|
В то время как на Востоке успешно развивали технологию тигельной
плавки высококачественной стали из природно - легированных руд,
на Западе происходило постепенное освоение других металлургических
технологий. Как известно, во 2-й половине 1-го тысячелетия лидерство
в политической жизни Европы принадлежало викингам, франкам и государствам,
располагавшимся в Альпийском регионе. Рассмотрев историю Древнего
мира, мы уже знаем, что политическая гегемония с древнейших времен
базировалась на металлургическом фундаменте.
Ландшафт как важнейший металлургический ресурс
В раннем Средневековье сама природа способствовала развитию
технологий металлургии железа в Скандинавии и Альпийском регионе.
В этих регионах были в достатке легкодоступные богатые железные
руды. Сначала их извлекали непосредственно на поверх-ности земли,
а по мере истощения открытых месторождений железную руду стали
добывать из штолен — горизонтальных или наклонных горных выработок.
Такое ведение горной добычи особенно широко практикова-лось именно
в Альпах, где распространенным видом геологической структуры являются
«горсты», т.е. поднятые по разломам участки земной коры,
богатые рудами металлов.
В Европе горсты образуют вершины с крутым обрывистым южным склоном
и пологим северным с максимальной высотой 1000—1300 метров над уровнем
моря. Классическими примерами горстов являются горы Гарц, что на
территории современных Германии, Австрии и Италии, Вогезы на северо-востоке
Франции, Рудные в Чехии и Германии.
Помимо залежей руд цветных и черных металлов, горсты располагают
лесистыми ущельями и быстрыми горными потоками. Таким образом, в
распоряжении средневековых металлургов находились богатые ресурсы
качественной древесины для выжига угля и мощные потоки воды для
приведения в действие водоналивных колес.
Однако широкое использование дутьевых средств началось в конце
тысячелетия, а до этого металлурги использовали, главным образом,
естественное движение воздуха. И в этом виде ресурсов Скандинавия
и Альпы предоставляли металлургам необходимые возможности.
Север
Европы часто называют страной ветров, возможно, наи-более образно
это отношение к природе Скандинавии и арктичес-ких архипелагов выразил
великий французский романист Виктор Гюго, который писал: «...Северные
фьорды и архипелаги - это царство ветров. Каждый глубоко врезающийся
в побережье залив, каждый пролив между многочисленными островами
превращается в поддувальный мех...
Постоянным движением воздуха отличается и Альпийский реги-он,
особенно его древнейшая металлургическая провинция - Штирия. Таким
образом, средневековый металлург, работавший с крупнейшими агрегатами
своего времени, должен был быть специалистом-«ландшафтоведом»,
т.е. должен был уметь подобно мореплавателю, управ-ляющему кораблем,
«поймать ветер», чтобы извлечь железо из руды. Сыродутные и «каталонские» горны
И в Скандинавии, и в Альпах в VII-VIII вв. стали строить сыродутные
горны высотой больше человеческого роста, причем увеличение высоты
агрегата происходило очень интенсивно и к концу тысячелетия печи
строились высотой до 5 метров.
Какова же причина такого изменения конструкции агрегата? Из-начальное
стремление к повышению производительности печи дало «побочный»
эффект, который неожиданно превзошел первоначальные ожидания средневековых
мастеров. Дело в том, что с увеличением высоты горнов в них стали
существенно улучшаться условия теплооб-мена между опускающимися
сверху железорудными материалами и поднимающимся снизу, от фурм,
восстановительным газом (окси-дом углерода). Можно сказать, что
в печи появилось «дополнительное» тепло. В результате
стали более полно проходить как реакции восстановления железа из
оксидов, так и науглероживания свежевосстановленного железа. Таким
образом, получаемая крица стала более равномерной по химическому
составу, в ней повысилось содержание железа, а
само железо стало более насыщеным углеродом.
|
В вышеупомянутых печах так же, как и в сыродутных
горнах, производимым продуктом оставалась твердая
крица, но в связи с развитием в агрегате процессов
теплообмена их можно отнести и к категории шахтных
печей, которыми считаются появившиеся позднее домницы,
доменные и ваграночные печи. «Двойственная»
природа обсуждаемых скандинавских и альпийских средневековых
печей нашла отражение в их названиях. В Скандинавии
такие печи назывались «осмундскими»
(от «осмунд» - крица), в Альпийском
регионе высокие сыродутные горны получили название
«штюкофены» (от немецких слов «штюк»
— крица и «офен» - печь) в отличие от
обычных сыродутных горнов, за которыми закрепилось
название «реннофен» - печь с «бегущим»
шлаком. Но о штюкофенах и осмундских печах речь
пойдет чуть позже.
Итак, увеличение высоты
металлургического агрегата, приме-нявшееся в конструкции
штюкофенов и осмундских печей, было лишь одним из
направлений увеличения интенсивности его работы.
Собственно производительность процесса экстракции
железа из руды во все времена определялась интенсивностью
подачи в печь дутья.
В раннем Средневековье
был разработан еще один способ по-вышения производительности
сыродутного горна, который заклю-чался в разработке
конструкции низкой, но интенсивно работаю-щей печи,
постоянно подгружаемой шихтой. По пути создания
такого горна пошли металлурги Юго-Западной Европы:
в X—XI вв.: здесь была разработана технология плавки
железа в горнах, получивших название «каталонских».
Каталонские горны появились сначала в испанских,
а затем и во французских Пиренеях. Современники
выделяли три модифи-кации этих агрегатов: собственно
каталонский горн — самый круп-ный по размерам и
производительности, а также наваррский и бискайский
горны несколько меньших размеров. Длина горнов составляла
от 0,6 до 1,2 м, ширина — от 0,6 до 1,0 м и глубина
-0,5-0,8 м.
|
| Рис. 1. Каталонский горн,
снабженный водотрубной возду-ходувкой (тромпой).
1 - пробка, расположенная в верхнем водном резервуаре и
предназначенная для регулирования потока воды в нижний резервуар;
2 - отверстия для всасывания воздуха, выполненные в трубе под
углом 40-45" к горизонту;
3 - труба, служащая для создания пото-ка воды между верхним и
нижним резер-вуарами;
4 - слив воды из нижнего резервуара;
5 — патрубок для отвода воздушного ду-тья к фурменному устройству;
6 - коническая фурма, изготовлявшаяся, как правило, из красной
меди;
7 — железная руда;
8 — формирующаяся железная крица;
9 — железистый шлак;
10- канал для выпуска шлака из горна
|
|
Таким образом, объем рабочего пространства
пиренейских горнов составлял всего лишь 0,3—0,9
м3, что в 5-10 раз меньше объема штюкофенов. И,
тем не менее, они практически не уступали своим
высоким «собратьям» в производительности.
(Необходимо отметить, что каталонский горн применялся только для
заводского производства металла в средневековых Испании и Франции.)*
На
каждом железоделательном заводе устраивалось не менее 10 каталонских
горнов. Они располагались вдоль одной общей стены, которая строилась
со стороны реки, где устраивались водоналивные колеса, приводящие
в действие дутьевые мехи. Эта стена называлась «заводской».
К ней примыкали «фурменная» и «противофурменная»
стены. В фурменной стене под углом около 40° к уровню земли
устанавливалась коническая, слегка сплюснутая фурма из красной меди
длиной около 20 и диаметром 2—3 дюйма.
Противофурменная стена устанавливалась со значительным наклоном
наружу и выполнялась с изогнутым сводом. В лицевой стене предусматривались
два отверстия для ломов и выпуска шлака, а также специальное устройство
для установки «шесточной» железной доски, которая меняла
угол наклона для регулирования загрузки в горн шихтовых материалов.
С
особой ответственностью строили дно горна. Его выполняли из цельного
огнеупорного камня (гранита, песчаника или слю-дяного сланца). Верхнюю
сторону камня тщательно обрабатывали, добиваясь, чтобы она была
гладкой и немного вогнутой. Камни служили от 3 месяцев до полугода.
Под камнем на старом мель-ничном жернове устраивалась «постель»
из дробленого шлака и глины. Трубы над горном не было: выходом для
образующихся газов служило отверстие в крыше заводского помещения.
Перед
началом процесса горн тщательно чистили от остатков предыдущей плавки,
затем засыпали древесный уголь до уровня фурмы и уплотняли его.
На плотную «постель» древесного угля насыпали кусковую
руду (как правило, это был бурый железняк), располагая ее по противофурменной
стене. Дополнительные порции древесного угля размещали около фурменной
стены.
В ходе плавки, по мере выгорания угля и плавления руды, в горн
вводили их новые порции, причем отсутствие жестких требований к
газодинамическим параметрам шихтовых материалов позволяло использовать
руду мелких фракций. Из рудной пыли делали смоченные водой комки,
которые и загружали в горн. Периодически из горна выпускали шлак,
пробивая специально предусмотренные для этого отверстия. Вообще
же контакт крицы с железистым шлаком приносил существенную пользу,
поскольку позволял перевести в шлак большую часть фосфора, присутствие
которого в готовом металле существенно снижало его качественные
характеристики.
Наиболее сложной являлась операция «опускания
руды в горн», для выполнения которой между противофурменной
стеной и рудой вставляли лом и, действуя им как рычагом,
подвигали нижние слои руды к фурме. Сигналом к окончанию
процесса служил белый цвет пламени, который указывал
на начало окисления железа крицы. Обыч-ная длительность
плавки достигала 5—6 часов. Таким образом, за сутки
успевали произвести 3—4 крицы массой 100—150 кг. После
прекращения подачи дутья с крицы сгребали покрывающие
ее шихтовые материалы и в отверстие в лицевой стене
вставляли лом, а второй лом опускали в горн сверху.
Действуя ломами как рычагами, крицу вынимали из горна
по пологой выгнутой противофурменной стене.
В эпоху позднего
Средневековья при нормальном ходе процесса извлечение
железа из руды в крицу достигало 60-70% при расходе
древесного угля 3-3,5 кг на 1 кг крицы. Получался низкоуглеродистый
металл (менее 0,5% углерода). Содержание оксида железа
в шлаке было существенно ниже, чем при применении обычных
сыродутных горнов: оно составляло 35—40%.
Каждый каталонский горн обслуживался бригадой из
8 человек. В состав бригады входили мастер, его помощник,
следивший за работой воздуходувной техники, два плавильщика,
обеспечивавшие процесс производства крицы, молотовой
мастер с помощником, рабочий, готовивший шихтовые материалы
к плавке, и весовщик, осуществлявший контроль за хранением,
расходованием материалов и ведавший учетом готовой
продукции.
Несмотря на кажущуюся простоту
конструкции, каталонские горны находились в эксплуатации
и после появления доменных печей, с которыми они конкурировали
в Испании вплоть до середины XIX в. Секрет «долгожительства»
каталонских горнов объясня-ется применением для их обслуживания
начиная с XVII в. мощных водотрубных воздуходувок, или
так называемых «тромп». Тромпа была изобретена
итальянским инженером Джанбатиста делла Портой, и обеспечивала
не только интенсивную, но и равномерную подачу дутья
в металлургический агрегат.
Штюкофены
и осмундские печи
Теперь более подробно рассмотрим работу штюкофенов
и осмун-дских печей. Отметим, что конструкция агрегатов
была очень похожей, а основные различия заключались
во внешнем «оформлении»: осмундские
печи, как правило, заключались в деревянные срубы, а
конструкция штюкофенов усиливалась снаружи каменной
кладкой. Печи строили многогранного сечения, чаще всего
в виде двух четырехгранных призм с общим большим основанием.
Использова-лась одна фурма, которая устанавливалась
горизонтально в нижней части печи таким образом, что
ниже нее располагались лишь отверстия для выпуска из
печи шлака.
Перед началом плавки внутреннее пространство печи
обмазывали огнеупорной глиной и набивали угольным порошком.
Затем производили «обжигание горна», которое
заключалось в прогреве кладки путем сжигания дров и
некоторого количества древесного угля. После этого печь
наполовину загружали порцией древесного угля, перемешанного
с небольшим количеством легкоплавкой железной руды.
В результате плавления этой первой, или «задувочной»,
шихты стенки нижней части печи покрывались своеобразным
защитным слоем — «гарнисажем». Только после
такой длительной подготовки агрегата переходили собственно
к процессу плавки.
Шихту готовили тщательно: куски руды, представлявшей
собой красный или бурый железняк с содержанием железа
около 50%, дробили до крупности гороха или лесного ореха;
древесный уголь, требования к качеству которого непрерывно
возрастали, измельчали до размера грецкого ореха. Оба
компонента шихты отделяли от мелких частиц и пыли вручную.
Печь наполовину заполняли древесным углем, а затем
загрузку руды и угля производили последовательно горизонтальными
слоями толщииой не более 10—12 см.
После воспламенения древесного угля в нижней части
печи, где проходила реакция неполного горения углерода
угля до монооксида углерода (СО), достигалась температура
1400—1450°С. На верху печи, на колошнике (название
его происходит от слова «колоша», т. е.
мера твердого сыпучего материала) температура отходящих
газов, состоящих, в основном, из СО и азота, составляла
700-900°С. Вот почему отходящий газ при взаимодействии
с кислородом воздуха воспламенялся и непрерывно горел
в течение всей плавки. Основным механизмом восстановления
железа из оксидов была их реакция с твердым углеро-дом,
поэтому содержание СО2, образующегося при восстановлении
железа монооксидом углерода, в отходящих газах было
ничтожным.
Главной составляющей шлака, как и в обычных сыродутных
горнах, был фаялит. Шлак содержал 45—50% монооксида
железа, 25—35% кремнезема, 4-6% глинозема, до 5% извести
и магнезии и до 15% монооксида марганца. Кроме того,
в шлаке в значительных количествах присутствовали щелочи,
фосфор (иногда более 1%) и сера. Железистые шлаки отличаются
высокой жидкоподвижностью, поэтому они легко вытекали
из печи через отверстия в стенках, расположенных несколько
ниже уровня фурмы. Присутствие в рудах монооксида марганца,
взаимодействовавшего с кремнеземом, облегчало восстановление
железа и уменьшало его потери в ходе плавки.
В результате плавки получался металл с низким содержани-ем
кремния (менее 0,05%), марганца (менее 0,5%) и фосфора
(менее 0,01%). Содержание углерода в различных участках
крицы колебалось в широких пределах от 0,05 до 1,5%.
Как известно, температура плавления низкоуглеродистого
железа, составлявшего основную массу крицы, достигает
1480—1520°С, поэтому крица получалась твердой. Однако
с повышением высоты печей и улучшением условий теплообмена
содержание углерода в крице увеличивалось, и с начала
2-го тысячелетия ее часто извлекали из штюкофенов
оплавленной.
Плавка продолжалась 4—6 часов, после чего раскаленную
добела крицу клещами извлекали через пролом в передней
стенке горна. Пролом делался в месте установки фурмы,
что позволяло одновременно производить контроль состояния
и при необходимости замену сопла дутьевого устройства.
В крице оставались включения угля и шлака, составлявшие
до 10% ее массы, поэтому ее уплотняли деревянными молотами,
а затем тщательно проковывали кузнечным молотом для
удаления шлака из мелких пор. Потери железа со шлаком
и в результате отбраковки попрежнему оставались высокими
и могли достигать половины от количества железа, попавшего
в печь с рудой. Всего за сутки с учетом постоянного
ремонта печи успевали произвести 2—4 крицы.
Высоким был и расход древесного угля: непосредственно
на про-цесс экстракции железа из руды он составлял 3-4
кг на 1 кг «сырого» железа, еще столько
же топлива требовалось сжечь при переработке сырца
в товарный продукт. С учетом того, что при производстве
древесного угля масса продукта составляла не более 15%
от массы дров, общий расход высококачественной древесины
на производство 1 кг железа достигал почти 50 кг. Потребность
в древесном угле была столь высока, что к концу тысячелетия
пришлось существенно усовершенствовать технологию его
производства: от архаичного способа выжига в ямах перешли
к более производительной и экономичной технологии получения
продукта в кучах диаметром свыше 3 метров.
Штюкофены и осмундские печи обеспечивали самый высокий
температурный уровень термических процессов раннего
Средневеко-вья. Температура продуктов плавки (крицы
и шлака) в них гарантированно достигала 1400°С,
но условия науглероживания металла в печах все же еще
не позволяли получать в них чугун. Нужен был еще один
шаг, еще некоторое увеличение высоты агрегата, чтобы
получить новое качество и новый продукт процесса, а
именно высокоуглеродистый сплав — чугун. Этот шаг был
сделан после появления печей шахтного типа - «домниц»
(русское название) или «блауофенов» (немецкий
термин) в начале XIV в.
То обстоятельство, что именно металлургическая индустрия
обеспечивала наивысшие температуры в Средневековой
промышленности, было хорошо известно современникам.
У многих народов в это время появляются легенды о металлургах
— пове-лителях огня (пламени).
Возможно, один из наиболее поэтических образов средневеко-вой
металлургии железа создан великим Гете в поэме «Фауст»,
где главный герой обращается к верным слугам темных
сил — воронам — со следующим напутствием: «...Летите к кузнице подгорной, /Где гномы
день и ночь, упорно, /Железо на огне куют. /Трудолюбивый
этот люд /Уговорите дать нам пламя, /Невыразимое словами,
/Каленья белого предел...»
При некоторой условности поэтических форм необходимо
отметить, что автор точно указывает, что кузница (в
данном случае - штюкофен) располагается именно в горной
местности, именно в такой кузнице производится раскаленная
крица - материал с самой высокой в то время температурой.
Рис. 2. Характерная конструкция штюкофена
или «высокого» горна.
* Монополия на производство железа высокого
качества была необходима эти странам, в то время активно
осуществлявшим создание единых государств из многочисленных
феодальных княжеств. Испания и Франция имели мощных
внешних врагов, препятствовавших объединению государств:
Испания осуществляла реконкисту (освобождение из-под
многовекового арабского влияния), а Франция боролась
за лидерство в регионе с Бургундским герцогством, на
территории которого располагались Вогезы - важнейшая
металлургическая провинция средневековой Европы.
П. И. Черноусов
кандидат технических наук доцент
Московского государственного института стали и сплавов.
|
