Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 17 )

В металлургии меди обсуждаемый принцип продувки рудо-топливной смеси был реализован примерно 6 тысяч лет назад, еще пещерными людьми в конце каменного века истории человечества [4]. Предполагают, что эта металлургия, возможно, начиналась с обычного обжига кусков руды на костре [1, 2]. Костер можно организовать так, что где-то под слоем углей в нем будет горячая восстановительная зона, где возможно восстановление медной руды. В горне деревенской кузницы под слоем угля также удается организовать подобную восстановительную зону.

Есть сведения, что медную руду в смеси с древесным углем восстанавливали также в закрытых керамических сосудах, которые нагревали на костре. Сейчас примерно по этому принципу восстанавливают окалину для получения порошка железа по способу «Хоганес». В этом случае рудотопливная смесь продувается лишь теми газами, которые она сама выделяет.

Отметим, что эпоху зарождения металлургии (примерно 6 тысяч лет назад) Библия считает временем сотворения мира. Действительно, лишь с переходом от каменного века к бронзовому возникают города, государства, появляются дома, дворцы, храмы, пирамиды, возникают начатки письменности. Появление металлов привело к неолитической революции и было одним из важнейших событий истории человечества [4].

Авторы Библии не могли что-либо знать о периоде до появления металла, так как тогда не было письменности и письменной исторической памяти. Предыдущую эпоху Библия характеризует как первобытный хаос. Археологи находят от этой эпохи (то есть от каменного века, от жизни бродячих охотников и собирателей) лишь стоянки с жилищами преимущественно в виде пещер, землянок, шалашей и др. Для нашей темы важен тот факт, что обсуждаемый принцип продувки смеси в металлургии существует в этом смысле от сотворения мира, и найден еще пещерными людьми.

9.2. Переход от горна к доменной печи

Типичный металлургический агрегат (сыродутный горн-яма) на заре черной металлургии, видимо, часто представлял собою просто яму в земле, на дно которой через керамическую трубку подавалось дутье ручными мехами. Яму заполняли смесью руды и топлива и присыпали сверху землей, что защищало шихту от окисления внешним воздухом. После периода продувки яму вскрывали и извлекали крицу – спекшиеся куски металлизованного железа.

В последующем горн становился выше, а затем был поставлен на пень-фундамент. Сыродутный горн-яма превратился в горн-печь, затем в домницу, в которую можно было периодически (или даже почти непрерывно) загружать сверху смесь кусков руды с топливом, а снизу через специальное окно извлекать куски железа (крицы), полученные восстановлением и спеканием кусков руды. Скорость таких процессов восстановления увеличивается в присутствии водородсодержащих продуктов пиролиза древесины. Можно предполагать, что максимальная температура в таких горнах составляла около 850 0С, как и в современных агрегатах «Мидрекс» при металлизации руды (окатышей) в твердом состоянии. Горение топлива в холодном воздухе не может дать намного более высокую температуру.

Образующуюся массу сваривающихся кусков металла сейчас называют сварочным железом, губчатым железом, крицей. Эту массу извлекали из горна и затем часто интенсивно ковали в полосу вручную для окончательной сварки, а также для отжатия шлаковых включений. Ковку нередко тут же продолжали до получения готового изделия, то есть не разделялась работа металлурга и кузнеца. При этом заготовку или полосу при необходимости возвращали в горн для подогрева или для дополнительной выдержки в горячем состоянии, для науглероживания – цементации. Так получали довольно качественные изделия, инструменты, оружие и др., которые сейчас мы можем видеть в музеях. В некоторых отношениях, например, дамасские стали или булаты остаются непревзойденными.

Весь путь от руды до изделия проходился за один цикл нагрева примерно до 800 0С; за один-два нагрева можно получать изделия и сейчас по схеме металлизация-спекание. В этом плане древняя металлургия намного экономичнее современной, в которой материалы проходят 4-8 циклов нагрева–охлаждения, в том числе два энергоемких расплавления (в доменной печи и в сталеплавильном агрегате) при температурах до 1700 0С.

Вплоть до 18-го века широко распространена была ремесленная металлургия, которая имела много местных особенностей, меняющихся со временем. В принципе в этих многочисленных поисках могли, вероятно, заметить, что процесс получается более эффективным, если топливо выложить в нижней части горна, а руду – в верхней. В этом случае сейчас мы имели бы, очевидно, высокоразвитую металлургию последовательной продувки.

9.3. Средневековье. Доменный процесс

Если в древности дутье подавали ручными воздуходувными мехами, за счет мускульной силы человека, то в средние века дутье в горн-печь подают уже и за счет работы водяного колеса. В России ряд заводов на Урале и в Карелии построены около плотин на реках в петровскую эпоху. Сохранились полосы сварочного железа, выкованные лично Петром 1. Применялось также дутье за счет работы ветряного колеса или с помощью ворота, который вращала шестерка лошадей, ходящих по кругу.

Появляется подогрев дутья. Это позволяет увеличить размер печей, интенсивность дутья и температуру, ускорить процесс. При холодном дутье температура горения топлива (по первой стадии до СО) была не выше 900 0С. Каждые 100 0С нагрева дутья увеличивают примерно на 100 0С и температуру горения топлива в печи. В 14-м веке такая интенсификация процесса привела к тому, что шихта в печи была доведена до расплавления. Очевидно, была достигнута температура около точки эвтектики системы железо – углерод, то есть около 1140 0С, при температуре дутья порядка 300 0С. Вместо твердых металлизованных кусков, вместо крицы, в печи появился уже жидкий чугун [1, 2, 5]. Сначала появление чугуна воспринималось как авария, как следствие случайного аварийного перегрева горна, а сам нековкий и хрупкий чугун рассматривали как безнадежно испорченный металл, как брак производства. Это отразилось в названии чугуна по английски как «свинское железо». Такой же смысловой оттенок имеет русский термин «чугунная чушка». Потребовалось несколько столетий для того, чтобы найти эффективные применения чугуну в литье, а также отладить способы выжигания из него излишнего углерода, передел его в сталь. Только к концу 18-го века процесс чугун – сталь – изделие стал преобладающим.

Так как в печь давали избыток топлива (древесного угля), то появившийся жидкий металл, естественно, был предельно насыщен углеродом – получался чугун. Позднее перешли к футеровке днища угольными блоками, а профиль печи адаптировали к плавке на чугун, другие варианты тем самым были исключены.

Возникает интересный вопрос – могла ли плавка в шахтной печи при ином стечении обстоятельств стать плавкой на сталь или на железо? В начале металлургии расплавов печи полностью выкладывали из кирпича, без угольных блоков.

Если в доменной печи со сталеплавильной футеровкой зону горения сдвинуть вниз, то газовые потоки факелов будут интенсивнее омывать ванну с жидкими расплавами и отчасти они смогут выполнять функции конвертерного дутья. Видимо, мы получим менее науглероженный металл; сгорит углерод, который сейчас образует накапливающийся в печи избыток ниже уровня фурм; сгорит также часть того углерода, который сейчас остается растворенным в металле, и за счет этого поднимется температура в печи. Далее температуру можно понизить, уменьшая долю топлива в шихте.

Процесс в горне доменной печи можно организовать так, что он будет совмещать получение металла и его конвертирование, окисление в той или иной степени. Видимо, в такой доменной печи в принципе возможно получение стали, железа, смеси жидкого железа с окислами, а в пределе даже рудного расплава. Располагая факелы совсем низко можно окислить, сжечь получающийся металл обратно до рудного расплава.

Конечно, если подобные изменения выполнять реально, то могут возникнуть многочисленные новые технические сложности, например, вспенивание расплавов при некоторых режимах процесса. Чтобы избежать чрезмерных зависаний шихты при уменьшенной доле топлива при большем спекании может потребоваться профиль печи с меньшим сужением книзу. Состав чугуна четко определен условием предельного насыщения железа углеродом, а состав получаемой стали может оказаться весьма неустойчивым, с большим колебанием содержания углерода и др. Для нашей темы важно то, что в шахтной печи при обычной продувке рудо–топливной смеси возможно в принципе получение не только чугуна, но и стали.

Обстоятельства сложились так, что в шахтной печи установилась более простая плавка на чугун, которая дает четко определенный состав металла, требует сравнительно невысокой температуры и дает неагрессивные шлаки. Для исправления недочетов такой плавки ввели затем сталеварение, целый новый передел, более дорогой, чем само получение металла. Сейчас распространено убеждение, что в шахтной печи можно получать только чугун. Можно и нужно вернуться к этому вопросу на современном уровне и получить сталь уже в шахтной печи, например, по схеме рис. 3.1 «угольный Мидрекс».

Позднее было осознано преимущество металлургии расплавов в том, что в расплаве легко происходит сравнительно полное разделение шлаковой и металлической фаз. Раньше отжимание шлаковых включений ковкой твердой крицы было трудоемким процессом и часто не обеспечивало нужной чистоты металла. В расплавах такие включения быстро всплывают, и очистка металла не вызывает затруднений. Сейчас лишь для некоторых марок стали и некоторых составов шлака все еще велик брак по неметаллическим включениям. В частности, много усилий потребовалось для снижения такого брака для подшипниковых сталей типа ШХ-15, на поверхности подшипников недопустимы неметаллические включения даже и малых размеров.

Состояние металлургии около 1800 г. хорошо известно благодаря трудам французских энциклопедистов, в частности, А. Лавуазье и его соратников – К. Бертолле, А. Реомюра и других, благодаря их книге «Различные состояния железа» (1788). К этому времени металлургия расплавов и твердотельная металлургия были примерно соизмеримы по объемам производства. В качестве топлива преобладал древесный уголь. Были распространены цементационные печи, которые позволяли довести содержание углерода в полученном кричном железе до уровня стали.