Купол или вагранка — это плавильное устройство, используемое в литейных цехах , которое может использоваться для плавки чугуна , нирезистного железа и некоторых бронз . Купол может быть изготовлен практически любого практичного размера. Размер купола выражается в диаметрах и может варьироваться от 1,5 до 13 футов (от 0,5 до 4,0 м). [ 1] Общая форма — цилиндрическая, а оборудование расположено вертикально, обычно поддерживаемое четырьмя ножками. Общий вид похож на большую дымовую трубу .
Дно цилиндра оснащено дверцами, которые откидываются вниз и наружу, образуя «откидное дно». Верх, откуда выходят газы, может быть открыт или снабжен колпаком, чтобы предотвратить попадание дождя в купол. Для контроля выбросов купол может быть снабжен колпаком, который предназначен для втягивания газов в устройство для охлаждения газов и удаления твердых частиц .
Корпус купола, обычно сделанный из стали, имеет огнеупорный кирпич и пластиковый [примечание 1] огнеупорный заплаточный материал, футерованный им. Дно футеровано аналогичным образом, но часто может использоваться смесь глины и песка («bod»), так как эта футеровка временная. Мелко измельченный уголь («морской уголь») может быть смешан с глиняной футеровкой, так что при нагревании уголь разлагается, и тело становится слегка рыхлым, облегчая открытие леток. [3] Нижняя футеровка сжата или «утрамбована» в нижние дверцы. Некоторые купола оснащены охлаждающими рубашками, чтобы стороны оставались холодными, и впрыском кислорода, чтобы коксовый огонь горел более жарко.
Купольные печи были построены в Китае еще в период Воюющих царств (403–221 гг. до н. э.), [4] хотя Дональд Вагнер пишет, что часть железной руды , расплавленной в доменной печи, могла быть отлита непосредственно в формы . Во времена династии Хань (202 г. до н. э. – 220 г. н. э.) большая часть, если не все, железо, выплавленное в доменной печи, переплавлялось в вагранке; она была спроектирована таким образом, что холодное дутье, впрыскиваемое снизу, проходило через фурменные трубы через верхнюю часть, куда сбрасывалась шихта (т. е. древесный уголь и лом или чугун ), воздух становился горячим дутьем, прежде чем достигал дна печи, где железо расплавлялось, а затем сливалось в соответствующие формы для литья. [5] [6] Современная купольная печь была создана французским ученым и энтомологом Рене-Антуаном Фершо де Реомюром около 1720 года. [7]
Чтобы начать производственный цикл, называемый «купольной кампанией», печь заполняется слоями кокса и поджигается факелами. Некоторые меньшие купола могут быть подожжены дровами, чтобы начать горение кокса. Когда кокс поджигается, воздух вводится в коксовый слой через отверстия в боковинах, называемые фурмами . Древесина, древесный уголь или биомасса также могут использоваться в качестве топлива для огня купола. Горючие газы также могут добавляться в воздух и продуваться через фурменную секцию печи, чтобы добавить топлива в огонь.
Когда кокс очень горячий, в печь через отверстие в верхней части загружаются твердые куски металла. Металл чередуется с дополнительными слоями свежего кокса. Добавляется известняк в качестве флюса . По мере того, как тепло поднимается внутри штабеля, металл плавится. Он капает вниз через слой кокса, чтобы собраться в бассейне внизу, прямо над нижними дверцами. В процессе плавления происходит химическая реакция между топливом, дутьем и металлом. Углерод в коксе соединяется с кислородом в воздухе, образуя оксид углерода . Окись углерода далее сгорает, образуя диоксид углерода . Часть углерода подхватывается падающими каплями расплавленного металла, что повышает содержание углерода в железе. К шихтовым материалам могут быть добавлены карбид кремния , ферромарганец , ферросилиций или другие легирующие агенты, часто в виде брикетов. Карбид кремния диссоциирует, и углерод и кремний попадают в расплавленный металл. Аналогично ферромарганец плавится и соединяется с лужей жидкого железа в «колодце» на дне купола.
Сырая руда размером с горошину таких металлов, как железо, медь, свинец и даже те, которые содержат драгоценные металлы, может быть расплавлена в вагранке или доменной печи. Ванноччио Бирингуччио описывает, как разделять металлы и шлак, выливая расплавленное содержимое руды из печи в небольшой бассейн, а затем снимая слои шлака или металла сверху, когда они остывают в твердом состоянии.
Оператор вагранки известен как «тендер вагранки» или «мастер печи». Во время работы вагранки с леткой (в этом отношении вагранки могут различаться) тендер наблюдает за количеством железа, поднимающегося в колодце вагранки. Когда уровень металла достаточно высок, тендер вагранки открывает «летку», чтобы металл вытек в ковш или другую емкость для хранения расплавленного металла. Когда достаточно металла выкачано, «летку» затыкают огнеупорной пробкой из глины. [8]
Вагранщик наблюдает за печью через смотровое стекло или смотровое отверстие в фурмах. Шлак поднимется наверх образующейся ванны железа. Шлаковое отверстие, расположенное выше на цилиндре печи и обычно сзади или сбоку от летки, открывается, чтобы шлак вытек. Вязкость низкая (при правильном флюсовании), и раскаленный докрасна расплавленный шлак будет легко вытекать. Иногда шлак, вытекающий из шлакового отверстия, собирается в небольшой чашеобразный инструмент, которому дают остыть и затвердеть. Его разламывают и визуально осматривают. В вагранках с кислой огнеупорной футеровкой зеленоватый цвет шлака означает, что флюсование правильное и адекватное. В вагранках с основной огнеупорной футеровкой шлак коричневый.
По окончании операции дутье отключается, а подпорка под нижней дверью сбивается, так что нижние плиты распахиваются. Это позволяет остаткам купола упасть на пол или в ведро. Этот материал охлаждается или закаливается, а затем удаляется из-под купола.
«Кампания» может длиться несколько часов, день, недели или даже месяцы. Купол можно использовать снова и снова.
В процессе производства образцы могут быть взяты из металла и отлиты в небольшие формы. Часто отливается клиновидный холодильник для контроля качества железа. Эти небольшие, около 18 мм ( +3/4 ") в ширину × 38 мм ( 1+1/2 ") высокие треугольные детали оставляют остывать до тех пор, пока металл не затвердеет. Затем их извлекают из песчаной формы и охлаждают в воде, широким концом вперед. После охлаждения таким образом клинья ломают и оценивают окраску металла. Типичный излом будет иметь беловатый цвет в направлении тонкой области клина и сероватый цвет в направлении широкого конца. Ширина клина в точке разграничения между белой и серой областями измеряется и сравнивается с нормальными результатами для конкретных пределов прочности железа . Этот визуальный метод служит в качестве контрольного измерения.