Кривая печь — это тип металлургической печи, которая когда-то широко использовалась для выплавки железа из его оксидов . Кривая печь была самой ранней формой плавильного завода, способного выплавлять железо. Кривые печи производят пористую массу железа и шлака, называемую криной . Смесь шлака и железа в крице, называемая губчатым железом , обычно консолидируется и далее проковывается в кованое железо . Доменные печи , которые производят чугун в чушках , в значительной степени вытеснили кричильные печи.
Кривая печь состоит из ямы или трубы с жаропрочными стенками из земли, глины или камня . Внизу одна или несколько труб (из глины или металла) входят через боковые стенки. Эти трубы, называемые фурмами , позволяют воздуху поступать в печь либо посредством естественной тяги, либо принудительно с помощью мехов или тромпов . Отверстие в нижней части кривой печи может использоваться для удаления крицы, или криница может быть опрокинута и крица удалена сверху.
Первый шаг, который необходимо сделать перед использованием крицы, — это подготовка древесного угля и железной руды. Древесный уголь — это почти чистый углерод , который при сжигании создает высокую температуру, необходимую для процесса плавки, и обеспечивает получение оксида углерода, необходимого для восстановления металла.
Руда разбивается на мелкие куски и обычно обжигается в огне, чтобы облегчить дробление руды на основе горных пород, выжечь некоторые примеси и (в меньшей степени) удалить любую влагу из руды. Любые крупные примеси ( например , кремний) в руде могут быть удалены по мере ее дробления. Желаемый размер частиц зависит в первую очередь от того, какой из нескольких типов руды может быть доступен, что также будет иметь отношение к компоновке и работе печи, из которых существует ряд региональных, исторических/традиционных форм. Природные железные руды могут значительно различаться по форме оксида ( Fe
2О
3/ Фе
3О
4/ FeO(OH) ), и, что важно, относительного содержания железа. Поскольку шлак от предыдущих блюмов может иметь высокое содержание железа, его также можно разбить и переработать в блюминг с новой рудой.
В процессе эксплуатации, после того как кричное устройство обычно нагревается дровяным огнем, переходя на сжигание древесного угля, железной руды и дополнительного древесного угля вводятся через верхнюю часть. Опять же, традиционные методы различаются, но обычно меньшие порции руды добавляются в начале основной последовательности плавки, увеличиваясь до больших количеств по мере продвижения плавки. В целом, типичное соотношение общего количества древесного угля к добавленной руде составляет примерно один к одному. Внутри печи оксид углерода от неполного сгорания древесного угля восстанавливает оксиды железа в руде до металлического железа без плавления руды; это позволяет кричному устройству работать при более низких температурах, чем температура плавления руды. Поскольку желаемым продуктом кричного устройства является железо, которое легко куется , оно требует низкого содержания углерода. Температура и соотношение древесного угля к железной руде должны тщательно контролироваться, чтобы железо не поглощало слишком много углерода и, таким образом, не становилось нековким. Чугун получается, когда железо поглощает от 2% до 4% углерода. Поскольку кричная руда является самофлюсующейся , для образования шлака не требуется добавления известняка .
Мелкие частицы железа, полученные таким образом, падают на дно печи, где они соединяются с расплавленным шлаком, часто состоящим из фаялита , соединения кремния , кислорода и железа, смешанного с другими примесями из руды. Горячий жидкий шлак, стекающий на дно печи, охлаждается у основания и нижних боковых стенок печи, фактически 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 блюмом . Поскольку блюм обычно пористый , и его открытые пространства могут быть заполнены шлаком, извлеченную массу необходимо отбивать тяжелыми молотами, чтобы сжать пустоты и вытеснить любой оставшийся расплавленный шлак. Этот процесс может потребовать нескольких дополнительных циклов нагрева и уплотнения, работающих при высоких температурах «сварки». Железо, обработанное таким образом, называется 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 между исходными верхней и нижней поверхностями, различия, которые также будут в некоторой степени смешаны вместе посредством последовательностей выравнивания, складывания и молотковой сварки. Также возможно намеренное производство блюмов, покрытых сталью (т. е. железом с более высоким содержанием углерода) путем манипулирования зарядом и потоком воздуха в блюме. [1]
С началом эпохи современного промышленного производства стали слово «блум» получило еще одно значение , обозначающее промежуточный кусок стали , по размеру сопоставимый со многими традиционными чугунными блюмами, готовый к дальнейшей переработке в заготовку .
Начало железного века в большинстве частей света совпадает с первым широко распространенным использованием крицы. Хотя были найдены более ранние образцы железа, их высокое содержание никеля указывает на то, что это метеоритное железо . Другие ранние образцы железа могли быть получены путем случайного попадания железной руды в операции по выплавке меди. Железо, по-видимому, выплавлялось на Ближнем Востоке еще в 3000 году до нашей эры, но медники, не будучи знакомыми с железом, не использовали его до гораздо более позднего времени. На Западе железо начали использовать около 1200 года до нашей эры. [2]
Китай долгое время считался исключением из общего использования кричных печей. Считается, что китайцы полностью отказались от процесса кричных печей, начав с доменной печи и кузницы для производства кованого железа; к пятому веку до нашей эры металлисты в южном штате У изобрели доменную печь и средства как для литья чугуна, так и для обезуглероживания богатого углеродом чугуна, произведенного в доменной печи, до низкоуглеродистого, похожего на кованое железо материала. Однако последние данные показывают, что кричные печи использовались и раньше в Древнем Китае , мигрировав с запада еще в 800 году до нашей эры, прежде чем их вытеснила местная доменная печь. Подтверждением этой теории стало обнаружение «более десяти» орудий для добычи железа, найденных в гробнице герцога Цинь Цзиня (ум. 537 г. до н. э.), чья гробница находится в уезде Фэнсян , Шэньси (сегодня на этом месте существует музей). [3]
Самые ранние записи о кричном типе печей в Восточной Африке - это открытия плавленого железа и углерода в Нубии в древнем Судане, датируемые по крайней мере седьмым-шестым веками до нашей эры. Древние кричные печи, которые производили металлические инструменты для нубийцев и кушитов, производили излишки для продажи. Все традиционные процессы плавки железа в Африке к югу от Сахары являются вариантами процесса кричного процесса. [4] Существует значительная дискуссия о происхождении металлургии железа в Африке . Плавка в кричном типе печей в Западной Африке и ковка инструментов появились в культуре Нок в центральной Нигерии по крайней мере к 550 году до нашей эры, а возможно, и на несколько столетий раньше. [5] [6] Кроме того, доказательства указывают на выплавку железа в печах в стиле кричника, датируемых 750 г. до н. э. в Опи (Августин Холл 2009) и Ледже , датируемых 2000 г. до н. э. (Памела Эзе-Узомака 2009), оба места в регионе Нсукка на юго-востоке Нигерии, на территории современного Игболенда . [7] [8] [6] Местонахождение Гбабири в Центральноафриканской Республике также дало доказательства металлургии железа, из восстановительной печи и кузнечной мастерской, самые ранние даты которых датируются 896–773 и 907–796 гг. до н. э. соответственно. [6]
Во время проекта гидроэлектростанции, в южных предгорьях Центрального нагорья, Саманалавева, на Шри-Ланке , на месте раскопок была найдена ветряная печь. Такие печи работали от муссонных ветров и были датированы 300 годом до н. э. с использованием методов радиоуглеродного датирования. Эти древние ланкийские печи, возможно, производили сталь самого высокого качества для легендарных дамасских мечей, как упоминается в более ранних сирийских записях. [9] Полевые испытания с использованием копий печей подтвердили, что этот тип печи использует принцип подачи воздуха на основе ветра, который отличается как от принудительной, так и от естественной тяги, и также показывают, что они способны производить высокоуглеродистую сталь. [10]
Кованое железо использовалось при строительстве памятников, таких как железная колонна Дели , построенная в третьем веке нашей эры во времена империи Гуптов . Последняя была построена с использованием возвышающейся серии дискообразных железных блюмов. Подобно Китаю, высокоуглеродистая сталь в конечном итоге использовалась в Индии, хотя чугун не использовался в архитектуре до современных времен. [11]
Ранние европейские криницы были относительно небольшими, в первую очередь из-за механических ограничений человеческих мехов и величины силы, которую можно было приложить с помощью ручных кувалд. Те, которые известны археологам с доримского железного века, как правило, весят около 2 кг и производятся в печах с низкой шахтой. Производство римской эпохи часто использовало печи, достаточно высокие, чтобы создать эффект естественной тяги (в диапазоне 200 см в высоту), и увеличивало размеры крицы до диапазона 10–15 кг. [12] Современные экспериментаторы обычно изготавливали крицы, используя североевропейские «короткошахтные» печи с подачей воздуха в диапазоне 5–10 кг [13] Использование водяных колес , распространившееся на рубеже первого тысячелетия и использовавшееся для питания более массивных мехов, позволило крицам стать больше и горячее, а связанные с ними отбойные молоты позволяли осуществлять ковку консолидации более крупных созданных криц. Постепенно более крупные кричники были построены в конце 14-го века, с производительностью около 15 кг в среднем, хотя были и исключения. Средние размеры кричников в Европе быстро выросли до 300 кг, где они стабилизировались до упадка кричников.
По мере увеличения размера криницы железная руда подвергается воздействию горящего угля в течение более длительного времени. В сочетании с сильным потоком воздуха, необходимым для проникновения в большую кучу руды и угля, это может привести к расплавлению части железа и насыщению его углеродом в процессе, производя нековкий чугун, который требует окисления для восстановления до чугуна, стали и железа. Этот чугун считался отходом, снижающим производительность крупнейших криниц, и ранние доменные печи , идентичные по конструкции, но предназначенные для производства расплавленного железа, были построены только в 14 веке. [14] [15]
Печи типа «Крюмери» обычно производили ряд железных изделий от очень низкоуглеродистого железа до стали, содержащей около 0,2–1,5% углерода. Мастер-кузнец должен был выбрать куски низкоуглеродистого железа, науглероживать их и сваривать их вместе, чтобы получить стальные листы. Даже при применении к ненауглероженному криму этот процесс дробления, складывания и сварки приводил к более однородному продукту и удалял большую часть шлака. Процесс приходилось повторять до 15 раз, когда требовалась высококачественная сталь, как для меча. Альтернативой было науглероживание поверхности готового изделия. Каждая сварка окисляет некоторое количество углерода, поэтому мастер-кузнец должен был убедиться, что в исходной смеси достаточно углерода. [16] [17]
В Англии и Уэльсе, несмотря на появление доменной печи в Уилде около 1491 года, кричные кузницы, вероятно, использовавшие гидроэнергию для молота и мехов, работали в регионе Западного Мидленда и после 1580 года. В Фернессе и Камберленде они работали до начала XVII века, а последняя из них в Англии (возле Гарстанга ) закрылась только около 1770 года. [18] [19]
Одна из старейших известных доменных печей в Европе была найдена в Лапфиттане в Швеции , ее датируют углеродом-14 XII веком. [20] [ необходима полная цитата ] Самая старая кричная печь в Швеции, также найденная в том же районе, датируется углеродом-14 700 годом до н.э. [21]
В Испании и на юге Франции блумеры сохранились как каталонские кузницы до середины XIX века [22] , а в Австрии как штюкофены [fr] до 1775 года.
Выплавка железа была неизвестна в доколумбовой Америке .
Раскопки в Л'Анс-о-Медоуз , Ньюфаундленд, обнаружили значительные доказательства переработки болотного железа и производства железа в кричном заводе норвежцами. [23] Кластер эпохи викингов ( ок. 1000–1022 гг. н. э.) в Л'Анс-о-Медоуз расположен на возвышенной морской террасе между осоковым торфяным болотом и океаном. Оценки, основанные на меньшем количестве шлака, извлеченного археологами, предполагают, что во время, по-видимому, одной попытки плавки было произведено 15 кг шлака. Сравнивая содержание железа в первичной болотной железной руде, найденной в специально построенной «печной хижине», с железом, оставшимся в этом шлаке, было произведено примерно 3 кг железной крицы. При выходе в лучшем случае 20% от того, что является хорошей богатой железом рудой, это говорит о том, что рабочие, обрабатывающие руду, не были особенно квалифицированными. [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 месте раскопок 98 гвоздей и, что немаловажно, фрагменты корабельных заклепок, а также существенные доказательства деревообработки, что указывает на то, что на месте производился ремонт лодок или, возможно, кораблей. [23] [24] (Остается важным соображением, что потенциальные 3 кг сырой крицы наверняка не дадут достаточно очищенного слитка для изготовления 3 кг извлеченных гвоздей и заклепок.)
В испанской колонизации Америки , блумеры или «каталонские кузницы» были частью «самодостаточности» в некоторых миссиях , энкомьендах и пуэбло . Как часть францисканских испанских миссий в Альта Калифорния , «каталонские кузницы» в Миссии Сан-Хуан-Капистрано с 1790-х годов являются старейшими существующими сооружениями такого рода в современном штате Калифорния . Знак блумеров провозглашает это место «частью первого промышленного комплекса округа Ориндж ».
Археология в Джеймстауне, Вирджиния ( около 1610–1615 гг. [ требуется цитата ] ) обнаружила остатки простой короткошахтной кричной печи, вероятно, предназначенной для еще одного «теста ресурсов», подобного тому, что был в Винланде гораздо раньше. Английским поселенцам Тринадцати колоний закон запрещал заниматься производством; какое-то время британцы стремились разместить большую часть квалифицированных ремесленников в своих местах. Фактически, это была одна из проблем, которые привели к революции. [ требуется цитата ] Металлургический завод Falling Creek был первым в Соединенных Штатах. Металлургический завод Neabsco является примером ранних усилий Вирджинии по формированию работоспособной американской промышленности.
Самой ранней кузницей железа в колониальной Пенсильвании была кричная печь Томаса Раттера около Поттстауна , основанная в 1716 году. [25] В Адирондаке , штат Нью-Йорк, новые кричильные печи, использующие технологию горячего дутья, были построены в 19 веке. [26]
вариант этого вида кричника просуществовал в Испании до XIX века.
