Секреты выплавки чугуна и стали на Александровском и Всеволодо-Вильвенском заводах В.А. Всеволжского (Пермский край)
А.В. Захаров
«»»»»»»»»»
Камѣнныя руда – объѢдинѣнiя жѣлѣза съ флогистономъ, углѣродъ – суть существованiя, а высвобождѣнiя жѣлѣза и соѢдинѣнiя аго съ углѣродомъ и другими вѣществами посрѣдствомъ огнѣнной силъ и искусности ковачной и есть то, что въ общепрiнятомъ понiманiи мы называемъ «свинскимъ» и хорошимъ мѣталлом.
(Изъ трактата о мѣталлѣ Мясоводовскаго Братства вольныхъ изыскатѣлѣй)
«»»»»»»»»»
Здравствуйте, уважаемые подписчики, любители истории и путешествий.
Предлагаю отправится в короткое путешествие в «железный» век, который, как ни странно, закончился на Урале не так уж давно.
Сегодня речь пойдет об особенностях выплавки чугуна и железа на Александровском и Всеволодо-Вильвенском заводах В.А. Всеволжского в период времени с конца 18-го века до первой трети 19-го века. Другие чугунолитейные и железоделательные заводы, такие как Пожевской, Елизавето-Пожевской, Мариинский и Никитский я детально затрагивать не буду, так как у меня нет описания металлургических отделений этих предприятий. Скорее всего, на них все было обустроено примерно так, как и на Александровском и Всеволодо-Вильвенском заводах. По Пожевскому заводу коснусь, в основном, лишь темы переделки чугуна, поставляемого с Александровского, а позже и со Всеволодо-Вильвеского заводов, в железо.
«»»»»»»»»»
Краткий ракурс в историю заводов и металлургию чугуна и железа.
«»»»»»»»»»
Александровский чугунолитейный и железоделательный завод на реке Лытва был построен в 1802 -1808 годах.
Началу строительства предшествовала следующая история. На строительство завода претендовали два заводчика – В.А. Всеволжский и И.Л Лазарев. Это был лакомый кусок для каждого, поэтому территориальные споры между ними и судебные тяжбы не утихали много лет. Всеволжский, чтобы получить разрешение для строительства завода, в 1797 году сообщил Бергколлегии (орган горной администрации Российской империи), что намеревается строить один из своих новых заводов по технологии профессора Франца Гаттенберга. В 1799 году последовал указ Бергколлегии, разрешающий строить завод по этой технологии, но требуется указать место и время начала строительства. Всеволжский был не готов к такому повороту событий, и управляющий заводами и имением Воеводин докладывает: «Места для заводов нет». В 1801 году последовал новый указ Бергколлегии, требовавший скорейшего сооружения чугуноплавильных и железоделательных горнов системы Гаттенберна. Однако и в 1801 году Воеводин сообщил: «Нигде еще способного места не избрано». И только весной 1802 года выбор, наконец, был сделан – завод решили строить на реке Лытва. К тому времени главный соперник Всеволжского – И.Л. Лазарев уже умер, а у его наследника Е.И. Лазарева не было намерений заниматься строительством на Лытве. В 1804 году между ним и В.А. Всеволжским был заключен договор о территориальном разделе соседних имений. Заводское место на реке Лытва у Аникиевой горы теперь крепко принадлежало Всеволжскому. В мае 1802 года Бергколлегия издала указ на строительство Лытвенского (впоследствии Александровского) завода. К тому же разрешение, в свою очередь, последовало от Екатеринбургского горного начальства (орган управления горнозаводской промышленностью Урала в начале 19-го века). Первоначально Всеволжский намеревался построить, согласно проекту, две печи и четыре горна. Но потом проигнорировал решение Бергколлегии и отказался от технологии профессора Гаттенберга. Он посчитал внедрение ее делом экономически невыгодным, и вместо этого было решено строить «по старинке» - две «обыкновенные» домны и кричную фабрику (для проковки железа кричными молотами прямого действия).
«»»»»»»»»»
Необходимо внести некоторую ясность в терминологию и сущность металлургического производства в прошлом.
«»»»»»»»»»
Чугун – сплав железа с высоким содержанием углерода (Fe3C) – от 2,14% до 6,67%). Обладает высокой твердостью, но хрупкий, не куется. Разновидности по качеству – серый и белый. Ковкий чугун – это не свойство чугуна коваться, как железо, а торговая марка (ассортимент). Чаще всего является полуфабрикатом для переделки его в железо или исходным продуктом для чугунного фасонного литья. Содержит примеси марганца, кремния, фосфора и серы, влияющие на его механические характеристики. Чугун научились производить только в 16-17 веках в связи с необходимостью литья пушек, ядер, оград, деталей машин и прочего. Температура плавления чугуна ниже, чем у железа (1480-1535 градусов) и составляет примерно 1100 градусов. Но тем не менее, он не мог образоваться в примитивном горне, так как сначала должно образоваться кричное железо Fe(температура1200-1300 градусов), потом его расплавление (температура 1480-1535 градусов) и химическое соединение с углеродом с образованием чугуна FeC. Для производства чугуна были сконструированы специальные печи – домны, в которых можно выплавлять только чугун. Для одновременного производства кричного железа и чугуна были разработаны специальные (комбинированные) печи – «домницы» (блауфены).
Их технологически можно было настроить на три режима - на литье чугуна, на выплавку кричного железа и на получение обоих продуктов одновременно. В последнем случае крицу из домницы можно было извлекать через специальную боковую камеру. Но если не было необходимости получать чугун, а только железо, то чаще всего применяли горны всевозможных конструкций. Домны, как правило, работают в непрерывном режиме длительное время. В процессе работы в них периодически добавляют шихту (смесь руды, угля, флюсов) и сливают шлак с чугуном, а если домна комбинированная, то еще и извлекают железную крицу. Для улучшения производительности домны часто применяли горячее дутье (в отличие от горнового сыродутного).
«»»»»»»»»
Железо/сталь - сплав железа с низким содержанием углерода (FeC) – от 0,02% до 2,14%. Железо пластичное, хорошо куется и легко поддается механической обработке. Содержит примеси кремния, серы, фосфора, марганца, влияющие на его механические свойства. Для улучшения характеристик железа в состав могут вводить другие металлы – хром, ванадий, молибден, никель и другие, получая легированные стали.
Железо научились выплавлять еще до нашей эры, в эпоху «железного» века. Сначала в Древнем Мире широкое распространение получил тигельный способ получения железа.
Тигли изготавливались из смеси песка и жаростойкой глины, могли выдержать температуру до 1650 градусов. Тигли нагревались в горне специальной конструкции. Тигельным способом можно было выплавлять не только железо, но и высококачественную сталь (часто легированную). Именно так получали знаменитую «вутц-сталь», которая в процессе кузнечной обработки превращалась в дамасскую сталь (булат). Слиток тигельной стали был весом 2-3 килограмма, чего вполне хватало на изготовление одного клинка или деталей доспехов. Самое интересное состоит в том, что еще за 1000 лет до нашей эры в Китае в тиглях научились выплавлять чугун. При длительной выдержке в тигле в среде древесного угля, при температуре свыше 1200 градусов происходило науглераживание железа с образованием «синтетического» чугуна. Тигельный способ производства стали не потерял актуальности и до настоящего времени и применяется в кустарном кузнечном производстве в некоторых странах Азии.
Но для массового производства железа наметился более производительный способ – кричный в горнах. Процесс получения железа в виде железной крицы несложен и первоначально производился в так называемых «волчьих» ямах, приток воздуха в которые осуществлялся за счет силы ветра. Позднее над ямами стали делать надстройки – получился горн.
В горне температура в его нижней части обычно не превышала 1300 градусов, поэтому железо не плавилось, а спекалось со шлаком, образуя железную крицу.
Процесс в горне одноразовый, в отличие от домны. Для удаления из раскаленной крицы шлака ее проковывали молотами, одновременно придавая железу прочность и однородность (сваривание крицы). Процесс эволюции горна шел в направлении увеличения дутья и тяги (сыродутного, без предварительного подогрева) и увеличении высоты горна.
Появились более совершенные и производительные горны – штюкофены и осмундские печи (кричные печи).
Осмундская печь отличалась от штюкофена наличием деревянной облицовки для снижения теплопотерь и повышения температуры процесса плавки. Другой разновидностью горнов стали каталонские горны (в юго-западной Европе), которые имели малую высоту, очень интенсивное дутье и непрерывный режим работы.
Штюкофены и каталонские горны имели примерно одинаковую производительность, но чаще всего для получения железа использовали штюкофены. Первоначально масса крицы в горне не превышала 1–2 кг, потом в результате совершенствования конструкции горнов масса крицы возросла до 150 кг. Иногда на дне горна выплавлялось некоторое количество чугуна. Его не использовали, так он не годился для ковки. Поэтому поначалу чугун называли «свинским» железом, а его слиток из него - «чушкой», и зачастую выбрасывали за ненадобностью. Потом научились повторно использовать чугун, превращая его в железо. Самым простейшим способом вторичной переработки чугуна была добавка его в кричную печь вместе с шихтой.
«»»»»»»»»»
Шихта - это смесь различных материалов, предназначенная для плавления с целью получения металла.
В 18 веке шихта составлялась из руды, известняка, древесного угля и некоторых других добавок. Большое внимание уделялось предварительной подготовке руды - она обжигалась, толклась в специальных толчеях и потом смешивалась с другими компонентами. Обжиг руды проводили в кирпичных печах, при этом из руды выгорала сера и прочие примеси, а руда превращалась в спек. Руда в таком виде поступала в толчею с механическим приводом, где пестами превращалась в толчейную кашу. В качестве флюса использовали обожженую известь, получаемую из камня-известняка на месте добычи камня. Флюс был необходим для образования шлаков с целью удаления из металла вредных примесей – серы и фосфора. При производстве стали в тиглях во времена «железного» века в качестве флюса использовали доломитовую муку (доломит давал более легкоплавкие шлаки, чем чистый известняк). В 18 веке смешивание молотой руды, обожженой извести и древесного угля производилось рабочими-засыпщиками, которые вручную загружали эти компоненты через загрузочное устройство печи (колошник и др.)
«»»»»»»»»»
Железная (каменная) руда - сырье для производства чугуна, железа и стали. Основными видами руды являются:
- красный железняк (гематит) Fe2O3;
- магнитный железняк (магнетит) Fe3O4;
- бурый железняк (лимонит) Fe2O3 х nH2O;
- пирит (железный колчедан, серный колчедан) FeS2.
Минералов с содержанием железа в природе много, но практическое значение имеют только те его скопления, где содержание металла превышает 50%. Только такие места можно назвать рудными месторождениями.
Основное месторождение для Кизеловского (завод Лазарева), Александровского и Всеволодо-Вильвенского заводов(Всеволжского) находилось на территории Кизеловского района (Троицкое месторождение). Оно было ближайшее к заводам и в своем составе было представлено главным образом рудами - магнетитом и мартитом. Месторождение было закрыто в 1920-х годах
Магнетит – богатая железная руда черновато-серого цвета, содержит 72,4% железа в виде его оксидов. Магнетит проявляет магнитные свойства, то есть может притягиваться к сильному магниту и отклонять стрелку компаса.
Мартит – тоже богатая железная руда серого или серо-синеватого цвета, содержит 67-69% железа в виде его оксидов и гидроксидов (10-15%), то есть продукт дальнейшего окисления магнетита. Мартит по сравнению с магнетитом в меньшей степени обладает магнитными свойствами.
Также в состав руд входили вольфрам и молибден.
«»»»»»»»»»
Шлак – побочный продукт при производстве металла. Главной составляющей шлака в 18 веке был фаялит. В его состав входили монооксид железа (FeO, 45-50% по массе), кремнезем (25-35%), глинозем (4-6%), известь и магнезия (до 5%), монооксид марганца (MnO, 15%), оксиды щелочных металлов и сера. Железистые шлаки отличаются высокой текучестью и подвижностью, поэтому легко вытекали из печи через отверстия в стенках. В результате плавки с добавлением флюса получали металл с низким содержанием кремния (менее 0,05%), менее 0,5% марганца и менее 0,01% фосфора.
Древесный уголь - микропористый высокоуглеродистый продукт, образующийся при пиролизе древесины без доступа воздуха.
По химическому составу древесный уголь фактически является чистым углеродом. Как правило, применялся кучный способ выжига угля, гораздо более производительный, чем архаичный ямный.
Лес укладывался в кучи определенным способом, укрывался дерном. В дерновое покрытие вставляли деревянные трубки, изготовленные из стволов деревьев с выбранной древесиной. Кучи для углежжения в России называли «кабанами», а процесс подкладки дров – «кормлением кабана». Для получения хорошего угля к качеству древесины предъявлялись определенные требования. Дерево должно быть не слишком молодым, и не старым, так как получаемый уголь был бы низкого качества и не годным для выделки железа. Заготовкой угля для заводов Всеволжского занимались крестьяне (жители деревень) в радиусе 180 км от Александровского завода. В состав бригады входило 8-10 человек. Часто это были члены одной семьи. Одна бригада могла обслуживать 8-12 куч диаметром в основании 5 метров. Процесс выжигания в куче мог продолжаться 8-10 дней.
«»»»»»»»»»
Вернемся теперь на Александровский завод и попытаемся разобраться в вопросе, почему Всеволжский отказался использовать «передовую» технологию Франца Гаттенберга, а решил завод обустраивать по «старинке».
Во-первых, кто такой профессор технологии Франц Гаттенберг? Это профессор Женевского университета в Швейцарии. Известно, что его (вместе с мастерами из Мейсена) пригласили на фарфоровый завод Гарднера (в 100 километрах от Москвы), который производил дорогую фарфоровую посуду (даже для императрицы Екатерины II). Гарднер решил в России наладить выпуск качественного отечественного форфора и «импортозаместить» иностранный, в первую очередь, производимый на Мейсенском заводе в Германии (земля Саксония). В 1783 году предприятие Гарднера получило право ставить на свои изделия изображение Московского герба и считалось лучшим в России фарфоровым предприятием. Впоследствии предприятие Гарднера было преобразовано в завод «Фарфор Виберблок», который является действующим по настоящее время.
Проект Франца Гаттенберга предусматривал для Александровского завода сооружение двух печей (очевидно, что доменных) и четырех горнов (очевидно, что для кричного производства железа). В результате получалось шесть единиц технологического оборудования. Даже если эти печи и горны были верхом совершенства и технологичности (я в этом нисколько не сомневаюсь), то затраты на их содержания были бы чрезмерно высоки. Расчетливый Всеволжский решил вместо всего этого установить две «обыкновенные» чугунолитейные домны. «Обыкновенные» в кавычках потому, что это были комбинированные домны («домницы», блауфены), производившие чугун и железо одновременно. Из них крицу массой до 400-500 кг можно было извлекать через боковую камеру в процессе работы домны. Такая доменная печь называлась «открытая грудь» или «передний горн».
Домна работала длительное время, без погасания, круглосуточно. Шлак и чугун сливали 2-3 раза в сутки. Поэтому и технико-экономические показатели такого производства были довольно высокими. По многолетним показателям выпуска готовой продукции Александровского завода до 1948 года видно, что доля чугуна составляла примерно 78-80 %, кричного железа – 20-22%.
Для дутья в домны на Александровском заводе применялись клинчатые меха двойного действия с приводом от водяного колеса с производительностью 10-15 м. куб в минуту.
В то время уже существовали более совершенные воздуходувные машины – с деревянными поршнями (производительностью до 20-30 м. куб в минуту) и с чугунными поршнями (модель Дж. Сметона 1760 года), своего рода компрессор, с производительностью до 60-70 м. куб. в минуту. Но выбор был сделан в пользу проверенного временем, простого и дешевого, легкого в ремонте клинчатого меха. В его конструкции использовались, в основном, недорогие материалы - дерево и кожа КРС (к примеру, буйволов). Клинчатый мех двойного действия имел две независимые рабочие полости и две клапанные коробки с всасывающими и напорными клапанами. Каждая их полостей работала как мех простого действия.
В 1820 году Александровский завод выпустил 251300 пудов чугуна и 53750 пудов железа. Если в работе круглый год находились в работе две домны с «открытой грудью», то каждая из них могла выпустить в сутки – чугуна 18 чушек весом по 300 кг, железа – 3 крицы весом по 450 кг.
В 1948 году кричный способ производства железа на Александровском заводе был заменен на пудлингование, то есть железо стали производить переделкой чугуна в так называемое сварочное железо (пудлинговый передел).
«»»»»»»»»»
Всеволодо-Вильвенский железоделательный завод на реке Вильва был построен в 1811-1818 годах. Со времени своего основания по 1952 год завод выпускал только железо, причем в кричных печах. То есть использовался самый древний способ получения железа, известный еще с «железного» века.
В истории Всеволодо-Вильвенского завода не нашел информации о типе применяемой кричной печи. Возможны два варианта – либо использовались печи средней производительности – штюкофены, либо «домницы» в режиме выплавки криц, так как производство чугуна первоначально проектом не было предусмотрено. Я больше склоняюсь ко второму варианту – «домнице», так как Всеволодо-Вильвенский завод был последним заводом, построенным В.А. Всеволжским, и успешный опыт Александровского завода мог быть перенесен на Всеволодо-Вильвенский. К тому же, при необходимости «домница» в режиме выплавки криц могла быть легко переоборудована в режим литья чугуна. Все отличие их конструкции состояла в нижней части печи и горна (часть печи, где проходят основные процессы плавки, куда через фурмы подается воздух). Видно, что в конструкции «домницы» Всеволжского присутствуют элементы универсальности и опыта предыдущего использования. Скорее всего, и на Пожевском чугунолитейном и железоделательном заводе стояли такие же «домницы». Ведь не зря Всеволжский решил обустраивать Александровский завод по «старинке», то есть по Пожевскому варианту. А ведь Пожевской завод достался Всеволжскому по купчей от Строгановых. Только в начале 19-го века В.А. Всеволжский с В.П. Воеводиным провели глобальную модернизацию Пожевского завода, в том числе и в технологической части литья металла.
Плавка шихты в одной печи типа штюкофен продолжалась от 4 до 6 часов, после чего раскаленную добела крицу извлекали из печи и проковывали для удаления шлака. Крица могла содержать до 10% шлака по массе. Потери железа со шлаком и в результате отбраковки могли достигать того количества, которое поступало в печь с рудой. За сутки одна печь могла произвести 2-4 крицы весом до 150 кг. После каждой плавки печь нужно было гасить. Если для получения железа на Всеволодо-Вильвенском заводе использовались «домницы», аналогичные по размеру тем, которые стояли на Александровском заводе, и масса получаемой крицы составляла 450 кг (в 3 раза больше, чем в штюкофене), то количество «домниц» должно быть две. Только режим работы их, в отличие от Александровского завода, должен быть не круглосуточным, а периодическим. Тогда количество плавок за сутки равно трем. При таких технико-экономических показателях Александровские «домницы» могли успешно работать и во Всеволодо-Вильве! Поэтому можно смело утверждать, что проектом Всеволодо-Вильвенского завода было предусмотрено сооружение двух «домниц» (аналогичным Александровским) с периодичностью работы каждой 3 раза в сутки с суммарной производительностью обеих – 2,7 тонны железа в сутки.
Давайте проведен проверочный расчет за 1820 год. В этом году было выплавлено 42493 тыс. пудов железа (679 тыс. тонн). Такой его объем мог быть произведен в двух печах – «домницах» за 251 рабочий день (по расчету). В 18 веке количество рабочих дней в году на уральских заводах в среднем составляло 248, что практически совпадает с расчетным значением.
Расчетная потребность сырья Всеволодо-Вильвенского завода для производства железа в 1820 году. Необходимо:
1. 2020 тон. железной руды (Кизеловских рудников - магнетит, мартит). Расстояние от рудника до завода - 22 км, количество рейсов (на крестьянских подводах, по 700 кг) – около 3000 в год, в среднем по 13 – за рабочий день.
2. Не менее 34 тонн обожженой извести (около 50 рейсов в год).
3. Древесного угля – 10-14 тыс. тонн, 31,2 - 48,8 тыс. коробов.
Короб древесного угля на Урале (Кизеловский стандарт) – около 20 кубов, 320 кг.
Для получения угля (углежжения) требуется 48 тыс. – 57 тыс. куб м древесины, необходимо срубить 300 тыс. – 480 тыс. деревьев.
Уральская тайга – в среднем 25 тыс. деревьев на 1 га.
Площадь вырубки 12 – 19 га, 0,12 – 0,19 кв. км.
Это одно большое поле размером, например, 300 х 600 метров.
Чтобы нарубить такое количество леса топором и пилой за пол года (осень, зима) необходимо около 120 человек вальщиков (расчет произведен по нормам Гулага).
Березу валили в возрасте 2-25 лет, ель – в 50-60 лет (полученный уголь был самым лучшим).
Всеволодо-Вильвенский завод выпускал полосовое железо длиной от 3,65 до 4,27 метра, и брусковое – длиной 3,05 метра. Продукция производилась методом горячей ковки на кричной фабрике. В 19 веке этот метод был уже устаревшим, хотя и сохранился на некоторых железоделательных заводах России вплоть до конца 19 века.
Известно, что в 1798 году на Пожевском заводе была построена катальная фабрика с 1 станом, в 1807 году – еще одна с 6 станами. У историков есть предположение, что и на Александровском заводе была построена катальная фабрика. А вот до Всеволодо-Вильвенского завода технический прогресс в области проката в начале 19 века еще не дошел. Скорее всего это было связано с тем, что мощности привода от двух водяных колес порядка 240-250 кВт хватало только на одновременную работу 4-х молотов, воздуходувной машины и толчеи для железной руды (прокатный стан 18 века небольшой мощности мог потреблять порядка 22-25 Квт).
«»»»»»»»»»
Как известно из истории, чугун и железо Александровского и Всеволодо-Вильвенского заводов отправлялись в Пожву – на головной завод В.А. Всеволжского (чугунолитейный, железоделательный и машиностроительный).
Что там делали с железом, понятно каждому, – оно мягкое, ковкое и легко поддается кузнечной, термической и механической обработке. А что же делали с чугуном? Ведь он годился только для фасонного литья и совершенно не поддается ковке и механической обработке. По этой причине чугун на Пожевском заводе переделывали в железо.
Начиная с 16 века и до середины 19 века применялся кричный способ передела (переплавки) чугуна в железо – фришевание («оздоровление» чугуна).
Сущность процесса фришевания заключалась в окислении примесей чугуна в струе воздушного дутья в ходе плавления и стекания капель чугуна по древесному углю. При этом из чугуна последовательно удалялись – кремний, марганец, фосфор и углерод. По мере удаления из металла углерода он переходил в тестообразное состояние, и в результате на поду печи формировалась крица с небольшим количеством шлака, источником которого служили окисленные примеси чугуна и зола древесного угля. Поэтому полученные крицы тщательно проковывали. Как правило, передел чугуна проходил за один этап. В случае содержания в исходном чугуне большого количества примесей, передел проводили в двух кричных горнах – в 2 этапа. Масса полученной крицы достигала 80-120 кг. Такое железо получило название «сварочного».
С середины 19-го века фришевание было заменено пудлингованием, которое просуществовало до конца этого же века.
В пудлинговый горн (печь Корта) загружали топливо, а на под печи – чугун с железистыми шлаками (от доменных печей). Шлаки под действием пламени переходят в тестообразное состояние и частично расплавляются. С повышением температуры чугун начинает плавится. Примеси выгорают за счет кислорода, заключенного в шлаках. Таким образом чугун обезуглероживается и превращается в крицу губчатого железа. Полученную крицу проковывают и отправляют на плющение. Произведенное таким способом железо было в три раза дешевле, чем полученное при фришевании.
«»»»»»»»»»
ПРИЛОЖЕНИЯ
«»»»»»»»»»
Упрощенная схема производства чугуна и железа в доменных печах.
Получаемый продукт - чугун (сплав железа с содержанием углерода от 2,14% до 6,67%). В отличие от чугуна, железо/сталь – металл с содержанием углерода от 0,02% до 2,14%.
Чугун, как и железо, содержит примеси кремния, серы, фосфора, марганца.
Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Сырье для производства (железная руда):
- красный железняк (гематит) Fe2O3;
- магнитный железняк (магнетит) Fe3O4;
- бурый железняк (лимонит) Fe2O3 х nH2O;
- пирит (железный колчедан, серный колчедан) FeS2.
Восстановитель – кокс С.
Флюс – известняк CaCO3.
Известняк является наиболее распространённым флюсом для доменного и агломерационного (современная технология) производства в черной металлургии.
При нагревании известняк разлагается с образованием извести и углекислого газа, образовавшаяся известь и является шлакообразующим компонентом.
Известняк для доменной плавки должен быть кусковатым (крупность 25–60 мм), прочным, не образовывать мелочи, а главное не содержать серы, фосфора и кремнезёма. Эти примеси вредны, так как кремнезём снижает флюсующую способность известняка, а сера и фосфор частично переходят в чугун, ухудшая его качество.
Известняк применяется в дроблёном виде (куски размером до 150 мм в поперечнике) с обязательным отсевом от мелочи и мусора.
Технологическая цепочка.
- Подготовка руды (измельчение крупных кусков, спекание мелких частиц с углем (агломерация).
- Загрузка шихты (руда, кокс, флюсы) в печь через засыпное устройство.
- В печи сгорает кокс. Образовавшийся углекислый газ поднимается вверх и реагирует с коксом с образованием угарного газа.
С + O2 = СO2
CO2 + C = 2СO
Угарный газ восстанавливает оксиды железа до железа.
F2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Образующееся железо опускается в нижнюю часть печи, растворяет углерод и превращается в чугун. Разбавленный чугун собирается внизу печи.
3Fe + 2CO2 = Fe3C + CO2
3Fe + C = Fe3C
Чугун содержит примеси марганца, кремния, фосфора и серы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если не дать возможность железу спуститься вниз и раствориться с большим количеством углерода, а собрать его в виде крицы в горне «домницы» и извлечь через проем печи, то конечным продуктом плавки шихты будет кричное железо.
В печи флюсы разлагаются. Они реагируют с оксидом кремния, образуя легкоплавкий шлак (метасиликат кальция). Происходит процесс обескремнивания железа. Кремний в железе снижает пластичность и уменьшает предел прочности. Шлак собирается над чугуном.
СaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2
4. Чугун и шлак выпускают через летки (отверстия).
5. После этого процесс выплавки чугуна считается законченным.
6. Печь гасят, готовят к следующему циклу и повторяют загрузку печи.
Примечание: Современные доменные печи работают по длительному технологическому циклу, то есть загрузку шихты и выпуск металла производят без погасания печи.
Старинные кричные печи для получения железа – горны, и для получения стали - тигельные работали по одноразовому циклу. «Доменки» - универсальные печи - могут производить чугун, чугун с железом одновременно, или только железо. Железо может получаться только при периодическом цикле работы «доменки».
ПРИМЕЧАНИЕ: Современные печи-вагранки, устанавливаемые в литейных цехах предприятий, предназначены для отливки чугуна из смеси заготовок металла и угля. То есть в них не происходит восстановление железа из его оксидов. Но при необходимости можно и в вагранке получать чугун и железо из руды, так как она по своему конструктиву очень похожа на «доменку» (только стенки более тонкие).
Влияние примесей в чугуне на его свойства:
Фосфор – при повышенном содержании увеличивает хрупкость металла:
Сера – повышает склонность к образованию трещин в металле;
Марганец – не так сильно влияет на механические свойства металла, при содержании до 1,3% даже улучшает качество металла.
«»»»»»»»»»
Схема производства и рециклинга железных изделий.
Яйва. 2024 год.