, A.Espelund, P.Crew, C.Salter, А.Thielе и др.), которые изучали и продолжают изучать древние сыродутные технологии получения сыродутного железа (кричной стали) из железной руды на основании археологических артефактов, в сыродутном производстве железа остаётся достаточно много неясных вопросов.

Самый главный вопрос среди них – почему же древние сыродутные шахтные печи могли получать низкоуглеродистое железо (кричную сталь) непосредственно из железной руды (пусть даже в твёрдом виде), а современные восстановительные агрегаты (в том числе и шахтные) не могут, а получают исключительно высокоуглеродистое железо – чугун?

Ведь известно, что все современные восстановительные агрегаты получают из руды исключительно высокоуглеродистый чугун – или в жидком (доменная печь), или в гранулированном (губчатое железо) виде (процессы Midrex, Purofer, Arex, Hyl III, Hyl ZR (шахтные печи); Hyl I (реторты); Fior, Finmet, Cincored, Spirex, Iron Carbide (реакторы с кипящим слоем); OSI, TDR, DRC, Ghaem, SL/RN, Jindal, Siil, Codir (трубчатые печи); Comet, Fastmet, Inmetco, Dry Iron, Iron Dinamics, ITmk3 (печи с вращающимся подом); Circofer (реактор с кипящим слоем); Primus (многоподовая вращающаяся печь); Correx, Correx-Midrex, Finex (установки с плавильным генератором), DIOS, Hismelt, AusIron, Tecnored, AISI Direct, Ironmaking, CCF (печи с жидкой ванной), ИРСИД, БИСРА, СЭР (струйно-эмиссионные установки), Доред, Krupp-Renn, Экеторп-Валлак, способ Буше, Kawasaki-process в кипящем шлаковом слое, COIN и др.). Не смотря на многообразие существующих технологий и агрегатов прямого получения железа из железной руды, все они не могут получить железо с низким содержанием углерода, даже те, которые имеют громкие названия, например процесс «Руда-сталь». А вот древние технологии прямого восстановления железа из оксидов железной руды, считающиеся примитивными, могли (оказывается не такими уж примитивными были эти технологии), получать сталь. Почему же в древности это было возможно, а сейчас нет? Единого мнения по этому поводу нет.

Наиболее распространённая теория получения низкоуглеродистой крицы в древности заключается в том, что железная руда в сыродутных агрегатах восстанавливалась до металла в твёрдом состоянии в виде пористой пастообразной низкоуглеродистой массы, сквозь которую проникал вязкий железистый шлак, хорошо плавящийся при температуре выше 1200 °С. В результате пористое железо образовывало достаточно плотную крицу и обычно не было насыщено углеродом. Лишь в отдельных местах формировались науглероженные зоны. Целью плавки было получение как можно более мягкого (низкоуглеродистого) ковкого металла.

Некоторые исследователи считают, что в ходе сыродутной плавки в зонах печи, где температура составляла 800-1200°С, частицы железа сначала науглероживались, а затем плавились в виде чугуна. Однако потом происходило повторное окисление и металла в фурменной зоне печи, температура в которой превышала 1400°С.

Ряд авторов полагает, что в обеих вышеупомянутых теориях есть доля истины, так как, несмотря на малые размеры первых сыродутных горнов или благодаря им, а возможно, в зависимости от способа подготовки и загрузки шихты в горн в различных его зонах могли проходить оба процесса. Поэтому продукты сыродутного производства могли содержать и высоконауглероженный металл, и даже частицы чугуна.

Согласно описанию авторитетного исследователя сыродутного процесса Р. Плейнера температура в зоне горения (вероятно, имеется ввиду непосредственно у фурмы - прим. автора) превышала 1400°С, однако всего в нескольких сантиметрах от нее она снижалась до 1200–1300°С, а на колошнике составляла 500–700°С, что соответствует примерно температуре горения в открытом костре при интенсивном притоке воздуха. В верхней части печи с температурой 500–550°С кусок гематитовой руды терял влагу и становился пористым. До зоны с температурной 700–750°С бoльшая часть гематита (Fe2O3) руды восстанавливалась до магнетита (Fe3O4) и монооксида железа (FeO), а на поверхности кусков руды постепенно образовывался тонкий слой металлического железа. Под воздействием сильной восстановительной атмосферы начинался процесс науглероживания. Наиболее активно он проходил в области температур, превышающих 900°С, когда γ-железа поглощало углерод из газа: 3∙Fe + 2∙CO = Fe3C + CO2 ↑. В кусках частично восстановленной руды содержались остаточные минералы, пустая порода, монооксид железа и металлическое железо. Углерод из СО (2∙СО → С + СО2) проникал в трещины и поверхностный слой металлического железа. При этом давление газа оказывалось достаточно высоким для проникновения (диффузии) углерода в железную оболочку. «Конгломерат» из остаточных минералов, монооксида железа, вкраплений древесного угля, заключенных в пористую металлическую пленку, опускался на нижние уровни, где температура составляла около 1200°С. В этой зоне печи частицы пустой породы активно взаимодействовали с монооксидом железа с образованием фаялита (Fe2SiO4), который представлял собой основную составляющую шлака сыродутной плавки. Расплавленный шлак проникал через поры в «конгломерате» и опускался на подину печи. Поскольку главной составляющей шлака был фаялит, на начальном этапе освоения технологии потери железа со шлаком были чрезвычайно высоки – до 80 % количества железа, загруженного в агрегат. Оболочки металлического железа с разным содержанием углерода, корольки (капли) сильно науглероженного железа, частички окалины опускались вниз горна и формировали крицу – ком губчатого железа, в который также попадали кусочки несгоревшего древесного угля и комки шлака.

Имеется также и другое объяснение образования крицы. Загруженные в печь материалы претерпевали изменения в ходе горения. Уголь, сгорая в нижней части печи при высокой температуре, превращался в окись углерода. Он и являлся основой восстановительного процесса. Образовавшиеся в результате горения раскалённые газы поднимались вверх, нагревали находившуюся там шихту. При высокой температуре происходила химическая реакция: одна часть окислов железа восстанавливалась до состояния металла, а другая часть соединялась с пустой породой и образовывался жидкий шлак (Fe2SiО4). Частицы восстановленного железа по мере сгорания угля скапливались внизу камеры, где и образовывался ком железа. Загруженные в печь материалы претерпевали изменения в ходе горения. Уголь, сгорая в нижней части печи при высокой температуре, превращался в окись углерода. Он и являлся основой восстановительного процесса. Образовавшиеся в результате горения раскалённые газы поднимались вверх, нагревали находившуюся там шихту. При высокой температуре происходила химическая реакция: одна часть окислов железа восстанавливалась до состояния металла, а другая часть соединялась с пустой породой и образовывался жидкий шлак (Fe2Si04). Частицы восстановленного железа по мере сгорания угля скапливались внизу камеры, где и образовывался ком железа.

Образование крицы объясняют и таким образом. Подача в горн дутья приводила к разжиганию угля, углерод которого в условиях недостатка кислорода горел до монооксида углерода. Таким образом, в печи создавалась восстановительная среда, способствовавшая восстановлению железа из оксидов. По мере выгорания угля и образования жидкого шлака небольшие чешуйки восстановленного железа опускались в низ печи, свариваясь друг с другом. Таким образом, в результате процесса, продолжавшегося около суток, формировалась одна или несколько криц.

Есть вообще бестолковые объяснения образования крицы, из которых ничего не понятно - например, вот несколько из таких:

а) В результате осуществляемого процесса происходило превращение руды в металл. При этом пустая порода постепенно стекала вниз. На дне печи образовывались зерна железа. Они слипались между собой, превращаясь в так называемую «крицу». Это рыхлая губчатая масса, пропитанная шлаками. 

б) Подача в горн дутья приводила к разжиганию угля, углерод которого в условиях недостатка кислорода горел до оксида углерода (СО). Таким образом, в печи создавалась восстановительная среда, способствовавшая восстановлению железа из оксидов. Температура нагрева материалов в горнах не превышала 1300 ºС, что недостаточно для плавления получавшегося в результате процесса низкоуглеродистого железа. Поэтому продуктом процесса была «крица». Крица представляла собой пористый (похожий на губку) материал – спек неравномерного по химическому составу железа со шлаком. Нагретые до тестообразного состояния пластичные частицы железа, слипаясь и свариваясь вместе на лещади горна, образовывали крицу.

в) В древности же металлурги подавали в горн сырой (холодный) воздух. При температуре 900oС с помощью углекислого газа, отнимающего у окиси железа кислород, происходит восстановление железа из руды и получается тесто или бесформенный, пропитанный шлаком пористый кусок – крица. Для осуществления этого процесса был необходим древесный уголь как источник углекислого газа. 

г) В результате кремнеземистых примесей в руде и реакции со стенкой печи образуется богатый железом шлак, который является жидким при температуре около 1200°С и вытекает в самую нижнюю часть печи. Шлаки обычно представляют собой соединения FeO-SiO2. Оставшаяся железная руда восстанавливается окисью углерода в печи до элементарного железа. В результате образуется шлаксодержащий, часто губчато-пористый комок из железа или мягкой стали, так называемый комок в печи.

д) Сгорая в потоке воздуха, уголь нагревал руду и частично восстанавливал ее до состояния железа. Оставшаяся часть окислов железа вместе с окислами других примесей плавилась и образовывала жидкий шлак. На дне горна получали крицу – комок пористого, тестообразного, пропитанного жидким шлаком металла. Многократной проковкой крицы в горячем состоянии шлак «выжимали» и получали железную поковку, представлявшую собой сварочное ковкое железо, или мягкую сталь. Содержание углерода в такой стали – 0,12–0,26 %; серы, фосфора и других примесей очень мало.

е) Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода, которая и восстанавливала чистое железо из руды. В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350 oС), металл не плавился, т.е. восстановление металла шло в твердой фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. 

ж) Благодаря взаимодействию угля и оксида углерода СО, образовавшегося при сгорании угля, с оксидами железа, содержавшимися в руде, железо восстанавливалось и в виде тестообразных кусков накапливалось на дне горна. Куски были загрязнены золой, шлаком, выплавлявшимся из составляющих руды. Такое железо называли сыродутным. 

з) После того как топливо внизу поджигалось, начинался сильный разогрев руды. При этом шла химическая реакция окисления углерода (угля) и восстановления железа. В виде мельчайших лепестков тестообразное железо, которое было в три раза тяжелее шлака, опускалось вниз и оседало в нижней части печи. В результате на дне ямы собирался ком мягкого сварного железа — крица, весом от 1 до 8 кг. Она состояла из мягкого металла с пустотами, заполненными твердыми шлаками.

Существует точка зрения, согласно которой процесс получения крицы мог быть двухстадийным. В этом случае в ходе первой стадии плавки руды получали частично восстановленный или металлизированный агломерат. На второй стадии этот агломерат переплавляли с получением плотной железной крицы или чугуна.

Однако, двухстадийный (или двухступенчатый) способ получения железа был разработан только в XIV веке  в Европе  - маленькая домна (восстановление железа из руды и получение чугуна), далее кричный горн (передел этого чугуна в стальную крицу).

Теперь второй вопрос – почему в примитивных (маленького размера) печах («волчьих ямах» и низких горнах) получалось исключительно низкоуглеродистое железо (стальная крица), а в более совершенных (большего размера) печах (штюкофенах и блауофенах) наряду с низкоуглеродистой крицей получалось и высокоуглеродистое железо (жидкий чугун), вытекающее из печи вместе со шлаком, причём с увеличением размера сыродутной печи увеличивалось и количество получаемого чугуна, а самые большие шахтные агрегаты (доменный печи) начали выдавать исключительно один чугун?

Существуют следующие объяснения этого явления:

1. Относительно низкая температура процесса и большое количество железистого шлака препятствовали науглероживанию металла и позволяли получать железо только с низким содержанием углерода в виде кома, называемое «крицей», на дне горна.

2. Под воздействием горячего восстановительного газа в нем образовывалась крица, поскольку температура в горне не превышала 1300 °С и была недостаточной для образования чугуна.

3. Каменная порода оседает в шлак при температуре 1300-1400°С, при которой получается сталь – железо, содержащее от 0.3 до 1.2% углерода. При остывании оно становится очень твёрдым. Чтобы получить чугун – плавкое железо с содержанием углерода 1.5-5%, – нужна более сложная конструкция горна с большим рабочим пространством. При этом температура плавления железа оказывалась ниже, и оно частично вытекало из горна вместе со шлаком.

Приведённые выдержки из различных литературных источников пытались объяснить, почему же в примитивных (малых по размеру печах - волчьих ямах и низких горнах) не получался чугун. Был сделан следующий вывод: чугун не мог получаться в сыродутном горне малых размеров из-за недостаточной температуры в его рабочем пространстве, что не позволяло получаемому железу (крице) сильно науглеродиться при таких температурах.

Далее следуют объяснения почему словакских печах (в штюкофенах), которые были бОльшими по размеру в сравнении с низкими сыродутными горнами, начал  таки появляться жидкий чугун: 

4. Увеличивались размеры горнов, совершенствовалась их форма, повышалась мощность дутья. Высота печей достигала нескольких метров, воздуходувные трубы приводились в движение специальными водяными трубами и огромными водяными колесами. Температура в печах повысилась до 1250–1350 °C, что привело к увеличению количества чугуна, получаемого при плавке.

5. С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна) оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком.

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

Был сделал следующий вывод: жидкий чугун стал появляться в результате увеличения размеров сыродутной печи и повышения температуры в её рабочем пространстве за счёт повышения интенсивности (мощности) дутья. Высокая температура способствовала большему науглероживанию железа, поэтому оно становилось более высокоуглеродистым, а поэтому  и жидким.

Следующие объяснения касались получения чугуна в домницах (блауофенах), которого стало получаться больше, чем в словакских печах (штюкофенах):

7. Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта — чем выше была температура, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому рано или поздно им приходила мысль улучшить штукофен — добавить предварительный подогрев воздуха и увеличить высоту трубы. В середине ХV века в Европе появились печи нового типа — блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз. Более высокая температура действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10 %, как в штукофене, а 30 % выхода составлял чугун — «свиное железо», ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации. Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья... Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это было хорошо, но вот отделить сталь от железа оказалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой  можно было добиться однородности его распределения. 

8. Со временем для повышения производительности сыродутных горнов увеличили их высоту. В результате он превратился в домницу с более сильным дутьем, которое достигалось с помощью механических устройств. Превращение сыродутного горна в домницу привело к изменению самого процесса получения железа. Наряду с железом в таких удлиненных горнах стал образовываться и жидкий металл, сильно науглероженный продукт — чугун.

9. Когда стали использовать энергию падающей воды и приводить в движение меха механическим способом, удалось увеличить объём воздуха, подаваемого в горн. Горн сделали больше, стенки его выросли из земли, он стал прообразом доменной печи — домницей. Домницы имели высоту в несколько метров и сужались кверху. Сначала они были квадратными, потом стали круглыми. Подачу воздуха производили через несколько фурм. В нижней части домницы имелось отверстие, замазываемое глиной, через которое после окончания плавки вынимали готовое железо. Улучшение технологии плавки, обкладки стенок домницы природным огнеупорным камнем позволили значительно повысить температуру в горне. На дне печи образовывался жидкий сплав железа с углеродом — чугун.

Был сделал следующий вывод: т.к. размеры сыродутной печи стали ещё большими, а дутьё стало ещё более мощным, жидкого чугуна начало появляться ещё больше.

И вот теперь существующие пояснения по доменной печи:

10. Увеличение размеров домниц привело в сер. XIV в. к появлению небольших доменных печей. Увеличение высоты этих печей и более интенсивная подача дутья способствовала. повышению температуры и значительно более интенсивному восстановлению и науглероживанию металла. Вместо тестообразной массы сыродутного железа в доменных печах получали уже высокоуглеродистый железный расплав с примесями Si и Мп – чугун» (касается доменных печей).

11. При современном (доменном) процессе получается чугун – за счёт большого количества углерода и более высокой температуры. Я уже отмечал, что в Средневековье для того, чтобы получить больший объем металла, стали увеличивать шахты – это увеличивало тягу и, соответственно, температуру. И в один прекрасный момент вместо железа начали получать чугун.

Был сделал следующий вывод: ещё более высокие температуры и большое количество углерода (странно, а в сыродутных горнах разве было маленькое количество углерода? - прим. автора) способствовало более интенсивному восстановлению и науглероживанию металла, в результате чего начали получать только жидкий  чугун.
 
Однако, все эти пояснения и выводы относительно возникновения чугуна в сыродутных печах и получения исключительно одного чугуна в доменной печи довольно туманны и не совсем верны, и до сегодняшнего дня правильных и полных ответов на эти два указанные мной выше вопроса не существует. 

А произошло это по следующей причине - когда сыродутный процесс необходимо было изучать, историкам и археологам это было ещё неинтересно, потому что историей промышленности тогда не занимались, а металлургам это было уже неинтересно, потому что интенсивно начал развиваться доменный процесс. Это привело к тому, что сейчас древней кричной металлургией (археометаллургией) занялись историки и археологи, которые (я не хочу их обидеть) являются не совсем специалистами в данной области. Отсюда: и неверные результаты (выводы), и туманные толкования (описания) тех или иных металлургических процессов и явлений.

Единственный правильный вывод, сделанный из всего этого - это то, что появление чугуна действительно явилось следствием повышения в рабочем пространстве сыродутной печи температуры, которая была тем выше, чем мощнее (интенсивнее) было подаваемое дутьё (т.к. больше топлива сгорало в единицу времени, а значит приход тепла в печь был больше) и чем больше были размеры печи (в рабочем пространстве печи лучше осуществлялась аккумуляция тепла, получаемого от сгорания топлива в топки печи, в результате снижения удельных тепловых потерь печи с увеличением её размера).

Однако, появление чугуна в сыродутных печах больших размеров, а затем и в доменной печи произошло не в результате повышения степени науглероживания железа и уж тем более не за счёт большого количества углерода, которой всегда в избытке в любой сыродутной печи, а совершенно по другим причинам, причём в больших сыродутных  горнах и в доменных печах эти причины были разные. Предварительно могу озвучить эти причины (однако они нуждаются в экспериментальном подтверждении моей гипотезы):

- в сыродутных горнах - это наличие градиента температур между температурой среды в топке печи (в которой было горячее, особенно в печах с более мощным дутьём) и температурой в нижней части столба (где она была ниже, чем в топке) шихты (чередующихся между собой слоёв древесного угля и железной руды в шахте печи); чем указанный градиент температур выше, тем больше жидкого чугуна образовывалось в сыродутном агрегате. Это видно на примерах штюкофена (в котором образовывалось 10 % жидкого чугуна от суммарного получения железа), у которого температура в рабочем пространстве топки была выше, чем в предшествующим ему низких сыродутных горнах и волчьих ямах (в которых чугун или не образовывался вообще, или его количество было ничтожно мало, поэтому его и не замечали), и блауофена (в нём образовывалось уже 30 % жидкого чугуна от массы всего получаемого железа), у которого температура в топке была уже выше, чем в его предшественнике - штюкофене;

- в доменных печах - это уже изменение самой конструкции доменной печи (или по незнанию, или в результате сознательного перевода печи на получение 100 % чугуна с целью последующего передела его в стальную крицу в переделочном агрегате - кричном горне; доменные печи как раз и появились в то время, когда человечеством была изобретена двухстадийная (передельная) технология получения железа, которой мы пользуемся до настоящего времени) в сравнении с конструкциями сыродутного горна: было произведено изменение расположения дутьевых фурм в стенке шахтной печи, что не позволяет получать в ней низкоуглеродистый металл.

Таким образом, тот, кто сможет это установить экспериментально точно, тот сможет правильно и полно ответить на поставленные мною выше вопросы. Это позволит осуществить (или, по крайней мере, точно понять и теоретически правильно описать) процесс получения низкоуглеродистого железа (стали) непосредственно из железной руды в современной шахтной (например, в доменной) печи методом прямого восстановления оксидов железа руды, т.е. в одну стадию, минуя ненужную промежуточную стадию получения чугуна – точно так же, как это мог делать человек в глубокой древности, начиная с III-II тыс. до н.э. До сегодняшнего дня осуществить (и правильно теоретически описать) такой процесс в больших шахтных печах, к сожалению, ещё никто не смог.  Были такие попытки, в том числе и у Д.К.Чернова, который предложил универсальную шахтную печь (по типу доменной) для производства и ковкого железа, и стали, и чугуна по усмотрению самого горнового-технолога (Привилегия № 2033, Россия, группа I. "Описание газовой доменной печи для прямого получения железа стали или чугуна Д.Чернова"), но все они оказались безрезультатными.

В заключении хочу сказать, что тот человек, который сможет правильно осуществить процесс получения низкоуглеродистого железа в шахтной (типа доменной) печи, хотя бы чисто теоретически, станет в один ряд с такими известными изобретателями и металлургами-сталеплавильщиками, как И.Ф.Макаров, П.П.Аносов и Д.К.Чернов  (Российская Империя), У.Келли (США), Г.Корт, Г.Бессемер и С.Томас Джильхрист (Англия), П.Мартен и П.Эру (Франция).

30.11.2019 г.



См. также:
http://xn--e1aajfpcds8ay4h.com.ua/files/81_07.pdf (с.19-26);
http://xn--e1aajfpcds8ay4h.com.ua/files/82_7.pdf (с.39-47);
http://xn--e1aajfpcds8ay4h.com.ua/files/83_72(1).pdf (48-61);
http://xn--e1aajfpcds8ay4h.com.ua/files/82_07_02.pdf (с.75-85).

______________________
Название «сыродутный» – условное, очень позднее и чисто кабинетное; возникло в XIX в., когда в доменные печи начали подавать подогретое дутьё, тогда предыдущий (старый) способ восстановительной плавки с вдуванием  неподогретого (т.е. «сырого») воздуха и получил название «сыродутный».





Рейтинг работы: 0
Количество рецензий: 0
Количество сообщений: 0
Количество просмотров: 16
© 30.11.2019 Пантейков Сергей Петрович
Свидетельство о публикации: izba-2019-2682838

Рубрика произведения: Разное -> Научная литература














1