Сыродутное литье или история сталелитейного процесса
Начиная с первых упоминаний о поселениях древних людей можно встретить свидетельства их деятельности- различные орудия труда и предметы быта. Очень часто среди таких предметов находят изделия из металлов. Не располагая документальными памятниками, сейчас можно только предполагать что первое железо попало в руки человека случайно на месте догоревшего костра или лесного пожара на рудоносных площадках. Повторение подобных случаев могло натолкнуть человека на мысль о возможности получения железа в кострах. Вполне вероятно, что люди в разное время в различных местах независимо друг от друга пришли к разработке способа получения Устройство земляного ограждения вокруг костра с отверстием с наветренной стороны для поступления воздуха явилось прообразом более совершенного способа получения железа в сыродутном.
Сыродутным процессом называют старинный способ получения железа непосредственно из руды в небольших горнах, которые вначале делали прямо в земле. Сыродутным этот способ назывался из-за того, что в горн подавали ("дули") холодный ("сырой") атмосферный воздух. Печи представляли собой ямы, вырытые на склонах холмов, чтобы можно было иметь естественную тягу. Производство стали всегда было непосредственно связано с подводом достаточного количества воздуха. Позднее, естественная тяга была заменена искусственной- воздух нагнетался в печь с помощью. Сначала разжигали уголь, насыпанный на дно горна или печи, затем сверху загружали попеременно слои руды и того же угля. В результате горения угля выделялся газ — окись углерода, которая, проходя через толщу руды, восстанавливала окислы железа. Сыродутный процесс не обеспечивал достижения t плавления железа (1537 градусов по Цельсию), а максимально доходил до 1200 градусов (это была своего рода «варка» железа). Восстановленное железо концентрировалось в тестообразном виде на самом дне печи, образуя так называемую горновую крицу — железную губчатую массу с включениями несгоревшего древесного угля и с многочисленными примесями шлака (при этом в более совершенных вариантах сыродутных печей жидкий шлак выпускали из горна по желобу). Из крицы, которую в раскаленном виде извлекали из печи, можно было изготавливать изделия только после предварительного деления этой шлаковой примеси и устранения губчатости. Поэтому непосредственным продолжением сыродутного процесса были холодная и, главное, горячая ковка, состоявшая в периодическом прокаливании кричной массы и ее проковывании. В результате создавались крицы-заготовки. Исследователи полагают, что открытие сыродутного процесса произошло в результате того, что при выплавке меди или свинца из руд в плавильную печь, помимо медной руды и древесного угля загружались (в качестве флюсов) железосодержащие породы, в первую очередь гематит. В связи с этим уже при медеплавильном процессе могли получаться первые крицы, и не исключено, что медеплавильные печи могли иногда приобретать и вторую функцию — сыродутную. Наиболее ранние случаи использования сыродутного процесса связаны с территорией Передней Азии, в особенности Малой Азии. При этом производство изделий из метеоритного железа продолжалось.
Открытие сыродутного процесса — важнейший шаг в освоении железа, ибо его руда, в отличие от медной и оловянной, встречается повсюду, но получить железо из руд значительно сложнее, чем медь. Сыродутный процесс постоянно совершенствовался: увеличивались объемы печей, интенсифицировалось дутье и т.д. Но железные вещи еще долго уступали бронзовым в твердости, поскольку кричное железо почти не содержало углерода, и поэтому предметы из него были слишком мягкими. Даже после очистки от шлака кричное железо лишь немногим тверже чистой меди, а чтобы сделать его тверже бронзы, требовалась многочасовая ковка, и поэтому оно использовалось в основном для украшений и отдельных орудий труда, пока не был достигнут прогресс в обработке кричного железа. Прогресс же этот состоял в появлении технологии цементации — т.е. намеренного науглероживания кричного железа, а также навыков закалки и термического отпуска. Открытие этих технологий можно считать 3-ей стадией процесса освоения железа, после которой непосредственно начинается ЖВ. Первоначально была освоена цементация, которая на первых порах достигалась прокаливанием железного изделия или заготовки в костном угле; затем стали использовать другие органические вещества, содержащие углерод. Так появились первые, весьма примитивные стали. При этом глубина науглероживания была прямо пропорциональна высоте температуры и длительности нагревания железа. Науглероженное железо было тверже бронзы, что затем усиливалось холодной ковкой. Вслед за этим был открыт эффект закаливания, состоящий в охлаждении раскаленной вещи из науглероженного железа в воде, в снегу или в какой-либо другой жидкости, в результате чего резко возрастает твердость вещи. Даже если не использовать жидкость, а просто оставить такую вещь на открытом воздухе, может образоваться низкоуглеродистая сталь перлитной структуры, причем чем холоднее воздух, тем она тверже. Скорее всего, как и науглероживание, процесс закалки был открыт случайно, и его физическая сущность, естественно, оставалась загадкой для кузнецов, и поэтому мы часто сталкиваемся в письменных источниках с весьма фантастическими объяснениями причин усиления твердости железных изделий при закаливании. Например, летопись IX в. до н.э. из храма Балгала в Малой Азии предписывает следующий способ закалки: «Надо нагревать кинжал, пока он не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба… Сила раба, переходя в кинжал… придает металлу твердость». К столь же древнему времени относится знаменитый фрагмент из «Одиссеи», созданной, вероятно, в VIII в. до н.э.: здесь выжигание глаза циклопу раскаленным оливковым колом сравнивается с погружением нагретого стального топора или тесла в холодную воду, причем Гомер не случайно обозначает последнее действие как «лечение топора» — очевидно механизм этого явления был для греков того времени столь же загадочен, и, возможно, магичен, как и врачебные действия. Освоение операции термического отпуска позволило снизить хрупкость изделия недостаток, присущий закаленной стали. Отпуск состоял в нагревании изделия до I не выше 727 град. т.е. уровня трансформации структуры. В целом освещение операций цементации, закалки и отпуска — это длительный и очень сложный процесс (местами он шел до тысячи лет). Большинство исследователей полагают, что районом, где раньше всего произошло открытие этих операций (как и самого сыродутного процесса) и где их совершенствование шло быстрее всего, была Малая Азия, и прежде всего район проживания хеттов и связанных с ними племен — в первую очередь горы Антитавра, где уже в середине II тыс. до н.э. начали делать качественные стальные изделия. Именно совершенствование технологии обработки кричного железа решило проблему конкуренции между железом и бронзой В средние века горн уже обрел вид шахтной печи, достигавшей в высоту нескольких метров. Теперь печи «дышали» с помощью энергии воды- воздуходувные мехи приводились в движение сначала специальными водяными трубами, а позже огромными водяными колесами. Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь, — с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица. Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе. Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи, — в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать. Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века — пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались — так себе. Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта, — чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому, рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа, — блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз. Более высокая температура плавления 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. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным, — из него выходили только предметы простые и грубые, — кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра. 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 казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь и железо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения. В своё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Китайцы, а позже и европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень. Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным, — печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась, — но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков. Вот таким был долгий путь и не легкий путь кричного железа.
Категория: Документы | Добавил: roskuz (07.02.2008)
| Автор: Михаил
