Металлургия и время - Том 2

Глава 10

Все примеси окислялись за один проход металла через горн, и дополнительных ухищрений не требовалось. При этом особое внимание уделялось рафинированию крицы с помощью повышенного количества шлаков (отсюда и название «на соковом дне» – т.е. с высоким уровнем шлакового расплава в горне). Железо, приготовляемое переделом на «соковом дне», шло на производство прово-

Открытый кричный горн

Большекричный или староне-

мецкий горн

локи и гвоздей. Наиболее совершенным способом в этой группе специалистами признавался австрийский. Технология предусматривала использование отходящих газов для подогрева чугуна, отопления паровых котлов, нагрева воздуха для дутья и т. п.

3.Передел с «наваливанием», или валлонский способ, характеризуется тем, что процесс осуществлялся в двух горнах – в первом переплавляли чугун на крицу с удалением части примесей, а во втором происходило оконча-

тельное рафинирование металла. Способами этой группы производилось высококачественное железо: шведское, валлонское, ланкаширское, валлийское.

4.Передел с подъемом. В ходе этого процесса накапливавшийся в горне частично рафинированный полупродукт

спомощью лома вновь поднимали на верх горна и снова

Вариант контуазского горна

для тяжеловесных изделий

плавили в токе воздуха. В зависимости от чистоты чугуна эти подъемы и плавления повторялись несколько (иногда до пяти) раз. Из всех способов, составляющих эту группу, наиболее известен контуазский, или французский. Он позволял получать из серого чугуна хорошее железо, которое использовалось для получения кровельной жести.

5. Передел с напуском. Этот способ в целом аналогичен предыдущему, с той разницей, что после завершения процесса от крицы отделяли верхнюю часть (напуск) и в дальнейшем обрабатывали отдельно, так как этот металл по качеству считался лучше остального железа, которое обрабатывалось так же, как при работе с подъемом.

По конструкции кричные горны подразделялись на открытые и закрытые. Закрытые горны часто оборудовались подогревателем, так называемым чугунником, который использовался для предварительного подогрева чугуна горячими газами, выходящими из горна. Это позволяло экономить горючий материал, способствовало ускорению процесса и уменьшению угара железа. Для переработки цельных тяжеловесных изделий, например артиллерийских орудий, применялись кричные горны специальных конструкций. В этом случае изделия помещались в горн частично и постепенно перемещались по мере расплавления.

Для подачи в горн необходимого количества воздуха сначала употреблялись обыкновенные мехи, наподобие кузнечных, приводимые в движение водяным колесом. Затем стали применяться водотрубные воздуходувные приборы - тромпы. В более позднее время для этой цели использовали воздуходувные цилиндрические машины, приводимые в движение паром или водяным колесом. Из всех этих приборов только тромпы обеспечивали непрерывную струю воздуха, остальные же генерировали пульсирующее дутье. Для устранения этого недостатка применялись регуляторы или резервуары, в которых воздух сначала аккумулировался, а уже потом равномерной струей поступал в горн.

В помещении кричной фабрики (цеха) находилось и оборудование для расковки криц в заготовки различного назначения. Сначала крицу обжимали слабыми и редкими ударами лобового молота, чтобы дать возможность выдавиться всем шлакам. Потом более частыми ударами ее уплотняли, поворачивая на наковальне так, чтобы она приняла вид продолговатого бруска. Обжатую крицу подогревали и обжимали вторично (пробивали), придавая квадратное сечение. Обжатая крица называлась кричным куском или кричной болванкой. Кричную болванку затем снова подогревали и проковывали или прокатывали в по-

лосы, называемые красными болванками, из которых в дальнейшем производили кровельное железо, котельные листы и другие изделия.

Стадии проковки заготовки из кричного железа

(гравюры из Энциклопедии искусств и ремесел Дидро)

Глава 10

Проблема «Во Весь рост»

Существенной проблемой при кричном переделе являлась ограниченность лесных ресурсов. Уже в начале XVII в. перед металлургическими предприятиями Европы (кроме Швеции, где кричный передел применялся даже в начале XX века) вопрос о замене древесного угля в

кричных горнах стоял «во весь рост». Для островной Великобритании с ее развитой промышленностью вопрос перевода процесса фришевания чугуна на минеральное топливо стоял гораздо острее, чем перед любой другой страной.

Известны многочисленные попытки изолировать чугун от каменного угля, расплавляя его в закрытых тиглях вместе со шлаками, богатыми оксидами железа. Технологии получались энергозатратными, а железо низкого качества. Наиболее удачливыми в изыскании нового процесса оказались двое английских рабочих из Коалбрукдейла – братья Томас и Джордж Кранедж. Они предложили управляющему завода Ричарду Рейнольдсу способ передела чугуна на железо в отражательной печи (она называлась так потому, что пламя отражалось от свода и соприкасалось с перерабатываемым металлом, прежде чем уйти в дымовую трубу). Успех превзошел все ожидания.

Рейнольдс в письме от 25 апреля 1766 г. Томасу Гольднею в Бристоль писал: «...Случилось нечто, по моему мнению, весьма важное в будущем. Несколько времени тому назад некто Томас Кранедж, бывший рабочий в Бриджпортской Кузне, и брат его Джордж говорили со мной по поводу выделки полосового железа древесным углем, заявили о воз-

можности выделывать его каменным углем. Я возразил им, что нахожу это почти невозможным, так как даже древесный уголь представляет значительные неудобства, вследствие того, что заключает в себе щелочные соли, соединяющиеся с серой в железе и сообщающие ему красноватый оттенок и хрупкость, а между тем каменный уголь, содержа щий соли, серу и многие другие вредные вещества, представляется несравненно более неудобным, чем древесный уголь. Они на это ответили мне, что им пришлось наблюдать

идумать по этому поводу, и они пришли к убеждению, что железо в чушках превращается в полосовое железо силою

высокого жара и что они с удовольствием докажут мне, что можно это сделать каменным углем. Я на это согласился, но, откровенно говоря, весьма сомневался в успехе их опытов. Прошло несколько недель, и я почти забыл об этом разговоре. Но вот вдруг из Бриджпорта является Томас Кранедж, затем одновременно с ним приходит брат его Джордж, и устраивают маленький горн, подходящий для их цели. После нескольких опытов построили печь такую, чтобы железо не касалось топлива, нагреваясь только сильным жаром пламени, и вскоре успех был такой блестящий, что превзошел всякое ожидание, и надо заметить, что для вы-

делки полосового железа они брали очень твердое железо, а оно их способом делалось мягким и гибким. Я лично нахожу их изобретение необычайно важным и намерен немедленно

иусердно ходатайствовать о получении патента... Открытие это заключается в том, что особым образом сооружается отражательная печь, в которой положенные в нее чушки чу-

гуна посредством каменноугольного отопления превращаются в отличное и легко ковкое железо; вынутое из печей раскаленным, под ударами молота из него выделываются различных размеров и вида полосы, согласно желанию и требованию работающих».

С помощью Рейнольдса братья Кранедж получили патент 17 июня 1766 г. под названием «Способ сообщать чугуну в свинках (слитках) ковкость в отражательных или воздушных печах, с употреблением только сырого каменного угля». В тексте патента отмечается, что «чугун в свинках помещается в отражательной или воздушной печи соответствующего устройства, без прибавления чего бы то ни было, кроме сырого каменного угля, и превращается в хорошее ковкое железо…».

Процесс получения железа из чугуна в отражательных печах был назван пудлингованием (англ.

puddle – лужа). Однако способ пудлингования, предложенный братьями Кранедж, так не вышел за пределы коалбрукдейлских заводов.

Искусный

комбинатор Генри Корт

Широкое применение пудлингованию удалось обеспечить английскому заводчику и предпринимателю Генри Корту (Henry Cort, 17401800 гг.). Его изобретательность заключается в широком использовании и искусном комбинировании результатов пред-

шествующей техники и новом применении уже известных элементов.

Важнейшим элементом технологии была пламенная отражательная печь, которая применялась еще коло-

кольными мастерами средневековья. В отражательных печах, которые также назы-вали «сводчатыми» или «купольными», впервые был осуществлен принцип отделения горючего от перерабатываемого металла. Другая составляющая – стан для прокатки железа – также име-

лась в наличии. Даже предпринимались попытки совместить эти металлургические агрегаты. Помимо братьев Кранедж, патенты на применение пламенной печи для передела чугуна получили Питер Оньонс (Уэльс) и Дж. Кокшет (США), однако востребованной оказалась разработка Корта.

Глава 10

Генри Корт гией в 1775 г. после того как оставил службу в королев-

ском флоте. Корт купил поместье в Фонтлее, устроил в нем кузницу, а затем – железоделательный завод. В 1783 г. он взял патент на вальцы для обжима криц с целью отжатия шлака. Вальцы позволяли значительно повысить производительность труда: они пропускали за 12 часов 15 т железа, а молотом можно было обработать вручную за это же время только одну тонну.

13 февраля 1784 г. Корт получил новый патент, где говорилось о пудлинговании чугуна и обработке сварочного железа. Полученную крицу нагревали в отражательной печи, разрубали и проковывали, затем куски железа складывали в пакеты, нагревали до сварочного жара и прокатывали в полосы в вальцах с несколькими

ручьями (фигурными вырезами).

С середины девятнадцатого века и по сегодня ведутся споры о том, кому принадлежит приоритет открытия пудлингового процесса. Английский историк техники Э.И. Симоне в статье о Г. Корте пишет: «О точном характере вклада Генри Корта в развитие металлургии не существует единодушного мнения. Некоторые рассматривают его как исследователя, открытия которого имеют огромное значение. Другие считают его просто плагиатором, который успешно использовал идеи других изобретателей.

... Рассматривая работы Корта, мы должны помнить, что он, безусловно, не является первооткрывателем. Например, в 1728 г. Пейн и Хенборн сконструировали стан для прокатки листового металла. В 1766 г. братья Кранедж установили отражательную или воздушную печь, в которой из чугуна с помощью угля в качестве топлива получали отличное ковкое железо».

Не присваивая Корту чести первооткрывателя, необходимо отметить его заслуги в области практического распространения пудлингового процесса. Правда, плохое знание технологии не дало Корту возможности разработать по-настоящему надежную и эффективную

технологию. Для футеровки он использовал кислые огнеупоры. Железистые шлаки быстро разъедали под печи, сделанный из песка. При этом кремнезем (SiO2) взаимодействовал с монооксидом железа (FeO) шлака. Из-за этого FeO не участвовал в реакции обезуглероживания чугуна, и процесс шел только за счет кислорода атмосферы печи. Это замедляло процесс и вело к большим потерям железа – выход годного составлял менее 70 % от массы загруженного чугуна.

Однако первые же образцы пудлингового железа, редставленные Кортом на испытание экспертам лота, были признаны более качественными, чем пролавленное железо Орегрунда (Швеция). За последнее есятилетие XVIII в. в Англии было произведено около

тыс. т пудлингового железа. Применение каменого угля на металлургических заводах Англии значительно повысило их производительность и уже к 1804 г. почти в 10 раз сократило экспорт железа из России (составлявший в конце XVIII в. более трех миллионов пудов).

соВершенстВоВание технологии

Процесс непрерывно совершенствовался. В 1816 г. Вальдвин Роджерс предложил вместо кирпичного пода, который выдерживал около недели, делать металлический, из чугунных плит. Джозеф Холл (Joseph Hall) в 1818 г. предложил наваривать под печи смесью пудлингового шлака с железной рудой или окалиной. Благодаря основному, бога-

пуДлинГовый цех

ческих преимуществ, а только благодаря исключительной дешевизне каменного угля. «Здесь мелкий каменный уголь, – доносил майор Корпуса горных инженеров Гурьев в 1839 году, – не имеет никакой ценности, потому почли

Движение горячих газов в пудлинговой печи наивыгоднейшим пе-

ревозить каменный уголь в город и металлургические заведения от рудников старыми паровозами и заменить тем лошадей».

Самая «мускульная» технология эпохи механизации

Пудлинговая печь состояла из топочного пространства, где на колосниковой решетке размещался горючий материал, отделенного от ванны металла порогом, рабочего пространства и трубы, по которой удалялись отходящие газы. Движение газов происходило, как правило, по действием естественной тяги, однако применялись и конструкции печи с принудительным движением газов под действием вентилятора. Над ванной металла располагалось рабочее окно, через которое пудлинговщик осуществлял основные операции – загрузку и выгрузку материалов, а также перемешивание металла. На период плавки оно закрывалось металлической заслонкой для снижения жара.

В места, подверженные воздействию наиболее высоких температур, вставлялись чугунные элементы, охлаждаемые воздухом или водой. Очень часто при пудлинговой печи за задним порогом устраивали помещение для предварительного прогрева чугуна,

за счет чего сокращалось время его плавления, снижался расход горючего и увеличивалась производительность. Кроме того, большинство пудлинговых печей имело паровой котел-утилизатор, отапливаемый отходящими горячими газами; этот пар использовался для приведения в действие обжимочного молота и прокатных вальцов. Устройство печи зависело от вида используемого топлива и его качества. Наиболее рас-

пространены были печи с подом длиной около 1,8 м, шириной около 1,2 м и высотою свода около 1,2 м. Садка их составлял 200 - 250 кг чугуна, однако существовали и не-

большие печи на 150 кг чугуна.

Процесс пудлингования делился на несколько периодов: 1) плавка, 2) промешивание крюком; 3) переборка ломом, 4) изготовление и обработка крицы.

За 2-3 ч. до начала плавки чушки чугуна (файнметалла) закладывали в подогревательное пространство (при его наличии), где они нагревались почти до температуры белого каления. После этого их переносили на подину, в рабочее пространство. Примерно через полчаса чугун начинал плавиться, и пудлинговщик щупал кочергой, не осталось ли где нерасплавленных кусков. Если таковые имели место, он перемещал их под струю пламени, так чтобы в конечном итоге весь металл перешел в тестообразное состояние.

После этого было необходимо снизить температуру,

чтобы металл не принял более жидкую консистенцию. Для этого горящее топливо «сбрасывали» с колосников, а металл охлаждали. На этом этапе были возможны несколько вариантов ведения процесса:

1)холодное пудлингование, при котором в расплавленный чугун при уменьшении температуры добавляли шлак и перемешивали;

2)шлаковое пудлингование, при котором большое количеством шлака помещалось в рабочее пространство одновременно с садкой чугуна;

3)горячее пудлингование – при нем чугун расплавляли до жидкого состояния и долго подвергали окисляющему действию тяги;

4)водяное пудлингование, при котором понижение температуры достигалось не вбрасыванием шлака, а взбрызгиванием воды.

Далее пудлинговщик должен был обеспечить эффективное взаимодействие металла и шлака путем их перемешивания. При этом из металла выделялось

Внешний вид

пудлинговой печи

Пудлинговщики

(американцы прозвали их потом «аллигаторами»). Пресс делал около 90 движений в минуту и требовал машины мощностью в 10–12 л.с. Один пресс обслуживал 10–16 пудлинговых печей. Обжатые крицы обрабатывались в прокатных валках. Они прокатывались в пудлинговую болванку сечением 4×1 дюйм – так называемый «пудль-барс».

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.

Известный английский металлург Джон Перси писал о пудлинговании: «Нет производства, где бы мускульная сила человека была подвержена таким тяжелым усилиям

ипритом в столь изнуряющей обстановке. Удивительно ли, что пудлинговые мастера резко выражают нежелание

приучать своих детей к этой работе, которая, вообще говоря, делает человека неспособным к ней около сорока пяти или пятидесяти лет жизни».

Пудлинговые печи были гениальным изобретением конца 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 производственного агрегата уравновешивалось его количеством,

идоменные цеха середины XIX века, включавшие до 10 домен, окружали длинные ряды из сотен пудлинговых печей.

Глава 10