Горн в металлургии

представляя самый древний род металлургических приборов, горны видоизменяются до бесконечности; в наиболее простом виде всем известны кузнечные Г. (см. Кузница). Г. употребляются доныне также для переплавки или сильного накаливания малых количеств металлов (см. Вагранки) и др. веществ (см. Лаборатория). Здесь мы коснемся исключительно Г. чисто заводских, металлургических, применяемых для получения железа. Между ними ныне должно отличать: 1) сыродувные Г. для прямого получения железа из руд (forge, fournaise ardante; Esse; forge, hearth), и 2) рафинировочные и кричные, служащие для превращения чугуна, сперва получаемого из руды, в железо и сталь. Г. называют пространство, открытое сверху и ограниченное с боков невысокими стенками. Очаг, устроенный в форме Г., служил человеку при его металлургических начинаниях; до VIII века по Р. Хр. Г. был единственным плавильным устройством. С VIII века формы и размеры Г. сообразно местным условиям начали сильно изменяться, так что, кроме обычной формы кузнечного Г., явились уже два других типа: из них один сохранил форму Г., а другой через увеличение высоты стенок превратился в невысокую шахтную печь, в которой железо садили из руд совершенно так же, как и в Г., только величина получаемой при этом крицы (Loupe, balle, Flossengarbe, Bloom, lump) была больше. Печи эти у нас известны под именем домниц, немцы зовут их словакскими печами или кричными (Wolf-ofen, Stück-ofen). Железо получалось в кричных печах крайне неоднородное, слоеватое и грубое; при неправильном же ходе вместо железа получался жидкий продукт, чугун, который вытекал из печи вместе со шлаком. В начале XIII века кричные печи стали заменяться домнами (см. Домна), и явилась потребность в таких Г., которые были бы приспособлены специально к переделу чугуна. Такие Г. получили название переделочных, кричных, для отличия их от тех, в которых железо по-прежнему получалось прямо из руд и которым усвоилось название сыродутных.

Прямое получение железа из руд считается невыгодным вследствие большого потребления древесного угля и значительной утери металла, т. е. малого количества железа, получаемого при этом способе; но он с выгодою может практиковаться там, где привозное железо стоит дорого, на месте же имеется избыток древесного угля и богатые руды, а начинающий дело желает ограничиться только небольшою затратою капитала на устройство завода: таких местностей в России еще очень много. Преимуществом сыродутных Г. всегда останется дешевизна устройства и быстрота получения готового товара. В С.-А. Штат. (Нью-Йорк, Вермонт, Нью-Джерси) еще в 1853 г. насчитывали таких Г. в ходу до четырехсот, причем в одном штате Нью-Йорк их было до 200. В Финляндии даже в 1861 году было еще 25 кричных печей (домниц). При некоторых благоприятных условиях, как, напр., в Индии (в Мадрасе), еще недавно хорошее полосовое железо, полученное непосредственно из местных руд, обходилось не дороже 79 коп. за пуд и продавалось на рынке дешевле самых дешевых сортов, приготовленных на заводах Англии при посредстве переделки чугуна (см. Железо). Сущность различия между получением железа прямо из руд и приготовлением его из чугуна можно охарактеризовать следующим образом: вся задача при получении железа в сыродутных горнах состоит в отнятии у окисла железа находящегося в нем кислорода посредством угля, передел этот есть процесс восстановления, при кричном же способе переделки чугуна вся работа направлена к выжиганию имеющегося в чугуне углерода посредством кислорода воздуха и шлаков, т. е. при этом совершается процесс окисления.

А) Получение железа в сыродутных Г. Наиболее совершенным представителем работы в сыродутных Г. есть способ, выработанный в Испанских Пиренеях и известный под именем каталонского. Обыкновенно эти Г. делаются емкостью в 8¹/₂ тыс. куб. дюймов, но их ставят также в 17 тыс. и даже в 34 тыс. Работу в Г. ведут следующим образом: по засыпке Г. углем до высоты фурм (линия ab), ставят вертикально (по линии cd) широкую лопату и все пространство между нею и фурменной стенкой заполняют углем, а к противофурменной валят руду.

Фиг. 1. Схема получения железа в каталонском горне (по Франсуа).

Вынув лопату и сделав покрышку из сырого угольного мусора, разжигают Г. и пускают слабое дутье (не более 1-2 дюймов по ртутному духомеру, см. Воздуходувные приборы). На прогрев и подготовку руды необходимо 2 часа; в это время, пользуясь горением угля, проваривают и проковывают куски от разрубленной предыдущей крицы. Дутье постепенно усиливают, и часа через 2¹/₂ доводят его до 2¹/₂ дюймов; по мере того, как накопляется в Г. шлак, его выпускают из окна внизу передней стенки и начинают ломком подвигать нижние слои руды к фурме, что называется спускать руду в Г. Через 4 часа доводят дутье до 3 дюймов; во все это время подбрасывают в Г. малыми порциями уголь и руду и от времени до времени выпускают шлак; через 4 часа от начала дутья над Г. остается кучка не более 16 дюймов. По прошествии 5¹/₂ часов крица в Г. видна, и рабочий начинает скатывать ее, т. е. ломком собирать разъединенные частицы железа, а самую крицу подвигает в фурме; через ¹/₄ часа пламя вдруг делается ярко блестящим, что и служит признаком окончания работы. Дутье останавливают, крицу выворачивают и, обжав ее под молотом, разрубают на куски. Вся операция, по опытам Г. Франсуа, длится 6 час., причем расходуется древесного угля 32 пуда 36 фун., руды 29 пуд. 28 фн., полученное полосовое железо весит 9 п. 10 ф. (подробности см. далее таблицу установа и работы в Г., по Туннеру). Г. Франсуа принимает 4 зоны изменения руды (см. чертеж): в № 1 совершается только обжигание, в 2 — восстановление окиси и начало появления металлических корольков, в № 3 — ошлакование и расплавление землистых веществ, в № 4 — деятельное восстановление и обуглерожение. Восстановительный характер передела лучше всего виден из данных нижеследующей таблицы:

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|                                                                  | Руда         | № 1           | № 2           | № 3           |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Металлич. железа                                      | -                | -                | 1,04           | 4,15           |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Окиси жел. (Fe₂O₃)                                     | 64,3*)         | 49,21         | 22,91         | 11,23          |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Магн. окиси (Fe₃O₄)                                    | -                | 26,95         | -                | -                 |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Закиси жел. (FeO)                                      | -                | -                | 59,21         | 60,82          |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Окиси марганца (Mn₂O₃)                             | 5,8             | -                | -                | -                 |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Закись окиси (Mn₂O₄)                                 | -                | 4,12           | -                | -                 |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Закиси марганца (MnO)                              | -                | -                | 4,02           | 5,50           |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Шлакующихся веществ                             | 16,3           | 18,55         | 11,85         | 18,4**)        |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Влаги и потери                                           | 14              | 1,17           | -                | -                 |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Удельный вес                                            | 3,65           | 4,54           | 4,69           | 5,25           |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Колич. кислорода, соедин. с желез.           | 22,14         | 22,1           | 20,04         | 16,87          |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*) Содержание Fe₂O₃ в 100 нелетучих частях = 73,8%.

**) Количество химич. соединенного кремнезема, т. е. уже вошедшего в состав шлака у № 2 было 2,10, у № 3 было 8,41.

Употребленная руда была бурый железняк, № 1 взят из первой, № 2 из второй, а № 3 вынут на границе третьей зоны.

B) Кричный передел. В статье о белом чугуне было уже сказано, что эта разновидность переделывается на железо легче серого чугуна, который поэтому подвергают иногда особой операции, называемой отбеливанием или рафинированием. Цель этой переработки состоит в превращении механически примешанного графитовидного углерода в химически соединенный; при этом выгорает некоторое количество углерода, кремния и даже серы. Приемы, употребляемые для отбеливания, весьма различны. Так, напр., 1) в Каринтии отлитые чугунные круги составляют плотно один к другому (пд. ок. 150) и, обсыпав шлаком, обжигают — томят — в течение 20 или 30 час.; 2) в Эйфельде очищение делается в доменном горне, а именно: когда горн наполнится чугуном, под фурмы на железных полосах вводят куски глины; шлаки, садясь на них, образуют нарост, так что дутье из сопел действует на расплавленный металл; отбеленный таким образом чугун идет на приготовление проволоки; 3) в Зальцбурге раскаленный чугун разбивается под толчеей, а полученное крошье поливают водой, смешивают с окалиной и сплавляют; 4) в Штирии рафинируемый чугун расплавляется в обыкновенном горне, и затем в него топят деревянными шестами куски шлака, богатого железом, а когда чугун раскалится до ярко-белого цвета, его поливают сверху водой и образовавшуюся корку снимают в виде плитки, затем точно так же вторую корку и т. д. Наиболее обыкновенный способ рафинирования есть очищение плавкой, причем операция ведется или а) в особых больших горнах (как в Англии) с 4, 6 и даже 8 фурмами (горючим материалом для плавления служит кокс; в 2 ½ часа очищают от 75 до 100 пд., с угаром в 10%); или b) малые отражательные печи, или же, наконец, с) те же самые Г., в которых он будет потом переделываться на сталь или железо. В Златоустовском заводе рафинирование производится следующим образом: вместо обыкновенной фурмы (17х12 линий) ставят большую (18х14 линий) и на большую высоту от дна (вместо 8 на 10 и даже 11 дюймов), давая ей более крутой наклон. Работа рафинирования, отбеливания состоит в том, что на разгоревшийся в Г. уголь закладывают свинки чугуна, который по расплавлении выпускается через соковую дыру в низу передней стенки на чугунный пол, где и поливается водою. В 12-часовую смену проплавляют 135 пд., употребляя на каждые 100 пд. 1 короб, т. е. 70,3 куб. фт. древесного угля; угар при этом = 5%; отбеленный чугун разбивается на куски весом от 10 фн. до 1 пуда.

Так или иначе полученный (прямо из домен или через отбеливание) белый чугун переделывается на железо в кричных горнах. Это превращение чугуна в железо называют "переделом". Последовательное изменение, которое претерпевает чугун при переделе в кричном Г., видно из следующей таблицы (анализы Г. Ботышева):

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|                                       | Время от начала передела                                                                                                             |

|                                       |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

|                                       | 0           | 15 мин.  | 45 мин.  | 1 ч.        | 1 ч. 15   | 1 ч. 30   | 1 ч. 45   | 1 ч. 55   | 2 ч. 15   | 2 ч. 30    |

|                                       |              |              |              |              | м.          | м.          | м.          | м.          | м.          | м.           |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Количество графита       | 5,68       | 3,00       | 2,69       | 2,44       | 1,60       | 0,8        | 0,39       | 0,25       | -            | -             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Химич. соединение         | 0,85       | 1,36       | 1,26       | 1,23       | 1,00       | 0,9        | 0,69       | 0,50       | 0,34       | 0,15        |

| углер.                             |              |              |              |              |              |              |              |              |              |               |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Общее колич. углер.       | 6,53       | 4,36       | 3,95       | 3,67       | 2,60       | 1,7        | 0,99       | 0,75       | -            | -             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Отношение химич. С к    | 13%      | 31,2%    | 31,9       | 33,5       | 38,4       | 53         | 69,7       | 66          | 100        | -             |

| сумме                            |              |              |              |              |              |              |              |              |              |               |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Последов. убыль С,        | 100        | 66,77     | 60,5       | 56,2       | 39,81     | 26,03     | 15,16     | 11,5       | 5,2        | 2,4         |

| принимая 6,53 = 100%    |              |              |              |              |              |              |              |              |              |               |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Марганец                        | 0,17       | 0,16       | 0,11       | 0,09       | 0,04       | -            | -            | -            | -            | -             |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Кремний                         | 0,19       | 0,24       | 0,17       | 0,17       | 0,11       | 0,10       | 0,08       | 0,06       | 0,03       | 0,01        |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Энергичность окисления при переделе нагляднее всего выражается в потере (угаре) железа; она доходит от 22-28% веса взятого чугуна.

Размеры кричного Г. и приемы, употребляемые при работе, изменяются сообразно местным условиям и качествам переделываемого чугуна, а потому существует множество способов с их подразделениями, но все приемы сего рода могут быть подведены под следующие 5 типов: 1) кричный передел на сырцовую сталь; 2) передел на железо одной плавкой; 3) передел с наваливанием; 4) передел с подъемом, и 5) передел с напуском.

1) Получение сырцовой стали. Сталь по содержанию углерода представляет собою переход от чугуна к железу, а потому вся разница в их переделах состоит в том, что при получении стали количество выделяемого углерода должно быть меньше. Г., служащие для того и другого передела, мало чем разнятся (при тирольском способе в одном и том же Г. получают то сталь, то железо); вообще для стали Г. делаются менее глубокими, фурма ставится ближе ко дну, уклон ее делается более, и дутье держится слабее. На стальной передел идут обыкновенно чугуны марганцевой группы (Flosse, см. Белый чугун); ежели же в переработку идет серый, то его непременно сперва отбеливают. Работу передела на сталь в Златоусте начинают с того, что прогревают куски отбеленного чугуна на противофурменной стенке, приготовляя в то же время днище или ложе, для чего на раскаленный уголь кладут шлаки и по расплавлении их забрасывают в Г. железных обрезков; когда эти последние разогреются и осядут, то начинают надвигать в горн чугун. Вследствие взаимодействия между собравшимися на дне Г. железом и расплавленным чугуном железо начинает обогащаться, а чугун разубоживаться (обедняться) углеродом, и в результате получается стальная масса. Сплавив насадку 9 пд. чугуна и 1 ½ пд. железных обрезков, дутье останавливают, выгребают все из Г., оставляя крицу минут на 20 потомиться и поостыть (сталь для ковки требует нагрев не выше желтого цвета), затем ее выламывают и выворачивают, обжимают под молотом и разрубают на куски от 5 до 7. По окончании этой первой части работы приступают ко второй, которая состоит в протяжке кусков; для этого Г. засыпают углем, пускают дутье и, нагрев первый кусок, обжимают его в болванку, которую несут снова в Г., где ее проваривают и затем протягивают в стальную полосу; точно так же обрабатываются и остальные куски. Горячую полосу бросают в холодную воду и ломают, причем по излому она сортируется на твердую и на мягкую. Хорошая сырцовая сталь в изломе матова и мелкозерниста. Приемы, описанные здесь, сходны с работами получения стали по способам тирольскому, каринтийскому, бресчианской стали и др.

2) Кричный передел на железо одной плавкой, или работа на соковом дне. По характеру передела эту группу, подобно предыдущей, можно разделить на работу: а) без предварительной подготовки чугуна (сюда принадлежат способы австрийский, штирийский, зигенский и др.), причем перерабатывают марганцевые чугуны — Flosse, и b) на способы, при которых употребляется рафинированный чугун (таковы каринтийский, тирольский, зальцбургский и др.). Наиболее совершенный способ в этой группе есть австрийский, — при нем утилизируются газы Г. для подогревания чугуна, отопления паровых котлов, нагрева воздуха для дутья и т. п.

Фиг 2. Схема расположения горна и др. приспособлений при переделе чугуна кричным способом.

При работах по австрийскому способу обращается особое внимание на дно Г., оно тщательно ошлаковывается перед началом каждой садки; во время этого оплавления (что длится два часа) проваривают и протягивают куски предыдущей крицы (до 8 штук). Чугун, обыкновенно в виде 3-х свинок, всего весом 8 пудов, садят в Г. подогретый, свинки вводят последовательно, одну после другой. Когда чугун под влиянием богатых окислами тестообразных подмесей перейдет в железо, все мелкие частицы собирают и образуют одну массу, затем, охладивши крицу мокрым шлаком, ее выламывают, обжимают под молотом и разрубают на куски. При сыром железе, во избежание получения крошья, куски охлаждают, погружая их в воду. Каждый кусок проваривается 2 раза; протяжка куска делается по диагонали боя, затем молотовины выравниваются, держа железо под прямым углом к бою и наконец полоса выглаживается во всю длину боя. Железо, приготовляемое по этому способу, идет на приготовление проволоки и гвоздей.

3) Передел с наваливанием, или валонский способ, характеризуется двумя особенностями, а именно: когда расплавленный чугун уже превратится в железистую массу, рабочий входит в Г. с ломом и, проводя им по дну, приподымает товар, не обнажая его из-под угля, и сгружает его, наваливает к другим; кроме того, при валонском способе протяжка кусков крицы делается в особых Г. и печах; так, напр., в Швеции в печах Экмана, а в Англии в голофайронах (подробно см. Печи). В Англии при этом способе употребляют отбеленный чугун; но это отбеливание, точно так же как проварку и протяжку, делают на коксе; древесный уголь идет только на сжение чугуна в крицу. К работам этой группы принадлежат: известнейшее шведское, валонское цементное железо, за которое в Англии платят 2 р. 82 к. за пуд; ланкаширское железо, идущее на проволоку и гвозди; южно-валлийское, из которого готовят жесть, и др.

4) Передел с подъемом. Приемы этого передела отличаются от предыдущих тем, что сплавленный чугун, перешедший уже в сталеватую массу, подымают со дна наверх и затем вторично нисплавляют перед фурмой; смотря по чистоте чугуна и способности его к переделу, эти подъемы и сплавления повторяются несколько (иногда до пяти) раз. Из всех способов, составляющих эту группу, наиболее известен контуазский, или французский, он же верхне-бургундский. Способ этот весьма распространен в России, где введен бельгийцами братьями Гранмонтанами. Работа в Г. этой группы начинается проваркою и протяжкою кусков предыдущей крицы, в то время когда плавятся свинки чугуна (т. е. как при переделе одною плавкой). Способ этот дает из серого чугуна хорошее железо, идущее на приготовление кровельного листового железа.

Данные устройства и работы горнов, по Туннеру.

5) Передел с напуском. Начало работы по этому способу ничем не отличается от передела с подъемом, в нем точно так же медленно нисплавляют чугун и в то же время обрабатывают куски предыдущей крицы, затем точно так же делают подъемы севшей сталеватой массе, вся разница состоит в работе последнего периода; в способах 4-го типа работа заканчивается продувкою на крицу, т. е. собиранием всего железа в одну массу, тогда как при 5-м типе вместо продувки всовывают в Г., в плоскости фурмы, лом, который и вертят, стараясь, чтобы к нему пристало железо; ежели в Г. спело, то проба, вынутая на ломе (фистульна), искрит, ярко-белого цвета и по замачивании лома не отстает даже при ударах; тогда лом снова опускают в Г., пока не наберут кричку — напуск, который бывает от полупуда до четверти всего посаженного железа. Напуск проваривают и протягивают отдельно, так как этот металл по качеству своему считается лучше остального железа, которое продувается на крицу совершенно так же, как при работе с подъемом. Принимая стоимость пуда тянутого под кричным молотом железа в 1 р. 30 к., слагаемые, ее составляющие, могут быть выражены следующими цифрами:

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Стоимость чугуна, идущего в передел                                  | 86 к. = 66%                    |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Стоимость горючего материала (древесный уголь)               | 26 к. = 20%                    |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Стоимость рабочей платы                                                     | 9 к. = 7%                       |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ремонт горнов и стоимость материалов                                | 4 к. = 3%                       |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Общие накладные расходы                                                  | 5 к. = 4%                       |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Итого                                                                                    | 1 р. 30 к. = 100%            |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

А. И. Скиндер. Δ.