Блюмери — это тип металлургической печи , когда-то широко использовавшейся для выплавки железа из его оксидов . Блумер был самой ранней формой плавильного завода , способного выплавлять железо. Блумери производят пористую массу железа и шлака , называемую блюмом . Смесь шлака и железа в блюме, называемая губчатым железом , обычно консолидируется и далее перековывается в кованое железо . Доменные печи , производящие чугун , в значительной степени вытеснили цветные печи.
Блумери представляет собой яму или дымоход с жаростойкими стенками из земли, глины или камня . Внизу через боковые стенки входят одна или несколько труб (из глины или металла). Эти трубы, называемые фурмами , позволяют воздуху поступать в печь либо посредством естественной тяги, либо принудительно с помощью сильфона или тромпа . Для удаления цветка можно использовать отверстие в нижней части цветка, или можно опрокинуть цветок и удалить цветок сверху.
Первый шаг, который необходимо сделать перед тем, как блумер можно будет использовать, — это подготовка древесного угля и железной руды. Древесный уголь представляет собой почти чистый углерод , который при сгорании создает высокую температуру, необходимую для процесса плавки, и дает окись углерода, необходимую для восстановления металла.
Руду разбивают на мелкие куски и обычно обжигают на огне, чтобы каменную руду было легче раздробить, выпечь некоторые примеси и (в меньшей степени) удалить влагу из руды . Любые крупные примеси (например, кремнезем) из руды можно удалить при ее измельчении. Желаемый размер частиц зависит, прежде всего, от того, какой из нескольких типов руды может быть доступен, что также будет иметь отношение к планировке и работе печи, существует ряд региональных, исторических/традиционных форм. Природные железные руды могут значительно различаться по форме оксидов ( Fe
2О
3/ Фе
3О
4/ FeO(OH) ), и что немаловажно относительное содержание железа. Поскольку шлак от предыдущих блюмов может иметь высокое содержание железа, его также можно раздробить и переработать в блюмовый завод вместе с новой рудой.
В процессе эксплуатации, после того как блюмер прогревается, как правило, дровами, через верх вводятся древесный уголь, железная руда и дополнительный древесный уголь. Опять же, традиционные методы различаются, но обычно меньшие порции руды добавляются в начале основной последовательности плавки, а по мере плавки их количество увеличивается до большего. В целом, типичное соотношение общего количества добавляемого древесного угля и руды составляет примерно один к одному. Внутри печи окись углерода в результате неполного сгорания древесного угля восстанавливает оксиды железа в руде до металлического железа, не плавя руду; это позволяет установке работать при более низких температурах, чем температура плавления руды. Поскольку желаемым продуктом цветной фабрики является железо, которое легко поддается ковке , для него требуется низкое содержание углерода. Температуру и соотношение древесного угля и железной руды необходимо тщательно контролировать, чтобы железо не поглощало слишком много углерода и, следовательно, не становилось непригодным для ковки. Чугун образуется, когда железо поглощает от 2% до 4% углерода. Поскольку блюмер является самофлюсующимся , для образования шлака не требуется добавление известняка .
Полученные таким образом мелкие частицы железа падают на дно печи, где соединяются с расплавленным шлаком, часто состоящим из фаялита — соединения кремния , кислорода и железа, смешанного с другими примесями из руды. Горячий жидкий шлак, стекающий к нижней части печи, охлаждается у основания и нижних боковых стенок печи, эффективно образуя чашу, все еще содержащую жидкий шлак. По мере формирования отдельных частиц железа они падают в эту чашу и спекаются вместе под собственным весом, образуя губчатую массу, называемую налетом . Поскольку блюм обычно пористый , а его открытые пространства могут быть заполнены шлаком, извлеченную массу необходимо бить тяжелыми молотками, чтобы сжать пустоты и вытеснить оставшийся расплавленный шлак. Этот процесс может потребовать нескольких дополнительных циклов нагрева и уплотнения, работающих при высоких температурах «сварки». Железо, обработанное таким образом, считается кованым (обработанным), а полученное железо с уменьшенным количеством шлака называется кованым железом или прутковым железом. Из-за процесса создания отдельные блюмы часто могут иметь различное содержание углерода на исходной верхней и нижней поверхностях, различия, которые также будут в некоторой степени смешиваться в процессе сплющивания, складывания и сварки молотком. Также возможно производство блюмов, покрытых сталью (с более высоким содержанием углерода), путем управления загрузкой и потоком воздуха в блюм. [1]
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.
The onset of the Iron Age in most parts of the world coincides with the first widespread use of the bloomery. While earlier examples of iron are found, their high nickel content indicates that this is meteoric iron. Other early samples of iron may have been produced by accidental introduction of iron ore in copper-smelting operations. Iron appears to have been smelted in the Middle East as early as 3000 BC, but coppersmiths, not being familiar with iron, did not put it to use until much later. In the West, iron began to be used around 1200 BC.[2]
China has long been considered the exception to the general use of bloomeries. The Chinese are thought to have skipped the bloomery process completely, starting with the blast furnace and the finery forge to produce wrought iron; by the fifth century BC, metalworkers in the southern state of Wu had invented the blast furnace and the means to both cast iron and to decarburize the carbon-rich pig iron produced in a blast furnace to a low-carbon, wrought iron-like material. Recent evidence, however, shows that bloomeries were used earlier in ancient China, migrating in from the west as early as 800 BC, before being supplanted by the locally developed blast furnace. Supporting this theory was the discovery of "more than ten" iron-digging implements found in the tomb of Duke Jing of Qin (d. 537 BCE), whose tomb is located in Fengxiang County, Shaanxi (a museum exists on the site today).[3]
Самые ранние упоминания о печах типа «блюмери» в Восточной Африке — это открытия плавленого железа и углерода в Нубии и древнем Судане, датированные по крайней мере седьмым-шестым веками до нашей эры. Древние цветочные заводы, производившие металлические инструменты для нубийцев и кушитов, выставили на продажу излишки. Все традиционные процессы выплавки железа в странах Африки к югу от Сахары являются вариантами процесса цветения. [4] Существует серьезная дискуссия о происхождении металлургии железа в Африке . Плавка в печах типа «блюмери» в Западной Африке и ковка инструментов появились в культуре Нок в центральной Нигерии по крайней мере 550 г. до н.э., а возможно, и на несколько столетий раньше. [5] [6] Кроме того, данные указывают на выплавку железа в печах в стиле блума, датированных 750 г. до н. э. в Опи (Августин Холл, 2009 г.) и Ледже , датированных 2000 г. до н. э. (Памела Эзе-Узомака, 2009 г.), оба места находятся в регионе Нсукка на юго-востоке. Нигерия на территории современного Игболенда . [7] [8] [6] На месте Гбабири в Центральноафриканской Республике также были обнаружены свидетельства металлургии железа из восстановительной печи и кузнечной мастерской, самые ранние даты которых относятся к 896–773 и 907–796 гг. До н.э. соответственно. . [6]
Во время проекта строительства гидроэлектростанции в южных предгорьях Центрального нагорья Саманалавеа в Шри-Ланке на месте раскопок была обнаружена ветряная печь. Такие печи питались муссонными ветрами и были датированы 300 г. до н. э. с использованием методов радиоуглеродного датирования. В этих древних ланкийских печах, возможно, производилась сталь самого высокого качества для легендарных дамасских мечей, о которых упоминается в более ранних сирийских записях. [9] Полевые испытания с использованием копий печей подтвердили, что в этом типе печей используется принцип ветровой подачи воздуха, который отличается от принудительной или естественной тяги, а также показали, что они способны производить высокоуглеродистую сталь. [10]
Кованое железо использовалось при строительстве таких памятников, как железный столб Дели , построенный в третьем веке нашей эры во времена империи Гуптов . Последний был построен с использованием ряда высоких железных дисков в форме дисков. Как и в Китае, в Индии в конечном итоге стали использовать высокоуглеродистую сталь, хотя чугун не использовался в архитектуре до наших дней. [11]
Ранние европейские цветочные заводы были относительно небольшими, в первую очередь из-за механических ограничений мехов, приводимых в движение человеком, и количества силы, которую можно было применить с помощью кувалд с ручным приводом. Те, что известны археологически из доримского железного века, обычно весят 2 кг и производятся в низких шахтных печах. В производстве римской эпохи часто использовались печи, достаточно высокие, чтобы создать эффект естественной тяги (до 200 см в высоту), а также увеличивались размеры блюмов до 10–15 кг. [12] Современные экспериментаторы обычно изготавливали блюмы, используя североевропейские печи с «коротким валом» с подачей продуваемого воздуха в диапазоне 5–10 кг. [13] Использование водяных колес , распространившееся на рубеже первого тысячелетия и использовавшееся для Использование более массивных сильфонов позволило блюмеру стать больше и горячее, а соответствующие молотки позволили консолидировать созданные более крупные блюмы. В конце 14 века были построены все более крупные цветочные дома, вместимостью в среднем около 15 кг, хотя существовали исключения. Средний размер цветков в Европе быстро вырос до 300 кг, где они стабилизировались до исчезновения цветения.
По мере увеличения размера цветника железная руда подвергается воздействию горящего угля в течение более длительного времени. В сочетании с сильной струей воздуха, необходимой для проникновения в большую штабель руды и древесного угля, это может привести к плавлению части железа и насыщению углеродом в процессе, в результате чего образуется нековочный чугун, для восстановления которого в чугун требуется окисление . сталь и железо. Этот чугун считался отходами, снижающими производительность крупнейших заводов, а первые доменные печи , идентичные по конструкции, но предназначенные для производства расплавленного железа, не строились до 14 века. [14] [15]
Печи типа Блумери обычно производят широкий спектр изделий из железа: от железа с очень низким содержанием углерода до стали, содержащей около 0,2–1,5% углерода. Мастеру-кузнецу приходилось выбирать куски низкоуглеродистого железа, науглероживать их и сваривать по образцу, чтобы получить стальные листы. Даже при применении к ненауглероженным блюмам этот процесс растирания, складывания и сварки привел к получению более однородного продукта и удалению большей части шлака. Процесс приходилось повторять до 15 раз, когда требовалась качественная сталь, как для меча. Альтернативой была цементация поверхности готового изделия. Тепло каждой сварки окисляет некоторое количество углерода, поэтому мастеру-кузнецу приходилось следить за тем, чтобы в исходной смеси было достаточно углерода. [16] [17]
В Англии и Уэльсе, несмотря на появление доменной печи в Уилде примерно в 1491 году, цветочные кузницы, вероятно, использовавшие гидроэнергию для изготовления молота и мехов, работали в регионе Уэст-Мидлендс после 1580 года. В Фернессе и Камберленде они работали в начало 17 века и последний в Англии (недалеко от Гарштанга ) закрылся примерно до 1770 года. [18] [19]
Одна из старейших известных доменных печей в Европе была найдена в Лапфитане в Швеции , углерод-14 датируется XII веком. [20] [ нужна полная цитата ] Самый старый цветок в Швеции, также найденный в том же районе, был датирован углеродом-14 700 годом до нашей эры. [21]
Блумери сохранились в Испании и на юге Франции как каталонские кузницы до середины 19 века [22] и в Австрии как Штюкофен [фр] до 1775 года.
Выплавка железа была неизвестна в доколумбовой Америке .
Раскопки в Л'Анс-о-Медоуз , Ньюфаундленд, обнаружили значительные свидетельства обработки болотного железа и производства железа на цветочном заводе норвежцами. [23] Скопление эпохи викингов ( ок. 1000–1022 гг. н.э.) в Л'Анс-о-Медоуз расположено на приподнятой морской террасе, между осоковым торфяником и океаном. По оценкам, основанным на меньшем количестве шлака, обнаруженного археологами, 15 кг шлака было получено в ходе, по-видимому, единственной попытки плавки. Путем сравнения содержания железа в первичной болотной железной руде, найденной в специально построенной «печной хижине», с железом, оставшимся в этом шлаке, было получено примерно 3 кг железного блюма. При выходе в лучшем случае 20% от хорошей богатой железом руды это говорит о том, что рабочие, перерабатывающие руду, не имели особой квалификации. [23] Это подтверждает идею о том, что знания в области обработки железа были широко распространены и не ограничивались крупными центрами торговли и коммерции. [23] Археологи также обнаружили на этом месте 98 гвоздей и, что немаловажно, фрагменты корабельных заклепок, а также значительные свидетельства работы по дереву, что указывает на ремонт лодок или, возможно, кораблей на этом месте. [23] [24] (Остается важным соображение, что из потенциального сырого блюма весом 3 кг наверняка не получится достаточно очищенного слитка для производства 3 кг восстановленных гвоздей и заклепок.)
Во время испанской колонизации Америки цветочные мастерские или «каталонские кузницы» были частью «самообеспеченности» некоторых миссий , энкомьенд и пуэбло . В рамках францисканских испанских миссий в Альта-Калифорния «каталонские кузницы» в миссии Сан-Хуан Капистрано 1790-х годов являются старейшими существующими объектами такого рода в современном штате Калифорния . На вывеске цветочного завода указано, что это место является «частью первого промышленного комплекса округа Ориндж ».
Археологи в Джеймстауне, Вирджиния ( около 1610–1615 гг. [ нужна ссылка ] ) обнаружили остатки простой печи для обжига с коротким валом, вероятно, задуманной как еще одно «испытание ресурсов», подобное той, что была в Винланде намного раньше. Английским поселенцам Тринадцати колоний по закону запрещалось заниматься производством; какое-то время британцы стремились разместить большую часть квалифицированных ремесленников у себя дома. Фактически, это была одна из проблем, приведших к революции. [ нужна цитата ] Металлургический завод Фоллинг -Крик был первым в Соединенных Штатах. Металлургический завод Неабско является примером первых попыток Вирджинии сформировать работоспособную американскую промышленность.
Самой ранней кузницей железа в колониальной Пенсильвании была фабрика Томаса Раттера недалеко от Поттстауна , основанная в 1716 году . [26]
Окончательный вариант такого цветущего очага сохранился в Испании до 19 века.
СМИ, связанные с Bloomeries, на Викискладе?