Сыродутный горн

Сыродутный горн стал первым металлургическим агрегатом, специально предназначенным для производства железа из руд. Его примерно на две трети высоты заполняли древесным углем, после этого укладывали шихту, затем снова древесный уголь. Воспламенение древесного угля осуществляли через канал для выпуска шлака, который наполняли мелкими дровами и хворостом (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 – Общее устройство сыродутного горна

Подача в горн дутья приводила к разжиганию угля, углерод которого в условиях недостатка кислорода горел до оксида углерода (СО). Таким образом, в печи создавалась восстановительная среда необходимая для восстановления железа из оксидов. Температура нагрева материалов в горнах не превышала 1300 º С, что недостаточно для плавления получавшегося в результате процесса низкоуглеродистого железа.

Нагретые до тестообразного состояния пластичные частицы железа слипались и сваривались вместе на лещади горна, образовывали крицу (от старославянского слова «кръч» – кузнец). Крица представляла собой пористый (похожий на губку) материал – спек неравномерного по химическому составу железа со шлаком. В результате процесса, продолжавшегося около суток, формировалась одна или несколько криц. В первое время масса крицы редко превышала 1–2 кг. Однако впоследствии научились производить крицы массой 25–40 кг. Пористую крицу, пропитанную шлаком, отжимали для его удаления под деревянными прессами

Шлак, образующийся в горне, постоянно вытекал из него через специальный канал в ее нижней части. Конечный шлак содержал до 50–55% FeO, 10–15% Fe₂O₃ (Fe₂O₃ относится к переходящему в шлак магнетиту FeO∙ Fe₂O₃). Состав конечного шлака одного из якутских сыродутных горнов был следующим, %: FeO – 48, 5; Fe₂O₃ – 14, 82; SiO₂ – 23, 01; А1₂О₃ – 2, 67; MnO – 3, 48; CaO – 2, 84; P₂O₅ – 0, 87.

В сыродутном горне из каждой 1000 кг железа шихты в металлическую крицу переходило железа не более 600–700 кг. Вся остальная масса железа (300–400 кг) не восстанавливалась и терялась безвозвратно со шлаком. Для сравнения, шлак современной доменной печи содержит 0, 5–1, 0% FeO, и из каждой 1000 кг железа шихты лишь 3–5 кг железа переходит в шлак, а 997-995 кг железа – в чугун.

Основность (CaO/SiO₂) шлаков сыродутных горнов не превышала 0, 1–0, 3, поэтому дусульфурации металла (FeS + CaO = CaS + FeO) почти не имела места и сера шихты переходила в крицу. Качественный металл получали из чистых по сере руд.

Кричное малоуглеродистое железо легко ковалось, но не позволяло получать литые изделия.

Необходимость извлечения крицы требовала периодических остановок горна. Приходилось выламывать переднюю стенку, вытаскивать крицу и вновь восстанавливать кладку горна. Прерывистость, периодичность сыродутной плавки была одним из главных ее недостатков, обусловивших низкую производительность горнов.

К основным недостаткам сыродутного процесса относятся низкие температура зоны горения древесного угля и степень использования энергии газов, высокий уровень потерь железа со шлаком, прерывистость процесса.

В Скандинавии и в Альпах в VII–VIII вв. стали строить сыродутные горны высотой больше человеческого роста, причем увеличение высоты агрегата происходило очень интенсивно и к концу тысячелетия строились печи высотой до 5 м. Изначально стремились к повышению производительности печи.

Однако полученный «побочный» эффект неожиданно превзошел первоначальные ожидания средневековых мастеров: с увеличением высоты горнов в них стали существенно улучшаться условия теплообмена между опускающимися сверху железорудными материалами и поднимающимся снизу, от фурм, восстановительным газом (оксидом углерода). В печи появилось «дополнительное» тепло, стали более полно проходить реакции восстановления железа, и науглероживания свежевосстановленного железа. Таким образом, получаемая крица стала более равномерной по химическому составу, в ней повысилось содержание железа, а само железо стало более насыщено углеродом.