Плавильная печь для выплавки железа из руды: описание домницы.

Введение

Тип печи, ранее широко использовавшийся для выплавки железа из его оксидов.

Блумэри – это тип металлургической печи, которая когда-то широко использовалась для выплавки железа из его оксидов. Блумэри была самой ранней формой плавильной печи, способной выплавлять железо. Блумэри производят пористую массу железа и шлака, называемую крицей. Смесь шлака и железа в крице, называемая губчатым железом, обычно уплотняется и затем выковывается в кованое железо. Доменные печи, производящие чугун, в значительной степени вытеснили блумэри.

Процесс

Цветочный горн – это яма или шахта с теплостойкими стенками из земли, глины или камня. В нижней части через боковые стенки проходят одна или несколько труб (из глины или металла). Эти трубы, называемые фурмами, обеспечивают подачу воздуха в печь естественным тяжением или принудительно, с помощью меха или воздушного насоса (trompe). Отверстие в нижней части горна может использоваться для извлечения крицы, либо горн можно опрокинуть и извлечь крицу сверху. Первым шагом перед использованием горна является подготовка древесного угля и железной руды. Руду измельчают на мелкие куски и обычно обжигают на костре, чтобы облегчить дробление кусковой руды, удалить часть примесей и (в меньшей степени) влагу. Желаемый размер частиц зависит главным образом от доступного типа руды, что также влияет на конструкцию и работу горна, разновидностей которых существует множество региональных и традиционных. Природные железные руды могут значительно различаться по форме оксидов ( / / ) и, что важно, по содержанию железа. Шлак от предыдущих плавок, содержащий значительное количество железа, также можно измельчить и переплавить вместе с новой рудой. В процессе работы, после прогрева горна, как правило, дровами, переходя к сжиганию древесного угля, сверху загружают железную руду и дополнительный древесный уголь. Традиционные методы различаются, но обычно в начале плавки добавляют небольшие порции руды, постепенно увеличивая их количество по мере продвижения процесса. В целом, типичное соотношение общего количества добавленного древесного угля к руде составляет примерно один к одному. Внутри горна монооксид углерода, образующийся при неполном сгорании древесного угля, восстанавливает оксиды железа в руде до металлического железа, не расплавляя её; это позволяет горну работать при температурах ниже температуры плавления руды. Поскольку конечным продуктом горна является железо, пригодное для ковки, оно должно содержать мало углерода. Температуру и соотношение древесного угля к железной руде необходимо тщательно контролировать, чтобы железо не поглотило слишком много углерода и не стало нековкаемым. Чугун образуется, когда железо поглощает от 2% до 4% углерода. Поскольку горн является самошлакующимся, добавление известняка для образования шлака не требуется. Мелкие частицы железа, образующиеся таким образом, оседают на дно горна, где они соединяются с расплавленным шлаком, часто состоящим из фаялита – соединения кремния, кислорода и железа с другими примесями из руды. Горячий жидкий шлак стекает вниз к основанию горна, охлаждается, соприкасаясь с его дном и нижними боковыми стенками, образуя своего рода чашу, в которой остается жидкий шлак. По мере образования отдельных частиц железа они оседают в этой чаше и спекаются под собственным весом, образуя пористую массу, называемую крицей. Поскольку крица обычно пористая, а её поры могут быть заполнены шлаком, извлеченную массу необходимо отбивать тяжелыми молотами, чтобы уплотнить пустоты и удалить остатки расплавленного шлака. Этот процесс может потребовать нескольких циклов нагрева и уплотнения при высоких "сварочных" температурах. Железо, обработанное таким образом, называется кованым (обработанным), а полученное железо с уменьшенным содержанием шлака – кованым железом или сортовым железом. Из-за особенностей процесса, содержание углерода в разных частях крицы (верхней и нижней) может отличаться, и эти различия сглаживаются в процессе сплющивания, складывания и сварки молотком. Также возможно намеренное получение криц с поверхностным слоем стали (т.е. железа с более высоким содержанием углерода) путем регулирования загрузки и подачи воздуха в горн. С началом эры современного коммерческого сталелитейного производства термин "крица" стал использоваться для обозначения промежуточного продукта сталелитейного производства, по размеру сопоставимого с традиционными железными крицами, который готов к дальнейшей переработке в заготовки.

A bloomery consists of a pit or chimney with heat resistant walls made of earth, clay, or stone. Near the bottom, one or more pipes (made of clay or metal) enter through the side walls. These pipes, called tuyeres, allow air to enter the furnace, either by natural draught or forced with bellows or a trompe. An opening at the bottom of the bloomery may be used to remove the bloom, or the bloomery can be tipped over and the bloom removed from the top. The first step taken before the bloomery can be used is the preparation of the charcoal and the iron ore. Charcoal is nearly pure carbon, which, when burned, both produces the high temperature needed for the smelting process and provides the carbon monoxide needed for reduction of the metal. The ore is broken into small pieces and usually roasted in a fire, to make rock based ores easier to break up, bake out some impurities, and (to a lesser extent) to remove any moisture in the ore. Any large impurities (as silica) in the ore can be removed as it is crushed. The desired particle size depends primarily on which of several ore types may be available, which will also have a relationship to the layout and operation of the furnace, of which a number of regional, historic/traditional forms exist. Natural iron ores can vary considerably in oxide form ( / / ), and importantly in relative iron content. Since slag from previous blooms may have a high iron content, it can also be broken up and may be recycled into the bloomery with the new ore. In operation, after the bloomery is heated typically with a wood fire, shifting to burning sized charcoal, iron ore and additional charcoal are introduced through the top. Again, traditional methods vary, but normally smaller charges of ore are added at the start of the main smelting sequence, increasing to larger amounts as the smelt progresses. Overall, a typical ratio of total charcoal to ore added is in a roughly one to one ratio. Inside the furnace, carbon monoxide from the incomplete combustion of the charcoal reduces the iron oxides in the ore to metallic iron without melting the ore; this allows the bloomery to operate at lower temperatures than the melting temperature of the ore. As the desired product of a bloomery is iron that is easily forgeable, it requires a low carbon content. The temperature and ratio of charcoal to iron ore must be carefully controlled to keep the iron from absorbing too much carbon and thus becoming unforgeable. Cast iron occurs when the iron absorbs 2% to 4% carbon. Because the bloomery is self fluxing, the addition of limestone is not required to form a slag. The small particles of iron produced in this way fall to the bottom of the furnace, where they combine with molten slag, often consisting of fayalite, a compound of silicon, oxygen, and iron mixed with other impurities from the ore. The hot liquid slag, running to the bottom of the furnace, cools against the base and lower side walls of the furnace, effectively forming a bowl still containing fluid slag. As the individual iron particles form, they fall into this bowl and sinter together under their own weight, forming a spongy mass referred to as the bloom. Because the bloom is typically porous, and its open spaces can be full of slag, the extracted mass must be beaten with heavy hammers to both compress voids and drive out any molten slag remaining. This process may require several additional heating and compaction cycles, working at high 'welding' temperatures. Iron treated this way is said to be wrought (worked), and the resulting iron, with reduced amounts of slag, is called wrought iron or bar iron. Because of the creation process, individual blooms can often have differing carbon contents between the original top and bottom surfaces, differences that will also be somewhat blended together through the flattening, folding, and hammer welding sequences. Intentionally producing blooms that are coated in steel (i. e. iron with a higher carbon content) by manipulating the charge of and air flow to the bloomery is also possible. As the era of modern commercial steelmaking began, the word "bloom" was extended to another sense referring to an intermediate stage piece of steel, of a size comparable to many traditional iron blooms, that was ready to be further worked into billet.

История

Начало железного века в большинстве частей мира совпадает с первым широким распространением горна для производства железа из руды. Хотя более ранние образцы железа и были найдены, их высокое содержание никеля указывает на то, что это метеоритное железо. Другие ранние образцы железа могли быть получены случайно при добавлении железной руды в процессе плавки меди. Железо, по-видимому, выплавляли на Ближнем Востоке уже в 3000 году до н.э., но медники, не знакомые с железом, не стали его использовать до более позднего времени. В западных странах железо начали использовать примерно в 1200 году до н.э.

Восточная Азия

Китай долгое время считался исключением из широкого распространения плавильных горнов. Считалось, что китайцы полностью пропустили стадию плавильного горна, сразу перейдя к доменной печи и горну для выковки кованого железа; к V веку до н.э. металлурги в южном царстве У изобрели доменную печь и способы как отливать чугун, так и удалять углерод из богатого углеродом чугуна, получаемого в доменной печи, для получения материала, близкого по свойствам к кованому железу. Однако недавние данные свидетельствуют о том, что плавильные горны использовались в Древнем Китае и ранее, распространяясь с запада уже в 800 г. до н.э., прежде чем были вытеснены разработанной на месте доменной печью. Подтверждением этой теории послужило обнаружение "более десяти" железных орудий для копания, найденных в гробнице герцога Цзиня царства Цинь (ум. 537 г. до н.э.), которая находится в уезде Фэнсянь провинции Шэньси (на этом месте сегодня существует музей).

Африканская страна к югу от Сахары

Самые ранние свидетельства о печах типа "блуммери" в Восточной Африке – находки выплавленного железа и углерода в Нубии, на территории современного Судана, датируемые как минимум VII–VI веками до нашей эры. Древние "блуммери", производившие металлические инструменты для нубийцев и кушитов, давали излишки продукции на продажу. Все традиционные процессы выплавки железа в Африке к югу от Сахары являются вариантами технологии "блуммери". Существует множество дискуссий о происхождении металлургии железа в Африке. Выплавка в печах типа "блуммери" в Западной Африке и ковка инструментов появились в культуре Нок в центральной Нигерии не позднее 550 года до нашей эры и, возможно, на несколько столетий раньше. Также имеются данные о выплавке железа в печах, конструктивно схожих с "блуммери", датированных 750 годом до нашей эры в Опи (Августин Холл, 2009) и 2000 годом до нашей эры в Ледже (Памела Эзе Узомака, 2009) – оба объекта расположены в регионе Нсукка на юго-востоке Нигерии, в современной области Игболенд. Полевые испытания с использованием реплик печей подтвердили, что этот тип печей использует принцип подачи воздуха, основанный на ветре, который отличается как от принудительной, так и от естественной тяги, и продемонстрировали их способность производить высокоуглеродистую сталь. Кованое железо использовалось при строительстве таких памятников, как железный столб в Дели, возведенный в III веке нашей эры во времена империи Гуптов. Последний был построен из множества дискообразных железных "цветов". Подобно Китаю, в Индии в конечном итоге стали использовать высокоуглеродистую сталь, хотя чугун для архитектурных целей не применялся до наших дней.

Ранняя и средневековая Европа

Ранние европейские горны были относительно небольшими, главным образом из-за механических ограничений ручных мехов и количества силы, которое можно было приложить с помощью кузнечных молотов. Известные археологически образцы доримского железного века обычно весят около 2 кг и производились в низкошахтных печах. В римскую эпоху для производства часто использовались печи, достаточно высокие для создания эффекта естественной тяги (до 200 см в высоту), что позволило увеличить размер криц до 10–15 кг. Современные экспериментаторы регулярно изготавливали крицы, используя североевропейские горны с «коротким шахтным» устройством и подачей воздуха с помощью мехов, весом 5–10 кг. Использование водяных колёс, распространившихся к рубежу первого тысячелетия и применяемых для привода более мощных мехов, позволило горнам становиться больше и горячее, а связанные с ними молоты – осуществлять консолидирующую ковку крупных криц. В конце XIV века строились всё более крупные горны со средней производительностью около 15 кг, хотя исключения и были. Средний размер криц в Европе быстро вырос до 300 кг, где и стабилизировался до упадка горнов. С увеличением размера горна железная руда подвергается воздействию горячего угля в течение более длительного времени. В сочетании с мощным потоком воздуха, необходимым для проникновения в большую массу руды и угля, это могло приводить к плавлению части железа и насыщению его углеродом, образуя некуемое чушковое железо, которое требует окисления для восстановления в чугун, сталь и железо. Это чушковое железо считалось отходом, снижающим выход продукции крупнейших горнов, и первые доменные печи, идентичные по конструкции, но предназначенные для производства жидкого железа, были построены только в XIV веке. Горны обычно производили широкий спектр продуктов из железа, от железа с очень низким содержанием углерода до стали, содержащей около 0,2–1,5% углерода. Мастер-кузнец должен был отбирать куски железа с низким содержанием углерода, цементировать их и соединять посредством сварки для изготовления стальных листов. Даже при применении к нецементированной крице этот процесс ковки, складывания и сварки приводил к более однородному продукту и удалял большую часть шлака. Процесс приходилось повторять до 15 раз, когда требовалась высококачественная сталь, например, для меча. Альтернативой была цементация поверхности готового изделия. Тепло при сварке окисляет некоторое количество углерода, поэтому мастер-кузнец должен был убедиться, что в исходной смеси достаточно углерода. В Англии и Уэльсе, несмотря на появление доменной печи в Уилде около 1491 года, горны, вероятно, использующие водяную энергию для привода молота и мехов, продолжали работать в регионе Вест-Мидлендс после 1580 года. В Фернессе и Камберленде они функционировали до начала XVII века, а последний в Англии (недалеко от Гарстанга) закрылся только около 1770 года. Одна из старейших известных в Европе доменных печей была найдена в Лапхюттане (Швеция) и датирована радиоуглеродным методом XII веком. Самый старый горн в Швеции, также найденный в той же местности, датирован радиоуглеродным методом 700 годом до нашей эры. Горны существовали в Испании и южной Франции в виде каталонских кузниц до середины XIX века, а в Австрии – до 1775 года.

Early European bloomeries were relatively small, primarily due to the mechanical limits of human powered bellows and the amount of force possible to apply with hand driven sledge hammers. Those known archaeologically from the pre Roman Iron Age tend to be in the 2 kg range, produced in low shaft furnaces. Roman era production often used furnaces tall enough to create a natural draft effect (into the range of 200 cm tall), and increasing bloom sizes into the range of 10–15 kg. Contemporary experimenters had routinely made blooms using Northern European derived "short shaft" furnaces with blown air supplies in the 5–10 kg range The use of waterwheels, spreading around the turn of the first millennium and used to power more massive bellows, allowed the bloomery to become larger and hotter, with associated trip hammers allowing the consolidation forging of the larger blooms created. Progressively larger bloomeries were constructed in the late 14th century, with a capacity of about 15 kg on average, though exceptions did exist. European average bloom sizes quickly rose to 300 kg, where they levelled off until the demise of the bloomery. As a bloomery's size is increased, the iron ore is exposed to burning charcoal for a longer time. When combined with the strong air blast required to penetrate the large ore and charcoal stack, this may cause part of the iron to melt and become saturated with carbon in the process, producing unforgeable pig iron, which requires oxidation to be reduced into cast iron, steel, and iron. This pig iron was considered a waste product detracting from the largest bloomeries' yield, and early blast furnaces, identical in construction, but dedicated to the production of molten iron, were not built until the 14th century. Bloomery type furnaces typically produced a range of iron products from very low carbon iron to steel containing around 0.2–1.5% carbon. The master smith had to select pieces of low carbon iron, carburize them, and pattern weld them together to make steel sheets. Even when applied to a noncarburized bloom, this pound, fold, and weld process resulted in a more homogeneous product and removed much of the slag. The process had to be repeated up to 15 times when high quality steel was needed, as for a sword. The alternative was to carburize the surface of a finished product. Each welding's heat oxidises some carbon, so the master smith had to make sure enough carbon was in the starting mixture. In England and Wales, despite the arrival of the blast furnace in the Weald in about 1491, bloomery forges, probably using waterpower for the hammer and the bellows, were operating in the West Midlands region beyond 1580. In Furness and Cumberland, they operated into the early 17th century and the last one in England (near Garstang) did not close until about 1770. One of the oldest known blast furnaces in Europe has been found in Lapphyttan in Sweden, carbon 14 dated to be from the 12th century. The oldest bloomery in Sweden, also found in the same area, has been carbon 14 dated to 700 BCE. Bloomeries survived in Spain and southern France as Catalan forges into the mid 19th century, and in Austria as the to 1775.

Северная и Южная Америка

Плавление железа было неизвестно в доколумбовой Америке. Раскопки в Л’Анс-о-Медоуз, Ньюфаундленд, обнаружили значительные свидетельства обработки болотной железной руды и производства железа в горне викингами. Поселение эпохи викингов (ок. 1000–1022 гг. н.э.) в Л’Анс-о-Медоуз расположено на приподнятой морской террасе между низинным торфяным болотом и океаном. Оценки, основанные на небольшом количестве шлака, найденного в ходе археологических раскопок, указывают на то, что было произведено 15 кг шлака в ходе, по-видимому, единственной попытки плавки. Сравнение содержания железа в первичной болотной железной руде, обнаруженной в специально построенной «кузнице», с содержанием железа в шлаке позволило оценить, что было получено около 3 кг железистого кричного железа. Учитывая выход железа в лучшем случае 20% из достаточно богатой руды, можно предположить, что рабочие, перерабатывавшие руду, не обладали высокой квалификацией. (Важно учитывать, что потенциальных 3 кг сырого кричного железа явно недостаточно для изготовления 3 кг восстановленных гвоздей и заклепок.) В период испанской колонизации Америки горны, или «каталонские кузницы», являлись частью политики «самообеспечения» в некоторых миссиях, энкомье́ндах и пуэ́блос. В рамках францисканских испанских миссий в Альта-Калифорнии «каталонские кузницы» в миссии Сан-Хуан-Капистрано, основанные в 1790-х годах, являются старейшими сохранившимися сооружениями такого рода в современном штате Калифорния. Вывеска на горне гласит, что это место является «частью первого промышленного комплекса округа Ориндж». Археологические раскопки в Джеймстауне, Вирджиния (ок. 1610–1615 гг.), обнаружили остатки простой шахтной печи для производства кричного железа, вероятно, предназначенной для очередного «испытания ресурсов», подобного тому, что было проведено в Винланде задолго до этого. Английским поселенцам Тринадцати колоний законом было запрещено заниматься производством; некоторое время британцы стремились сосредоточить большую часть квалифицированных ремесленников на территории метрополии. Фактически, это была одна из проблем, приведших к революции. Железоделательный завод Фоллинг-Крик был первым в Соединенных Штатах. Железоделательный завод Ниабско является примером ранних вирджинских попыток создать жизнеспособную американскую промышленность. Самой ранней кузницей в колониальной Пенсильвании была кузница Томаса Раттера возле Поттстауна, основанная в 1716 году. В Адирондакских горах, штат Нью-Йорк, в XIX веке были построены новые горны, использующие технику продувки горячим воздухом.

Iron smelting was unknown in pre Columbian America. Excavations at L'Anse aux Meadows, Newfoundland, have found considerable evidence for the processing of bog iron and the production of iron in a bloomery by the Norse. The cluster of Viking Age (c. 1000–1022 AD) at L'Anse aux Meadows are situated on a raised marine terrace, between a sedge peat bog and the ocean. Estimates from the smaller amount of slag recovered archaeologically suggest 15 kg of slag was produced during what appears to have been a single smelting attempt. By comparing the iron content of the primary bog iron ore found in the purpose built 'furnace hut' with the iron remaining in that slag, an estimated 3 kg iron bloom was produced. At a yield of at best 20% from what is a good iron rich ore, this suggests the workers processing the ore had not been particularly skilled. (An important consideration remains that a potential 3 kg raw bloom most certainly does not make enough refined bar to manufacture the 3 kg of recovered nails and rivets.) In the Spanish colonization of the Americas, bloomeries or "Catalan forges" were part of "self sufficiency" at some of the missions, encomiendas, and pueblos. As part of the Franciscan Spanish missions in Alta California, the "Catalan forges" at Mission San Juan Capistrano from the 1790s are the oldest existing facilities of their kind in the present day state of California. The bloomeries' sign proclaims the site as being "part of Orange County's first industrial complex". The archaeology at Jamestown Virginia (circa 1610–1615) had recovered the remains of a simple short shaft bloomery furnace, likely intended as yet another "resource test" like the one in Vinland much earlier. The English settlers of the Thirteen Colonies were prevented by law from manufacture; for a time, the British sought to situate most of the skilled artisanry at domestic locations. In fact, this was one of the problems that led to the revolution. The Falling Creek Ironworks was the first in the United States. The Neabsco Iron Works is an example of the early Virginian effort to form a workable American industry. The earliest iron forge in colonial Pennsylvania was Thomas Rutter's bloomery near Pottstown, founded in 1716. In the Adirondacks, New York, new bloomeries using the hot blast technique were built in the 19th century.