Антрацитное железо: история и технология производства

Введение

Вещество, полученное при плавке антрацитового угля и железной руды. Антрацитовое железо, или антрацитный чугун, – это железо, извлеченное путем совместного плавления антрацитового угля и железной руды, то есть с использованием антрацитового угля вместо древесного угля в процессе выплавки железа. Это было важным техническим достижением в конце 1830-х годов, обеспечившим значительное ускорение промышленной революции в Соединенных Штатах и Европе.

История

В отличие от многих основополагающих достижений, участники, место и дата этой эпохи хорошо задокументированы в конкретные моменты конца 1830-х годов. Первыми печами и плавильниками, работавшими стабильно и успешно, управлял один и тот же человек как в Соединенном Королевстве, так и в Соединенных Штатах, под главным контролем и руководством мастера-железнодорожника Дэвида Томаса, который начал экспериментировать с использованием местных залежей валлийского антрацита еще в 1820 году, вскоре после того, как возглавил Yniscedewin Iron Works в Уэльсе. Около 1837–1838 годов эксперименты также проводились в Пенсильвании, недалеко от Порт-Карбона и в современном Джим-Торпе, но в целом с большим успехом, чем в Уэльсе. Компания Lehigh Coal & Navigation (LC&N) и ее два основателя, Джозиа Уайт и Эрскин Хазард, начали систематические эксперименты по выплавке антрацита в двух печах в Джим-Торпе в 1832–1837 годах, добиваясь прерывистых, но периодически улучшающихся результатов с использованием процессов холодного дутья в двух печах различной конструкции. В то время как эта предварительная работа велась по обе стороны Атлантики, другой ум [в Шотландии] работал над решением, которое открыло секрет успеха – мистер Нилсон из Глазго, изобретатель горячего дутья, который в 1828 году получил патент на свое ценное изобретение, значимость которого долгое время оставалась нереализованной. Мистер Томас с большим интересом прочитал брошюру о горячем дутье, выпущенную Нилсоном, и сразу же убедился в ценности открытия. Однажды вечером, сидя с мистером Крейном в своей библиотеке и обсуждая этот вопрос, он взял мехи и начал раздувать антрацитный огонь в камине. «Лучше не надо, Дэвид», – сказал мистер Крэйн, – «ты его потушишь». И Томас ответил: «Если бы у нас было горячее дутье Нилсона, антрацит горел бы как сосна». Мистер Крэйн сказал: «Дэвид, это именно то, что нужно», и оба признали эту идею перспективной. Благодаря неукротимой энергии и настойчивости мистера Томаса она увенчалась успехом. Фактически, это стало началом успешного применения горячего дутья при производстве железа из антрацита. В то же время на заводе Clyde Iron Works в Шотландии была запущена печь, использующая горячее дутье с полубитуминозным углем. Мистер Томас настоятельно рекомендовал мистеру Крейну немедленно внедрить новое открытие, и его отправили в Шотландию, чтобы изучить, как работает этот процесс. После тщательного изучения мистер Томас пришел к выводу, что горячее дутье – это именно то, что нужно для антрацитной печи. Он вернулся в Yniscedwin с лицензией от мистера Нилсона и опытным механиком, разбирающимся в строительстве отопительных печей, и немедленно приступил к строительству печей с горячим дутьем, возведя их у печи, известной как «Купольная печь», размерами 11 футов в горле и 45 футов в высоту. Печь была запущена 5 февраля 1837 года, и успех был полным. С тех пор антрацитное железо прибыльно производилось на этой печи непрерывно. Антрацитное железо стало новым товаром в мировой торговле, а Дэвид Томас был его крестным отцом. Весть об его успехе быстро распространилась по Соединенному Королевству, Лондонский горный журнал уделил ей большое внимание, а отчет об открытии появился в прессе Соединенных Штатов. Однако американские города испытывали нехватку топлива, леса были истощены вблизи крупных городов, а Филадельфии, крупнейшему городу Америки, требовалось топливо для мельниц и литейных заводов, чтобы поддерживать производство. Изобретатель и промышленник Джозиа Уайт (владелец проволочной фабрики, литейного и гвоздильного завода) определил, как сжигать антрацит в доменных печах для переработки железа во время войны 1812 года. Более раннее развитие коксования битуминозного угля, а также антрацитового кокса позволило выплавлять железо с использованием местных источников угля с холодным дутьем в доменных печах после 1830-х годов, что обеспечило производство огромного количества железа, необходимого для создания фундаментальной инфраструктуры ранней Североамериканской промышленной революции, основанной на железных изделиях и лишь частично на стали. В то время железо использовалось в минимальных количествах по сравнению с деревом. Даже большинство железнодорожных путей были проложены деревянными рельсами, иногда усиленными железными полосами. По мере увеличения доступности железа находились новые области его применения, создавая цикл растущего спроса, экспериментов и улучшений – часть революции в промышленном развитии.

Unlike many seminal advances, the contributors, place and date of this epoch are well recorded within specific moments in the late 1830s. The first repeatable and reliably successful furnaces and smelts were managed by the same person in both the United Kingdom and the United States, in the principal control and supervision of ironmaster David Thomas, who began experimenting with attempts to use locally available Welsh anthracite deposits as early as 1820 soon after he became in charge at Yniscedewin Iron Works in Wales. Around this 1837 38 timeframe, experiments were also being made in Pennsylvania near Port Carbon and in present day Jim Thorpe but with overall better success than in Wales. Lehigh Coal & Navigation Company (LC&N) and their two founders, Josiah White and Erskine Hazard, began systematic experiments to smelt using anthracite in two furnaces in Jim Thorpe in 1832–1837 with intermittent but sporadically improved successes using cold blast processes with two differently designed furnaces. Poem quote|While this preliminary work was being done on both sides of the Atlantic, another brain [in Scotland] was at work, which furnished the key that unlocked the secret to success, by Mr. Neilson of Glasgow, the inventor of the hot blast, who in 1828 obtained a patent for his valuable invention, the importance of which was not realized for a long time. The pamphlet on the hot blast, issued by Neilson, was eagerly read by Mr. Thomas, who was at once convinced of the value of the discovery. One evening, while sitting with Mr. Crane in his library, talking the matter over, he took the bellows and began to blow the anthracite fire in the grate. "You had better not, David," said Mr. Crane; "you will blow it out." And Thomas replied, "If we only had Neilson's hot blast here, the anthracite would burn like pine." Mr. Crane said, "David, that is the idea precisely," and this idea both recognized as one which would bear working out; and through Mr. Thomas's indomitable pluck and perseverance it succeeded. In fact, this was the origin of the successful application of the hot blast in making iron with anthracite. In the meantime the Clyde iron works, in Scotland, had put a furnace in operation, using the hot blast with semi bituminous coal in the furnace. Mr. Thomas urged upon Mr. Crane the immediate adoption of the new discovery, and he was sent to Scotland to see how the process worked. After the most careful examination, Mr. Thomas determined that the hot blast was just what was wanted for an anthracite furnace. He returned to Yniscedwin with a license from Mr. Neilson, and an expert mechanic who understood the construction of heating ovens, and at once proceeded to construct hot blast ovens, and erected them at the furnace which was known as the 'Cupola furnace,' 11 feet bosh by 45 feet high. The furnace was blown in, February 5, 1837; the success was complete; and anthracite iron continued to be profitably made from said furnace without intermission [thereafter]. Anthracite iron was a new born commodity in the commerce of the world, and David Thomas was its godfather. The news of his success spread over the United Kingdom; the London Mining Journal gave it great prominence ; and an account of the discovery appeared in the press of the United States.|author=Samuel Thomas|publication= Transactions of the American Institute of Mining Engineers (1899) mine, clean, and break into smaller chunks and requires correct conditions to build heat or hold temperature and sustain burning—which oft depend upon the size and uniformity of the coal particles. Yet American cities were cramped for fuels, woodlands were exhausted near bigger towns and Philadelphia, largest city in America needed fuels for mills and foundries as well to sustain manufacturing. Inventor and industrialist Josiah White (owner of a wire mill, foundry and nail factory), had determined how to burn anthracite in iron working processing furnaces during the War of 1812, The earlier development of coking of bituminous coal, as well anthracite coke enabled the smelting of iron using local coal sources with cold blast air in blast furnaces after the latter 1830s allowed the production of the vast quantities of iron that built the fundamental infrastructure of the early North American Industrial Revolution—which was built on iron products and only some steel. At the time, iron was used minimally with respect to wood. Even most railroad tracks were laid with wooden rails, sometimes covered by iron strapping. As more iron became available, more uses were found for iron, creating a cycle of increasing demand, experimentation and improvements—part of the revolution in industrial revolution.

Развитие процесса

Во время первого энергетического кризиса в Соединенных Штатах лесные массивы вблизи крупных городов и городов восточного побережья Америки становились всё дальше от населённых пунктов и промышленных центров, что приводило к росту цен на топливо для отопления и кузнечного дела, особенно на чистый древесный уголь — традиционно предпочитаемое топливо для выплавки металла и производства стекла, что и породило десятилетия поисков альтернативных источников энергии. К середине 1792 года видные жители Филадельфии основали компанию Lehigh Coal Mine Company (LHCM Co.) с целью доставки антрацита в города, доступные по долине реки Делавэр, в особенности в Филадельфию — крупнейший и наиболее индустриализированный город страны в то время, хотя никто до конца не понимал, как использовать антрацит в качестве единственного топлива — лишь то, что он «мог» гореть «время от времени» при достаточно сильной первоначальной топке, и мог служить дополнением к топливу для печей. Компания LHCM Co. испытывала значительные трудности с доставкой партий угля на причалы в Филадельфии, не говоря уже о возможности организации надёжных поставок топлива для предприятий, рисковавших его использовать, учитывая сложный путь от Лозанны вдоль реки Лехай с её переменчивым уровнем воды, многочисленными камнями и порогами, а затем более чем 70 миль (113 км) по столь же бурной реке Делавэр. В разгар войны 1812 года магнат угольной промышленности Джосайя Уайт поручил своим мастерам систематически проводить эксперименты, чтобы выяснить, как можно добиться надёжного горения каменного угля. Было установлено, что он может использоваться в качестве вспомогательного топлива, и небольшие партии, перевозимые вьючными животными, иногда достигали города, где мельницы и литейные заводы отчаянно нуждались в обходе британской морской блокады, в надежде на возобновление поставок битуминозного угля морским путём из Вирджинии. Эти эксперименты показали, что важна нижняя поддувка, и закрытые дверцы были ключевым фактором. До войны промышленники Балтимора, Бостона, Ньюарка, Нью-Хейвена, Нью-Йорка и Филадельфии импортировали битуминозный уголь судами из Вирджинии и Великобритании, но эти поставки стали труднодоступными или были заблокированы политически из-за войны и предшествующих эмбарго на британские товары. После войны санкции продолжали действовать до разрешения различных пограничных споров, вплоть до территории Орегон и бассейна реки Колумбия.

During the United States' first energy crisis stands of forest near larger towns and America's Eastern Seaboard cities became farther and farther from population and factory centers, raising the price of fuel for heating and smithies, especially clean burning charcoal—long the fuel of preference for smelting and glass making, creating a decades long search for alternative fuels. By mid 1792 prominent Philadelphians had formed the Lehigh Coal Mine Company (LHCM Co.) to bring anthracite to cities reachable via the Delaware River Valley, especially Philadelphia, the nation's largest and most industrialized city at the time, though no one fully understood how to use anthracite as a sole fuel—just that it 'could' burn 'some' of the time with a hot enough base fire, so could augment furnace fuels. The LHCM Co. had great difficulty getting many ark loads of coal to the docks in Philadelphia, much less having capabilities to make reliable deliveries of the fuel to industries risking its use, for the trip from Lausanne along the Lehigh River's variable water height and many rocks and rapids then surviving the over 70 mile (113 km) on the equally untamed Delaware River. In the midst of the War of 1812 iron industry magnate Josiah White set his foremen to systematically conducting experiments as how stone coal could be made to burn reliably. It was recognized as some use aiding other fuels, and pack animal loads occasionally reached the city, which had mills and foundries desperately needing to circumvent the British Naval Blockade, so Bituminous Coal coastal shipments up from Virginia might resume. These experiments established a bottom draught, and closed doors were the key. Before the war, Baltimore, Boston, Newark, New Haven, New York City, and Philadelphia industrialists were importing bituminous via shipload from Virginia and Great Britain, and these supplies became difficult to obtain or blocked politically by the war and its preceding embargoes on British goods. After the war, the sanctions continued until various boundary disputes were resolved as far away as The Oregon Country and the Columbia River basin.

Исторический фон

В период с 1814 по 1818 год предприятия вдоль восточного побережья всё ещё испытывали острую потребность в энергии, когда запросы Хейзарда и Уайта в LHCM Co. показали, что компания и её права были доступны для приобретения. Разочарованные медленным прогрессом работ по будущему каналу Скулкилл, Уайт и Хейзард обратились в законодательное собрание Пенсильвании с просьбой о правах на улучшение и эксплуатацию судоходства на порожистой реке Лехай, что положило начало созданию канала Лехай, который ознаменовал начало регулярных, масштабных и надежных поставок угля в конце 1820-х годов. Обильный приток антрацита оказал значительное влияние на индустриализацию следующего столетия.

Упадок

Открытие месторождений битуминозного угля, подходящего для коксования, в западной части Аллегейнского плато привело к постепенному вытеснению антрацита как топлива. Выпуск чугуна на коксовых печах превзошел выпуск чугуна на антрацитовых печах в 1875 году, а последние антрацитовые печи в США, принадлежавшие компании Lock Ridge Iron Company, перешли на кокс в 1914 году.