Кіріспе
Темірді оның оксидтерінен балқыту үшін бұрын кеңінен қолданылған пеш түрі – блумэри. Блумэри – темірді оның оксидтерінен балқытуға қабілетті ең ерте металлургиялық пеш. Блумэриде бұта деп аталатын кезекті темір мен шлак массасы түзіледі. Бұтадағы шлак пен темірдің қоспасы, көбінесе біріктіріліп, одан әрі қаққыр темірге айналдырылады. Шойын өндіретін доменді пештер блумэрилерді көбінесе ығыстырды.
A bloomery is a type of metallurgical furnace once used widely for smelting iron from its oxides. The bloomery was the earliest form of smelter capable of smelting iron. Bloomeries produce a porous mass of iron and slag called a bloom. The mix of slag and iron in the bloom, termed sponge iron, is usually consolidated and further forged into wrought iron. Blast furnaces, which produce pig iron, have largely superseded bloomeries.
Процесс
Гүлхана – ыстыққа төзімді қабырғалары топырақтан, саз балшықтан немесе тастан жасалған шұңқыр немесе мұржа. Төменгі бөлігінде бір немесе бірнеше құбыр (саз балшықтан немесе металдан жасалған) қабырға арқылы өтеді. Бұл құбырлар, туйерлер деп аталады, ауаны пешке табиғи тартым күшімен немесе үрлегішпен немесе торпедамен жібереді. Гүлденуді алу үшін гүлхананың төменгі жағындағы тесіктен алуға болады немесе гүлхананы аударып, гүлденуді үстінен алып тастауға болады. Гүлхананы пайдалануға кіріспес бұрынғы қадам – көмір және темір кенін дайындау. Көмір – дерлік таза көміртек, ол жану кезінде балқыту процесіне қажетті жоғары температураны және металды тотығудан қорғауға қажетті көміртек монооксидін қамтамасыз етеді. Кенді кішкентай бөлшектерге бөліп, отта қыздырады, бұл тас негізді кенді оңай бөлуге, кейбір қоспаларды күйдіруге және (аздаған дәрежеде) кендегі ылғалды жоюға көмектеседі. Кендегі ірі қоспаларды (мысалы, кремнийді) ұнтақтау кезінде алып тастауға болады. Бөлшектердің қажетті мөлшері негізінен қол жетімді кеннің түріне байланысты болады, бұл пештің орналасуы мен жұмыс істеуіне де әсер етеді, оның көптеген аймақтық, тарихи/дәстүрлі түрлері бар. Табиғи темір кендері тотықсу түрінде (/ / ) және, ең маңыздысы, темірдің салыстырмалы мөлшері бойынша айтарлықтай өзгереді. Бұрынғы гүлденуден алынған шлак темірге бай болуы мүмкін, сондықтан оны бөлшектеп, жаңа кенмен бірге гүлханаға қайта өңдеуге болады. Жұмыс кезінде, гүлхананы әдетте ағаш отымен қыздырғаннан кейін, өлшемді көмірді жағуға көшеді, содан кейін темір кені мен қосымша көмір үстінен салынады. Дәстүрлі әдістер әртүрлі, бірақ әдетте негізгі балқыту кезеңінің басында кеннің кішкентай порциялары қосылады, балқыту барысында олардың мөлшері артады. Жалпы, қосылған көмірдің кенге қатынасы шамамен 1:1 болады. Пештің ішінде көмірдің толық емес жануынан пайда болатын көміртек монооксиді кендегі темір тотықтарын металл темірге дейін тотықсыздандырады, кенді балқытпай. Бұл гүлхананың кеннің балқу температурасынан төмен температурада жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Гүлхананың күтілетін өнімі – оңай соғылатын темір болғандықтан, оның көміртек мазмұны төмен болуы керек. Температураны және көмірдің темір кеніне қатынасын темірдің тым көп көміртек сіңіріп алып, соғылмайтындықтан сақтау үшін мұқият бақылау керек. Құйма темір, егер темір 2-4% көміртек сіңірсе пайда болады. Гүлхана өзіндік флюстурлеуге қабілетті болғандықтан, шлак түзу үшін әк қосу қажет емес. Осылайша алынған темірдің кішкентай бөлшектері пештің түбіне түсіп, онда еріген шлакпен бірігеді, көбінесе фаялиттен тұрады, ол кремний, оттегі және темірдің қоспаларынан тұрады. Ыстық сұйық шлак пештің түбіне ағып, пештің төменгі және бүйір қабырғаларына қарсы салқындап, әлі де сұйық шлақты қамтитын шұңқырды құрайды. Темір бөлшектері пайда болғанда, олар осы шұңқырға түсіп, өз салмағымен сіңіп, гүл деп аталатын кеуекті массаны құрайды. Гүл әдетте кеуекті болғандықтан және оның бос кеңістіктері шлакқа толы болуы мүмкін, алынған массаны қуыстарды қысу және қалған шлақты шығару үшін ауыр балғалармен соғу қажет. Бұл процеске жоғары "дәнекерлеу" температурасында жұмыс істейтін бірнеше қосымша қыздыру және тығыздау циклдары қажет болуы мүмкін. Осылай өңделген темірге "соғылған" (өңделген) темір дейді, ал нәтижесінде алынған шлак азырақ темірге "соғылған темір" немесе "табан темір" дейді. Өндіріс процесінің нәтижесінде, жеке гүлдер көбінесе бастапқы үстіңгі және төменгі беттері арасында әртүрлі көміртек мазмұнына ие болуы мүмкін, бұл айырмашылықтар тегістеу, бүктеу және балғамен дәнекерлеу кезінде біртіндеп араласады. Гүлханаға салынатын заттың зарядын және ауа ағынын өзгерту арқылы болатпен қапталған гүлдерді (яғни, көміртек мазмұны жоғары темірмен) қасақана жасауға да болады. Қазіргі заманғы коммерциялық болат өндірісінің дәуірі басталғанда, "гүл" сөзі басқа мағынаны білдіретін болды – дәстүрлі темір гүлдерінің мөлшерімен салыстыратын, болаттан жасалған аралық өнім.
Тарих
Темір дәуірінің басталуы әлемнің көп бөлігінде гүлді темірді (bloomery) алғаш рет кеңінен қолданумен бірге жүреді. Бұрынғы темір үлгілері табылғанмен, олардың жоғары никель құрамы метеориттік темір екенін көрсетеді. Басқа ерте темір үлгілері мыс балқыту кезінде темір кенін кездейсоқ қосу арқылы алынған болуы мүмкін. Таяу Шығыста темір б.з.д. 3000 жылға дейін балқытылған, бірақ мыс шеберлері темірді танымағандықтан, оны көп уақыттан кейін ғана қолданды. Батыста темірді б.з.д. 1200 жыл шамасында қолдана бастады.
Шығыс Азия
Қытай ұзақ жылдар бойы балқыту пештерін (bloomeries) қолданудан гөрі ерекше жағдай ретінде қарастырылып келді. Қытайлықтар балқыту процесін толығымен өткіріп жіберген, бірден доменді пештер мен ұнтақ темір өндіруге көшкен деп есептеледі; б.з.д. V ғасырында оңтүстік У мемлекетіндегі металлургтер доменді пешті, сондай-ақ темірді құю және доменді пеште өндірілген, көміртегіге толы шойынды төмен көміртекті, ұнтақ темірге айналдыру тәсілдерін ойлап тапқан. Алайда, жақындағы дәлелдер ежелгі Қытайда балқыту пештері бұрын қолданылғанын көрсетеді, б.з.д. 800 жылға дейін батыстан келген, бірақ кейіннен жергілікті түрде дамытылған доменді пештермен ығыстырылған. Бұл теорияны Цинь әулетінің герцогы Цзиннің (б.з.д. 537 ж. қайтыс болған) қабірінен табылған "оннан астам" темір қазу құралдарының табылуы қолдайды. Оның қабірі Шанси провинциясының Фэнсян ауданында орналасқан (қазіргі таңда сол жерде мұражай бар).
Сахарадан оңтүстікке қарай Африка
Шығыс Африкадағы блюмери типті пештердің ең ерте жазбалары ежелгі Судандағы Нубияда табылған балқытылған темір мен көміртектің қалдықтары болып табылады, олардың жасы кем дегенде б.з.д. жетінші-алтыншы ғасырларға дейін жетеді. Нубиялықтар мен кушиттер үшін металл құралдар жасаған ежелгі блюмери пештері артық өнім өндіріп, сатуға шығарған. Сахара асты Африканың барлық дәстүрлі темір балқыту процестері – бұл блюмери процесінің түрлері. Африкадағы темір металлургиясының пайда болуы туралы көп пікірлер бар. Батыс Африкадағы блюмери типті пештерде балқыту және құралдарды жасау кем дегенде б.з.д. 550 жылы, тіпті бірнеше ғасыр бұрын Орталық Нигериядағы Нок мәдениетінде пайда болған. Сондай-ақ, дәлелдер б.з.д. 750 жылы Опиде (Огастин Холл, 2009) және б.з.д. 2000 жылы Леджада (Памела Эзе Узомака, 2009) темір балқытуға арналған блюмери типті пештердің болғанын көрсетеді, екі орын да қазіргі Игболанды аймағындағы Нигерияның оңтүстік-шығысында орналасқан. Пештердің көшірмелерін пайдалана отырып жүргізілген сынақтар осы типтегі пештердің ауамен жабдықтау принципінің мәжбүрлі немесе табиғи желдеткіштен өзгеше екенін және олардың жоғары көміртекті болат өндіруге қабілетті екенін растады. Темір ұнтақ темір Делидегі темір бағананың құрылысында қолданылды, ол Гупта империясы кезінде біздің заманымыздың үшінші ғасырында салынған. Бағана дискі тәрізді темір ұнтақтарынан тұратын биік құрылымнан тұрғызылған. Қытай сияқты, Үндістанда да жоғары көміртекті болат ақырында қолданылды, бірақ құйма темір сәулетте тек қазіргі заманға дейін қолданылмады.
Ертедегі ортағасырлық Еуропа
Ертедегі еуропалық гүлдеу пештері салыстырмалы түрде кішкентай болды, негізінен адам күшімен жұмыс істейтін үрлегіштердің механикалық шектеулері мен қолмен соққылы балғалармен қолдануға болатын күш мөлшеріне байланысты. Археологиялық тұрғыдан Римге дейінгі темір дәуірінен белгілі болғандары көбінесе 2 кг салмақта, төменгі шахталы пештерде жасалған. Рим дәуіріндегі өндірісте табиғи тыныс әсерін тудыруға жеткілікті биіктіктегі пештер жиі қолданылды (200 см дейін), ал гүлдің мөлшері 10–15 кг аралығына дейін артты. Заманауи тәжірибешілер Солтүстік Еуропа үлгісіндегі «қысқа шахталы» пештерді, 5–10 кг ауқымдағы үрленген ауамен жабдықтап, гүлдерді жасауды қалыпты жасайтын. Бірінші мыңжылдықтың соңында кеңінен тараған және үлкен балғаларды қуаттандыру үшін қолданылған су доңғалақтары гүлдеу пештерінің үлкеніп, қызуына мүмкіндік берді, ал олармен байланысты соққылы балғалар жасалған үлкен гүлдерді біріктіруге мүмкіндік берді. 14 ғасырдың соңында прогрессивті түрде үлкен гүлдеу пештері салынды, олардың сыйымдылығы шамамен 15 кг болды, бірақ ерекшеліктер де болды. Еуропалық гүлдердің орташа мөлшері тез 300 кг-ға дейін өсті, содан кейін гүлдеу пештері тоқтағанға дейін сол деңгейде тұрақталды. Гүлдеу пешінің мөлшері артқан сайын темір кені жану көміріне ұзақ уақытқа тосылады. Үлкен кен мен көмір үймесіне енуге қажетті күшті ауа ағынымен біріктірілгенде, темірдің бір бөлігі балқып, процесте көміртегімен қанығуы мүмкін, нәтижесінде иленбейтін шойын пайда болады, оны тотықтыру арқылы құйма темірге, болатқа және темірге айналдыру қажет. Бұл шойын ең ірі гүлдеу пештерінің өнімділігін төмендеткен пайдасыз өнім ретінде қарастырылды, ал құрылысы бірдей, бірақ балқытылған темір өндіруге арналған алғашқы биік пештер 14 ғасырға дейін салынбады. Гүлдеу пеші типті пештер әдетте өте аз көміртекті темірден 0,2–1,5% көміртегі бар болатқа дейінгі темір өнімдерінің кең ауқымын өндірді. Шебер темірші төмен көміртекті темірдің бөліктерін таңдап, оларды көмірлендіріп, әр түрлі болатты біріктіріп, темір парақтар жасады. Тіпті көмірлендірілмеген гүлге қолданғанда да, соққылы, бүгіп, дәнекерлеу процесі біртекті өнімді қамтамасыз етті және шлактың көп бөлігін жойды. Жоғары сапалы болат қажет болған кезде, мысалы, қылыш жасағанда, бұл процесс 15 рет қайталанатын. Баламасы – дайын өнімнің бетін көмірлендіру. Әр дәнекерлеу кезіндегі қыздыру көміртегінің бір бөлігін тотықтырады, сондықтан шебер бастапқы қоспаға жеткілікті көміртегі қосылғанын тексеруі керек. Англия мен Уэльсте 1491 жыл шамасында Уэльдке биік пеш келгеніне қарамастан, балға мен үрлегіш үшін су қуатын пайдаланған гүлдеу пештері 1580 жылдан кейін Батыс Мидлендс аймағында жұмыс істеді. Фурнесс пен Камберлендте олар 17 ғасырдың басында жұмыс істеді, ал Англиядағы соңғысы (Гарстанг маңында) 1770 жылға дейін жабылмады. Еуропадағы ең көне биік пештердің бірі Швециядағы Лапфиттанда табылды, көміртек-14 деректері бойынша ол 12 ғасырға жатады. Швециядағы ең көне гүлдеу пеші, сондай-ақ сол аймақта табылған, көміртек-14 деректері бойынша б.з.д. 700 жылға жатады. Гүлдеу пештері Испанияда және Оңтүстік Францияда Каталонияда 19 ғасырдың ортасына дейін, ал Австрияда 1775 жылға дейін сақталды.
Америка
Колумбқа дейінгі Америкада темір балқыту белгісіз болған. Ньюфаундлендтегі Л’Анс-о-Медоустағы қазба жұмыстары скандинавтардың балшықты темірді өңдеу және гүлдестеде темір өндіру жөнінде маңызды дәлелдерін тапты. Л’Анс-о-Медоустағы викинг дәуіріне (шамамен 1000–1022 ж.б.д.) қатысты құрылыстар, теңіз террасасында, қамыстың құрғақ батпағы мен мұхиттың арасында орналасқан. Археологиялық зерттеулерден алынған шлактың аз мөлшеріне сәйкес, бір рет балқыту кезінде шамамен 15 кг шлак өндірілген. Мақсатты түрде салынған «пеш үйінде» табылған алғашқы балшықты темір кенінің темір құрамын, осы шлақта қалған темірмен салыстыру арқылы шамамен 3 кг темір гүлі өндірілген. Жақсы темірге бай кеннен ең көп дегенде 20% өнімділік екенін ескерсек, кенді өңдеген жұмысшылардың аса білікті еместігін көрсетеді. (Маңызды мәселе – 3 кг шикі гүлдену 3 кг қалпына келтірілген шегелер мен қадаларды жасау үшін жеткілікті тазартылған темірге айналдырылмайды.) Американы испан отарлау кезінде, гүлдестелер немесе «каталондық балқымалар» кейбір миссиялардың, энкомендалардың және пуэблолардың «өздігінен қамтамасыз етуінің» бір бөлігі болды. Алта Калифорниядағы францискандық испан миссияларының бір бөлігі ретінде, 1790 жылдардағы Сан-Хуан Капистрано миссиясындағы «каталондық балқымалар» қазіргі Калифорния штатындағы өз түріндегі ең көне нысан болып табылады. Гүлдесте орналасқан тақтада бұл орын «Оранж округінің алғашқы өнеркәсіптік кешенінің бөлігі» деп жазылған. Вирджиния штатының Джеймстаун қаласындағы (шамамен 1610–1615 жж.) археологиялық зерттеулер Винлендтегідей қарапайым, қысқа шахталы гүлдесте пешінің қалдықтарын тапты. Он үш колонияның ағылшын қоныстанушылары заңмен өндіріске тыйым салынды; бір кезде британдықтар шеберлердің көп бөлігін отандық жерлерде орналастыруға тырысты. Шындығында, бұл революцияға әкелген мәселелердің бірі болды. Фоллинг-Крик темір зауыты АҚШ-тағы алғашқы темір зауыты болды. Неабско темір зауыты – Вирджинияның жұмыс істейтін американдық өнеркәсіпті құруға жасаған ертедегі тытысының мысалы. Колониялық Пенсильваниядағы ең алғашқы темір балқыту – 1716 жылы құрылған Поттстаун маңындағы Томас Раттердің гүлдесте зауыты. Нью-Йорк штатының Адирондак тауларында 19 ғасырда ыстық үрлеу техникасын қолдана отырып, жаңа гүлдестелер салынды.