Анимационный фрагмент Китайская вагранка
В представленном анимационном видео демонстрируются этапы работы печи:
– загрузка горна древесным углем и железной рудой;
– включение ящичных мехов, которые приводятся в движение приводом от горизонтального водяного колеса – турбины. Интенсивная подача воздуха обеспечивает высокую температуру, поэтому в конце плавки из горна вытекает жидкий чугун;
– разливка расплавленного металла в тигли или литейные формы.
Долгое время считалось, что в Европе технология производства чугуна была освоена только в XI–XII вв., однако последние археологические находки опровергают это мнение. Недавние исследования римского железного блока, найденного в Контиомагусе (ныне Диллинген-Пахтен) и датируемого периодом между75 и 150 гг. до н. э., показали, что он был получен в результате кристаллизации высокоуглеродистого (чугунного) расплава. Таким образом, в Контиомагусе было обнаружено и доказано самое раннее производство чугуна за пределами Китая. Упомянутая находка не доказывает, что в античном мире осуществлялась выплавка передельного чугуна в больших масштабах. Однако она подтверждает, что в античных сыродутных горнах также было возможно получение жидкого чугуна. Сыродутный процесс, возможности которого, как это следует из вышеизложенного, были достаточно значительными, сохранялся в разных вариациях до первой половины ХХ века. Он был описан европейскими этнографами в Азии и Африке. В XVI–XX вв. сыродутные печи высотой до 3 м производили крицу массой до 150 кг и полностью обеспечивали потребности в железе таких стран, как Китай и Индия. Преимуществом сыродутных горнов долгое время оставалась дешевизна устройства и быстрота получения готового товара. В США, лидере мировой черной металлургии второй половины XIX в., еще в 1853 г. эксплуатировалось до 400 таких печей.
Таким образом, путь развития западноевропейской металлургии железа привел к появлению в позднем средневековье крупного индустриального производства и заложил основы гегемонии Европы в мире в последующие столетия.
Методика проведения работы
1. Изучить материалы лабораторной работы
2. Дать краткое описание истории возникновения сыродутного процесса и сыродутного горна.
3. Ознакомиться с анимационным видео, дать краткую характеристику демонстрационного материала.
4.Сделать выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Какую эпоху принято считать «железным веком»?
2. Что являлось прообразом сыродутного агрегата?
3. Каково общее устройство «волчьей ямы»?
4. Основное предназначение фурмы.
5. Что означает термин «шихта»?
6. Как подразделяются сыродутные горны по способу удаления шлака?
7. Какие существуют способы извлечения крицы из горна?
8. В чем заключается особенность «каталонского горна с тромпой» и причины его появления?
9. Что означает термин «китайская вагранка»?
Лабораторная работа № 2 основы производства чугуна и стали История процесса получения чугуна и стали
До появления доменной печи продуктом восстановления железных руд в горнах различных конструкций была крица – губчатая масса восстановленного железа, пропитанная шлаком c включениями несгоревшего угля. Для удаления шлаковых включений, повышения плотности и придания железу формы, пригодной для дальнейшего передела, крицу несколько раз проковывали, с получением железной заготовки – полуфабриката для дальнейшего передела в готовые изделия. Необходимо подчеркнуть, что в сыродутном горне железо находилось в твёрдом (точнее тестообразном) состоянии. Поэтому даже в ходе длительной термомеханической обработки добиться высокого качества (равномерности химического состава и физических свойств) кричного металла было невозможно. После того как основным продуктом плавки железных руд стал чугун, были разработаны технологии его обезуглероживания (в кричном горне и пудлинговой печи) с получением железных криц более равномерного состава и высокого качества (рис. 2.1). Тем не менее, заключительная часть технологии производства железа не претерпела принципиальных технических изменений.
Рис. 2.1. Кричный горн
Ещё одной проблемой была необходимость производства стали со специальными свойствами, обусловленная стремительным развитием промышленности. Используемый для её производства метод цементации не позволял достигать требуемой однородности, а разработанный в1740 г. Бенджаменом Хантсманом тигельный способ производства литой стали не обеспечивал необходимой производительности и был высокозатратным. Это было обусловлено многостадийностью процесса: производство чугуна – обезуглероживание с получением крицы – проковка крицы – науглероживание (цементация) железных заготовок – расплавление стали в тигле – разливка стали. При этом на каждой стадии расходовалось топливо и происходило окисление железа. В первой половине XIX в. возникла насущная необходимость в процессе массового производства литой стали из чугуна. Над решением этой проблемы работали лучшие умы промышленности и науки, однако лишь спустя несколько десятилетий, в середине XIX в., успеха достиг англичанин Генри Бессемер. Позднее предложенный им процесс был усовершенствован его соотечественниками Сидни Томaсом и Перси Джилкристом. Затем выходцы из Германии, работавшие в Великобритании, братья Уильям (Вильгельм) и Фридрих Сименсы, разработали принципиально новый процесс производства стали, в совершенствовании и распространении которого важную роль сыграли французы – отец и сын Мартены. При этом подходы и к разработке, и к продвижению на рынок новых технологий разных инноваторов существенно различались. Генри Бессемер был профессиональным изобретателем-инноватором, автором гениальных разработок, часть из которых опередила своё время и была реализована лишь спустя многие десятилетия, а остальные, благодаря умению их автора не только разрабатывать и внедрять принципиально новые технологии, но и с успехом защищать и продвигать плоды своего интеллекта, принесли ему славу и благосостояние. Представители знаменитого клана промышленников предпринимателей и учёных Сименсов организовали транснациональную компанию современного нам типа, которая обладала научно-исследовательскими) отделениями, проводила дальновидную кадровую и социальную политику, осуществляла техническое сопровождение своих разработок и продукции. Благодаря этому компания Siemens благополучно дожила до наших дней, существенно расширив сферу своей деятельности. Отец и сын Мартены представляют собой пример производственников-практиков, которые не только находились в курсе передовых разработок в отрасли, но и стремились эффективно применить их и усовершенствовать. Дав человечеству важнейшее изобретение, они практически не воспользовались его плодами, проиграв патентную войну. Причина этого заключается в том, что в их предложениях не было новизны, они сумели реализовать давнюю идею с помощью новейших разработок, что дало повод профессиональному сообществу отказать им в признании. Сидни Томaс является примером увлечённого изобретателя, творческий порыв которого сдерживается отсутствием средств на его реализацию. История изобретения литой стали наглядно показывает, что в тени победителей, тех, чьи имена на слуху, всегда скрываются полузабытые или даже практически неизвестные ученые, экспериментаторы и предприниматели, без помощи которых, возможно, даже и не было бы сделано само изобретение. Научные открытия и инновации являются результатом коллективного творчества, в котором кроме инноватора участвуют его конкуренты, единомышленники, контрагенты и многие другие члены общества.
К середине XIX в. малопроизводительные и высокозатратные процессы получения стали уже не удовлетворяли требованиям отраслей промышленности, которые получили мощный импульс к развитию благодаря внедрению паровой машины (в первую очередь это касалось железнодорожного строительства и военно-промышленного комплекса). Пудлинговые печи были гениальным изобретением в конце XVIII в., действительно открывшим широкие горизонты в то время, когда железо требовалось тоннами. Пудлинговое железо и изготавливаемая из него сталь были основными материалами, используемыми в машиностроении на протяжении почти всего XIX столетия, из него строили мосты и бурно разраставшуюся железнодорожную сеть. Но пудлинговая печь стала тормозом дальнейшего развития, когда железо стало потребляться сотнями и тысячами тонн. Несовершенство агрегата пытались компенсировать количеством – на крупных заводах работали десятки и сотни печей. Общая продолжительность пудлингового процесса составляла около двух часов. За это время перерабатывалось максимум 250 кг чугуна. Суточная производительность одной печи при непрерывной работе не превышала, таким образом, 2,5 т. Но не меньших затрат и времени требовал и дальнейший передел. После получения железной крицы следовало выжать из неё шлак и превратить в плотный металл. Генри Корт прокатывал крицы в валках или проковывал их под молотом. Отжим шлака под молотом и в 1850-х гг. считался наилучшим способом, но применялся далеко не везде. На заводах Южного Уэльса, в том числе в Даулейсе (Dowlais), крица отжималась в особых прессах, по форме напоминающих пасть крокодила (американцы прозвали их аллигаторами). Пресс делал около 90 движений в минуту и требовал машины мощностью в 10–12 л.с. Один пресс обслуживал 10–16 пудлинговых печей. Существовали и другие конструкции механизмов для отжима шлака из крицы (кричные жомы).
В древности железо получали не в жидком виде, а в размягченном пластическом состоянии в сыродутных горнах, где в качестве топлива использовали древесный уголь. С помощью простых устройств (например, мехов) в горн подавали воздух для горения угля. Воздух предварительно не подогревался, поэтому процесс получил название «сыродутного». Углерод древесного угля и получающаяся в результате неполного сгорания угля окись углерода СО взаимодействовали с окислами железной руды (Fe2O3, Fe3O4) и в результате восстановления этих окислов получалась железная губка – крица, которой затем придавалась нужная форма. Шлак, содержащий много окислов железа, отделяли от железа под молотом, выдавливая его из крицы губчатого железа.
По мере развития техники производства железа из руды, в частности увеличения высоты сыродутных горнов и усовершенствования воздуходувных устройств для сжигания топлива, постепенно повышалась как интенсивность плавки, так и температура процесса. Это приводило к науглероживанию железа и восстановлению небольших количеств кремния и марганца. Продуктом процесса оказалось не низкоуглеродистое губчатое железо, а высокоуглеродистое, т.е. чугун. Однако вследствие содержания углерода и небольших количеств кремния и марганца металл стал хрупким и непригодным для ковки. Поэтому чугун считался нежелательным продуктом и выбрасывался.
Позже было замечено, что при загрузке в горн чугуна вместо железной руды также получается низкоуглеродистая железная крица. Такой двухстадийный процесс (вначале получения чугуна в шахтной печи – домнице, а затем получение из чугуна низкоуглеродистого металла – стали, в кричных горнах) оказался более выгодным и назывался «кричным» процессом.