Домницы. Модернизация дутьевых механизмов. Ящичные меха. Энергия воды в металлургии

В металлургии вместо небольших горнов, в которых железо непосредственно восстанавливалось из руды так называемым сыродутным способом, примерно с XIV в. стали строить более крупные горны, достигавшие уже 2—3м высоты. Эти горны были оборудованы мехами, приводимыми в движение водяным колесом, в то время как раньше употреблялись небольшие, чаще всего ручные или ножные мехи. Благодаря крупным размерам этих горнов и большой силе вдуваемой в них струи воздуха температура горения в горнах значительно повысилась, и руда стала превращаться в жидкую, а не тестообразную массу, как при сыродутном процессе. Сначала не знали, что делать с такой расплавленной массой, при остывании превращающейся в чугун. В ней видели своего рода отход производства, увеличивающий только издержки и удорожающий продукт, но не годный для какого-либо полезного применения. В дальнейшем, однако, заметили, что путём последующей переплавки и удаления углерода из чугуна в особых горнах можно из него получить железо. С этого времени начали сознательно стремиться получить из руды чугун с целью дальнейшего получения из него железа и стали. Так горны превратились в доменные печи (рис.1.3) и выработался переделочный процесс, в своих основных чертах сохранившийся до настоящего времени. Это дало возможность получения сразу больших масс стали и железа, чего нельзя было достигнуть при сыродутном способе получения железа. Таким образом, доменная печь и переделочный процесс знаменовали собою ещё более важный технический переворот, чем тот, который произошёл в горном деле.

Рис.1.3 Доменные печи. Гравюра из книги Г. Агриколы 'О металлах' 1556 г.

Так, около середины XIV в. в Западной Европе появились первые прототипы доменных печей. В XV в. доменные печи были известны и применялись в Италии, Нидерландах.

Железо — очень твердый материал, прекрасно сохраняющий режущие качества; чугун — твердый и хрупкий металл, совершенно не поддающийся ковке. Количество углерода заметно влияет и на другие свойства металла. В частности, чем больше его в железе, тем легче оно плавится. Чистое железо—достаточно тугоплавкий металл, а чугун плавится при гораздо более низких температурах.

Человеческих сил для поддержания температуры оказалось уже недостаточно, и для приведения в действие мехов стали употреблять водяное колесо. Вал водяного колеса снабжали посаженными на него в разбивку кулачками, которые оттягивали крышки клинчатых кожаных мехов. Для каждой плавильной печи имелось два меха, работавших попере­менно. Появление гидравлических двигателей и мехов надо относить к концу XIV века, так как уже в XV веке многие плавильни в связи с этим передвинулись с гор и холмов вниз - в долины и на берега рек. В XIV—XV вв. эти установки — «железные мельницы» — ещё больше распространились и усовершенствовались. Вес отдельных молотов стал достигать 1 т и даже более. В XIV—XV вв. появились и станки для производства листового железа и проволоки, также приводимые в движение силой падающей воды. Как мы видим, крупную роль в развитии техники рассматриваемой эпохи играло широкое применение водяного колеса. Быстрое распространение этого примитивного водяного двигателя в XIII—XV вв. объясняется происшедшим в это время его усовершенствованием. Раньше преобладало водяное колесо нижнего боя, т.е. такое водяное колесо, которое своей нижней частью погружалось в поток воды. С указанного времени более широкое распространение получает водяное колесо верхнего боя, которое устанавливалось таким образом, что вода падала на его верхние лопасти. Такое водяное колесо получало большее количество энергии от падающей воды и могло совершать, значительно, большую работу. Кроме того, производство перестаёт быть связанным с большими реками, так как для работы верхнебойного колеса были достаточны отводные каналы.

Это усовершенствование явилось исходным моментом для крупнейшего сдвига в технике металлургии, так как привело к открытию чугуна, его литейных и переделочных свойств.

Действительно, усиление дутья сказалось на всем ходе процесса. Теперь в печи развилась такая высокая температура, что восстановление металла из руды происходило раньше, чем образовывался шлак. Железо начинало сплавляться с углеродом и превращаться в чугун, который, как отмечалось выше, имеет более низкую температуру плавления, так что в печи вместо обычной вязкой крицы стала появляться совершенно расплавленная масса (чугун). Застывший чугун был лишен всех природных свойств железа: он не ковался, не сваривался, из него нельзя было сделать прочных инструментов, гибкого и острого оружия. Поэтому чугун долгое время считали отбросом производства и плавильщики весьма враждебно относились к нему. Однако что же было с ним делать? При восстановлении железа из тугоплавких руд изрядная его часть уходила в чугун. Не выбрасывать же все это железо вместе со шлаком! Постепенно негодный чугун стали выбирать из остывшего шлака и пускать во вторую переплавку, сначала добавляя его к руде, а потом переплавлялся сам по себе. При этом неожиданно обнаружилось, что чугун быстро плавится в горне и после усиленного дутья легко превращается в кричное железо, которое по своему качеству не только не уступает, но даже по многим показателям лучше того железа, которое получали из руды. А так как чугун плавится при более низкой температуре, передел этот требовал меньше топлива и занимал меньше времени. Так в течение XV века было сделано величайшее в металлургии открытие — переделочный процесс. Широкое применение он нашел уже в XVI веке в связи с распространением доменных печей.

Вскоре в чугуне открыли и другие положительные свойства. Твердую крицу было нелегко достать из печи. На это обычно уходило несколько часов. Между тем печь остывала, на разогрев ее шло дополнительное топливо, тратилось лишнее время. Выпустить из печи расплавленный чугун было намного проще. Печь не успевала остыть, и ее можно было сразу загружать новой порцией руды и угля. Процесс мог происходить беспрерывно. Кроме того, чугун обладал прекрасными литейными качествами. К середине XIV века относят первые грубые отливки из него. С развитием артиллерии применение чугуна расширилось. Сначала его стали употреблять 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 следами шлака. Из него выходили грубые и незатейливые изделия: надгробия, молоты, печные котлы и прочая незамысловатая продукция.

Литье чугуна требовало некоторых изменений в устройстве печи; появились так называемые блауофены (поддувные печи), представлявшие собой следующий шаг к доменной печи. Они отличались большей высотой (56 м), чем штукофены, и допускали непрерывность плавки при весьма высокой температуре. Правда, мысль о том, что процесс выделки железа можно разделить на две стадии (то есть в одной печи непрерывно выплавлять чугун, а в другой — переделывать этот чугун в железо), пришла не сразу. В блауофенах получали одновременно и железо, и чугун. Когда плавка заканчивалась, шлак выпускали через отверстие, расположенное ниже фурмы. После охлаждения его измельчали и отделяли корольки чугуна. Крицу вытаскивали большими клещами и ломом, а затем обрабатывали молотом. Наиболее 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.

Рис.1.4 Доменная печь XV-XVI вв.

Конструкции их отличались от блауофенов тремя особенностями: 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.

Перерабатывали чугун в железо в кричном горне, сходном по устройству с сыродутной печью. Операция начинась с загрузки древесного угля и подачи дутья. После того как древесный уголь разгорался вблизи сопла, клали чугунные чашки. Под действием высокой температуры чугун плавился, капля за каплей стекал вниз, проходил через область против фурм и терял здесь часть углерода. В результате металл застывал 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.

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.

Доменное производство совершенствовалось по мере интенсификации металлургического процесса.

Характерной особенностью развития металлургии был переход от кричного процесса передела чугуна в железо к пудлингованию.