Пудлинг — это процесс преобразования чугуна в прутковое (кованое) железо в отражательной печи , работающей на угле . Он был разработан в Англии в 1780-х годах. Расплавленный чугун перемешивался в отражательной печи в окислительной среде для сжигания углерода, в результате чего получалось кованое железо . [1] Это был один из важнейших процессов для производства первых заметных объемов ценного и полезного пруткового железа (ковкого кованого железа) без использования древесного угля . В конечном итоге печь стала использоваться для производства небольших количеств специальных сталей .
Хотя это был не первый процесс производства пруткового железа без древесного угля, пудлинг был, безусловно, самым успешным и заменил более ранние процессы заливки и штамповки , а также гораздо более старые процессы древесноугольной обработки и кричника . Это позволило значительно расширить производство железа в Великобритании, а вскоре после этого и в Северной Америке. Это расширение представляет собой начало промышленной революции , если говорить о железоделательной промышленности. Большинство применений кованого железа в 19 веке , включая Эйфелеву башню , мосты и оригинальный каркас Статуи Свободы , использовали пудлинговое железо.
Современное пудлингование было одним из нескольких процессов, разработанных во второй половине XVIII века в Великобритании для производства пруткового железа из чугуна без использования древесного угля. Он постепенно заменил более ранний процесс с использованием древесного угля, который проводился в кузнице Finery .
Чугун содержит много свободного углерода и является хрупким . Прежде чем его можно будет использовать и обработать кузнецом , его нужно преобразовать в более ковкую форму, например, в прутковое железо, раннюю стадию кованого железа .
Успешное использование Авраамом Дарби кокса для его доменной печи в Коулбрукдейле в 1709 году [2] снизило цену на железо, но этот чугун, работающий на коксе, изначально не был принят, поскольку его нельзя было преобразовать в сортовое железо существующими методами. [3] Примеси серы из кокса делали его « красно-коротким », или хрупким при нагревании, и поэтому процесс очистки был непригоден для него. Только около 1750 года, когда паровая продувка увеличила температуру печи достаточно, чтобы можно было добавить достаточно извести для удаления серы , коксовый чугун начал применяться. [4] Кроме того, были разработаны более совершенные процессы его очистки. [3]
Авраам Дарби II , сын новатора доменной печи, сумел преобразовать чугун в прутковое железо в 1749 году, но подробности его процесса неизвестны. [5] Братья Крейнидж , также работавшие вдоль реки Северн , предположительно достигли этого экспериментально, используя угольную отражательную печь , в которой железо и сернистый уголь могли содержаться отдельно, но она никогда не использовалась в коммерческих целях. [5] Они были первыми, кто выдвинул гипотезу, что железо можно преобразовать из чугуна в прутковое железо под действием только тепла. Хотя они не знали о необходимых эффектах кислорода, поставляемого воздухом , они, по крайней мере, отказались от прежнего заблуждения, что необходима смесь с материалами из топлива. Их эксперименты были успешными, и они получили патент № 851 в 1766 году, но, похоже, их процесс не был принят в коммерческих целях.
В 1783 году Питер Онионс из Доулайса построил большую отражательную печь. [5] Он начал успешное коммерческое пудлингование с помощью этого и получил патент № 1370. Печь была усовершенствована Генри Кортом из Фонтли в Хэмпшире в 1783–84 годах и запатентована в 1784 году. Корт добавил заслонки к дымоходу, избежав некоторого риска перегрева и «сжигания» железа. [5] Процесс Корта состоял из перемешивания расплавленного чугуна в отражательной печи в окислительной атмосфере, таким образом обезуглероживая его. Когда железо «пришло в природу», то есть в пастообразную консистенцию, его собирали в пудлинговый шар, покрывали дранкой и прокатывали (как описано ниже). Это применение рифленых роликов к прокатному стану для прокатки узких прутков также было заимствованием Кортом существующих прокатных станов на континенте. [6] Усилия Корта лицензировать этот процесс не увенчались успехом, поскольку он работал только с чугуном, выплавленным на древесном угле. Ричард Кроушей внес изменения на своем металлургическом заводе в Сайфартфе в Мертир-Тидвиле, включив в него первоначальный процесс очистки, разработанный у их соседей в Доулейсе.
Спустя девяносто лет после изобретения Корта американская рабочая газета вспоминала преимущества его системы:
«Когда железо просто расплавлено и залито в какую-либо форму, его текстура зернистая, и оно настолько хрупкое, что совершенно не подходит для любого использования, требующего большой прочности на разрыв . Процесс пудлингования состоял в перемешивании расплавленного железа, вытекающего в лужу, и имел эффект такого изменения его аномального расположения, что процесс прокатки становился более эффективным». [7]
Процесс Корта (запатентованный) работал только с белым чугуном , а не с серым чугуном , который был обычным сырьем для кузниц того периода. Эта проблема была решена, вероятно, в Мертир-Тидвиле путем объединения пудлингования с одним элементом немного более раннего процесса. Он включал другой тип горна, известный как «рафинадный завод» или «выходящий огонь». [8] Чугун расплавлялся в нем и выливался в желоб. Шлак отделялся и плавал на расплавленном железе и удалялся путем опускания плотины в конце желоба. Эффект этого процесса заключался в декремниевании металла, оставляя белый хрупкий металл, известный как «тонкий металл». Это был идеальный материал для загрузки в пудлинговую печь. Эта версия процесса была известна как «сухое пудлингование» и продолжалась в некоторых местах вплоть до 1890 года.
Еще одним усовершенствованием в очистке серого чугуна было «мокрое пудлингование», также известное как «кипячение» или «варка свиньи». Это было изобретено пудлером по имени Джозеф Холл из Типтона. Он начал добавлять железный лом в шихту. Позже он попробовал добавлять железную окалину (по сути, оксиды железа, такие как FeO, Fe2O3 или Fe3O4 ) . Результат был впечатляющим , так как печь бурно кипела , производя пузырьки оксида углерода . Это было связано с химической реакцией между оксидами железа в окалине и углеродом, растворенным в чугуне: C + Fe2O3 → CO + 2 FeO . К его удивлению, полученный шарик лужи давал хорошее железо.
Одной из больших проблем с пудлингом было то, что до 15% железа уносилось со шлаком, поскольку для слоя использовался песок. Холл заменил слой обожженным шлаком из летки, что сократило эти отходы до 8%, снизившись до 5% к концу века. [9]
Впоследствии Холл стал партнером в основании завода Bloomfield Iron Works в Типтоне в 1830 году, а с 1834 года фирма стала называться Bradley, Barrows and Hall. Это версия процесса, наиболее часто используемая в середине и конце 19 века. Мокрое пудлингование имело то преимущество, что оно было намного эффективнее сухого пудлингования (или любого более раннего процесса). Лучший выход железа, достижимый при сухом пудлинговании, составляет одну тонну железа из 1,3 тонны чугуна (выход 77%), но выход при мокром пудлинговании составлял почти 100%.
Производство мягкой стали в пудлинговой печи было осуществлено около 1850 года [ требуется ссылка ] в Вестфалии , Германия, и было запатентовано в Великобритании от имени Лохаге, Бремме и Леркинда. Он работал только с чугуном, полученным из определенных видов руды. Чугун должен был быстро плавиться, а шлак должен был быть богат марганцем . Когда металл попадал в природу, его нужно было быстро удалить и покрыть черепицей, прежде чем происходило дальнейшее обезуглероживание . Процесс был принят на металлургическом заводе Low Moor в Брэдфорде в Йоркшире ( Англия ) в 1851 году и в долине Луары во Франции в 1855 году. Он широко использовался.
Процесс пудлингования начал вытесняться с введением процесса Бессемера , который производил сталь. Его можно было превратить в кованое железо, используя процесс Астона, за малую часть стоимости и времени. Для сравнения, средний размер загрузки для печи для пудлингования составлял 800–900 фунтов (360–410 кг) [10] , в то время как загрузка конвертера Бессемера составляла 15 коротких тонн (13 600 кг). Процесс пудлингования не мог быть масштабирован, поскольку был ограничен количеством, которое мог обработать пудлер. Его можно было расширить только путем строительства большего количества печей.
Процесс начинается с подготовки пудлинговой печи. Это включает в себя доведение печи до низкой температуры, а затем ее футеровку . Футеровка — это процесс покраски решетки и стен вокруг нее оксидами железа, обычно гематитом ; [11] это действует как защитное покрытие, предотвращающее прогорание расплавленного металла через печь. Иногда вместо гематита использовали тонко измельченный шлак. В этом случае печь необходимо нагревать в течение 4–5 часов, чтобы расплавить шлак, а затем охлаждать перед загрузкой.
Затем в под печи помещают либо белый чугун, либо очищенное железо , этот процесс называется загрузкой . Для мокрого пудлингования также загружают железный лом и/или оксид железа. Затем эту смесь нагревают до тех пор, пока верхняя часть не расплавится, позволяя оксидам начать смешиваться; обычно это занимает 30 минут. Эту смесь подвергают сильному потоку воздуха и перемешивают длинными прутьями с крючками на одном конце, называемыми пудлинговыми прутьями или щебнями , [10] [12] через дверцы в печи. [13] Это помогает железу-III ( вид Fe 3+ , действующий как окислитель ) из оксидов реагировать с примесями в чугуне, в частности с кремнием , марганцем (для образования шлака) и в некоторой степени с серой и фосфором , которые образуют газы, выходящие с выхлопными газами печи.
Затем добавляется больше топлива, и температура повышается. Железо полностью расплавляется, а углерод начинает выгорать. При мокром пудлинге образование оксида углерода (CO) и диоксида углерода (CO2 ) из-за реакций с добавленным оксидом железа приведет к образованию пузырьков, из-за которых масса будет казаться кипящей. Этот процесс заставляет шлак вспучиваться сверху, давая каменщику визуальное указание на ход горения. По мере сгорания углерода температура плавления смеси повышается с 1150 до 1540 °C (от 2100 до 2800 °F), [14] [15], поэтому печь должна постоянно подпитываться во время этого процесса. Температура плавления повышается, поскольку атомы углерода в смеси действуют как растворенное вещество в растворе, что снижает температуру плавления железной смеси (как дорожная соль на льду).
Работая в составе бригады из двух человек, пудлер и помощник могли производить около 1500 кг железа за 12-часовую смену. [16] Из-за тяжелого труда, жары и паров продолжительность жизни пудлеров была очень короткой, большинство из них умирало в возрасте 30 лет. [17] Пудлер никогда не мог быть автоматизирован, поскольку пудлер должен был чувствовать, когда шары «выходили на поверхность».
В конце 1840-х годов немецкий химик Франц Антон Лохаге разработал модификацию процесса пудлингования для производства не железа, а стали на металлургическом заводе Haspe в Хагене ; впоследствии он был коммерциализирован в Германии, Франции и Великобритании в 1850-х годах, а пудлинговая сталь была основным сырьем для литой стали Круппа даже в 1870-х годах. [18] До разработки базовой огнеупорной футеровки (с оксидом магния , MgO) и широкомасштабного внедрения процесса Гилкриста-Томаса около 1880 года он дополнял кислые бессемеровские конвертеры (с огнеупорным материалом из SiO 2 ) и мартены, поскольку в отличие от них пудлинговая печь могла использовать фосфорные руды, имеющиеся в изобилии в континентальной Европе. [19]
Пудлинговая печь — это технология производства металла, используемая для создания кованого железа или стали из чугуна, полученного в доменной печи . Печь сконструирована так, чтобы горячий воздух протягивался над железом без непосредственного контакта топлива с железом, система, обычно известная как отражательная печь или мартеновская печь . Главным преимуществом этой системы является сохранение примесей топлива отдельно от шихты.
Под – это место, где загружается, плавится и пудлируется железо. Форма пода обычно эллиптическая; 1,5–1,8 м (4,9–5,9 фута) в длину и 1–1,2 м (3,3–3,9 фута) в ширину. Если печь предназначена для пудлингования белого железа, то глубина пода никогда не превышает 50 см (20 дюймов). Если печь предназначена для кипячения серого чугуна, то средняя глубина пода составляет 50–75 см (20–30 дюймов). Из-за большого количества тепла, необходимого для плавления шихты, решетку приходилось охлаждать, чтобы она не расплавилась вместе с шихтой. Это делалось путем подачи на нее постоянного потока холодного воздуха или путем выливания воды на дно решетки.
В камине, где сжигается топливо, использовалась чугунная решетка, размер которой варьировался в зависимости от используемого топлива. Если используется битуминозный уголь , то средний размер решетки составляет 60 см × 90 см (2,0 фута × 3,0 фута) и загружается 25–30 см (9,8–11,8 дюйма) угля. Если используется антрацитовый уголь, то решетка имеет размеры 1,5 м × 1,2 м (4,9 фута × 3,9 фута) и загружается 50–75 см (20–30 дюймов) угля.
Двойная пудлинговая печь похожа на одинарную, с основным отличием в том, что есть две рабочие двери, позволяющие двум пудлинговщикам работать в печи одновременно. Самое большое преимущество этой установки в том, что она производит в два раза больше кованого железа. Она также более экономична и экономична по сравнению с одинарной печью.
