Японская старинная металлургия - для многих наших современников во многом "вещь в себе". Кто-то слышал, что железо в Японии добывалось из песка, кто-то уверен почему-то, что оно было плохим, кто-то распространяет еще более странные мифы...
Что ж, вот вам - основной техпроцесс получения стали в классических японских плавильных печах "татара". Из того самого песочка, да))
Исходный материал
Это железосодержащие пески, прошедшие процедуру обогащения. Их основных видов - два, черный - "маса" и коричнево-желтый - "акомэ".
Маса содержит в себе магнетит и ильменит, акомэ - магнетит, ильменит и муллит. Вопреки одному популярному мнению, которому был подвержен в том числе и автор этих строк, японское сырье для производства железа почти не содержит в себе изначально "природных" присадок легирующих металлов. По крайней мере, в таких количествах, чтобы это реально сказывалось на качестве стали.
Химический состав железного песка основных видов, в процентах:
Обратите внимание: в японском сырье зато изначально практически нет самых вредных примесей - серы и фосфора. Оно весьма чистое.
Кстати, и маса, и акомэ - пески горные. Не из речки!)) Из речки - кава, прибрежный - хама. Но для производства тамахаганэ они не использовались, применялись только маса и акомэ.
В процессе плавки использовался древесный уголь - разновидности "осуми" ("большой древесный уголь", если буквально переводить). Основное сырье для него - сосна, годились также бук и каштан. Японцы разделяли уголь на несколько категорий, для плавки в татара использовался только осуми. Он содержит около 2-3% золы, из этих двух-трех процентов около трети приходится на CaO. В очень небольших количествах в осуми есть фосфор.
При максимальной нагрузке татара (плавильная печь) была способна выдавать до 60 производственных циклов в год. За эти 60 циклов расходовалось около 810 тонн древесного угля. Деревья для этого выращивались специально на особо контролируемых территориях.
Конструкция татара
Татара - полуподземная конструкция. Это связано с тем, что при плавке было необходимо минимизировать воздействие очень влажного японского климата.
Глубина татара, в зависимости от размеров, полтора-два метра. Самый нижний слой - толстый, глиняный, поверх глины насыпался толстый слой гравия и древесного угля. В центре формировалась дренажная канавка для оттока влаги, которая может просочиться из земли. Выше нее был "хондоко" - основной пол.
Рядом с главной камерой, с хондоко, строились также небольшие боковые камеры - "кобунэ", "маленькие лодки". Их назначение - также отвод боковой влаги и блокировка тепла, идущего от хондоко.
В начале производственного цикла в кобунэ пережигались на уголь и золу дрова, которые затем закладывали в хондоко. После этого их перекрывали, а слой угля на дне хондоко утрамбовывали. Загрузка осуществлялась сверху, верх хондоко был открыт.
После этого над хондоко из особой глины формировали основную часть печи, своеобразную капсулу. Она состояла из "базового горшка" мотогама, среднего - накагама и верхнего - увагама. В базовом канале проделывались фурмы - каналы для подачи воздуха, весьма хитрой формы, продуманной так, чтобы оптимальным способом, с наименьшими трудозатратами поддерживать температуру. Эмпирическим путем к такому пришли, за несколько сотен лет))
Глине для основной капсулы печи, кстати, уделялось особое внимание. Абы какая глина не годилась. Потом уже путем химического анализа установили, что та глина, которую брали на татара, содержала большое количество кремниевой кислоты.
Также в нижней части печи формировались каналы для выпуска шлака. Часть из них делалась как тупиковые в толстом глиняном массиве. На определенной стадии плавки глина истончалась, и каналы открывались автоматически.
Конструкция печи для кэраоси - выплавки железа - отличается от той, что для дзукуоси - выплавки чугуна. Здесь рассматривается татара для кэраоси.
Техпроцесс
Сам процесс выплавки занимал около 70 часов. Три дня и три ночи. Потому его еще иногда именовали "миккаоси" - "трехдневное прессование".
Сначала в печь, прогретую в определенном режиме, засыпали песок акомэ - до линии фурм. Акомэ, в отличие от маса, имел более низкую температуру плавления и лучшие свойства восстановления. Сверху подавали уголь, перемешивали железный песок с углем, и подавали еще угля. Все это долго пережигали, пока не образовывался комочек железного шлака (именно шлака, не нормальной заготовки!).
После этого подавался песок маса, отличавшийся более высокой температурой плавления. Температура внутри печи как раз к этому уровню достигала нужного порога.
И чередовали - слой песка, слой угля, поддерживая дутье на низком уровне. Примерно через 8 часов начинал образовываться слой чугуна (то есть сплав железа с очень большим количеством углерода - песок-то железный вместе с углем горит и плавится!).
Если нужно было получить чугун - на этой стадии его извлекали. Для получения же стали чугун оставляли внутри как "подкладочный".
Через 16 часов после начала процесса заготовка - кэра - начинала уплотняться. Все это время непрерывно подается и железный песок, и древесный уголь, и накачивается воздух.
Через тридцать четыре часа стенки печи начинают утоньшаться. Верхняя часть татара, та самая плавильная капсула - она одноразовая. Только нижняя выдерживает много циклов, верхнюю всякий раз собирают заново.
Через семьдесят часов глиняные стенки печи прогорают до такой степени, что еще чуть-чуть - и развалятся. Тогда процесс останавливают, печь остужают, стенки верхней капсулы ломают и достают заготовку - кэра. На этой же стадии от кэра отделяют чугун.
Печь обыкновенных размеров за один 70-часовой цикл выдавала примерно 2,8 тонны кэра (стальной заготовки) и 0,8 тонны чугуна. На это уходило около 13 тонн железного песка обоих видов и столько же тонн угля.
Слиток кэра содержит сталь с разным содержанием углерода. Высокоуглеродистая - и есть та самая тамахаганэ. Когда слиток разбивают молотами, полученные куски сортируют "на глазок". Тамахаганэ получается примерно около трети от всего слитка, то есть примерно тонна за производственный цикл одной печи.
Не так уж мало, а?)
За предоставленную информацию особая благодарность выражается Масамунэ Датэ))