Выплавка чугуна: 3.3. Выплавка чугуна | Материаловед

3.3. Выплавка чугуна | Материаловед

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются следующие задачи:

    • восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава;
    • оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.

      Процесс доменной плавки непрерывный. Сверху в печь загружают сырые материалы, а в нижнюю часть через фурмы подают нагретый воздух и топливо (жидкое или газообразное). Полученные от сжигания топлива газы проходят через столб шихты и отдают ей свою энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается и плавится. Часть кокса расходуется в печи на восстановление железа и других элементов, большее его количество достигает фурм, где сгорает.

      Устройство и работа доменной печи

      Доменная печь (рис. 1)  имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15, выполненную из углеродистых блоков.

      Доменная печь

      Рис. 1. Устройство доменной печи

      В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые, передвигаясь по мосту 12 к засыпному аппарату, и опрокидываются и высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

      При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подаютса новые порции шихты, чтобы весь полезный объём был заполнен.

      Полезный объем печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании.

      Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м3.

      В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 0С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

      Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

      С+O2=CO2+Q;

      CH4+2O2=CO2+2H2O(пар)+Q.

      В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 0С.

      Продукты сгорания  взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

      CO2+C=2CO-Q;

      H2O+C=CO+H2-Q.

      Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя.

      Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 0С  у колошника.

      Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 0С начинается восстановление оксидов железа.

      Восстановление железа в доменной печи.

      Закономерности восстановления железа выявлены академиком А.А. Байковым.

      Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

      Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.

      Температура определяет характер протекания химических реакций.

      Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.

      Восстановление твердым  углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции

      FeO+C=Fe+CO— Q.

      Восстановление газами (CO и H2) называется  косвенным восстановлением,  протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах по реакциям

      3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+Q;

      Fe3O4+CO=3FeO+CO2-Q;

      FeO+CO=Fe+CO2+Q.

      За счет CO и H2 восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

      При температуре 1000…1100 0C восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом  углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 0С).

      Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 0C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

      В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат Al2O3, CaO, MgO, SiO2, MnO, FeO, CaS.  Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

      Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).

      Отверстие чугунной летки в огнеупорной кладке заделывают огнеупорной массой. Летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна закрывают огнеупорной массой.

      Чугунная летка находится на некотором расстоянии от кладки лещади, поэтому создается «мертвый слой» чугуна высотой 500…1000 мм. Это делается для предохранения верхних слоев лещади от разъедания шлаками.

      Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

      Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек — слитков массой 45 кг.

      Краткое описание технологии выплавки чугуна в доменном производстве

      Историческая справка. Чугун был известен за 4-6 вв. до н. э. Доменное производство возникло в результате развития сыродутного процесса — «прямого» получения железа в твёрдом состоянии непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких горнах или шахтных печах (домницах) с помощью древесного угля. Первые доменные печи в Европе появились в середине 14 в., а в России — около 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый чугун получен в 1701, а в середине 18 в. благодаря развитию уральской металлургии Россия вышла на 1-е место в мире, которое удерживала до начала 19 в. До середины 18 в. единственное топливо для доменного производства — древесный уголь. В 1735 А. Дерби применил в доменной плавке каменно-угольный кокс.

      Основные этапы развития доменного производства: применение паровой воздуходувной машины (И. И. Ползунов, 1766), нагрев дутья (Дж. Нилсон, 1829), изобретение кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа (Э. Каупер, 1857). В 1913 в России было выплавлено 4,2 млн. т чугуна и она занимала 5-е место в мире. В 1940 в СССР было выплавлено 15 млн. т чугуна (3-е место в мире), а с 1947 Советский Союз уступал только США. В 1970 СССР вышел на 1-е место в мире. Выплавка чугуна в СССР в 1971 составила 89,3 млн. т. Большую роль в развитии доменного производства в СССР сыграли М. А. Павлов, М. К. Курако, И. П. Бардин. Доменное производство в СССР характеризуется применением высокомеханизированных и автоматизированных агрегатов и передовой технологии.

      Выплавка чугуна производится в доменных печах, представляющих собой сложный технологический агрегат.

      Доменная печь, домна — большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до ее «капитального» ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

      Основным материалом для доменного производства является железная руда, содержащая железо в виде оксидов. Оксиды железа купить в виде руды возможно у сырьевых компаний крупнейших стран-экспортёров: Австралия, Бразилия, Индия, Канада, ЮАР, Украина, Россия, Швеция, Казахстан. Для загрузки в печь наиболее удобны куски руды диаметром от 10 до 50 мм. Более мелкая и пылевидная руда должна быть окускована путем спекания. Такое спекание называется агломерацией и производится на агломерационных фабриках, которые строятся иногда на рудниках, но чаще непосредственно на металлургических заводах.

      В доменной печи происходит отделение железа от кислорода (процесс восстановления). Этот процесс возможен при высоких температурах, для создания которых в доменной печи сжигается кокс. Кокс содержит углерод, который при высоких температурах соединяется с кислородом оксидов железа или, как принято говорить, восстанавливает железо из оксидов. Раньше вместо кокса в доменных печах сжигали обыкновенный древесный уголь.

      Пустая порода, содержащаяся в большом количестве в железной руде, и зола, имеющаяся в коксе, при плавлении шихты не переходят в металл, а образуют шлак, который нужно своевременно удалить из печи. Чтобы облегчить удаление шлака, в руду добавляют флюсы — материал, придающий шлаку более жидкий вид. Обычно флюсом служит известняк.

      Материалы подают в засыпное устройство, находящееся в верхней части домны, по наклонному мосту в специальных тележках-скипах, емкость которых на больших печах достигает 10 м3; подача материалов идёт непрерывно.

      Рис. 1. Схема доменного производства

      Таким образом, основными материалами для производства чугуна в доменной печи является железная руда, кокс и известняк. Кроме того, в доменном процессе для поддержания горения необходим воздух. Печь может работать только при непрерывной подаче воздуха.

      Для того чтобы не охлаждать печь во время работы и ускорить плавку, воздух в печь подается подогретым до 600-800° и под давлением 1,5-2 атм. Воздух подогревают в специальных аппаратах — воздухонагревателях.

      Воздухонагреватели представляют собой сварные цилиндрические сосуды диаметром от 7 до 9 м и высотой до 46 м с днищем и куполом. Воздухонагреватели изготовляют из листовой стали толщиной 10-14 мм. Внутреннее пространство воздухонагревателей разделено стенкой из огнеупорного кирпича на две вертикальные камеры — камеру горения и камеру насадки.

      Камера, или шахта горения, и разделительная стенка начинаются от днища и идут до основания купола, так что под куполом остается свободное пространство для сообщения между камерами. В нижней части воздухонагревателя со стороны камеры: горения врезана горелка для сжигания газа.

      Насадка — кирпичная кладка — выкладывается из огнеупорного (шамотного) кирпича так, чтобы образовались вертикальные сквозные от низа до верха каналы для прохода газа и воздуха. Благодаря каналам насадка обладает большой поверхностью нагрева (от 10 до 20 тыс. м2 и более). Насадка кладется на чугунную поднасадочную решетку, которая опирается на специальные колонны и расположена на уровне 2-2,5 м от днища воздухонагревателя.

      Каналы насадки соответствуют отверстиям в решетке и имеют выход в пространство под решеткой, называемое поднасадочным пространством. В поднасадочное пространство по воздухопроводу холодного дутья подводится от воздуходувных машин холодный воздух.

      Нагрев воздуха в воздухонагревателях происходит за счет сжигания очищенного газа, который, сгорая в камере горения, поднимается вверх под купол, а затем по каналам насадки опускается вниз и, отдав тепло насадке, уходит в дымовую трубу. После нагрева насадки газ и дымовую трубу отключают и через насадку пропускают воздух, который движется в направлении, обратном движению горячего газа. Горячий кирпич насадки отдает свое тепло воздуху.

      Подогретый воздух по воздухопроводу горячего дутья подается от воздухонагревателей в кольцевую трубу и затем через специальные приборы, называемые фурмами, — в доменную печь.

      Для одной доменной печи строят три или четыре воздухонагревателя, которые работают поочередно, т. е. если в одном нагревается насадка, то в другом — воздух, а третий запасной. Доменный процесс сопровождается также выделением побочных продуктов — доменного газа и шлака.

      Жидкий шлак выпускается через шлаковые лётки в специальные ковши, в которых отвозится в шлаковые отвалы. В дальнейшем из него изготовляют строительные материалы — шлакоблоки. Доменный газ используется как топливо для сжигания в коксовых и мартеновских печах, в нагревательных печах прокатных цехов, а также в обыкновенных котельных топках.

      Образующийся в печи газ через подсвечники, свечи и наклонные газопроводы отводится, в пылеуловители. Обычно на каждую доменную печь ставилось два пылеуловителя — первичный и вторичный. В настоящее время доменные печи сооружаются преимущественно с одним первичным пылеуловителем.

      Свечи своей нижней частью, так называемыми подсвечниками, примыкают к куполу шахты. На доменную печь ставятся четыре подсвечника, а далее каждая пара подсвечников объединяется в одну свечу; свечи соединяются с первичным пылеуловителем двумя наклонными газопроводами грязного газа.

      Пылеуловители представляют собой сварные цилиндрические сосуды диаметром от 9 до 11 м с коническим днищем и куполом, пылеуловители изготовляются из листовой стали толщиной 10-14 мм.

      Доменный газ уносит с собой большое количество мелких частиц руды и кокса (колошниковой пыли) и по наклонным газоотводам попадает в пылеуловители. Здесь вследствие большего объема сосуда давление и скорость газа резко падают и значительная часть пыли (до 3/4) осаждается в конусах пылеуловителей, откуда ее периодически выпускают в вагоны и отвозят в отвал или на агломерационную фабрику, где она спекается в куски и вновь используется как шихтовый материал для доменной печи.

      Пыль сильно истирает стенки свечей, газоотводов и пылеуловителей, поэтому их футеруют (выкладывают) шамотным кирпичом, а тройники и подсвечники — специальными чугунными плитами.

      В пылеуловителях доменный газ проходит грубую очистку. Для дальнейшего использования газа необходима его полная очистка, которая происходит в специальных газовых цехах — газоочистках, входящих в комплекс сооружений доменного цеха. От пылеуловителей к газоочистке газ подается по газопроводу грязного газа. Очищенный газ по газопроводу чистого газа поступает к потребителям.

      Доменный газ совершенно бесцветный и не имеет запаха, ядовит, а при соединении с воздухом образует взрывчатую смесь, которая при вспышке взрывается с огромной разрушительной силой. Поэтому при обращении с доменным газом требуется большая осторожность.

      Таким образом, основным продуктом доменного производства является чугун, побочными продуктами — шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

      Основной примесью чугуна является углерод (2-4% и более), который может содержаться в чугуне в виде механической примеси (свободного графита) и в виде химического соединения с железом, называемого карбидом железа или цементитом. Получаемые в доменной печи чугуны разделяются на сорта: литейный, передельный и специальный.

      Литейный чугун содержит свободный графит и имеет в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Этот чугун хорошо заполняет формы и легко поддается обработке режущим инструментом. Литейный чугун применяют для отливки радиаторов, труб, печных приборов и других строительных и бытовых изделий.

      Передельный чугун содержит углерод в виде химического соединения с железом и имеет блестящий белый излом, поэтому иногда называется белым чугуном (белый цвет излома следует считать условным). Этот сорт чугуна плохо отливается и обрабатывается и идет главным образом в переплавку на сталь.

      Специальные чугуны, или ферросплавы, имеют повышенное (более 10%) содержание одного или нескольких элементов, например кремния, марганца и др. Применяют их в основном в качестве специальных добавок при выплавке сталей.

      Чугун и шлак периодически выпускают из печи: чугун через 4-6 час., а шлак через 2-3 часа. Производительность доменной печи характеризуется коэффициентом использования полезного объема, который представляет собой отношение полезного объема печи в кубических метрах к суточной выплавке чугуна в тоннах. Полезным объемом называется объем печи от уровня чугунной лётки до отметки низа большого конуса в опущенном состоянии.

      Чем меньше коэффициент по абсолютному значению, тем лучше работает доменная печь. Более экономичными в эксплуатации являются доменные печи большого объема, поэтому впредь предполагается строительство печей большого объема.

      Рис. 2. Разрез по оси доменной печи:

      1 – пылеуловители; 2 – фундамент; 3 — рабочая площадка; 4 — кольцевой воздухопровод; 5 – лещадь; 6 – кладка горна; 7 – фурменные отверстия; 8 – кладка заплечиков; 9 – кладка шахты; 10 – колошник; 11 — наклонный газопровод; 12 – колошниковая площадка; 13 — засыпной аппарат; 14 – свечи; 15 – крыша здания поддоменника; 16 – колонны для удержания шахты; 17 — здание скипового подъемника; 18 – наклонный мост; 19 – железнодорожные вагоны с исходными шихтовыми материалами; 20 – бункер с шихтовыми материалами; 21 – скип; 22 — рудно-грейферный кран; I – горн; II – заплечики; III – распар; IV – шахта; V – колошник.

      Производство чугуна в доменной печи


      Производство чугуна – процесс, требующий наличия специального оборудования и соблюдения технологии. Рассмотрим его подробно, начиная от материалов, из которых выплавляется чугун, заканчивая самой технологией.

      Итак, выплавка чугуна происходит в доменной печи. Сырьем для производства являются железные руды. Состав железной руды следующий: рудное вещество и пустая порода. Рудное вещество составляют окислы, силикаты и карбонаты железа. А в основе рудной породы находятся кварцит или песчаник. Существует несколько видов железной руды для производства чугуна.

      Красный железняк

      Окраска красного железняка варьируется от темно-красной до темно-серой. Железо, находящееся в составе красного железняка имеет вид безводной окиси. Содержание железа в данном виде руды составляет 45-65%.

      Бурый железняк

      Железо, находящееся в составе бурого железняка имеет вид водных окислов. Процент железа составляет варьируется от 25-50. Окраска может быть от желтой до буро-желтой.

      Магнитный железняк

      Железо представляет собой закись-окись. Процент его содержания в руде — 40-70. Данный вид железняка обладает ярко выраженными магнитными свойствами.

      Шпатовый железняк

      Железо в шпатовом железняке имеет вид углекислой соли. Содержание железа составляет 30-37%. Цвет желто-белый или серый.

      Марганцевые руды

      Марганцевые руды в процессе выплавки используются для повышения количества марганца и добавляются в шихту.

      Существуют и другие классификации видов чугуна.

      Как мы уже сказали, процесс выплавки чугуна осуществляется в доменной печи. Рассмотрим этот процесс подробно.

      На первом этапе выплавки чугуна, в доменную печь помещают кокс, агломерат и снова кокс. Эти составляющие располагаются в печи слоями. Что такое агломерат? Агломерат – это железная руда, спеченная с флюсом. Для поддержания нужной температуры, в горн вдувается кислород или подогретый воздух. При сгорании кокс образует CO2. Далее CO2 превращается в CO. Именно CO является восстанавливающим средством для руды. При этом железо становится твердым. При опускании в распар (горячую часть печи) железо растворяет в себе углерод. На этом этапе происходит образование чугуна. Здесь чугун начинает плавиться и постепенно стекать в нижнюю часть печи. Благодаря тому, что на поверхности чугуна скапливаются жидкие шлаки, окисление не происходит. Выпуск чугуна осуществляется через специальные отверстия. В период выплавки эти отверстия закрыты глиняным раствором. Процесс выплавки чугуна в доменной печи является непрерывным.

      Доменная печь. Выплавка чугуна. Печь для выплавки чугуна. Схема доменной печи. Устройство доменной печи. Работа доменной печи. Параметры и конструкция доменной печи.

      Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

      При выплавке чугуна решаются задачи:

      1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определенного химического состава.
      2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нем золы кокса и удаление его из печи.

      Устройство и работа доменной печи

      Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

      Схема доменной печи

      При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.

      Производство чугуна. Доменное производство чугуна. Технология производства чугуна. Процесс производства чугуна.

      Полезный объем доменной печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м3.

      В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 0С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

      Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

      C + O2 = CO2 + Q
      CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O(пар) + Q

      В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 0С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

      CO2 + C = 2CO — Q
      H2O + C = CO + H2 — Q

      Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 0С у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 0С начинается восстановление оксидов железа.

      Восстановление железа в доменной печи. Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

      Fe2O3 —> Fe3O4 —> FeO —> Fe

      Температура определяет характер протекания химических реакций. Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород. Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

      FeO + C = Fe + CO — Q

      Восстановление газами (CO и H2) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

      3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q
      Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 — Q
      FeO + CO = Fe + CO2 + Q

      За счет CO и H2 восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

      При температуре 1000…1100 0C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 0С).

      Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 0C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

      В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат Al2O3, CaO, MgO, SiO2, MnO, FeO, CaS. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

      Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

      Чугун поступает в кислородно-конвертерные (см. Кислородный конвертер) или мартеновские цехи (см. Мартеновская печь), или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

      Технология выплавки чугуна в индукционной электропечи

      Загрузка и расплавление.

      В крупных зарубежных литейных цехах, где смонтированы индукционные установки для плавки чугуна, как уже указывалось выше, операции загрузки шихты в печи механизированы и автоматизированы.

      Подача материалов в печь производится в определённой последовательности. Например, через каждые 20 минут в печь загружается 200 кг стального скрапа, 160 кг возврата и чушкового чугуна, через каждые 40 минут в печь вводится 22 кг кокса до тех пор, пока в чугуне не будет обеспечено требуемое содержание углерода.

      Шихта не должна падать в тигель с большей высоты во избежание его повреждения. Лучше, если шихта сползает. Сползание шихты может быть обеспечено с помощью склизов, вибрационных конвейеров, бадьёй специальных конструкций. Удар шихты о футеровку должен быть боковым, а не верхним, так как в первом случае футеровка работает на сжатие, а во втором на срез, причём при этом ударной нагрузке подвергается наиболее хрупкая ошлакованная часть футеровки. Шихта перед загрузкой, как правило, подогревается, но если этого нет шихта влажная и загрязнена маслом, эмульсиями, то рекомендуется наполнять её так, чтобы влажный лом не погружался сразу же в жидкий металл во избежание выбросов. Вообще же первую порцию сырого материала следует загружать при отключенной печи, когда движения металла в ней нет.
      Плавка в индукционной печи может быть прерывной и непрерывной. При непрерывной плавке количество жидкого металла, выдаваемого из печи за один раз, составляет 70-80%, а иногда и 100%. Преимуществом этого способа плавки является малое время реакции между расплавом и огнеупорной футеровкой при высоких температурах.10всего металла) уменьшение потребляемой мощности не наблюдается. Замеры температуры и определение химического состава делаются через более длительные промежутки времени. При таком способе плавке можно автоматизировать работу печи и добиться оптимальной работы агрегата. При непрерывной плавке металла в печи величина кусков шихты должна быть не особенно мала, чтобы не наблюдалось очень быстрого растворения. Это необходимо для того, чтобы обслуживающий персонал смог за это время ввести легирующие, науглероживающие, раскисляющие и другие добавки с учётом температуры металла.
      Большое значение при плавке чугуна в индукционной печи имеет правильный выбор режима в зависимости от ёмкости печи, производительности, величины кусков шихты, потребности в металле и т.д.

      При выборе частоты тока в индукционной печи необходимо учитывать ёмкость печи, величину кусков шихты и т.д. Так, например, печь малой ёмкости имеет лучшее показатели при высоких частотах, а печь большей ёмкости – при низких. Если же печь работает на частотах меньших, чем оптимальная (при данных размерах печи), то будет наблюдаться сильное перемешивание металла, что может привести к увеличению количества неметаллических включений в металле. Кроме того, наблюдается большая потеря металла за счёт его окисления. В этом случае некоторые виды скрапа (например, стружка, если в печи нет жидкого металла) не могут быть применены, а срок службы футеровки сокращается втрое. При частоте, выше оптимальной, перемешивание ванны металла очень слабое, что отражается на гомогенности металла, находящегося в печи.

      С повышением частоты можно применять более мелкие куски шихты. Если, однако, в печи есть жидкий металл, то это условие можно не соблюдать. При данной требуемой производительности печи с понижением частоты тока потребляемая мощность становится меньше. С увеличением ёмкости эта разность увеличивается. Удельный расход энергии у печей промышленной частоты меньше, чем у высокочастотных печей . Исключением являются печи ёмкостью менее 1т. Рекомендуется вести плавку в печи только тогда, когда она заполнена металлом не менее, чем на ? высоты. В этом случае процент используемой энергии близок к 100.
      Перегрев металла в печах промышленной и промежуточной частоты протекает быстро. Скорость перегрева в первых 10°С /мин, во вторых — 30°С/мин. После достижения в печи необходимой температуры металла следует подавать ток небольшой силы. В печах большой ёмкости (10-15т) для поддержания температуры металла постоянной требуется 20-30 кВт•ч на тонну жидкого металла в час. Для нагрева чугуна до 1200°С необходимо 410-430 кВт•ч на тонну.

      Получение синтетического чугуна.

      Синтетическим называют чугун, получаемый в индукционных печах путём переплавки стружки, стальной обрези и других малоценных отходов с дальнейшим науглероживанием расплава и доведением его химсостава до заданного. В работе приведены результаты исследований процесса получения синтетического чугуна из стружки в индукционной высокочастотной печи с кислым тиглем ёмкостью 150кг.

      Установлено, что общий угар металла определяется номенклатурой шихтовых материалов и их окисленностью, способом ввода ферросплавов и карбюризатора, температурой нагрева и выдержкой металла. При выплавке чугунов из стальной стружки угар металла меньше по сравнению с выплавкой из чугунной в 2-2,5 раза; при вводе ферросплавов и карбюризатора в завалку он меньше примерно в 1,5 раза, чем при вводе в жидкий металл. Так как стружка всегда в какой-то степени загрязнена, различают весовой и истинный угар металла. Для определения последнего весь образующийся шлак собирали, взвешивали и анализировали. По этим данным рассчитывали количество в нём окислов Fe,Mn,Cr,Si, вносимых шихтой, а разницу относили на засоренность шихты. Истинный угар металла меньше весового на 20-25%. Истинный угар при выплавке синтетических чугунов из стальной стружки составлял от 0,3 до 6,2%, а из чугунной 5,3-9,0%. Авторы это объясняют большей поверхностью и окисленностью чугунной стружки по сравнению со стальной, что подтверждается и количеством образующегося шлака и содержанием в нём окислов Fe, Mn, Si.

      Степень и скорость усвоения ферросплавов и карбюризатора, равно как и угар элементов, зависят от способа их ввода, температуры нагрева и выдержки металла. В качестве карбюризатора использовали бой графитовых электродов. Степень и скорость усвоения углерода зависят ещё от размера кусков карбюризатора: если они больше 40мм-скорость усвоения углерода уменьшается на 20-25%. Скорость усвоения углерода жидким металлом с 1,3-1,62%С, 0,15-0,46%Si при 1400-1470°С достигает 0,12% в минуту, в среднем 0,09%, продолжительность науглероживания до 3,2-3,6%С составляет 22-34 минуты, усвояемость углерода из электродного боя – 80-85%.

      Для ввода в расплав Si использовали Cu45. Угар Si при вводе Cu45 в жидкий металл выше, чем при вводе в завалку, в 1,4-1,5 раза, он почти не зависит от выдержки металла, но изменяется с нагревом. Кремний выгорает только до 1420-1450°С, а при дальнейшем нагреве восстанавливается углеродом, и при 1500-1550°С наблюдается его пригар с образованием окиси углерода. Скорость усвоения Si малоуглеродистым жидким чугуном с 1,3-1,62%С 0,15-0,46%Si при 1420-1460°C составляет в среднем 0,1% в минуту, а высокоуглеродистым чугуном при этой же температуре – только 0,04% в минуту. Общий угар Si не превышает 25%, а при вводе ферросилиция в жидкий малоуглеродистый чугун составляет в среднем 14,1%.

      Марганец усваивается из Mn 1 на 80-90% со скоростью (при 1460°С) 0,1% в минуту; угар Mn для большинства плавок не превышает 18% и зависит от способа ввода ферромарганца, от температуры нагрева и почти не зависит от выдержки. При вводе ферромарганца в жидкий металл одновременно с ферросилицием и боем электродов Mn горит меньше, чем при вводе в заливку. Степень и скорость усвоения Cr жидким чугуном определяется температурой и при 1365°С составляет 0,08%, а при 1470°С-0,18% в минуту, угар равен 31,5 и 5,5% соответственно.
      Максимальное содержание серы в чугунах, выплавленных из стальной стружки, составляет 0,055%, а для большинства плавок не превышает 0,03%. При выдержке чугуна количество серы почти не изменяется, а при нагреве выше 1450°С несколько понижается. При 0,093% S в чугунной стружке содержание S в чугуне не превышает 0,07%. Содержание фосфора в чугунах выплавленных из стальной стружки, очень низкое, но несколько выше, чем в самой стружке; при нагреве металла содержание фосфора увеличивается в результате восстановления углеродом из окислов.

      Механические свойства синтетических чугунов несколько выше ваграночных с равным углеродным эквивалентом C_э, зависят от исходных шихтовых материалов, состава, температуры нагрева и выдержки металла. Структура синтетических чугунов при близких температурах заливки зависит не только от их состава, но и от исходных шихтовых материалов. У чугунов с равным C_э структура металлической основы примерно одинаковая, но форма и количество графита зависят от исходных шихтовых материалов. Так, у чугунов, полученных из стальной стружки, включения графита крупные, изолированные и компактные, либо это очень длинные слабо завихренные пластины с притупленными окончаниями. Напротив, у чугунов, полученных из чугунной стружки, пластины графита мелкие и средние, сильно завихренные, пересекающиеся между собой. Разница в количестве и форме графита при равном C_э и близких температурах заливки сказывается на механических свойствах: у чугунов, выплавленных из стальной стружки, они более высокие, чем у чугунов из чугунной стружки. Прочность при разрыве и изгибе и твёрдость с увеличением C_э уменьшаются, а стрела прогиба увеличивается в связи с появлением феррита в структуре. При перегреве чугуна снижается твёрдость, увеличивается прочность при изгибе и стрела прогиба, но почти не изменяется прочность при разрыве. Это связанно с уменьшением в металле газов, особенно азота, и неметаллических включений.

      Содержание азота в чугунах из стальной стружки несколько выше, чем в ваграночных и синтетических, выплавленных из чугунной стружки. Это объясняется болеем высоким процентом азота в самой стружке и внесением его ферросплавами, которых при этом вводится в несколько раз больше. Кислорода во всех синтетических чугунах почти столько же, сколько и в ваграночных, а в некоторых случаях даже значительно меньше. Содержание водорода несколько выше.

      Наиболее важным металлургическим процессом при плавке синтетического чугуна в индукционной электропечи является науглероживание расплава, так как вся технико-экономическая целесообразность применения индукционных электропечей основана на применении в качестве шихтовых материалов стружки и других малоценных отходов. Науглероживание металла можно производить загрузкой углеродосодержащих добавок прямо в шихту, что, например, часто наблюдается в американской практике. На одном из заводов науглероживание проводится коксом, загружаемым или в шихту, или непосредственно в жидкий металл. При науглероживании коксом усвоение углерода в металле ниже требуемого, то в ванну металла вводят графит, а если оно завышено – добавляется стальной скрап. Дополнительное науглероживание, как правило, приходится производить в среднем для одной плавки из десяти. При надлежащем уровне шихтовки обеспечивается постоянный состав чугуна с заданным содержанием углерода в течение всей смены независимо от остатка металла в печи. Рекомендуется также вводить пылевидный графит в струе газа на зеркало металла с последующей продувкой газа. Можно вводить углеродосодержащие добавки в специальном встряхивающем ковше. После того как содержание углерода поднялось до необходимого значения, целесообразно довести и содержание кремния до желаемого. Усвоение углерода металла в значительной степени зависит от времени его растворения, температуры металла и химического состава исходного металла. Растворение углерода – процесс, идущий с поглощением тепла. Поэтому в период науглероживания необходимо поддерживать температуру металла. Если науглероживание вещества вводятся на ванну жидкого металла, то предварительно необходимо тщательно очистить зеркало металла от шлака.

      Большая работа по изучению процессов науглероживания проведена в институте проблем литья АН УССР.
      Экспериментальная работа большей частью проводилась в литейном цехе каунасского завода «Центролит » . Опытные плавки вели в тигельных индукционных электропечах с кислой футеровкой ИЧМ-1А, ИЧТ-6, ASEA-8, ёмкостью 1,6, и 8т. В качестве шихтовых материалов применяли дроблёную стальную и чугунную стружку, ферросилиций Cu45 и Cu75, науглероживающие реагенты: бой электродов, электродный порошок, сланцевый кокс, графит.
      Электромагнитное перемешивание жидкого сплава в электропечах промышленной частоты оказывает сильное влияние на процесс науглероживания. Установлено, что высокая интенсивность перемешивания в значительной степени способствует быстрому и полному усвоению карбюризатора(рис. 1а). науглероживание является эндотермическим процессом. Поэтому происходит падение температуры в среднем на 50°С на 1% усвоенного углерода.
      Индукция.
      В результате исследования четырёх карбюризаторов: боя электродов, сланцевого кокса, тигельного графита, электродного порошка – и обработки опубликованных данных по растворимости углеродосодержащих материалов установлена общая для карбюризаторов зависимость усвоения углерода жидким сплавом от содержания углерода в реагенте (рис. 1б). усвоение науглероживателя в печах промышленной частоты вследствие электромагнитного перемешивания на 7-8% выше, чем в высокочастотных печах. Размер частиц реагента для печей ёмкостью 6-8т рекомендуется в пределах 5-10мм, так как более мелкие частицы и пылевидная фракция подвергаются распылению и окислению, а крупные частицы растворяются в металле длительное время.

      Сравнение технологических режимов загрузки карбюризатора по двум вариантам: 1 — периодическое введение вместе с шихтой и 2 — введение карбюризатора в конце плавки – показало, что периодическое добавление науглероживателя сокращает продолжительность плавки в среднем на 5 минут на 1т выплавляемого чугуна, снижает расход электроэнергии в среднем на 38 кВт•ч/т, хотя даёт несколько меньшее усвоение реагента жидким сплавом (3,71% против 3,85%). Способ периодического введения карбюризатора признан более экономичным.

      Десульфурация чугуна.

      Если чугун из индукционной печи идёт на переработку в высокопрочный, то необходимо проводить десульфурацию металла. Десульфурация ведётся различными реагентами, вводимыми в металл в струе газа, или другими способами. Весьма эффективно, как уже отмечалось, вести десульфурацию карбидом кальция CaC2, вводимым в металл. Рекомендуется также в металл вводить соду в парообразном или измельчённом состоянии. После обработки металла десульфурирующими реагентами содержание серы в печи снижается до 0,001-0,015%. Степень десульфурации увеличивается с повышением температуры металла, что объясняется уменьшением его вязкости и увеличением скорости диффузии. При очень высоких температурах, около 1600°С, наблюдается частичное снижение степени десульфурации как вследствие реакции карбида кальция с кислородом воздуха и с футеровкой тигля, так и вследствие спекания карбида кальция при 1550°С.
      Степень десульфурации зависит и от первоначального содержания серы в чугуне, с понижением которого требуется относительно большой расход карбида кальция. Если серы в исходном чугуне менее 0,04%, то расход обессеривающей добавки очень велик. Чем выше содержание углерода в чугуне, теми лучше обессеривающие действие карбида кальция. Образующийся под действием карбида кальция свободный углерод растворяется в жидком чугуне или выделяется из него в зависимости от его эвтектичности и температуры; практически науглероживание чугуна не наблюдается или эффект его невелик.

      В ванну индукционной печи карбид кальция вводится порциями. Крупные зёрна обессеривают чугун лучше, чем мелкие, в противоположность другим способам десульфурации. При постоянном применении карбида кальция следует учитывать понижение стойкости кислой футеровки.

      Объемы выплавки чугуна и стали на ММК выросли на 9,2% в первом квартале

      В первом квартале объемы выплавки, как чугуна, так и стали на Магнитогорском металлургическом комбинате выросли на 9,2% к аналогичному периоду прошлого года, говорится в опубликованных операционных результатах группы ММК за январь-март. В компании отмечают, что рост показателей обусловлен отсутствием капитальных ремонтов в доменном производстве в течение трех месяцев. Увеличение объемов производства стали также связано с завершением модернизации стана горячего проката 2500.

      Продажи товарной продукции выросли к первому кварталу 2020 года на 5,8% на фоне высокой загруженности стана 2500. Премиальной продукции было продано на 11,8% меньше «по причине изменения структуры заказов на толстый лист стана 5000 и в связи с ростом внутригрупповых продаж холоднокатанного проката на фоне реконструкции реверсивного стана 1700»,- -говорится в сообщении ММК. Объем производства угольного концентрата сохранился на уровне первых трех месяцев 2020 года.

      По сравнению с четвертым кварталом прошлого года объем выплавки чугуна на ММК вырос на 2%, стали – практически не изменился. Продажи товарной продукции сократились к предыдущим трем месяцам на 4,6% «в связи с формированием складских запасов проката строительного назначения в преддверии строительного сезона», поясняют в группе. Продажи премиальной продукции квартал-к-кварталу упали на 14,1% по тем же причинам, а также из-за снижения продаж строительного сегмента в Турции.

      В компании прогнозируют, что благоприятная конъюнктура на мировых рынках, а также сезонный рост спроса в России положительно повлияют на объемы продаж во втором квартале. «При этом в мае 2021 года ожидается запуск реверсивного стана 1700 х/п, что на фоне 100% загрузки оборудования, производящего премиальную продукцию, благоприятно скажется на структуре портфеля продаж группы»,- отмечают на ММК. В группе ожидают улучшения ценовой конъюнктуры в апреле-июне, которому должно способствовать начало строительного сезона в России и положительная динамика мировых котировок на металлопродукцию на фоне сохраняющегося дефицита на зарубежных рынках.

      АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ НЛМК | Филатов

      1. Rammer B., Millner R., Boehm C. Comparing the CO2 еmission of different ironmaking rout // Proceedings of the VII European Coke and Ironmaking Congress – ECIC. 2016. P. 284 – 291.

      2. Schmole P. The blast furnace – fit for future // Proceeding of the VII Europeaen Coke and Ironmaking Congress – ECIC. 2016. P. 3 – 12.

      3. Товаровский И.Г. Процессы доменной плавки. Т. 2. Проблемы и перспективы. Изд. дом LAP LAMBERT Akademic Publishing, 2012. – 406 с.

      4. Товаровский И.Г. Доменная плавка. – 2-е изд. – Днепропетровск: Пороги, 2009. – 768 с.

      5. Математическое моделирование металлургических процессов в АСУ ТП / Н.А. Спирин, В.В. Лавров, В.Ю. Рыболовлев и др.; Под ред. Н.А. Спирина. – Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2014. – 558 с.

      6. Загайнов С.А., Онорин О.П., Гилева Л.Ю. Разработка и внедрение математического и программного обеспечения для гибких технологических режимов работы доменных печей // Сталь. 2000. № 9. С. 12 – 15.

      7. Модельные системы поддержки принятия решений в АСУ ТП доменной плавки / Н.А. Спирин, В.В. Лавров, В.Ю. Рыболовлев и др. – Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ, 2011. – 462 с.

      8. Филатов С.В., Загайнов С.А., Гилева Л.Ю., Пыхтеева К.Б. Разработка методики анализа процессов восстановления оксидов железа // Изв. вуз. Черная металлургия. 2015. № 9. С. 658 – 661.

      9. Шварцман А.А., Жуховицкий А.А. Начала физической химии для металлургов. – М.: Металлургия, 1991. – 208 с.

      10. Шаврин С.В. Закономерности восстановления оксидов железа и моделирование металлургических процессов // Физическая химия и технологии в металлургии: Сб. науч. тр. – Екатеринбург: УрО РАН, 1966. С. 239 – 248.

      11. Фролов Ю.А., Птичников А.Г., В.Х. Баринов В.Х., Горшков Н.Н. Методика расчета и анализ факторов, влияющих на расход кокса и производительность доменных печей ОАО «ЧМК» // Металлург. 2013. № 3. С. 42 – 49.

      12. Тирьон К., Суворов М., Шмит Л. О комплексном подходе при вдувании ПУТ в доменные печи // Доменное производство – ХХI век: Тр. Междунар. конгресса доменщиков. – М., 2014. С. 80 – 91.

      13. Коксозамещающие технологии в доменной плавке / В.П. Лялюк, И.Г. Товаровский, Д.А. Демчук и др. – Днепропетровск: Пороги, 2006. – 276 с.

      14. Готлиб А.Д. Доменный процесс. – М.: Металлургия, 1966. – 503 с.

      15. Филатов С.В., Загайнов С.А., Гилева Л.Ю. Влияние повышенного давления в доменной печи на эффективность ее работы // Сталь. 2015. № 4. С. 11 – 14.

      16. Мищенко И.М., Кузин А.В. Качество кокса и другие важнейшие факторы обеспечения эффективной выплавки чугуна с применением пылеугольного топлива // Черная металлургия. Бюлл. ин-та «Черметинформация». 2014. № 5. C. 26 – 32.

      17. Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Лазарев Б.Д. Теплообмен в доменной печи. – М.: Металлургия, 1966. – 355 с.

      18. Тепло- и массообмен в плотном слое / Б.И. Китаев, В.Н. Тимофеев, Б.А. Боковиков Б.А. и др. – М.: Металлургия, 1972. – 432 с.

      19. Теплотехника доменного процесса / Б.И. Китаев, Ю.Г. Ярошенко, Е.Л. Суханов и др. – М.: Металлургия, 1978. – 248 c.

      20. Введение в системный анализ теплофизических процессов металлургии / Н.А. Спирин, В.С. Швыдкий, В.И. Лобанов, В.В. Лавров. – Екатеринбург: УГТУ, 1999. – 205 с.

      21. Катунин В.В., Петракова Т.М., Иванова И.М. Основные показатели работы черной металлургии России в 2015 г. // Черная металлургия. Бюлл. ин-та «Черметинформация». 2016. № 3. С. 3 – 24.

      плавка | Определение и факты

      Плавка, процесс, при котором металл получают в виде элемента или простого соединения из руды путем нагревания выше точки плавления, обычно в присутствии окислителей, таких как воздух или восстановителей. , например, кокс. Первым металлом, выплавленным на древнем Ближнем Востоке, вероятно, была медь (к 5000 г. до н. Э.), За ней последовали олово, свинец и серебро. Для достижения высоких температур, необходимых для плавки, были разработаны печи с приточной тягой; для железа требовались температуры еще более высокие.Таким образом, плавка представляла собой крупное технологическое достижение. Древесный уголь был универсальным топливом до тех пор, пока в Англии 18-го века не появился кокс. Между тем доменная печь достигла высокого уровня развития.

      Расплавленная медь

      Расплавленная медь превращается в пластины.

      © Джелен / Shutterstock.com

      Подробнее по этой теме

      ручной инструмент: плавка

      Возможно, через 1000 лет после того, как люди узнали о плавлении первичной меди, они обнаружили, что еще один хрупкий камень совершенно бесполезен…

      При современной обработке руды перед плавкой обычно проводят различные предварительные операции, чтобы максимально сконцентрировать металлическую руду. В процессе плавки металл, который соединяется с кислородом, например оксид железа, нагревается до высокой температуры, и оксид заставляется объединяться с углеродом в топливе, выделяясь в виде моноксида углерода или диоксида углерода. Другие примеси, в совокупности называемые пустой породой, удаляются путем добавления флюса, с которым они соединяются с образованием шлака.

      В современной плавке меди используется отражательная печь. Концентрированная руда и флюс, обычно известняк, загружаются сверху, а расплавленный штейн — соединение меди, железа и серы — и шлак выводятся снизу. Для удаления чугуна из штейна необходима вторая термообработка в другой (конвертерной) печи.

      Обработка железа | Britannica

      Обработка железа, использование процесса плавки для превращения руды в форму, из которой можно вылепить продукты.В эту статью также входит обсуждение добычи чугуна и его подготовки к плавке.

      Железо (Fe) — относительно плотный металл серебристо-белого цвета и отличительными магнитными свойствами. Он составляет 5 процентов от веса земной коры и является четвертым по распространенности элементом после кислорода, кремния и алюминия. Он плавится при температуре 1538 ° C (2800 ° F).

      Железо аллотропно, то есть существует в разных формах. Его кристаллическая структура может быть объемно-центрированной кубической (ОЦК) или гранецентрированной кубической (ГЦК), в зависимости от температуры.В обеих кристаллографических модификациях основная конфигурация представляет собой куб с атомами железа, расположенными по углам. Есть дополнительный атом в центре каждого куба в модификации ОЦК и в центре каждой грани в ГЦК. При комнатной температуре чистое железо имеет ОЦК структуру, называемую альфа-ферритом; это сохраняется до тех пор, пока температура не поднимется до 912 ° C (1674 ° F), когда он трансформируется в структуру с ГЦК, известную как аустенит. При дальнейшем нагревании аустенит остается до тех пор, пока температура не достигнет 1394 ° C (2541 ° F), после чего снова появляется ОЦК-структура.Эта форма железа, называемая дельта-ферритом, сохраняется до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления.

      Чистый металл податлив, и ему легко придать форму путем удара молотком, но, помимо специальных электрических применений, он редко используется без добавления других элементов для улучшения его свойств. В основном он появляется в сплавах железа с углеродом, таких как стали, которые содержат от 0,003 до примерно 2 процентов углерода (большая часть находится в диапазоне от 0,01 до 1,2 процента), и чугуны с содержанием углерода от 2 до 4 процентов.При содержании углерода, типичном для сталей, образуется карбид железа (Fe 3 C), также известный как цементит; это приводит к образованию перлита, который в микроскоп можно увидеть как состоящий из чередующихся пластин альфа-феррита и цементита. Цементит тверже и прочнее феррита, но он гораздо менее податлив, поэтому за счет изменения количества углерода можно получить очень разные механические свойства. При более высоком содержании углерода, типичном для чугунов, углерод может выделяться либо как цементит, либо как графит, в зависимости от условий производства.Опять же, получается широкий спектр свойств. Эта универсальность железоуглеродистых сплавов приводит к их широкому использованию в технике и объясняет, почему железо на сегодняшний день является наиболее важным из всех промышленных металлов.

      Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
      Подпишитесь сейчас

      История

      Есть свидетельства того, что метеориты использовались в качестве источника железа до 3000 г. до н. Э., Но извлечение металла из руд датируется примерно 2000 г. до н. Э. Производство, по-видимому, началось в медеплавильных регионах Анатолии и Персии, где использование соединений железа в качестве флюсов для облегчения плавления могло случайно привести к накоплению металлического железа на дне медеплавильных печей.Когда производство чугуна было должным образом налажено, вошли в употребление два типа печей. Чашечные печи были сконструированы путем выкапывания небольшого отверстия в земле и обеспечения подачи воздуха из сильфона через трубу или фурму. С другой стороны, каменные шахтные печи полагались на естественную тягу, хотя иногда и использовали фурмы. В обоих случаях плавка включала создание слоя раскаленного угля, в который добавляли железную руду, смешанную с дополнительным количеством древесного угля. Затем произошло химическое восстановление руды, но, поскольку примитивные печи не могли достичь температуры выше 1150 ° C (2100 ° F), нормальным продуктом был твердый кусок металла, известный как блюм.Он мог весить до 5 килограммов (11 фунтов) и состоял из почти чистого железа с некоторым уловленным шлаком и кусками древесного угля. Затем для изготовления железных артефактов потребовалась операция формования, которая включала нагревание цветов в огне и удары молотком по раскаленному металлу для изготовления желаемых объектов. Изготовленное таким образом железо известно как кованое железо. Иногда кажется, что было использовано слишком много древесного угля, и сплавы железа с углеродом, которые имеют более низкие температуры плавления и могут быть отлиты в простые формы, были изготовлены непреднамеренно.Применение этого чугуна было ограничено из-за его хрупкости, и в раннем железном веке, похоже, только китайцы использовали его. В других странах кованое железо было предпочтительным материалом.

      Хотя римляне построили печи с ямой, в которую можно было сливать шлак, до средневековья мало что изменилось в методах производства чугуна. К 15 веку многие блюмеры использовали невысокие шахтные печи с водяной силой для приведения в действие сильфонов, а блюм, который мог весить более 100 килограммов, извлекался через верхнюю часть шахты.Последней версией такого цветущего очага стала каталонская кузница, просуществовавшая в Испании до 19 века. Другая конструкция, высокая печь для обжига, имела более высокую шахту и превратилась в 3-метровую (10 футов) высоту Stückofen, которая давала такие большие блюмэны, что их приходилось удалять через переднее отверстие в печи.

      Каталонский очаг или кузница до относительно недавнего времени использовались для плавки железной руды. Показаны способ загрузки топлива и руды и примерное положение сопла, снабжаемого воздухом через сильфон.

      От H.E. МакГаннон (редактор), Изготовление, формование и обработка стали, 9-е изд., Авторское право 1985 Ассоциацией инженеров черной металлургии

      Доменная печь появилась в Европе в 15 веке, когда стало ясно, что чугун можно использовать для изготовления моноблочных ружей с хорошими характеристиками сохранения давления, но было ли ее появление связано с китайским влиянием или было самостоятельной разработкой, неизвестно. . Поначалу разница между доменной печью и Stückofen была незначительной.Оба имели квадратное поперечное сечение, и основными изменениями, необходимыми для работы доменной печи, были увеличение соотношения древесного угля и руды в шихте и летка для удаления жидкого чугуна. Продукт доменной печи стал известен как чугун из-за метода литья, который включал пропускание жидкости в главный канал, соединенный под прямым углом с рядом более коротких каналов. Все это напоминало свиноматку, кормящую свой помет, и поэтому отрезки твердого железа из более коротких каналов были известны как свиньи.

      Несмотря на военный спрос на чугун, для большинства гражданских применений требовался ковкий чугун, который до того момента производился непосредственно в блочном цехе. Однако появление доменных печей открыло альтернативный производственный путь; это включало преобразование чугуна в кованое железо с помощью процесса, известного как чистовая обработка. Кусочки чугуна помещали на очаг для украшений, на котором сжигали древесный уголь с обильным притоком воздуха, так что углерод из чугуна удалялся путем окисления, оставляя после себя полутвердое ковкое железо.Начиная с 15 века, этот двухэтапный процесс постепенно вытеснил прямое производство чугуна, которое, тем не менее, сохранилось до 19 века.

      К середине 16 века в юго-восточной Англии доменные печи эксплуатировались более или менее непрерывно. Увеличение производства чугуна привело к нехватке древесины для древесного угля и к его последующей замене углем в форме кокса — открытие, которое обычно приписывают Аврааму Дарби в 1709 году. Поскольку более высокая прочность кокса позволила ему поддерживать большую загрузку, стали возможны печи гораздо большего размера, и еженедельно производилось от 5 до 10 тонн чугуна.

      Затем появление паровой машины для привода выдувных цилиндров означало, что доменная печь могла быть снабжена большим количеством воздуха. Это создало потенциальную проблему, заключающуюся в том, что производство чугуна намного превысит возможности процесса оклейки. Ряд изобретателей предприняли попытку ускорить преобразование чугуна в ковкий чугун, но наиболее успешной из них был англичанин Генри Корт, запатентовавший свою пудлинговую печь в 1784 году. Корт использовал отражательную печь на угле для плавления шихты чугуна. к которому был добавлен оксид железа для получения шлака.Перемешивание образовавшейся «лужи» металла привело к удалению углерода путем окисления (вместе с кремнием, фосфором и марганцем). В результате температура плавления металла повысилась, так что он стал полутвердым, хотя шлак оставался довольно жидким. Затем металл формуют в шарики и освобождают от максимально возможного количества шлака, затем его извлекают из печи и сжимают молотком. В течение короткого времени пудлинговые печи могли обеспечивать достаточно железа, чтобы удовлетворить потребности в оборудовании, но снова мощность доменных печей резко возросла в результате изобретения шотландцем Джеймсом Бомонтом Нильсеном в 1828 году печи горячего дутья для предварительного нагрева дутья. воздух и осознание того, что круглая печь работает лучше, чем квадратная.

      Окончательное сокращение использования кованого железа было вызвано рядом изобретений, которые позволили печи работать при температурах, достаточно высоких, чтобы плавить железо. Тогда стало возможно производить сталь, которая является превосходным материалом. Во-первых, в 1856 году Генри Бессемер запатентовал свой конвертерный процесс для продувки воздухом расплавленного чугуна, а в 1861 году Уильям Сименс получил патент на свою регенеративную мартеновскую печь. В 1879 году Сидней Гилкрист Томас и Перси Гилкрист адаптировали преобразователь Бессемера для использования с фосфорным чугуном; в результате основной процесс Бессемера или Томаса получил широкое распространение на европейском континенте, где было много железных руд с высоким содержанием фосфора.В течение примерно 100 лет мартеновский и бессемеровский процессы совместно отвечали за большую часть производимой стали, прежде чем они были заменены кислородными и электродуговыми печами.

      Помимо впрыска части топлива через фурмы, в доменной печи с начала 19 века использовались те же принципы работы. Однако размер печи заметно увеличился, и одна большая современная печь может снабжать сталеплавильный завод до 10 000 тонн жидкого чугуна в день.

      На протяжении 20-го века было предложено много новых процессов производства чугуна, но только в 1950-х годах появились потенциальные заменители доменной печи. Прямое восстановление, при котором железная руда восстанавливается при температурах ниже точки плавления металла, берет свое начало в таких экспериментах, как процесс Виберга-Содерфорса, введенный в Швеции в 1952 году, и процесс HyL, введенный в Мексике в 1957 году. Некоторые из этих методов выжили. а те, что сделали, были значительно изменены.Другой альтернативный метод производства чугуна, восстановительная плавка, был предшественником электрических печей, используемых для производства жидкого чугуна в Швеции и Норвегии в 1920-х годах. В эту технологию вошли методы, основанные на кислородных конвертерах для производства стали, использующих уголь в качестве источника дополнительной энергии, и в 1980-х годах она стала центром обширных исследований и разработок в Европе, Японии и США.

      Плавка — обзор | Темы ScienceDirect

      Bloomery Iron

      Выплавка железа следовала методам, установленным для производства цветных металлов, которые применялись в некоторых частях Ближнего Востока почти 2000 лет.Простые чашеобразные очаги — неглубокие и обычно выложенные глиной или камнем ямы — были окружены низкими круглыми глиняными стенами. Эти стены иногда были только по колено (римляне делали большую часть своего металла в печах не более 1 м высотой и менее полуметра внутреннего диаметра), но в некоторых частях Старого Света (включая Центральную Африку) они в конечном итоге достигли высот. более 2 м (Van Noten & Raymaekers, 1988). Печи были заполнены древесным углем и измельченной (и часто обожженной) железной рудой, и относительно высокие температуры были достигнуты за счет продувки воздухом через фурмы, узкие глиняные трубы, вставленные вблизи уровня поверхности (см. Приложение B для определения некоторых основных технических терминов, связанных с производство чугуна и стали).

      Фурмы были соединены с кожаными сильфонами, чтобы нагнетать воздух в очаг и повышать температуру плавления. Маленькие сильфоны управлялись вручную, большие — весом человека (с помощью педали или качалки), а самые мощные сильфоны в конечном итоге приводились в движение водяными колесами. Температура внутри этих угольных печей обычно не достигала более 1100–1200 ° C (а часто и менее 900 ° C), достаточно высокой для восстановления оксида железа и далеко не такой, чтобы плавить металл и производить жидкое железо (чистое Fe разжижается при 1535 ° C): конечным продуктом этой плавки была блюм, губчатая масса, состоящая из железа и богатого железом шлака, состоящего из неметаллических примесей (Bayley, Dungworth, & Paynter, 2001).Отсюда общее название этих печей — шаровары, а самого продукта — шаровидное железо.

      Современные эксперименты продемонстрировали относительно узкий диапазон условий, необходимых для успешной плавки (Tylecote, Austin, & Wraith, 1971). Когда условия внутри печи недостаточно восстанавливаются, металл не образуется, только богатый железом шлак, но когда они слишком восстановительны, шлак становится слишком вязким и его нелегко отделить от металла. Промежуточные условия дают хорошее цветение; большая часть шлака поступает из железной руды, около 30% приходится на кремнеземистую футеровку печи и менее 5% — это топливная зола (Paynter, 2006).Блюмы, изготовленные в самых маленьких ранних печах, весили менее 1 кг, более типичный средневековый диапазон составлял 5-15 кг, а масса блюмов увеличивалась до 30-50 кг (или даже более 100 кг) только с введением более высоких печей и сильфоны с приводом от водяного колеса.

      Цветочное железо обычно содержало от 0,3% до 0,6% С, и в Европе это был единственный железосодержащий материал, доступный в значительных количествах в древности и до позднего средневековья. Железо, произведенное в блюмерах, было консолидировано и сформировано путем последующей кузнечной обработки: требовалось многократное повторное нагревание и обработка блюма молотком для производства массы кованого железа, содержащей всего 0 единиц.04–0,08% C, который был пластичным, податливым и свариваемым. Кованое железо использовалось для изготовления все большего количества оружия, утилитарных и декоративных предметов, от наконечников стрел до болтов и топоров (Ashkenazi, Golan, & Tal, 2013; Barrena, Gómez de Salazar, & Soria, 2008), а также современных металлургических исследований. обнаруживают небольшое количество шлака в этих продуктах.

      Bloomeries поставляла все железо Европы во время первого заметного увеличения спроса на металл на континенте, которое началось в одиннадцатом веке — с появлением железной кольчуги, первоначально в виде небольших металлических бляшек, позже в виде узлов ручной ковки и заклепок — и расширилось в течение двенадцатого и тринадцатого веков.Увеличилось производство ручного оружия (от ножей до булав) и шлемов, а также сельскохозяйственных и транспортных инструментов и инвентаря, при этом железо превратилось в плуги, вилы, серпы, мотыги, оси телег, обручи (для бочек, повозки и ветряные мельницы) и подковы. Первое задокументированное использование мощных кузнечных молотов с приводом от водяных колес датируется 1135 годом в знаменитом цистерцианском монастыре Клерво. Еще больше железа использовалось в строительстве в виде болтов, решеток, стержней и застежек, а в тринадцатом веке в Нотр-Дам-де-Пари использовались металлические ленты.Спустя столетие папский дворец в Авиньоне израсходовал 12 т металла (Caron, 2013).

      Плавка Bloomery практиковалась практически во всех культурах Старого Света, и тысячи этих простых временных очагов (иногда с сохранившимися частями стен) были раскопаны в регионах, расположенных как в Сахели, так и в Африке к югу от Сахары (Haaland & Shinnie, 1985). кочевым сообществам в степях Центральной Азии (Sasada & Chunag, 2014) и от прибрежной Шри-Ланки (Juleff, 1996; 2009Juleff, 1996Juleff, 2009) до Скандинавии (Olsson, 2007; Svensson et al., 2009) и Кореи, где эта практика могла быть перенесена из региона Тихоокеанского побережья России, а не из Китая, где преобладал чугун (Park & ​​Rehren, 2011).

      Большинство свидетельств самой ранней выплавки чугуна в Евразии известны давно, с многочисленными остатками более простых и более низких конструкций (часто называемых корсиканскими кузницами) и более прочных и более высоких печей (так называемых каталонских кузниц), найденных от Атлантики до Урал. Напротив, новые раскопки древних цветущих растений и новые датировки углерода изменили наши взгляды на развитие металлургии железа в Африке (Holl, 2009; Zangato & Holl, 2010).Эти результаты указывают на раннюю плавильную деятельность в регионах от Средней долины Сенегала на западе до долины Нила на востоке и от бассейна Эгаззера в Нигере до района Великих озер в Восточной Африке, причем многие даты относятся к периоду более чем 2500 лет назад. в настоящее время и с предполагаемой температурой печи 1100–1450 ° C.

      Устойчивость этого метода плавки подтверждается тем фактом, что испанские цветники в Сан-Хуан-Капистрано (построенные в 1790-х годах) были старейшими металлургическими заводами в Калифорнии, а действующие блочные заводы сохранились в некоторых частях Англии до восемнадцатого века; в некоторых частях Испании и на юге Франции они все еще существовали к середине девятнадцатого века.Блюмерная плавка была лишь первым шагом в получении полезного металла: железная губка, смешанная со шлаком, должна была быть обработана путем многократной обработки (деформации) путем попеременного нагрева и молотка (требующих до 30–50 циклов), чтобы удалить вкрапления. примесей и для производства кованого железа, из которого можно изготовить оружие, подковы, наконечники колтер, гвозди и другие мелкие железные предметы. На протяжении веков вся эта горячая и тяжелая работа выполнялась повсюду вручную, и только использование более крупных водяных колес позволило построить механизированные кузницы с использованием более тяжелых молотов.Тем не менее, у этого традиционного сочетания цветников и кузниц были очевидные производственные ограничения.

      Поскольку это мелкосерийная операция — все плавки прекращались для удаления относительно небольших масс твердого блюма — выплавка чугуна в традиционных малоэтажных блюмерах никогда не могла обеспечить крупномасштабный спрос на металл с экономической точки зрения, и рабочая сила -интенсивная (а также очень энергоемкая) ковка увеличивала стоимость (дополнительно увеличивалась за счет значительных потерь железа в процессе ковки).Неудивительно, что с ростом спроса некоторые европейские цветы, например средневековый немецкий и австрийский Штукёфен, стали выше (прекрасная модель есть в Техническом музее в Вене). Эти печи по-прежнему производили небольшие массы металла (застревание), для удаления которых требовалось разорвать переднюю стенку конструкции, но из-за того, что процесс плавки длился немного дольше, а также из-за того, что сильфоны с водяным колесом обеспечивали более мощный дутьевой поток, и температура в нижних частях печи была ниже. выше, результирующий блюм часто представлял собой смесь губчатого железа и стали.

      Железная руда | HowStuffWorks

      Еще до того, как многие древние цивилизации начали переходить от своего бронзового века к железному веку, некоторые изготовители инструментов уже создавали железные орудия из космического источника: метеоритов. Называемое египтянами «черной медью», метеоритное железо не из тех веществ, которые можно найти в огромных консолидированных местах. Скорее, мастера находили его кусочки и куски, разбросанные на огромных расстояниях. Поэтому этот небесный металл в основном использовался украшения и украшения.В то время как кузнецы иногда использовали метеоритное железо для изготовления мечей, это ценное оружие обычно относилось к людям великой власти, таким как халифы седьмого века, чьи клинки, как говорили, были выкованы из того же материала, что и Святой Черный Камень Мекки [источник : Рикард].

      Однако большая часть земного железа содержится в железной руде . Сырая руда, добываемая прямо из земли, представляет собой смесь руды собственно и рыхлой земли, называемой пустой породы . Собственно руду обычно можно отделить путем измельчения сырой руды и простого смывания более легкой почвы.Однако собственно руду разложить сложнее, поскольку она представляет собой химическое соединение карбонатов, гидратов, оксидов, силикатов, сульфидов и различных примесей.

      Чтобы добраться до кусков железа в руде, вам нужно выплавить руды. Плавка включает нагрев руды до тех пор, пока металл не станет губчатым, а химические соединения в руде не начнут разрушаться. Самое главное, он выделяет кислород из железной руды, которая составляет высокий процент от обычных железных руд.

      Самая примитивная установка для плавки железа — это печь .Там кузнец сжигает древесный уголь с железной рудой и хорошим запасом кислорода (с помощью сильфона или воздуходувки). Древесный уголь — это, по сути, чистый углерод. Углерод соединяется с кислородом, образуя углекислый газ и окись углерода (выделяя при этом много тепла). Углерод и окись углерода соединяются с кислородом железной руды и уносят его, оставляя железо металлическое.

      В цветочном горшке огонь недостаточно горячий, чтобы полностью расплавить железо. Вместо этого железо нагревается до образования губчатой ​​массы, содержащей железо и силикаты из руды.Нагревание и удары молотком по этой массе (называемой блюмом) вытесняют примеси и смешивают стекловидные силикаты с металлическим железом с получением кованого железа . Кованое железо выносливо и с ним легко работать, что делает его идеальным для создания инструментов.

      Изготовители инструментов и оружия научились плавить медь задолго до того, как железо стало доминирующим металлом. Археологические данные свидетельствуют о том, что кузнецы на Ближнем Востоке выплавляли железо еще в 2500 году до нашей эры, хотя прошло более тысячи лет, прежде чем железо стало доминирующим металлом в регионе.

      Для создания железа более высокого качества кузнецам требуются печи лучшего качества. Технология постепенно развивалась на протяжении веков. К середине 1300-х годов более высокие печи и сильфоны с ручным управлением позволили европейским печам гореть достаточно сильно, чтобы не только размягчить железо, но и фактически расплавить его.

      Теория — Кузнец Харальд

      Выплавлять собственное железо путем выкапывания руды, глины и песка и превращать их в пруток, используя только тепло и тяжелую работу, — это преобразующий процесс, который несет в себе много загадок и привлекательности.Процесс превращения того, что по сути является грязью, в железо и сталь, которые затем могут быть превращены в полезные и красивые предметы, по-прежнему захватывает воображение ремесленников, археологов и случайных наблюдателей.

      Я уже затрагивал тему выплавки чугуна в контексте экспериментальной археологии в своей статье «Сказка о плавильщиках». Но за последний год ко мне обратились многие молодые и увлеченные кузнецы, которые просили совета относительно их первых попыток выплавки чугуна.

      Поэтому настало время, чтобы я изложил некоторые выводы, полученные за мою короткую карьеру в качестве исторического завода по выплавке чугуна. Поступая таким образом, я надеюсь помочь нескольким людям начать это безумное занятие, а также развеять часть ненужной мистики и технической терминологии, которая иногда преследует эту область.

      Я хотел бы заявить, что я приобрел эти знания благодаря сочетанию того, что имел честь работать с несколькими людьми, гораздо более опытными, чем я, а также посвящая значительное количество времени своим собственным экспериментам.

      Последние два года я активно занимаюсь производством древнего железа. За это время я принял участие в нескольких симпозиумах по выплавке чугуна, таких как ежегодное собрание чугуноплавильных заводов в Адамове, Чешская Республика, и Fête du Fer в Neuves Maisons, Франция. Я также проводил или помогал проводить семинары по выплавке чугуна на мероприятиях живой истории. В настоящее время я также работаю над кандидатской диссертацией по выплавке чугуна и кузнечному делу.

      Вы добросовестно разогреваете цветную печь на мероприятии по живой истории викингов «Путь викингов» в Тронхейме, Норвегия.(Фото: Даниэль Секареску)

      Поскольку я являюсь специалистом в области археологии и живой истории, это руководство будет в основном посвящено тому, как это делалось в прошлом. Методы, описанные в следующих частях этого руководства, побудят вас, по крайней мере до определенной степени, подражать практике древних. Изложенные здесь принципы могут быть адаптированы для использования с современными материалами, такими как необычные огнеупорные растворы, термопары и многое другое. Тем не менее, в этом нет необходимости. Вы можете обнаружить, что, как и в большинстве случаев (до) истории, использование материалов, которые можно выкопать поблизости, может быть самым дешевым и быстрым вариантом.

      Пребывание в пределах того, что было исторически возможно в определенное время и в определенном регионе, дает вам новое понимание и уважение к работе древних. Он должен сохранить это в формате, который будет одинаково интересен ремесленникам, археологам-экспериментаторам и тем, кто занимается живой историей. В конце концов, вы, конечно, должны адаптировать эти основные принципы к вашей конкретной ситуации и целям.

      Я не буду утомлять вас до слез подробностями о каждом подтипе печи и вариациях практики, интерпретируемых археологами.Вместо этого я обрисую общую модель, поскольку предполагаю, что вас в первую очередь интересует просто изготовление железа. Затем вы можете адаптировать это к локализованному контексту, если вам нужно.

      Если вас интересуют подробности исторического производства железа и связанная с ним археология, то хорошая справочная библиотека представлена ​​в книге Радомира Плейнера (2000) Iron in Archeology: Early European Smelters, которая представляет собой собрание его трудов по выплавке железа в разных странах. Европа издается на английском языке.

      Наконец, прежде чем мы углубимся в детали выплавки чугуна, позвольте мне прояснить одну вещь…

      Подобное руководство может быть ценным ресурсом, но, особенно на начальных этапах работы, оно не заменяет личный опыт под руководством того, кто знает, что делает.

      Вы, конечно, можете изучить это самостоятельно, используя знания, почерпнутые из книг, блогов и форумов, но вам также нужно будет вначале допустить много проб и ошибок. Наблюдение за успешной плавкой и участие в ней, изучение общих проблем — как распознать и решить их на ходу — являются важной частью этого ремесла.Если вы только начинаете, я бы посоветовал вам связаться с кем-то, у кого уже есть приличный опыт в этом. Нет необходимости изобретать велосипед и повторять каждую ошибку. Это может включать несколько выходных для поездки на собрание плавильных заводов, где вы должны предложить свою помощь в строительстве печи и запуске плавки. Наблюдайте, задавайте вопросы и адаптируйтесь к своей ситуации. Таким образом вы будете вознаграждены.

      Поскольку я считаю, что понимание процесса и его обоснование полезно при попытке изучить технику, первая часть этого руководства предоставит вам общую теорию механики плавки вспученного чугуна.В следующих эпизодах я углублюсь в более конкретные практические аспекты строительства печи и запуска плавки.

      Не торопитесь! Ваш грязный инструктор хотел бы, чтобы вы немного почитали, прежде чем погрузить руки в грязь. (Фото: Катька Локайчкова)



      Основы механики

      Плавка или восстановление железной руды — это термохимическая реакция, при которой оксиды железа восстанавливаются до металлического железа. Примеси в руде выплавляются из руды в виде шлаков — чаще всего силикатов железа — в то время как само железо никогда по-настоящему не расплавляется.Вместо этого продукт расплава представляет собой губчатую массу железа и шлака, известную как «блюм». Затем его необходимо закрепить молотком, пока блюм находится на (белой) температуре сварки. При этом шлаки, застрявшие в блюме, выдавливаются, а зазоры завариваются, в результате получается (будем надеяться) твердый кусок металла.

      Другими словами, процесс производства железа — это превращение ржавой породы (оксидов и силикатов железа) в твердый металл. Это становится возможным в среде, где имеется достаточно тепла и избыток углерода.Такую среду предлагает плавильная печь, которая заполнена горящим углем.

      Это, по крайней мере, очень простой и беглый взгляд на процесс. Теперь позвольте мне разбить это на составляющие и объяснить каждый по очереди…

      Свежий железный налет, выходящий из печи. Это будет целью ваших усилий.


      Руда

      Сырье для железа — железная руда. Железная руда поступает в виде горных пород или других отложений. Они состоят из оксидов железа, которые мы пытаемся уменьшить, и нежелательных «пустых пород», которые принимают форму силикатов и глинозема, другими словами, «каменная» часть руды.

      Помимо оксидов, которые представляют собой окисленное железо, железная руда также встречается в форме сульфитов и карбонатов. Я сосредоточусь на оксидах железа, поскольку это то, с чем у меня больше всего опыта, и что вы в любом случае будете плавить.

      Все виды железа превращаются в оксид железа после обжига в процессе подготовки к плавке. Руда легко обжаривается, кладя ее на костер, например, на приличный костер, где она нагревается вместе с тлеющими углями. Обжиг удаляет излишки воды и делает твердые и плотные руды достаточно хрупкими, чтобы их можно было раздробить.Также он превращает все руды, которые не являются простым оксидом железа, в одну. Следовательно, можно использовать сульфиды, такие как железный колчедан (FeS₂), и карбонаты, такие как сидериты (FeCO₃), при условии, что они сначала тщательно обожжены.

      Примечание по фосфору. Помимо железа, в руде могут присутствовать другие минеральные оксиды, которые могут повлиять на процесс плавки и возникающее в результате поседение. Наиболее важным из них является фосфор, который в высоких концентрациях содержится в некоторых болотных рудах. Около четверти фосфора в руде переходит в железо.Небольшие количества фосфора укрепляют железо, но также делают его хрупким и трудным для обработки при более высоких концентрациях. Небольшое количество фосфора полезно для узорной сварки, поскольку фосфорное железо при травлении проявляется ярче, чем обычное железо или сталь. Именно так делались оригинальные сваренные по шаблону ножи, мечи и копья времен переселения, викингов и средневековья. Но будьте осторожны, слишком много фосфора сделает железо слишком хрупким и склонным к растрескиванию при ковке, что сделает его бесполезным для кузнеца.

      Вот некоторые из наиболее распространенных руд:

      Лимонит (Fe₂O₃.2H₂O) — форма гидратированного оксида железа, также иногда называемого коричневым железняком или коричневым гематитом. Довольно распространен во многих частях мира и варьируется по содержанию железа от очень умеренного до довольно высокого (до 60% FeO). Широко используется в определенных регионах. Обычно легко сводится. Небольшое количество прожарки облегчает измельчение.

      Довольно плотный кусок лимонита. Также известен как коричневый железняк. (Фото: Луис Мигель Бугалло Санчес)

      Болотная руда (Fe₂O₃.2H₂O) — По сути, другая форма лимонита. Очень часто встречается в более влажных частях Европы, поскольку, как следует из названия, образуется на болотах. Поиск руды на протяжении большей части доисторической и ранней истории в тех областях, где она была доступна. Обычно после высыхания он довольно рассыпчатый, поэтому полное обжаривание не требуется, но это не повредит. Легко восстанавливается благодаря пористой природе руды. Он имеет переменное содержание железа, которое обычно колеблется от низкого до умеренного. В некоторых случаях он содержит много фосфора, и в этом случае обычно лучше искать лучший источник руды.

      Ирландская болотная руда в естественной среде обитания.

      Гематит (Fe₂O₃) — Гематиты представляют собой богатые руды, содержащие до 60-70% железа. Ценится теми, кто любит заниматься производством стали. Будучи твердыми и плотными, они нуждаются в хорошей прожарке и измельчении. Высокая доля железа в количестве пустой породы означает, что образуется меньше шлака по сравнению с «более бедными» рудами. Иногда вам может потребоваться добавить флюс в виде песка или шлака от предыдущих плавок, чтобы способствовать образованию поседения.

      Кусок гемитита или железного камня.Полированный шлиф демонстрирует высокое содержание железа. (Фото: Public Domain)

      Магнетит (Fe₃O₄) — самые богатые и плотные руды, содержащие более 70% железа. Свое название он получил потому, что в естественном состоянии прилипает к магниту. Редко встречающаяся в виде скальной породы на поверхности, вместо этого эродированная порода откладывается на берегу в виде черного «железо-песка», который можно легко идентифицировать, если у вас есть магнит. В этой форме он традиционно использовался японскими плавильными заводами для производства стали тамахаганэ, которая известна своим постоянным использованием японскими кузнецами.

      Магнетитовые утюги и поверх магнита. (Фото: Jlahorn)

      Сидерит (FeCO₃) — обычный карбонат железа, который встречается в глинистых слоях угольных отложений, сланцевых пластах, известняках и т. Д., Где он образует линзы руды. Обычно не содержит серы или фосфора и относительно богат железом. Хорошо работает в цветочном горшке при условии, что он сначала хорошо прожаривается, превращая его в оксид железа и делая возможным измельчение.

      Сидерит жеода из Германии. (Фото: Ханнес Гроб)

      Кузнечная чешуя — Чешуйки окисления, которые выпадают из горячего железа во время ковки, не совсем железная руда, но технически говоря, это форма магнетита, которую можно плавить.Когда он загружается в печь для шаровары вместе с песком, он может давать хорошие, обычно стальные, соцветия.

      Не совершайте серьезной ошибки, оценивая качество руды только по содержанию железа. Людей часто вводит в заблуждение представление о том, что чем выше содержание железа, тем лучше. То, что вы ищете, — это руда, которая хорошо восстанавливается, образует шлак, который хорошо течет, легко отделяется от налетов и дает налет, который хорошо уплотняется, без ненужного растрескивания или других признаков неправильного поведения.Работа с некоторыми гематитами и магнетитами может быть довольно утомительной, часто требуется флюсование в виде песка, чтобы способствовать образованию цветения. С другой стороны, некоторые болотные руды могут содержать опасное количество фосфора, в результате чего железо имеет тенденцию к растрескиванию при ковке.

      Другими словами: некоторые очень богатые руды иногда могут быть довольно дерзкими, в то время как некоторые низкопродуктивные руды могут дать вам прекрасное железо, но вам нужно будет выплавить больше руды, чтобы получить из них приличное количество железа.

      В конце концов, вы научитесь адаптироваться и наилучшим образом использовать то, что в конечном итоге используете.Будь то болотная руда, гематит или сидерит. Например, большую часть весны 2016 года я потратил на то, чтобы выяснить, как использовать очень низкоурожайный лимонит из южной Словении, потому что мне дали его в большом количестве. После нескольких попыток и некоторой душевной боли мне удалось получить из него очень красивые цветы.


      Топливо

      Для плавки руды требуется источник углерода в виде топлива, которое горит горячим, чистым и в идеале оставляет мало остатков. За очень редкими исключениями, это всегда был древесный уголь.

      Есть некоторые региональные ссылки на возможность использования торфяного угля, а также на использование сосновой древесины вместо древесного угля, но давайте пока займемся древесным углем, поскольку он лучше всего протестирован и наиболее легко доступен.

      Тип древесины, используемой для производства древесного угля, зависел от региона, при этом использовались различные лиственные породы, такие как бук, орешник и дуб. Более мягкие породы древесины, такие как сосна, также использовались в регионах, где это была преобладающая порода древесины.Оба могут использоваться. Моя общая рекомендация — использовать древесный уголь хорошего качества, который не крошится слишком сильно.


      Печь

      Печь с малым валом, которую я сейчас использую для выплавки болотного чугуна. Отверстие заполняется дверцей перед расплавом, что облегчает последующее удаление налета.

      Кривая печь — это специальная конструкция, которая делает возможным процесс восстановления. Существует множество вариантов используемой темы в зависимости от региона и временных рамок, но, по сути, все они служат одной цели.Они образуют замкнутое пространство, в котором находится огонь, имеют воздухозаборник около дна, некоторое пространство под воздухозаборником и отверстие для питания печи наверху. Позвольте мне еще раз сломать это…

      Закрытое пространство

      Закрытый характер печи выполняет две основные функции. Во-первых, сдерживая огонь, он позволяет сформировать более крупную горячую точку. Во-вторых, он, удерживая топливо, создает среду с избытком топлива. Это приводит к неполному сгоранию древесного угля, который, в свою очередь, производит много окиси углерода.Затем эти газы поднимаются по печи, вступая в реакцию с рудой, тем самым восстанавливая ее.

      Таким образом, печи

      имеют своего рода шахту, которая обеспечивает такого рода замкнутую среду, и эта шахта открыта вверху, чтобы позволить газам выходить и загружать печь рудой и древесным углем. Эта шахта обычно строится из смеси глины и песка, часто с добавлением какого-либо органического волокна (например, соломы). Голенище может быть толстым или тонким, высоким или коротким. У него могут быть прямые стороны, образующие дымоход, или он может сужаться к вершине, или в некоторых случаях он может приближаться по форме к открытому куполу.Вал может быть отдельно стоящим или встраиваться в холм.

      Две вариации шахтной печи, искренне использованные вами на Адамове 2016: одна приземистая и низкая, а другая высокая и стройная. Оба дали полезный цветок. (Фото: Катька Локайчкова)

      Воздухозаборник

      В огонь нужно подпитывать не только топливо, но и поток воздуха, чтобы он горел горячим. Регулирование притока воздуха — это основной способ контролировать температуру и, следовательно, характер расплава.Он может иметь форму дутьевого отверстия, которое представляет собой узкое отверстие в стенке печи, или может использоваться фурма (дутьевая труба), которая немного выходит внутрь печи.

      Положение воздухозаборника определяет расположение зоны, в которой огонь горит сильнее всего. Оттуда теплые и восстановительные газы будут двигаться вверх. Поскольку невозможно направить тепло вниз, естественно, что воздухозаборник будет располагаться где-то около дна печи.

      Воздух обычно нагнетается в печь с помощью сильфона какой-либо формы, и все мои инструкции относятся к этому методу. С другой стороны, есть этнографические свидетельства использования печей с «естественной тягой». У них очень высокие шахты, из-за которых в печь засасывается достаточное количество воздуха из-за «эффекта дымохода».

      Типовая установка печи с малой тягой и сильфонов.

      Пространство под воздухозаборником

      Хотя воздухозаборник расположен в нижней части печи, он не находится прямо внизу.При плавке образуются отходы в виде шлака, который стекает из блюма ниже очага перегрева, где начинает затвердевать. Это означает, что между дном печи и воздухозаборником должно быть некоторое пространство, которое позволяет шлаку собираться, не забивая воздухозаборник и не останавливая плавку.

      Эта глубина будет варьироваться в зависимости от используемой руды, применяемых традиций и технологического решения, следует ли удалять шлак во время выпуска плавки из отверстия в стволе.

      На рудах, богатых железом, образуется меньше шлака, в то время как выпуск шлака означает, что его можно удалить, как только он начнет подниматься до максимума. Это означает, что больше, чем неглубокая миска, не понадобится. При плавке грязной болотной руды образуется много шлака.

      Схематическое изображение шаровидной печи в действии. (Pleiner 2000, рис. 33)

      Редукция

      Восстановление — это процесс, при котором оксиды превращаются в металл. Это начинается вскоре после того, как руда начинает спускаться по шахте печи, поскольку руда подвергается воздействию горячего монооксида углерода.

      Оксиды железа вступают в реакцию с горячим монооксидом углерода, где монооксид отделяет кислород от железа с образованием монооксида углерода, оставляя нам металлическое железо. Это можно выразить в виде следующей формулы:

      3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂

      Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂

      FeO + CO = Fe + 3CO₂

      Это очень упрощенный однонаправленный взгляд на это, но его достаточно, чтобы проиллюстрировать основной принцип. Реальность такова, что мы сжигаем древесный уголь и руду в шахте, сделанной из навоза и соломы, используя при этом то, что, вероятно, является, по крайней мере, несколько непостоянным воздушным ударом.Поэтому химические процессы являются более сложными, с перетягиванием каната между восстановлением, повторным окислением, науглероживанием и обезуглероживанием, в то время как стенки печи частично плавятся, добавляя все виды элементов к элементам, уже присутствующим в руде. Это одна из причин, по которой железо выглядит как неоднородный беспорядок. Другими словами, это грязный поступок. Но давайте продолжим.

      В этот момент руда превратилась в смесь металлических частиц, застрявших между нежелательным материалом.Как только измельченные куски руды начинают двигаться вниз к горячей зоне в нижней части печи, начинают происходить забавные вещи. Температура вокруг дыхательного отверстия / фурмы превышает 1250 ° C, а горячая точка может колебаться до 1400 ° C. Это имеет два эффекта:

      1. Разделение железа и шлака — При температуре выше 1100 ° C (в идеале) материалы пустой породы начинают плавиться и, таким образом, отделяться от металла в виде стекловидного вещества, известного как «шлак». По большей части это силикат железа, но присутствуют и другие факторы, такие как зола, плавильные стенки печи и другие химические элементы, присутствующие в руде.
      2. Консолидация — В самой горячей части зерна и кусочки железа имеют очень хороший сварочный нагрев. Поэтому они начинают соединяться при контакте с консолидацией, объединяясь в один кусок (в идеале).

      Вообще говоря, более высокая температура приводит к лучшему отделению шлака от блюма и к более плотному и сплошному блюму.

      Таким образом, если у вас возникли проблемы с плавкой, когда вы получаете не один большой блюм, а мелкие кусочки, разбросанные по печи, то эту проблему часто можно решить, увеличив температуру плавки.Это делается путем нагнетания воздуха в топку с большей яростью. Но есть также граница, при которой нельзя просто продолжать повышать температуру. Если вы зайдете слишком далеко, вы столкнетесь с опасностью фактически разрушить печь. Часто идеальная температура — это немного до того, как все начнет таять (при условии, что ваша глина и песок хороши). Другая опасность заключается в том, что при таких очень высоких температурах чугун может начать поглощать все больше и больше углерода из окружающей среды, в конечном итоге превращая блюм в чугун.

      Это подводит нас к механике взаимодействия температуры, шлака и содержания углерода в конечном блюме.


      Чугун и сталь

      Железо — основной химический элемент, а сталь — сплав железа и углерода. Есть несколько стандартов, по которым они называются и различаются. В настоящее время все продаваемое железо называется сталью (например, мягкая, средне- и высокоуглеродистая сталь), потому что химически чистое железо на самом деле является довольно редкой вещью.

      Тем не менее, исторически термины «железо и сталь» использовались для описания двух типов металла, используемых кузнецами.Как кузнецы, мы часто разделяем железо и сталь на основании того факта, что сталь можно закаливать, а железо — нет.

      Блюм железа обычно имеет разное содержание углерода, причем в одних долотах содержание углерода выше, а в других — ниже. Несколько факторов будут определять, будет ли конечный результат плавки в основном низкоуглеродистым (железо) или высокоуглеродистым (сталь).
      Прежде всего, после восстановления железной руды железом процесс реакции железа с углеродом продолжается в процессе науглероживания.Железо, нагретое до температуры выше 900 ° C, снова начинает связываться с оксидом углерода в горячей печи. Следовательно, та же богатая углеродом и горячая среда, в которой изначально производилось железо, теперь превращает его в сталь.

      Если вы любите химические формулы, то этот процесс снова можно выразить следующим образом:

      3Fe + 2CO = Fe₃C + CO

      Опять же, изменяющаяся среда в печи приводит к тому, что части зарождающегося блюма также обезуглероживаются — сталь снова окисляется до железа.

      Поглощение углерода происходит быстрее при более высоких температурах. Поэтому более горячие плавки с более крупной горячей точкой с большей вероятностью дают сталь, чем несколько более холодные (но все же горячие) плавки. Очень горячие прогоны с использованием очень сильной воздушной струи могут привести к получению чугуна в составе плавки. Такое иногда случалось с позднесредневековыми цветущими деревьями, работающими на воде.

      Из более богатой руды обычно получается сталь. Богатые руды, такие как магнетит, производят меньше шлака в плавке. Шлак играет роль в расплаве, покрывая блюм, таким образом защищая его от окружающей среды и способствуя консолидации.Из-за меньшего количества шлака большая часть железа подвергается воздействию и, следовательно, легче поглощает углерод. Если используется как очень богатый железом, так и мелкодисперсный магнетитовый песок, это означает, что мелкие частицы имеют еще большую площадь поверхности, которая может свободно вступать в реакцию с окружающей средой.

      Содержание углерода можно контролировать с помощью соотношения руды и угля. Руда и древесный уголь обычно загружаются в весовом соотношении 1: 1. Увеличивая количество загружаемого древесного угля по отношению к количеству руды, это не только увеличивает количество доступного свободного углерода.Это также несколько повышает температуру и дает каждой загрузке руды больше времени для сгорания. Это означает, что у руды больше времени для восстановления и поглощения углерода.

      Вы также должны иметь в виду, что высокоуглеродистые цветы иногда бывает труднее обработать. Они могут быть более склонны к растрескиванию, иметь более узкий диапазон температур, при которых с ними можно работать, и другие формы плохого поведения. Вы всегда можете науглерожить уже очищенное окалиновое железо, превратив его в сталь. Поэтому, если вы хотите делать лезвия, это не значит, что вам абсолютно необходимо нюхать стальные цветы.


      После плавки — обработка блюма

      Также следует иметь в виду, что плавление блюма — это только половина процесса. После этого губчатую железную массу еще нужно вбить в брусок и, возможно, несколько раз сложить, чтобы еще больше уплотнить. Это требует значительного знания молотка, кузнечно-прессового оборудования и методов кузнечной сварки.

      Следовательно, так же, как и в процессе плавки, существует ремесло цветения-рафинирования. Неопытный кузнец может быстро разбить цветок вместо того, чтобы закрепить его.Эти навыки улучшаются только через практику и обучение. Иметь наставника на ранних этапах снова полезно, поскольку он укажет вам на подводные камни. Тем не менее, я также коснусь некоторых из них в одном из следующих постов.

      Результат корюшки — необработанный налет. Требуется гораздо больше работы, прежде чем он превратится в кусок пригодного для использования железа.


      Заключение к Части I

      «Тогда кузнец, Ильмаринен,
      Так обратился к спящему утюгу:
      Ты самый полезный из металлов,
      Ты спишь в болотах,
      Ты спрятался в плохих условиях,
      Где волк ступает по болотам,
      Где медведь спит в зарослях.
      Ты подумал и хорошо обдумал,
      Каким будет твое будущее положение,
      Должен ли я поместить тебя в печь,
      Таким образом, чтобы сделать тебя свободным и полезным? »

      (Калевала, Руна IX. Перевод Джона Мартина Кроуфорда (1888))

      Прочитав это, вы должны теперь понять основные процессы выплавки чугуна. Если некоторые подробности о химических формулах вас утомляют, то можете забыть об этом. Не было их и у древних.

      Тем не менее, это введение было написано с точки зрения человека, который практически занимается этой темой.Пусть он послужит вам полезным vademecum в погоне за превращением гадости в железо.

      Понимание процесса позволит вам не просто слепо следовать чьим-то инструкциям, но и задуматься над ними и адаптировать свой метод к ситуации и имеющимся материалам. Таким образом вы будете делать нам модели вместо следующих рецептов.

      Теперь, когда мы разобрались с необходимыми теоретическими формальностями, давайте перейдем к практическим шагам, где я объясню все, от подготовки сырья до строительства печи и эксплуатации плавки.

      Поэтому следующий пост из этой серии будет посвящен различным инструментам, которые вам понадобятся.

      Есть вопросы? Публикуйте в комментариях ниже?

      Связанные

      Грубая наука. Новая Зеландия . Большая корюшка. Плавка золота

      Плавка золота
      Майк Лихи,

      Плавка
      Зачем нужна печь?
      Характеристики печи
      Почему так важны сильфоны?
      Были ли у нас проблемы?
      Насколько жарко нам нужно идти?
      Создание угольной дуги
      Результат

      Задача
      Задача заключалась в том, чтобы получить чистое золото, свободное от примесей, и превратить его в сувенир.Конечный продукт должен включать маленький самородок, который нам дали, россыпное золото, выкованное из реки, и золото, которое мы добыли из горной породы.

      Плавка
      Плавка — это метод получения металлов из минеральной руды, восходящий к доисторическим временам. Обычно он включает восстановление оксидов металлов (руды) до металла (реакции восстановления — это те, которые отбирают электроны у элементов, восстановление является противоположностью окислительных реакций) и образование неметаллических оксидных отходов, известных как шлак.Это химический процесс, который включает в себя гораздо больше, чем просто плавление золота. Это похоже на алхимию, и это почти так.

      Зачем нам печь?
      Мы решили использовать печь. Так традиционно выплавляли металл, и это простой вариант, потому что мы можем следовать планам, которые люди веками использовали для выплавки железа.

      Но зачем нам печь? Разве мы не могли бы просто разжечь костер? Нет, потому что металлические руды необходимо нагревать до очень высоких температур, чтобы получить чистые металлы — температуры намного, намного выше, чем обычно можно получить на открытом огне.Железо плавится при 1800 ° C (3270 ° F), а золото плавится при 1062 ° C (1943 ° F). Поскольку у железа температура плавления выше, чем у золота, мы надеемся, что даже с нашими ограниченными ресурсами мы сможем получить печь, изначально использовавшуюся для плавки железа для обработки нашего золота.

      Печь также помогает поддерживать определенные химические условия во время плавки. Например, при выплавке чугуна используется восстановительная атмосфера (атмосфера с низким содержанием кислорода). Мы использовали конструкцию печи, которая использовалась на протяжении всей известной истории.Это была грубая вариация исторической конструкции, известной как шахтная печь Bloomery, которая использовалась для плавки железа много веков назад.

      Наверх

      Характеристики печи
      Изоляция помогает предотвратить потерю тепла. Мы использовали дизайн с двойной обшивкой и облицованные глиной кирпичные стены, чтобы гарантировать, что создаваемые нами высокие температуры не будут потеряны для атмосферы. Хотя мы ожидали, что температура внутри печи превысит тысячу градусов по Цельсию (почти две тысячи градусов по Фаренгейту), внешняя оболочка никогда не была теплой на ощупь.Кроме того, мы построили печь на фундаменте из сухого песка, чтобы предотвратить теплопотери на землю. Вода или влажный песок были бы хорошими проводниками , позволяющими теплу уходить из печи. Воздух и сухой песок являются хорошими изоляторами , предотвращающими потерю тепла.

      Топливо важно. Мы решили использовать древесный уголь, а не древесину, потому что древесный уголь в основном состоит из чистого углерода, который обеспечивает правильную химическую среду и достигает высоких температур при сжигании.Температура, при которой горит древесный уголь, зависит от того, из какой древесины он сделан. Если он был изготовлен из хорошей твердой древесины, его должно быть достаточно легко достичь 600-1500 ° C (1110-2730 ° F). Однако древесный уголь — трудоемкое топливо, и для изготовления всего 2 фунта древесного угля требуется 22 фунта твердой древесины.

      Нам также нужно много кислорода , но он должен быть в нужном месте. С химической точки зрения, восстановительная атмосфера — с низким содержанием кислорода или наполненная водородом — необходима для успешного плавления большинства металлов.В нашей печи это зависело от присутствия окиси углерода. Мы можем сказать, что окись углерода присутствует, по цвету пламени в верхней части печи. Нам нужно искать синее пламя, которое показало бы нам, когда мы подали достаточно кислорода, чтобы обеспечить достаточно горячее пламя, — но не настолько, чтобы мы предотвратили образование окиси углерода (при избытке кислорода только двуокись углерода будет сформирован).

      Нужен правильный баланс. При высокотемпературных пожарах для хорошего горения требуется и кислород, и топливо, но при слишком большом количестве кислорода у нас не будет восстановительной атмосферы.Мы не можем контролировать это точно с имеющимся оборудованием. Поскольку недостаток окиси углерода означает, что с золотом останется немного отходов, а недостаток кислорода будет означать низкие температуры и полное отсутствие плавки, нам пришлось пойти на компромисс.

      Наверх

      Почему сильфоны так важны?
      Ключ к подаче кислорода примерно в правильном количестве — это использование сильфона (механического устройства для вдувания воздуха в огонь). Но работа не так проста, как может показаться.Нам нужны сильфоны, чтобы всасывать воздух из атмосферы и вдувать его в топку. Если воздух вдувается в печь, а затем снова всасывается, кислород в огонь не добавляется. Что еще хуже, мы засасывали горячий воздух в сильфон и плавили его или даже поджигали. Чтобы решить эту проблему, мы сделали односторонний клапан.

      Были ли у нас проблемы?
      Да. Первая проблема заключалась в том, что клапан, установленный на одном из сильфонов, заклинило, и в него попал горячий уголь, воспламенив кожу.Сильфоны тоже сильно нагрелись. Мы решили эту проблему, охладив водой трубу, соединяющую сильфон с печью. Однако в целом сильфоны держались очень хорошо, особенно с учетом того, сколько времени они использовались.

      Насколько жарко нам нужно было идти?
      Нам нужна была достаточно высокая температура, чтобы расплавить золото, и еще немного. Металлы плавятся при разных температурах. Например, свинец плавится при 328 ° C (622 ° F). Если золото чистое, нам нужно более тысячи градусов по Цельсию (1943 ° F), чтобы его расплавить.Это довольно высокая температура! Нам придется как-то следить за этим, чтобы увидеть, сможем ли мы достичь этого с помощью имеющихся ограниченных технологий (и знаний).

      Мы сделали простой термометр, поместив небольшие кусочки свинца, алюминия, латуни и меди на кусок кирпича. Эти металлы плавятся при все более высоких температурах. Вытащив термометр и посмотрев на металлы, чтобы увидеть, какие из них расплавились, мы узнаем температуру. Однако термометр был громоздким и не мог быть размещен в центре печи рядом с золотом, поэтому Джонатан дважды проверил температуру, понизив медную оливку (компонент, используемый сантехниками для соединения труб и т. Д.) в центр печи куском стальной проволоки. Медь плавилась; это означало, что мы занимались бизнесом.

      Итак, как мы поступили? Что ж, мы определенно достигли достаточно высокой температуры, и нам удалось расплавить золото, но, к сожалению, было очень сложно сделать хотя бы один самородок, что было тем, что мы хотели ./p>

      Наверх

      Создание угольной дуги
      Джонатан решил создать угольную дугу. Это метод, при котором электрический ток вынужден перескакивать с одного электрода на другой, образуя яркую дугу, похожую на молнию.Когда это происходит, генерируются очень высокие температуры (до 5500 ° F), которых будет более чем достаточно для плавления нашего теперь очищенного золота. Мы использовали автомобильный аккумулятор для подачи электрического тока и взяли несколько угольных стержней из большой батареи фонарика (старомодный вид батарейки для фонарика с двумя пружинами в качестве клемм и содержащими угольные стержни, а не батарейки типа АА), чтобы сделать электроды. . Джонатан держал электроды с каждой стороны нашего золота, зажигал дугу и плавил его в один самородок странной формы.

      Это был конец наших проблем?
      Ну, почти. Во время процедуры угольной дуги на поверхности золота образовывались ямки, и тигель был сломан. Я хотел схитрить и одолжить газосварочное оборудование в фермерской мастерской, чтобы расплавить золото и сгладить ямы. Другой вариант заключался в том, чтобы снова зажечь печь, но на самом деле не было времени, поэтому вместо этого Джонатан решил отполировать золото.

      А результат?
      Кулон, который немного похож на малька — это блюдо, которое очень любят западные подстаканники Новой Зеландии.Или это креветка? Или это сперматозоиды? Оставим это на ваше усмотрение!

      Наверх

      Вся история стали

      История стали начинается задолго до мостов, двутавров и небоскребов. Это начинается со звезд.

      За миллиарды лет до того, как люди ходили по Земле — еще до того, как Земля вообще существовала — пылающие звезды сплавляли атомы в железо и углерод. В результате бесчисленных космических взрывов и возрождений эти материалы попали в астероиды и другие планетные тела, которые врезались друг в друга при перемешивании космического котла.В конце концов, некоторые из этих камней и металла сформировали Землю, где они будут определять судьбу одного конкретного вида ходячих обезьян.

      В день, потерянный для истории, несколько случайных людей нашли сверкающий метеорит, в основном из железа и никеля, который пролетел сквозь атмосферу и врезался в землю. Так началась навязчивая идея, охватившая этот вид. На протяжении тысячелетий наши предки работали с материалом, открывая лучшие способы извлечения железа из самой Земли и, в конечном итоге, плавления его в сталь.Мы будем бороться за него, создавать и уничтожать вместе с ним нации, развивать с его помощью глобальную экономику и использовать его для создания некоторых из величайших изобретений и структур, которые когда-либо знал мир.

      Металл с небес

      У короля Тутанхамона был железный кинжал — ценный предмет в древнем мире, достойный немногих больше, чем фараон. Когда британский археолог Говард Картер нашел гробницу Тутанхамона почти столетие назад и увидел этот объект, стало ясно, что кинжал был особенным. В то время археологи не знали, что лезвие пришло из космоса.

      Кинжал Тутанхамона из метеоритного железа.

      Политехнический университет Милана

      Железо, получаемое из метеоритов, содержит более высокое содержание никеля, чем железо, добытое из земли и выплавленное людьми. За годы, прошедшие с момента открытия Картера, исследователи обнаружили, что не только кинжал Тутанхамона, но и практически все изделия из железа, относящиеся к бронзовому веку, были сделаны из железа, упавшего с неба.

      Нашим предкам этот экзотический сплав, должно быть, казался присланным существами за пределами нашего понимания.Древние египтяне называли это biz-n-pt. В Шумере он был известен как ан-бар. Оба переводятся как «металл с небес». Сплав железа с никелем был податливым и легко придавал форму без разрушения. Но его запасы были крайне ограниченными, и их доставляли на Землю лишь изредка внеземные цивилизации, что делало этот металл богов более ценным, чем драгоценные камни или золото.

      Потребовались тысячи лет, прежде чем люди начали смотреть себе под ноги. Около 2500 г. до н.э. племена Ближнего Востока обнаружили еще один источник темного металлического материала, спрятанный под землей.Это было похоже на металл с небес — и так оно и было, но что-то было по-другому. Железо было смешано с камнями и минералами и превратилось в руду. Добыча железной руды — это не то же самое, что подобрать потерянный кусок золота или серебра. Удаление железа из подземных царств означало искушение духовного мира, поэтому первые горняки проводили ритуалы, чтобы успокоить высшие силы, прежде чем выкопать руду, согласно книге 1956 года «Кузница и тигель».

      Но вытащить железную руду с Земли было только половиной дела.Еще 700 лет понадобилось древнему миру, чтобы понять, как отделить драгоценный металл от руды. Только тогда действительно закончится бронзовый век и начнется железный век.

      Долгий путь к первой стали

      Чтобы узнать сталь, мы должны сначала понять железо, поскольку металлы почти одно и то же. Концентрация железа в стали составляет от 98 до 99 процентов и более. Остальное — углерод — небольшая добавка, которая существенно влияет на свойства металла. За столетия и тысячелетия до того, как были построены небоскребы, цивилизации изменили и переделали методы плавки, чтобы производить железо, приближаясь к стали.

      Около 1800 г. до н.э. народ вдоль Черного моря, называемый Халибами, хотел изготовить металл прочнее бронзы — то, что можно было бы использовать для изготовления непревзойденного оружия. Они клали железную руду в очаги, ковали ее и обжигали для размягчения. Повторив процесс несколько раз, Халибы вытащили из кузницы прочное железное оружие.

      Майкл Стиллвелл

      То, что сделали Chalybes, называется кованым железом, одним из нескольких основных предшественников современной стали.Вскоре они присоединились к воинственным хеттам, создав одну из самых мощных армий в древней истории. Ни одна нация не могла сравниться с хеттским мечом или колесницей.

      Другой младший брат стали, так сказать, чугун, который впервые начали производить в древнем Китае. Примерно с 500 г. до н.э. китайские мастера по металлу построили печи высотой семь футов для сжигания большего количества железа и дерева. Материал плавили в жидкость и разливали в резные формы, принимая форму кухонных инструментов и статуй.

      Однако ни ковка, ни чугун не были идеальной смесью. Кованое железо Chalybes содержало только 0,8 процента углерода, поэтому оно не имело прочности на разрыв стали. Китайский чугун с содержанием углерода от 2 до 4 процентов был более хрупким, чем сталь. Черноморские кузнецы в конце концов начали вставлять железные прутья в груды раскаленного добела древесного угля, в результате чего получилось кованое железо со стальным покрытием. Но у общества в Южной Азии была идея получше. Индия произведет первую настоящую сталь.

      Около 400 г. до н.э. индийские мастера по металлу изобрели метод плавки, который позволил связать идеальное количество углерода с железом. Ключом была глиняная емкость для расплавленного металла: тигель. Рабочие поместили в тигли небольшие прутья из кованого железа и угольки, затем запечатали контейнеры и поместили их в печь. Когда они подняли температуру печи с помощью дутья из сильфона, кованое железо расплавилось и поглотило углерод из древесного угля. Когда тигли охлаждались, внутри лежали слитки чистой стали.

      Пример раннего глиняного тигля, обнаруженного в Германии.

      SSPL / Getty Images

      Металлургические компании Индии отправили свою «вутц-сталь» по всему миру. В Дамаске сирийские кузнецы использовали этот металл для изготовления знаменитых, почти мифологических мечей из «дамасской стали», которые, как говорят, были достаточно острыми, чтобы резать перья в воздухе (и вдохновляли вымышленные сверхматериалы, такие как валирийская сталь из Игры престолов). Индийская сталь доставлялась до Толедо, Испания, где кузнецы выковывали мечи для римской армии.

      При поставках в Рим абиссинские торговцы из Эфиопской империи служили лживыми посредниками, намеренно дезинформируя римлян о том, что сталь была из Сереса, латинского слова, обозначающего Китай. покорять. Римляне назвали свою покупку серией сталью и использовали ее для изготовления основных инструментов и строительного оборудования в дополнение к оружию.

      Дни железа как драгоценного металла давно прошли. Самые жестокие воины в мире теперь будут носить сталь.

      Священные мечи и самурайская сталь

      Согласно легенде, великий меч Экскалибур был внушительным и красивым. Это слово означает «резаная сталь». Но это была не сталь. Со времен короля Артура и до средневековья Европа отставала в производстве чугуна и стали.

      Средневековый широкий меч с клинком викинга на гербе семьи Де Богун. Фото Криса Рэдберна / PA Изображения через Getty Images)

      Крис Рэдберн / PA ImagesGetty Images

      Когда Римская империя пала (официально в 476 году), Европа погрузилась в хаос.Индия все еще производила сенсационную сталь, но она не могла надежно отправлять металл в Европу, где дороги были неухоженными, торговцы попадали в засады, а люди боялись чумы и болезней. В Каталонии, Испании, рабочие-металлисты разработали печи, аналогичные тем, что были в Индии; «Каталонская печь» производила кованое железо, причем в большом количестве — металла, достаточном для изготовления подков, колес для карет, дверных петель и даже брони со стальным покрытием.

      Рыцари размахивали мечами специальной работы. Они были выкованы путем скручивания железных прутьев, в результате чего на лезвиях оставались уникальные узоры в елочку и плетение.Викинги интерпретировали рисунки как змеиные кольца, а мечи, такие как Экскалибур короля Артура и Тизона Эль Сида, стали мифологическими.

      Однако лучшие мечи в мире были сделаны на другой стороне планеты. Японские кузнецы выковали лезвия для самураев, мастерски разработав технику создания легких, смертельно острых лезвий. Оружие стало семейной реликвией, передаваемой из поколения в поколение, и немногие подарки в Японии были более значительными. Изготовление катаны было делом сложным и ритуальным.

      Японские кузнецы умылись перед изготовлением мечей. Если бы они не были чистыми, то в клинок могли проникнуть злые духи. Ковка металла началась с кованого железа. Кусок материала нагревали углем до тех пор, пока он не стал достаточно мягким, чтобы сложиться. После охлаждения железо нагревали и складывали еще примерно 20 раз, придавая лезвию дугообразную форму, и на протяжении всего процесса ковки и складывания постоянное воздействие на кованое железо углеродистого угля превращало металл в сталь.

      Катана, подписанная Масамунэ, который считается величайшим мастером мечей Японии периода Камакура 14 века.

      Токийский национальный музей в Уэно

      Кузнец использовал глину, уголь или железный порошок для следующего шага, нанося кистью материал вдоль лезвия, чтобы придать окончательный вид. На стали появлялись узоры, похожие на текстуру дерева, с закрученными узлами и рябью. Детали были даже более тонкими, чем чешуя дракона европейских клинков, а японские катаны получили такие названия, как «Дрейфующий песок», «Полумесяц» и «Убийца Сютэн-додзи», мифологического зверя из японских преданий.Пять лезвий, которые остались сегодня, Тенка-Гокен или «Пять мечей под небом», хранятся в Японии как национальное достояние и святые реликвии.

      Из железа и угля

      Первая доменная печь выглядела как песочные часы.

      Вдоль долины Рейна в современной Германии мастера по металлу разработали хитроумное приспособление высотой около 10 футов с двумя сильфонами, расположенными внизу, для размещения большего количества железной руды и древесного угля. Доменная печь стала раскаленной, железо поглотило больше углерода, чем когда-либо, и смесь превратилась в чугун, который можно было легко разлить в форму.

      Это был процесс производства чугуна, который китайцы практиковали 1700 лет, но с котлом побольше. Рабочие вырыли траншеи на полу литейного цеха, которые отходили от длинного центрального канала, давая возможность течению жидкого чугуна. Траншеи напоминали подстилку поросят-сосунов, отсюда и родилось прозвище: чугун.

      Майкл Стиллвелл

      Инновации в железе появились как раз вовремя для западного мира, находящегося в состоянии войны. Изобретение пушек в 13 веке и огнестрельного оружия в 14 веке породило голод по металлу.Чугун можно было заливать прямо в формы для пушек и стволов, и Европа начала выпускать оружие, как никогда раньше.

      Но железная стрела создала проблему. Когда европейские державы начали распространять свою власть по всему миру, они использовали огромное количество древесины как для постройки кораблей, так и для производства древесного угля для плавки. Согласно книге Брука Стоддарда, для одной английской печи требовалось около 240 акров деревьев в год.Британская империя обратилась к неиспользованным ресурсам Нового Света в поисках решения и начала отправлять металл, выплавленный в американских колониях, обратно через Атлантику. Но выплавка чугуна в колониях разрушила бизнес металлургического завода в Англии.

      Ответ на проблемы с топливом в Великобритании дал производитель чугунных котлов. Авраам Дарби провел большую часть своего детства, работая на солодовнях, и в начале 1700-х годов он вспомнил технику из своих дней измельчения ячменя: обжиг угля, горючего камня.Другие пытались плавить железо с углем, но Дарби была первой, кто обжарил уголь перед плавкой. Обжаренный уголь сохранял тепло намного дольше, чем древесный уголь, и позволял кузнецам создавать более тонкий чугун, идеально подходящий для заливки в формы для оружия. Сегодня большую доменную печь Дарби можно увидеть в Музее железа в Коулбрукдейле.

      Англия открыла способность плавить с углем. Но из него все еще не из стали.

      Часовщик и тигель

      Бенджамин Хантсман был разочарован железом.Сплавы, доступные часовщику из Шеффилда, слишком различались для его работы, особенно для изготовления тонких пружин.

      Неопытный глазной врач и хирург в свободное время, Хантсман экспериментировал с железной рудой и опробовал различные способы ее плавки. В конце концов он придумал процесс, очень похожий на древнеиндийский метод использования глиняного тигля. Однако у техники Хантсмана было два ключевых отличия: он использовал обожженный уголь, а не древесный уголь, и вместо того, чтобы помещать топливо в тигель, он нагревает смеси железа и углерода над слоем углей.

      Слитки, полученные в плавильном заводе, были более однородными, прочными и менее хрупкими — лучшая сталь, которую когда-либо видели Европа и, возможно, мир. К 1770-м годам Шеффилд стал национальной опорой производства стали. Семь десятилетий спустя вся страна знала этот процесс, и сталелитейные заводы Англии горели ярко.

      В 1851 году в Лондоне была проведена одна из первых мировых ярмарок — Большая выставка промышленных предприятий всех наций. Хрустальный дворец был построен для этого мероприятия из чугуна и стекла, и почти все внутри было сделано из железа и стали.На выставке были представлены паровозы и паровые машины, фонтаны и фонарные столбы, все, что можно было отлить из расплавленного металла. Мир никогда не видел ничего подобного.

      Прорыв Бессемера

      Генри Бессемер был британским инженером и изобретателем, известным рядом не связанных между собой изобретений, включая краску на основе золотой латуни, клавиатуру для наборных машин и дробилку сахарного тростника. Когда в 1850-х годах в Восточной Европе разразилась Крымская война, он построил новый артиллерийский снаряд удлиненной формы.Он предложил его французским военным, но традиционные чугунные пушки того времени были слишком хрупкими, чтобы стрелять снарядом. Только сталь могла выдержать управляемый взрыв.

      Процесс производства стали в тиглях был слишком дорогим, чтобы производить изделия размером с пушки, поэтому Бессемер решил найти способ производить сталь в больших количествах. Однажды в 1856 году он решил залить чугун в контейнер, а не позволить ему просачиваться в траншею. Оказавшись внутри контейнера, Бессемер выпустил воздух через отверстия на дне.Согласно «Сталь: от рудника к мельнице», все оставалось спокойным около 10 минут, а затем внезапно из контейнера вырвались искры, пламя и расплавленный чугун. Когда хаос закончился, в контейнере осталось чистое железо, не содержащее углерода.

      Картина маслом Э.Ф. Скиннера, показывающая сталь, производимую по Бессемеровскому процессу на заводе Penistone Steel Works, Южный Йоркшир. Около 1916 г.

      SSPLGetty Изображения

      Трудно переоценить влияние этой взрывной плавки.Когда Бессемер использовал сильфон непосредственно на расплавленном передельном чугуне, углерод связывался с кислородом от воздушных потоков, оставляя после себя чистое железо, которое — за счет добавления углеродсодержащих материалов, таких как spiegeleisen, сплав железа и марганца — могло легко превратиться в высококачественную сталь.

      Бессемер построил машину для выполнения этой процедуры: «преобразователь Бессемера». Он имел форму яйца с внутренней облицовкой из глины, а снаружи — из прочной стали. Вверху из небольшого отверстия извергалось пламя высотой 30 футов, когда воздух врывался в печь.

      Однако почти сразу на британском металлургическом заводе возникла проблема. Оказалось, что Бессемер использовал железную руду, содержащую очень мало фосфора, в то время как большинство месторождений железной руды богаты фосфором. Старые методы плавки чугуна надежно удаляли фосфор, но конвертер Бессемера этого не делал, производя хрупкую сталь.

      Майкл Стиллвелл

      Эта проблема беспокоила металлургов в течение двух десятилетий, пока 25-летний клерк британской полиции и химик-любитель Сидни Гилкрист Томас не нашел решение проблемы с фосфором.Томас обнаружил, что глиняная футеровка устройства не реагирует с фосфором, поэтому он заменил глину футеровкой на основе извести. Оно работало завораживающе. Новый метод, позволяющий производить пять тонн стали за 20 минут, теперь можно было использовать на всех металлургических заводах Англии. Старый тигельный процесс Huntsman, который производил жалкие 60 фунтов стали за две недели, был устаревшим. Бессемеровский преобразователь стал новым королем стали.

      American Steel

      На другой стороне Атлантики огромные залежи железной руды остались нетронутыми в американской дикой природе.В 1850 году Соединенные Штаты производили только пятую часть производства железа, чем Великобритания. Но после Гражданской войны промышленники начали обращать внимание на бессемеровский процесс, положив начало сталелитейной промышленности, которая принесла гораздо больше богатства, чем Калифорнийская золотая лихорадка 1849 года. Были дороги, которые нужно было построить между городами, мосты, которые нужно было построить через реки, и железнодорожные пути, которые пролегали в самое сердце Дикого Запада.

      Эндрю Карнеги хотел построить все это.

      Никто не осуществил американскую мечту так, как Карнеги.Шотландский иммигрант прибыл в страну в возрасте 12 лет, поселившись в бедном районе Питтсбурга. Карнеги начал свое восхождение еще подростком-посыльным в телеграфной службе. Однажды высокопоставленный чиновник Пенсильванской железнодорожной компании, впечатленный трудолюбивым подростком, нанял Карнеги своим личным секретарем.

      Эндрю Карнеги.

      Библиотека Конгресса

      «Усеянный звездами шотландец» развил деловую хватку и поднялся по служебной лестнице в железнодорожной отрасли, попутно делая некоторые разумные инвестиции.Ему принадлежали доли в мостостроительной компании, железнодорожном заводе, локомотивном заводе и металлургическом заводе. Когда Конфедерация сдалась в 1865 году, 30-летний Карнеги обратил свое внимание на наведение мостов. Благодаря своей мельнице в его распоряжении было массовое производство чугуна.

      Но Карнеги знал, что умеет лучше, чем чугун. Для прочного моста нужна сталь. Примерно за десять лет до того, как Сидни Томас усовершенствовал конвертер Бессемера футеровкой на основе извести, Карнеги принес в Америку бессемеровский процесс и приобрел железо, не содержащее фосфора, для производства стали.Он основал сталелитейный завод в Хомстеде, штат Пенсильвания, по производству сплава для нового типа зданий, которые архитекторы назвали «небоскребами». В 1889 году все холдинги Карнеги были объединены под одним названием: Carnegie Steel Company.

      К этому моменту Карнеги в одиночку производил примерно вдвое меньше стали, чем вся Великобритания. Дополнительные сталелитейные компании начали расти по всей стране, создавая новые города, в том числе город добычи железа в Коннектикуте, названный «Chalybes» в честь производителей железа древности.

      Америка неожиданно быстро продвигалась к вершине сталелитейной промышленности. Но на сталелитейном заводе Карнеги в Хомстеде, прямо через реку Мононгахела от Питтсбурга, дела пошли прахом.

      Чтобы снизить производственные затраты, заработная плата была низкой. Заработная плата за 84-часовую рабочую неделю составляла менее 10 долларов в 1890 году (около 250 долларов сегодня), а также за непосильный труд на сталелитейных заводах. Несчастные случаи были обычным явлением, а в Питтсбурге воздух был настолько загрязнен, что писатель The Atlantic Monthly назвал «Стальной город» «черт возьми со снятой крышкой».”

      Район Питтсбурга Стрип, смотрящий на северо-запад с крыши Union Station.

      НАСА

      В июле 1892 года между компанией Carnegie Steel Company и профсоюзом, представлявшим рабочих фабрики в Хомстеде, накалилась напряженность. Председатель компании Генри Клей Фрик занял жесткую позицию, пригрозив сократить заработную плату. Рабочие повесили изображение Фрика, и он в ответ окружил мельницу забором из колючей проволоки на три мили, ожидая боевых действий.Рабочие проголосовали за забастовку и впоследствии были уволены, в результате чего мельница получила прозвище «Форт Фрик».

      Около 3000 забастовщиков взяли под свой контроль Усадьбу, вынудив местные правоохранительные органы. Фрик нанял 300 агентов из Детективного агентства Пинкертона для охраны мельницы, и утром 6 июля 1892 года завязалась гражданская битва. Мужчины собрались на берегу реки, бросали камни и стреляли в агентов Пинкертона, пытающихся выбраться на берег на лодках. Бастующие использовали все, что могли найти в качестве оружия, выкатывая старую пушку, поджигая динамит и даже вталкивая горящий вагон в лодки.

      Порядок был восстановлен, когда в город вошел 8 500 батальон Национальной гвардии и ввел в Хомстеде военное положение. В столкновении погибли десять человек. Позже Фрик был застрелен в своем офисе анархистом, который слышал о забастовке, но выжил. Вскоре после этого он покинул компанию, а в 1897 году Карнеги нанял инженера по имени Чарльз М. Шваб (не путать с основателем Charles Schwab Corporation) в качестве нового президента. В 1901 году Шваб убедил Карнеги продать свою сталелитейную компанию за 480 миллионов долларов.Новая компания Шваба объединилась с дополнительными заводами и образовала United States Steel Corporation.

      Милиция штата Пенсильвания прибывает, чтобы подавить боевые действия, как показано в Harpers Weekly от Thure de Thulstrup.

      Библиотека Конгресса

      Американская сталелитейная промышленность продолжала бурно развиваться в ХХ веке. В 1873 году в США было произведено 220 000 тонн стали. К 1900 году на долю Америки приходилось 11,4 миллиона тонн стали, больше, чем в британской и успешной немецкой промышленности вместе взятых.Новая стальная корпорация США стала крупнейшей компанией в мире, производящей две трети стали в стране.

      Это был невиданный ранее уровень производства в мире, но сталелитейные заводы только начинали прогреваться.

      Metal of War and Peace

      Разногласия в US Steel вынудили Чарльза Шваба найти новую работу во главе другой, быстрорастущей компании: Bethlehem Steel. В 1914 году, через два месяца после начала Первой мировой войны, Шваб получил секретное сообщение от британского военного ведомства.Через несколько часов он купил билет, чтобы пересечь Атлантику под вымышленным именем. В Европе он встретился с военным министром Англии, который хотел разместить крупный заказ — с уловом. Британцы хотели, чтобы Вифлеем построил для Англии вооружение на 40 миллионов долларов и не имел дела с врагами короны. Шваб согласился и отправился на следующую встречу, на этот раз с первым лордом Адмиралтейства Уинстоном Черчиллем. Черчилль разместил собственный заказ: подводные лодки для Королевского флота для борьбы с немецкими подводными лодками, и он нуждался в них немедленно.

      HMS E34, британская подводная лодка E-класса в плавучем доке. Она была введена в строй в марте 1917 года, 10 мая 1918 года потопила подводную лодку UB-16 у Харвича в Северном море и заминирована около Фризских островов 20 июля 1918 года. Подлодка была потеряна вместе со всем экипажем.

      Правительство Соединенного Королевства

      Но у Шваба была проблема. Законы о нейтралитете в США не позволяли компаниям продавать оружие комбатантам Первой мировой войны по обе стороны окопов.Не испугавшись, Bethlehem Steel отправила запчасти для подводных лодок на сборочный завод в Монреале якобы для гуманитарных усилий по восстановлению — и американская сталь начала просачиваться в военные усилия союзников.

      Необходимость обходить законы нейтралитета исчезла, когда Соединенные Штаты официально вступили в Первую мировую войну в апреле 1917 года. В 1914 году, когда война только начиналась, Соединенные Штаты произвели 23,5 миллиона тонн стали, что более чем вдвое превышает объем производства за 14 лет. ранее. К концу войны в 1918 году производство снова увеличилось вдвое.Американская сталь дала союзникам решающее преимущество в борьбе с центральными державами.

      Строящийся Эмпайр-стейт-билдинг на фоне Крайслер-билдинг, 1930 год.

      Ирвинг Браунинг / Нью-Йоркское историческое общество Getty Images

      Когда война закончилась, сталелитейное производство США стало сильнее, чем когда-либо. Башни в стиле ар-деко начали прорастать среди горизонтов Нью-Йорка и Чикаго, причем подавляющее большинство стали поступало от двух компаний: U.S. Steel и Bethlehem Steel. Знаменитые сооружения, такие как Рокфеллер-центр, отель Waldorf-Astoria, мост Джорджа Вашингтона и мост Золотые Ворота, были построены из вифлеемской стали. В 1930 году из стали компании был возведен самый высокий в то время небоскреб в мире: Крайслер-билдинг. Менее чем через год Эмпайр-стейт-билдинг с 60 000 тонн стали, поставленной компанией US Steel, достигнет высоты, превышающей Chrysler, и станет непреходящим символом Манхэттена.

      Но небоскребы были не единственной инновацией, вызванной взрывным ростом производства стали.Материал ушел в изобилие автомобилей, бытовой техники и консервных банок. (Две многообещающие компании, Dole и Campbell’s, набирали популярность благодаря долгому сроку хранения их консервов.) Активы Bethlehem Steel и U.S. Steel были оценены выше, чем у компаний Ford и General Motors.

      Это был действительно век стали, но неприятности не за горами.

      После краха фондового рынка в 1929 году производство стали замедлилось, поскольку экономика погрузилась в Великую депрессию.Американские сталевары были уволены, но комбинаты так и не погасли полностью. Железнодорожные пути по-прежнему разбросаны по стране, консервы оставались популярными, а когда Сухой закон подошел к концу, появился новый стальной продукт: стальная пивная банка, представленная в 1930-х годах компанией Pabst для своего пива Blue Ribbon.

      Стальная банка Pabst Blue Ribbon начала 1940-х годов.

      Стальной холст

      После Великой депрессии жаждущие металла двигатели войны снова зажгли литейные заводы мира.Германия двинулась, чтобы оккупировать земли в Дании, Норвегии и Франции, получив контроль над новыми железными рудниками и заводами. Внезапно нацисты смогли производить столько же стали, сколько Соединенные Штаты. На Востоке Япония взяла под свой контроль железные и угольные шахты в Маньчжурии.

      Когда нападение на Перл-Харбор привело Америку во Вторую мировую войну, правительство США запретило производство большинства потребительских товаров из стали. Промышленно развитые страны мира, бросившись головой в мировую войну, начали нормировать сталь для нескольких избранных целей: кораблей, танков, орудий и самолетов.

      Американские заводы выплавляли металл 24 часа в сутки, часто с преимущественно женской рабочей силой. Экономика снова начала расти, и вскоре производство стали в Америке было более чем в три раза больше, чем в любой другой стране. Во время Второй мировой войны США произвели в 25 раз больше стали, чем во время Первой мировой войны. И снова сталелитейные заводы Нового Света сыграли решающую роль в победе союзников.

      Когда война наконец закончилась, США сняли запрет на производство потребительских товаров из стали.Поскольку в настоящее время более половины мировой стали производится в Америке, рынки автомобилей, бытовой техники, игрушек и арматурных стержней (арматуры) для строительства остаются прибыльными, как никогда. Сталь с оставшихся кораблей и цистерн переплавляли в огромных печах для повторного использования в мостах и ​​пивных банках.

      Но за границей острая необходимость в восстановлении и внедрении новых технологий производства стали должна была помочь иностранным металлургическим компаниям процветать.

      Дорога к современной стали

      Даже несмотря на то, что заводы работали без перерыва во время войны, производители еще не усовершенствовали искусство выплавки стали.Понадобится идея, придуманная за 100 лет до окончания Второй мировой войны, чтобы еще раз революционизировать процесс — и, в конечном итоге, свергнуть США как стального короля мира.

      Немецкий ученый и стеклодув Уильям Сименс, живущий в Англии, чтобы воспользоваться преимуществами того, что он считал благоприятным патентным законодательством, в 1847 году понял, что он может продлить время, в течение которого печь поддерживает максимальную температуру, рециркулируя излучаемое тепло. Сименс построил новый стекловаренной печи с небольшой сетью Firebrick трубок.Горячие газы из плавильной камеры выходили через трубы, смешивались с внешним воздухом и возвращались обратно в камеру.

      Стекловаренная печь Сименс нашла свое применение в металлургии почти 20 лет. В 1860-х годах французский инженер по имени Пьер-Эмиль Мартен узнал об этой конструкции и построил печь Сименса для плавки железа. Рециркулируемое тепло удерживало металл в жидком состоянии дольше, чем процесс Бессемера, давая рабочим больше времени для добавления точных количеств углеродсодержащих сплавов железа, которые превратили материал в сталь.А из-за дополнительного тепла можно было переплавить даже стальной лом. На рубеже веков процесс Сименса-Мартина, также известный как мартеновский процесс, получил широкое распространение во всем мире.

      Майкл Стиллвелл

      Перенеситесь в 20-й век, когда швейцарский инженер Роберт Даррер нашел еще лучший способ. Дюррер преподавал металлургию в нацистской Германии. После окончания Второй мировой войны он вернулся в Швейцарию и экспериментировал с методом Бессемера.Он направил в печь чистый кислород (а не воздух, который состоит только из 20 процентов кислорода) и обнаружил, что он более эффективно удаляет углерод из расплавленного железа.

      Дюррер также обнаружил, что, подавая кислород в печь сверху, а не снизу, как на конвертере Бессемера, он может плавить холодный стальной лом в чугун и повторно использовать его в процессе производства стали. Этот «основной кислородный процесс» также отделил все следы фосфора от железа. Этот метод сочетал в себе преимущества печей Бессемера и Сименс-Мартин.Благодаря инновациям Дюррера производство стали в больших количествах снова стало дешевле.

      В то время как страны Европы и Азии немедленно приняли базовый кислородный процесс, американские заводы, все еще находящиеся на вершине отрасли, уверенно продолжали использовать процесс Сименс-Мартин, невольно открывая двери для иностранных конкурентов.

      Нержавеющая сталь и упадок американского завода

      В 1912 году британский металлург по имени Гарри Брирли искал способ продлить срок службы стволов.Экспериментируя с хромом и стальными сплавами, он обнаружил, что сталь со слоем хрома особенно устойчива к кислотам и погодным условиям.

      Бреарли начал продавать сплав стали с хромом своему другу, работающему с столовыми приборами, назвав его «нержавеющая сталь» — буквальное прозвище, подходящее инженеру. Его друг Эрнест Стюарт, которому нужно было продавать ножи широкой публике, придумал более запоминающееся название: нержавеющая сталь.

      Компания под названием Victoria производила стальные ножи для швейцарской армии, когда она узнала о новом антикоррозийном металле из Великобритании.Компания быстро поменяла металл в своих ножах на нержавеющий, что является другим словом для сплава, происходящим от французского слова «нержавеющая сталь», «не окисляемый». Виктория переименовала себя в Victorinox. Сегодня есть хорошие шансы, что вы сможете найти один из них. их красные складные ножи в ящике вашего стола.

      Внезапно нержавеющая сталь стала во всем мире. Антикоррозийный мерцающий металл стал критически важным материалом для хирургических инструментов и предметов домашнего обихода. Колпаки в верхней части здания Крайслер изготовлены из нержавеющей стали. что помогает им сохранять серебряный блеск на солнце.В 1959 году в Сент-Луисе рабочие начали строительство арки ворот из нержавеющей стали, которая остается самым высоким искусственным памятником в Западном полушарии.

      Арка ворот в Сент-Луисе высотой 630 футов.

      Даниэль Швен / Викимедиа

      Но пока Сент-Луис строил Ворота на Запад, остальной мир догонял американское производство стали. Низкая заработная плата за границей и использование кислородного процесса сделали зарубежную сталь дешевле американской стали к 1950-м годам, точно так же, как сталелитейная промышленность пострадала от более дешевого сплава для товаров для дома: алюминия.

      В 1970 году деятельность US Steel как крупнейшей в мире сталелитейной компании прекратилась после семи десятилетий, уступив место японской Nippon Steel. Китай стал крупнейшим производителем стали в мире в 1990-х годах, а Bethlehem Steel закрыла свой завод в Вифлееме в 1995 году. Лишь в конце 20-го века большинство американских сталелитейных заводов окончательно внедрили кислородный процесс. По данным World Steel Association, по состоянию на 2016 год США занимали четвертое место по производству стали.

      Устойчивое будущее стали

      Большая часть нержавеющей стали в мире производится на мини-заводах.Эти металлоконструкции не производят сталь с нуля, а переплавляют стальной лом для повторного использования. Самая распространенная печь на мини-заводе — электродуговая печь, также изобретенная Уильямом Сименсом, — использует угольные электроды для создания электрического заряда для плавления металла.

      Распространение мини-заводов за последние полвека стало решающим шагом на пути к переработке старой стали, но для достижения полностью экологически рациональной выплавки еще предстоит пройти долгий путь. Кованая сталь — известный источник парниковых газов.Основной кислородный процесс, широко используемый до сих пор, был разработан почти столетие назад, когда последствия изменения климата только входили в круг научных исследований. Основной кислородный процесс по-прежнему сжигает уголь, выделяя примерно в четыре раза больше углекислого газа, чем электрические печи. Но полное прекращение использования кислородных дутьев для электрической дуги не является рациональным решением — для вторичной переработки доступно лишь определенное количество стального лома.

      Сегодня металлурги только начинают разрабатывать экологически безопасные методы производства стали.В Массачусетском технологическом институте исследователи тестируют новые основанные на электричестве технологии плавки металлов. Эти методы электроплавки могут значительно снизить выбросы парниковых газов, если их можно улучшить для работы с металлами с более высокими температурами плавления, такими как железо и сталь.

      Схема электролиза расплавленного полупроводника.

      Массачусетский технологический институт / Майкл Стиллвелл,

      Также проходят испытания дополнительные идеи, которые использовались для ограничения выбросов от автомобилей.В феврале прошлого года австрийский производитель Voestalpine начал строительство мельницы, предназначенной для замены угля водородным топливом — технологии, до которой, вероятно, еще не менее двух десятилетий.