Возникновение и развитие металлургии чугуна

Считают, что первое железо, попавшее в руки человека, было неземного происхождения, что человек впервые познакомился с метеоритным железом. Из такого железа были изготовлены украшения, обнаруженные в гробницах египетских фараонов начала четвертого тысячелетия до нашей эры. Украшения и оружие из “небесного” металла (железо, содержащее значительные примеси никеля и кобальта) были чрезвычайно редкими и драгоценными. Согласно археологическим данным, а также сведениям из древних письменных источников, человек начал получать железо для изготовления орудий труда, предметов быта и оружия за 1,5-2 тыс. лет до н.э. Железо получали на кострах, в глиняных горшках или тиглях и в ямах без искусственной подачи дутья. Ранее других регионов железо появилось на Ближнем Востоке, в первую очередь в Финикии и Ассирии.

Начало же производства и систематического применения человеком железа в истории материальной культуры связывают с открытием сыродутного процесса, при котором железо восстанавливалось из оксидов руды при сравнительно низкой температуре (900-1000 ^оС) в рабочем пространстве сыродутного горна (рис.1.2).

Рис.1.2. Схема сыродутного горна

В качестве топлива и восстановителя в сыродутном процессе использовался древесный уголь, который вступал с кислородом воздуха в реакцию.

.

Образовавшийся СО взаимодействовал с оксидами железа при температуре ниже 570 ^оС по реакциям

а при температуре выше 570 ^оС по реакциям

Монооксид железа при температуре выше 900 ^оС может вступать в реакцию с твердым углеродом

и SiO₂ пустой породы с образованием легкоплавкого соединения FeSiO₃.

Температура плавления сыродутного металла, почти не содержащего примесей, составляла примерно 1400-1500 ^оС (в зависимости от концентрации углерода), т.е. была более высокой, чем максимальная температура в сыродутном горне. Поэтому железо получалось в виде твердой губки - крицы и не могло вытекать из горна. Нагретые до тестообразного состояния пластичные частицы железа, слипаясь и свариваясь вместе на лещади горна, образовывали крицу - пористую массу губчатого железа, пропитанную железистым шлаком. Шлак, содержащий много оксидов железа, отделяли от металла при последующей ковке молотами, выдавливая его из пор губчатого железа (крицы).

Сыродутный горн (рис. 2) выкапывали обычно на склоне холма, а позднее выкладывали из камня. В такой горн загружали послойно железную руду и древесный уголь или их смесь. Через отверстие в нижней части горна (шлаковую летку) поступал воздух за счет естественной тяги. Высота рабочего пространства горна первоначально составляла 1,0-1,5 м.

При горении угля в нижней части горна развивалась температура до 1200-1250 ^oС и образовывался монооксид углерода, который, проходя через слой шихты, восстанавливал оксиды железа. невосстановленные оксиды железа переходили в силикатный железистый шлак. В сыродутном горне из каждой тонны железа в металлическую крицу переходило не более 600-700 кг, а вся остальная масса железа (300-400 кг) не восстанавливалась и безвозвратно терялась с вытекающим из горна шлаком.

Чтобы извлечь накопившийся металл из сыродутной печи, необходимо было остановить процесс, выломать переднюю стенку горна, вытащить клещами и ломами многопудовую крицу и вновь восстановить кладку горна. Получение крицы было связано с прерыванием процесса. Кроме того, из-за низкой температуры горения и степени использования тепловой и химической энергии газов потери железа со шлаком 30-40 %.

Дальнейшее усовершенствование технологии производства крицы шло по пути увеличения высоты рабочего пространства, что позволило лучше использовать тепло, но потребовало принудительной подачи воздуха для горения топлива. Важный шаг в этом направлении был сделан в Каталонии в VIII в.н.э. Каталонский горн (рис.1.3) имел раздельную загрузку руды и древесного угля, специальную фурму для подачи дутья, отдельную шлаковую летку и наклонную переднюю стенку нижней части рабочего пространства, что позволяло извлекать готовую крицу клещами без остановки процесса. Впервые процесс производства кричного железа стал непрерывным, что резко повысило производительность горнов.

Рис.1.3. Схема Каталонского горна

С VIII в.н.э. в Штирии (Австрия) для увеличения производства крицы и снижения расхода топлива начали строить горны высотой 2,5-3 м, названные штюкофенами (от слова штюк - крица). Профиль печи выкладывался из огнеупорного кирпича, а снаружи она укреплялась каменной кладкой или деревянным срубом, который заполнялся землей или глиной.

С увеличением высоты сыродутных печей температура в верхней части рабочего пространства снижалась - более полно использовалась тепловая энергия газа. В результате повышалось количество железа, восстанавливающегося при умеренных температурах до перехода его в шлак, и уменьшалась концентрация оксидов железа в первичных шлаках. Это в свою очередь приводило к повышению температуры шлака в нижней части сыродутных печей. Сильное обеднение шлака оксидами железа привело к необходимости вводить в шихту специальную добавку - флюс, который был необходим для получения жидкого шлака. В качестве флюса стали применять известняк, образующаяся при разложении которого известь заменила монооксид железа (FeO) в первичных и конечных шлаках.

Для принудительной подачи дутья использовали меха, приводившиеся в движение первоначально мускульной силой людей, а затем животных, либо с помощью водяного колеса. Повышения высоты печей способствовало увеличению температуры в нижней части горна и улучшение условий восстановления оксидов железа. Неизбежным следствием этих изменений в конструкции сыродутных печей и технологии было увеличение углерода в готовом продукте и снижение его температуры плавления. K XI-XII в.в. на крупных печах высотой до 4-5 м впервые в больших масштабах наряду с крицей начали получать и некоторое количество жидкого чугуна (содержание углерода в сплаве 2-4 %), вытекавшего из печи вместе со шлаком. К этому времени температуры в нижней части горна достигли 1300-1350 ^oС, а содержание FeO в шлаке снизилось до 10-15 %. Так сыродутные горны превращались в домницы - шахтные печи высотой 2-4,5 м с формой рабочего пространства такой же, как у штюкофенов.

Первоначально получение чугуна считалось нежелательным, так как его образование снижало выход крицы. Кроме того, чугун не куется и его либо выбрасывали, либо повторно загружали в горн вместе с железной рудой. Отсюда возможно происходит английское название чугуна (pig iron - свиное железо). Но когда было замечено, что жидкий чугун хорошо заполняет формы и может применяться для изготовления литых изделий (например, пушечных ядер), чугун в домницах стали получать преднамеренно.

Со временем металлурги установили, что передел чугуна в крицу дает гораздо лучшие результаты как по расходу железной руды, так и по производительности домницы. Так постепенно одноступенчатый способ получения железа из руды заменялся двухступенчатым способом производства, состоящим из двух стадий: получение чугуна из руды, а затем передел чугуна в железо.

Конструкция домницы изменялась с целью лучшего приспособления ее для выплавки чугуна. Размеры первых доменных печей были такими же, как и домниц, самые крупные из которых имели высоту рабочего пространства до 4,5 м и самое широкое поперечное сечение 1,5-1,8 м. Температура в нижней части первых печей составляла 1350-1450 ^оС, а содержание FeO в шлаке - 3-6 %. В этих условиях выгорание углерода из железа под шлаком сведено к минимуму и продуктами плавки стали исключительно чугун и шлак.

Переход от домниц к доменным печам относится к XIII-XIV векам. Это стало возможным только при усилении воздуходувных средств. Примерно в XIII веке меха для подачи дутья стали приводить в движение с помощью водяного колеса.