Рисунок – 1 Схема каталонского горна

Каталонский горн


 

Каталонский способ производства кричного железа получил свое название от Каталонии, провинции северной Испании, где он, как известно из литературных источников, впервые был освоен. Описаний каталонского способа в литературе существуете множество. Данная работа в основном опирается на труды Ришара и Франсуа, опубликованные в книге Джона Перси «Металлургия железа» (1864 г.).

  • Дополнительная информация


    • Авторы:
    • Организация:МИСИС, Москва

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. Еще в 1858 г. во Франции было в действии 88 каталонских горнов, а в Испании их насчитывалось в это время гораздо больше. Это объясняется дешевизной устройства и простотой самого способа. Мастерская состояла из открытого горна, воздуходувного прибора и молота для обработки криц. 

Также секрет «долгожительства» каталонских горнов во многом связан с 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.

На железоделательном заводе устраивалось не менее 10 каталонских горнов. Они располагались вдоль одной общей стены, которая строилась со стороны реки, где устанавливались водоналивные колеса, приводящие в действие дутьевые мехи. Эта стена называлась «заводской». К ней примыкали «фурменная» и «противофурменная» стены.

Наиболее пригодной рудой для обработки в каталонских горнах считался неплотный бурый железняк. Горючим материалом служил древесный уголь; попытки применить к каталонскому горну кокс оказались неудачными.

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, помощник, следивший за работой воздуходувной техники, два плавильщика, обеспечивавшие процесс производства крицы, молотовой мастер с помощником. Специальный рабочий готовил шихтовые материалы к плавке, весовщик осуществлял контроль за хранением и расходованием материалов и учет готовой продукции.

Устройство каталонского горна. Горн представляет собой четырехугольное пространство, ограниченное с трех сторон кирпичными или каменными стенами, а четвертой (фурменной) стороной прилегающее прямо к заводской стене. Наружная или лицевая стенка горна установлена вертикально и составлена из двух железных плит. Плиты эти врыты в землю на 15 – 20 см. В промежутке между ними, помещается железная полоса, которая служит для поддержки рычагов во время вытаскивания из горна крицы. В нижней части этой стенки оставлено отверстие, служащее для вытекания шлаков. Под углом 10° или более к противофурменной стене располагают так называемую шесточною доску, она служит для поддерживания угля в горне.

Часть фурменной стены, лежащая ниже фурмы, составлена из двух прямоугольных железных брусьев, ребром поставленных один на другой в вертикальном положении. Выше фурмы стена кирпичная. Фурма покоится на верхнем железном брусе и проходит в горн через отверстие, оставленное в стенке, отделяющей горн от капитальной стены.

Задняя стена выложена из кирпича на глиняном цементе. Она поставлена не вертикально и наклоняется назад под углом приблизительно в 9°. Противофурменная стена составляется из многих железных брусьев, концы которых плотно заделываются в кирпичную кладку лицевой и задней стен. Стена эта имеет значительный наклон снаружи.

Дно горна устраивается из одного куска огнеупорного камня. Верхняя сторона его должна быть гладкая и немного вогнутая. Камни эти служат от трех до шести и более месяцев. Горн устанавливается на сухом фундаменте. Под камнем, составляющим его дно, устраивается постель из дробленых шлаков и глины, толщиною от 35 до 55 см, а ниже постели устанавливают еще один большой камень, обыкновенно старый мельничный жернов. Трубы над горнами не делают, а для выхода образующихся газов служит отверстие, оставленное в крыше фабрики.

Устройство водотрубной воздуходувки (тромпы). Водотрубная воздуходувка, водяной барабан, или тромпа представляет собой остроумное устройство, способное производить ровное и непрерывное дутье. Употребление его возможно в тех местностях, где удобно воспользоваться падением воды с нескольких десятков метров высоты.

Схема водотрубной воздуходувки

Рисунок 2 – Схема водотрубной воздуходувки

Тромпа состоит из большого деревянного бассейна, духового ящика, двух вертикальных труб, которыми ящики соединяются между собою. Верхние отверстия вертикальных труб сужены при помощи вставленных в них наподобие воронок деревянных брусков, которые связаны между собой поперечными деревянными брусками. Непосредственно под нижним окончанием брусков, в стенках труб, с двух диаметрально-противоположных сторон, проделаны небольшие прямоугольные отверстия, наклоненные под углом 40 или 50° к стенкам труб. Отверстия эти служат для притока воздуха.

Деревянный духовой ящик имеет в горизонтальном разрезе трапецеидальную форму. В узкой стороне крышки помещается прямоугольная труба, служащая для отвода воздуха из ящика. На некотором расстоянии от крышки труба эта изгибается под прямым углом и соединяется с круглой воздухоотводной трубой, которая, в свою очередь, посредством бараньей кожи сообщается с соплом, сделанным из железа или красной меди. Внизу одной из боковых стен духового ящика находится отверстие, служащее для выпуска оттуда воды. Величина этого отверстия определяется по строгим вычислениям и должна быть такой, чтобы вода в духовом ящике постоянно оставалась на одном и том же уровне. Непосредственно под нижними отверстиями водопроводных труб, в духовом ящике проложена доска или скамейка, верхняя сторона которой закрыта каменной или чугунной плитой, предохраняющей дерево, постоянно подверженное ударам воды, падающей с большой высоты, от разрушения.

Действие тромпы осуществляется следующим образом. Приподнимая с помощью рычага коническую пробку (Рисунки 2 и 3) открывают верхнее отверстие водопроводных труб и заставляют воду устремляться по ним вниз. Так как, благодаря конически установленным брускам, вода, при этом падении, заполняет своей массой не всю трубу, и потому по стенкам последней образуется разреженное пространство, то наружный воздух стремится заполнить это пространство и поступает в трубу через отверстия.

Там он смешивается с водой, которая увлекает его в духовой ящик, но здесь, разбиваясь на мельчайшие капли от удара об скамейку, вновь освобождается. Вода из ящика вытекает через окно, которое должно постоянно оставаться закрытым довольно толстым слоем воды и тем препятствовать выходу воздуха. Воздух же в свою очередь, освободившись от воды, поступает в трубу.

Схема деревянного бассейна тромпы

Рисунок 3 – Схема деревянного бассейна тромпы

Объемом вдуваемого воздуха управляют, пуская большее или меньшее количество воды в духовой ящик, при помощи пробок, которые подвешены на цепях к рычагам. На другом конце каждого рычага прикреплена длинная цепь, опускающаяся до самого горна. Таким образом, сообразно обстоятельствам, рабочие могут усиливать и ослаблять дутье даже во время самой работы.

Преимущества тромпы заключаются в том, что она доставляет совершенно ровное дутье. Даже в доменных печах до конца 19 века равномерное дутье было проблемой. Сравнительно с цилиндрическими воздуходувными машинами, преимущества тромпы заключаются в простоте ее устройства, в дешевизне ее содержания. Но, с другой стороны, воздух, доставляемый тромпой, обыкновенно бывает весьма влажным.

Процесс плавки в каталонском горне. Процесс начинается с подготовки исходных материалов. 30 пудов руды измельчают в крупный порошок, в котором остаются также куски, не больше 5 см в диаметре. Затем эту массу просеивают на грохотах, она разделяется на кусочки и на рудную мелочь. Рудную мелочь смачивают водой и складывают в кучи на некотором расстоянии от горна. Количество образующейся во время измельчения рудной мелочи может быть равно половине всей первоначально взятой сырой руды.

Важная особенность каталонского процесса заключается в том, что большую часть руды загружали в горн в виде окомкованной мелочи. Это позволяло получать на выходе крицу больших размеров. Рудная мелочь образовывала зародыш крицы.

Рабочий укладывает руду и уголь в горн

Рисунок 4 – Рабочий укладывает руду и уголь в горн

Из горна вынимают остатки от предыдущей плавки, и когда он, таким образом, очищен, в него бросают новое количество угля, который уколачивают плотно лопатой на дне горна. На слой уколоченного угля ставят особую длинную и широкую железную пластину, и промежуток между ней и фурменной стеной, т. е. налево от пластины, заполняют и уколачивают углем. На эту плотную постель древесного угля сыпят руду, располагая ее по противофурменной стене (Рисунок 4).

Завершающий этап загрузки шихты в горн

Рисунок 5 – Завершающий этап загрузки шихты в горн

Затем рабочие извлекают из горна пластину, и в горне остаются две соприкасающиеся между собой «стены», угольная и рудная. Сверху руду покрывают плотным слоем смоченной угольной мелочи, а промежуток между верхним краем рудной стены и противофурменной стеною весь заполняется мелким углем, сверху все покрывается мокрым угольным порошком, который плотно уколачивается лопатой (Рисунок 5). После завершения упомянутых манипуляций пускают дутье.

Выпуск первичного шлака

Рисунок 6 – Выпуск первичного шлака

По мере понижения уровня угля и руды в горне, в него засыпают новые порции материалов, причем руда идет в виде рудной мелочи, смоченной водой. Таким образом, руда и уголь поддерживаются в горне на одном и том же уровне. Так выглядит первый период операции, который длится около одного часа.

Еще одно универсальное свойство каталонского горна заключалось в том, что в нем можно было перерабатывать продукты других процессов, в том числе в процессе плавки несколько раз переплавлялся шлак.

С наступлением второго периода давление воздуха увеличивают. В горн продолжают подбрасывать рудную мелочь и уголь, а насадку с поверхности смачивают водой, чтобы воспрепятствовать чрезмерному горению угля. Затем в горн подают куски крупно измельченного шлака, отделенного от крицы предшествующей плавки. По прошествии двух часов с начала плавки пробивают отверстие для выпуска шлака; сырые шлаки смачиваются водой и снова закидываются в горн, где их покрывают древесным углем (Рисунок 6).

Рабочий «спускает» руду в горн

Рисунок 7 – Рабочий «спускает» руду в горн

Через два с половиной часа начинается третий период плавки. В горн начинают подавать куски руды вместо рудной мелочи, а в промежуток между противофурменной стеной и находящейся в горне рудой опускают железный лом и, упирая его в противофурменную стенку словно рычагом, осторожно подвигают нижние слои руды к фурме. Операцию эту называют: «спускать» руду в горн (Рисунок 7). Также в горн продолжают периодически забрасывать уголь и рудную мелочь, и смачивать все это водой. По истечении трех часов выпускают шлак, пламя, выходящее из горна, окрашивается белым цветом, подобным тому, какое является при горении железа в кислороде.

Давление вдуваемого воздуха снова увеличивают. Начинается четвертый период плавки. Шлаки снова закидываются в горн. Пламя становится не столь голубое, уголь на поверхности раскален, и руда практически исчезает под ним. Через четыре часа производят выпуск шлаков, крица под массой угля достигает уже весьма значительных размеров. Уголь продолжают засыпать большими порциями. К противофурменной стене горна постоянно подбрасывают кусочки руды. Спустя пять с половиной часов со времени начала операции, рабочий подвигает крицу к фурменной стене, отыскивая в горне затерявшиеся между углем частицы восстановленного железа, чтобы приварить их к массе большой крицы. Эта операция называется «скатыванием крицы» (Рисунок 8).

Рабочий «скатывает» крицу

Рисунок 8 – Рабочий «скатывает» крицу

Через шесть часов пламя вдруг делается белым и сильно блестящим, что означает, что «железо само себя съедает». Операцию останавливают, сопло вынимают из горна. Покрывавший крицу уголь сгребают на шесток и заливают водой.

Затем просовывают через выпускное отверстие толстый лом под крицу, которым несколько приподнимают последнюю, а потом такой же лом опускают в горн сверху, со стороны лицевой стены, и, упирая его на промежуточную железную полосу и действуя им как рычагом. На другой конец лома наваливаются один или двое рабочих, отделяя крицу от пола и вынимая ее из горна (Рисунок 9).

Отделение крицы от пола

Рисунок 9 – Отделение крицы от пола

Расчет параметров каталонского процесса в данной работе, как уже говорилось ранее, используются данные Ришара и Франсуа опубликованные в книге Джона Перси. Имея в распоряжении набор достаточно точных данных о плавке в каталонском горне, можно провести расчет некоторых параметров процесса.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий