Стародавня металургія - Студопедія
Власне металургійне виробництво, тобто. процес вилучення (екстракція) металів з руд бере свій початок в епоху «неолітичної революції» (10–6 тис. років до н.е.), коли людством була освоєна технологія термічної обробки виробів. Першими такими виробами були керамічні, а першим термічним агрегатом – багаття без примусового дуття, що забезпечує температурний рівень 600–700 °С. З цього моменту починається поступове зростання температурного потенціалу цивілізації, тобто. температурного рівня термообробки виробів та вилучення металів із руд.
Температури, необхідні екстракції деяких металів з руд і термомеханічної обробки основних матеріалів і металів давнини, а також основні термічні пристрої (печі), що забезпечують ці температури, представлені в таблиці 2.
Таблиця 2 – Температурний рівень виробництва основних матеріалів давнини
та основні термічні пристрої
| матеріал | Температурний рівень виробництва, °С | Тип агрегату | Температурний рівень, °С |
| Бронза | 650-1100 | Багаття без примусового дуття | 600-700 |
| Кераміка | 700-1200 | Горн – піч із примусовим дуванням; призначена для випалу кераміки та плавлення тигельної металів | 700-950 |
| Свинець та олово | 800-900 | "Вовча яма" - перший спеціальний агрегат для вилучення металів з руд | 900-1200 |
| Мідь | 750-1200 | Сиродутний горн | До 1350 |
| Залізо | 1150-1450 | Домниця та піч Телуелла для скловаріння | Понад 1350 |
| Скло | 1350-1700 |
Коли людина навчилася отримуватизалізо з руд, процес його одержання полягав у використанні сиродутних горнів і малопродуктивний. Цей процес стали покращувати - ввели збагачення заліза вуглецем і подальше його загартування. Так вийшла сталь. І до 1-го тисячоліття до н. залізо стало найпоширенішим серед використовуваних людиною матеріалів (Європа, Азія) (рис. 18).
Способи виробництва заліза (стали) із руд у тиглях, поміщених у спеціальні горни (подібні до найдавніших горн, що застосовувалися для виготовлення керамічних виробів), і в ямах, що отримали в Західній Європі назву «вовчих», стали першими в історії. Обидва способи є металургійними прийомами, успадкованими від освоєного раніше виробництва міді та бронзи, із суттєвими удосконаленнями, пов'язаними з природними відмінностями руд металів та їх поведінкою під час плавки. Тигельна плавка була загальнодоступним кустарним способом виробництва, домашня технологія. З освоєнням технології отримання металів у «вовчих ямах» металургія перетворилася на першу справжню індустрію (рисунок 19). Однак уже до початку Нової ери архаїчна «вовча яма» була практично повсюдно витіснена набагато прогресивнішим металургійним агрегатом – сиродутним горном, тигельний процес виплавки заліза з руд отримав подальший розвиток (насамперед у країнах Азії), оскільки дозволяв, хоча і в невеликих кількостях , Отримувати сталь найвищої, навіть за сучасними стандартами, якості.
Рисунок 18 - Залізна колона в Делі (IV-V ст. н. е.)
Відмінності металургійних агрегатів, в яких оброблялася залізняк, від їх попередників, полягали в наступному:
1) для відновлення заліза з оксидів потрібна значно більша кількість деревного вугілля, ніж при плавці мідноїруди, де він грав роль лише джерела тепла;
2) конструкція горна та технологія плавки повинні були забезпечувати суттєво більш високий температурний рівень процесу, оскільки поділ заліза та порожньої породи можливий лише після переведення одного з матеріалів у розплавлений стан, у конкретному випадку – після утворення шлаку.
Мінімальна температура формування шлакового розплаву, основною складовою якого є мінерал фаяліт (Fe2SiO4), становить близько 1200 °С. При виробництві міді та бронзи температура печі становила трохи більше 1000 °З. Тому підвищення температурного рівня процесу необхідно було застосування потужніших повітродувних засобів чи створення умов інтенсивного природного припливу повітря. У давнину намагалися знизити температуру плавлення шлаку шляхом додавання до шихти спеціальних флюсуючих добавок, наприклад, у Месопотамії та Малій Азії для цих цілей ще у II тис. до н.е. використовувалася суміш кісткової золи та доломіту. Однак цей спосіб міг давати відчутний ефект лише в окремих випадках і тільки при плавці тигельної.
Малюнок 19 – «Вовча» яма
Тигельний спосіб виробництва ковкого заліза, а згодом стали, був поширений вже в Стародавньому Світі. Тяжіння європейської металургії до сиродутної плавки заліза намітилося лише останні століття цієї епохи. В Азії тигельна плавка проіснувала як основна металургійна технологія до кінця 19 ст.
Для плавлення тигельної застосовувалися тиглі циліндричної форми висотою до 1,2 м і внутрішнім діаметром до 12 см (рисунок 20). Товщина стін складала від 2 до 4 см. Матеріалом для виготовлення тиглів служила спеціальна суміш з піску та жаростійкої глини. Тиглі виготовлялися за «шаблоном» – матер'янимпанчоху. Вони могли витримувати температуру до 1650 °С. Зверху тиглі закривалися напівсферичними кришками з отворами у центральній частині для виходу газів під час плавки.
Малюнок 20 – Конструкція тигля (а) і схема горна для плавки тигля (б)
До складу шихти входили: залізна руда, деревне вугілля та флюси, з яких найчастіше використовувався доломіт. Всі шихтові матеріали попередньо дробили до лісового горіха і ретельно перемішували. Шихту завантажували в попередньо обпалені тиглі, які потім поміщалися в горн і частково засипалися гравієм для стійкості.
Остаточний склад сталі формувався в нижній частині тигля в результаті просочування крапель металу через шар раніше утвореного і легшого шлаку.
Тигель залишався в горні після закінчення процесу до повного остигання. Остиглий злиток металу витягали, розбиваючи тигель. Його маса рідко перевищувала 2-3 кг, але цієї кількості було цілком достатньо для виготовлення клинка або деталей обладунків.
Секрет високої якості тигельної сталі полягав у тривалому контакті спочатку криці, а пізніше – розплавленого металу, із залізистим шлаком. При цьому з металу в шлак переходили найбільш шкідливі з точки зору якості металу домішки: фосфор і сірка.
Сиродутний горн (рисунок 21) став першим металургійним агрегатом, спеціально призначеним для виробництва заліза із руд. Його конструкція – наслідок бажання древніх металургів підвищити інтенсивність надходження в агрегат повітря, що було необхідно підвищення температури процесу.
Висота сиродутного горна становила трохи більше 1,5 м, і він легко обслуговувався вручну (рисунок 22).
Сиродутний горн приблизно на дві третини висоти наповнювали деревним.вугіллям і лише після цього укладали шихту. Над верхньою частиною горна знову укладали деревне вугілля так, щоб утворилося невелике конічне піднесення. Запалення деревного вугілля здійснювали через канал для випуску шлаку, який наповнювали дрібними дровами та хмизом. Подача в горну дуття призводила до розпалювання вугілля, вуглець якого в умовах нестачі кисню горів до оксиду вуглецю (СО). Таким чином, у печі створювалося відновне середовище, що сприяло відновленню заліза з оксидів.
Малюнок 21 - Загальний пристрій сиродутного горна
та принципова схема процесу
Температура нагріву матеріалів у горнах не перевищувала 1300 ºС, що недостатньо для плавлення одержуваного в результаті процесу низьковуглецевого заліза. Тому продуктом процесу була криця. Криця являла собою пористий (схожий на губку) матеріал – спек нерівномірного за хімічним складом заліза зі шлаком.
Нагріті до тістоподібного стану пластичні частинки заліза, злипаючись і зварюючись разом на гірському ліжі, утворювали крицю (від старослов'янського слова «кр'ч» – коваль).
Пористу крицю, просочену залізистим шлаком, віджимали для видалення під спеціальними дерев'яними пресами біля горна.
В результаті процесу, що тривав близько доби, формувалася одна або кілька криць. Спочатку освоєння технології маса крици рідко перевищувала 1–2 кг. Проте згодом навчилися виробляти криці масою 25–40 кг, а найбільш продуктивних каталонських горнах – до 120–150 кг.
Рисунок 22 – Робота сиродутних горнів
Шлак постійно випливав із печі через спеціальний канал у її нижній частині. Кінцевий шлак, що випливав із сиродутного горна, містив до 50–55% FeO, 10–15% Fe2O3(Fe2O3 відноситься до магнетиту FeO-Fe2O3, що переходить в шлак).
Склад кінцевого шлаку однієї з якутських сиродутних горнів був наступним, %: FeO – 48,5; Fe2O3 - 14,82; SiO2 - 23,01; А12О3 - 2,67; MnO - 3,48; CaO - 2,84; P2O5 - 0,87.
Для порівняння, шлак сучасної доменної печі містить 0,5–1,0% FeO, і з кожної 1000 кг шихти лише 3–5 кг заліза перетворюється на шлак, а 997-995 кг заліза – в чавун. У сиродутному горні з кожної 1000 кг Fe-шихти в металеву крицю переходило заліза трохи більше 600–700 кг. Решта маси заліза (300–400 кг) не відновлювалася і губилася безповоротно з шлаком, що випливає з горна.
Основність (CaO/SiO2) шлаків сиродутних горнів не перевищувала 0,1–0,3, тому десульфурація металу (FeS + CaO = CaS + FeO) майже не мала місця і сірка шихти переходила в крицю. Якісний метал отримували із чистих по сірці руд. Кричне маловуглецеве залізо легко кувалося, але не дозволяло отримувати литі вироби.
Необхідність вилучення крици з горна вимагала періодичних зупинок горна. Доводилося виламувати передню стінку горна, витягувати крицю і відновлювати кладку горна. Уривчастість, періодичність сиродутної плавки була одним із головних її недоліків, що зумовили низьку продуктивність горнів.
Витягнута з горна за допомогою ломів або спеціальних кліщів криця містила велику кількість включень шлаку і вугілля, що не згорів. Тому її піддавали механічній обробці дерев'яними молотами видалення вищезгаданих домішок. Тільки після цього бралися до термомеханічної обробки металу.
Сиродутні горни відрізнялися великою різноманітністю конструкцій (рисунок 23).
в - перехідна форма від «вовчої ями» до низького горна; г – сиродутний горн із гірських районівРумунії
Малюнок 23 – Конструкції сиродутних горнів
До найважливіших недоліків сиродутного процесу відносяться: низька температура зони горіння деревного вугілля та ступінь використання енергії газів, високий рівень втрат заліза зі шлаком, уривчастість процесу. Подальший розвиток техніки плавки залізних руд йшло шляхом удосконалення конструкції сиродутних горнів і усунення недоліків.
Після попередньої обробки розкуте кричне залізо-сирець надходило до кузні. Головним технологічним прийомом тут служило гаряче кування. Ковальське кування можна робити тільки з металом, що знаходиться в пластичному стані, тому залізо піддавали нагріванню в ковальському горні. Окалину видаляли, застосовуючи спеціальні флюси, якими посипали місця зварювання.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком:
Вимкніть adBlock! і оновіть сторінку (F5)дуже потрібно