Горное дело и прямое получение железа из руды на заре человечества

© A.M. Апасов, O.P. Ананьева, 2012

А.М. Апасов, O.P. Ананьева

ГОРНОЕ ДЕЛО И ПРЯМОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ЖЕЛЕЗА ИЗ РУДЫ НА ЗАРЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Изложены основные исторические условия зарождения сыродутного процесса. Представлен обобщенный технологический процесс получения кричного железа в сыродутном горне. Приведены отличительные особенности получения крицы от существующих способов выплавки металла. Рассмотрены разновидности сыродутных печей. Отмечены перспективы развития метода в настоящее время.

Ключевые слова: сыродутный процесс, руда, кричное железо, черные металлы, выплавка металла, исторические условия, цивилизация.

Труд первых земледельцев, имевших в своем распоряжении только грубые каменные и деревянные орудия, был изнурительным. Они тратили много усилий при обработке почвы, выкорчевывании корней, ухаживании за посевами и сборе урожая.

Для того чтобы изготовить каменный топор и его отшлифовать, человеку из эпохи неолита требовалось затратить месяцы напряженного труда, в то время как из самородной меди топор можно уже было сделать быстрее и с большей легкостью.

Поэтому занимаясь обработкой самородной меди, человек открыл возможность плавления металла. К этому времени уже была известна гончарная печь, температура пламени в которой значительно выше, чем в костре. Используя такую печь, люди смогли начать систематическую выплавку меди.

Кроме орудий труда из меди производили и предметы, которые нельзя было сделать из камня: трубы, проволоку, гвозди и т.п.

Освоение способов выплавки меди дало людям более совершенные орудия не только для возделывания почвы и сбора урожая, но и для изготовления деревянных изделий, которые широко использовались в земледелии. Медные мотыги, имевшие деревянные рукояти, и лопаты позволили выполнять большие земляные работы, требуемые для сооружения оросительных каналов в засушливых районах.

Наблюдения над свойствами медных руд, содержащих незначительные (до 2 %) примеси олова, привели древнего чело-

века к важному открытию: прибавление к меди олова придает металлу лучшие качества. Так был изобретен первый искусственный сплав — бронза.

Бронза обладает значительными преимуществами перед медью. Она имеет более низкую температуру плавления, примерно (700 — 900) °С, более высокие литейные качества, а при охлаждении обладает значительной прочностью и твердостью по сравнению с медью. Если медное орудие в основном ковалось, то бронзовое отливалось, что имело большое значение, так как это открыло возможность массового производства орудий труда и оружия.

Однако бронза являлась слишком редким и дорогим материалом, и поэтому после ее появления основные орудия труда по-прежнему были каменные и деревянные.

В связи с этим бронза не могла вытеснить каменные орудия; это было под силу только железу, а добывать железо человек еще не умел.

Крупнейшим достижением на заре человечества, вызвавшим бурный рост производительных сил, явилось получение и применение железа. Железо окончательно вытеснило каменные орудия, чего не могли сделать ни медь, ни бронза [1].

Анализ процесса выплавки железа на раннем этапе цивилизации

Для совершенствования орудий труда решающее значение имело улучшение процесса плавки и обработки железа. Вначале основным способом получения железа был сыродутный процесс, при котором происходит прямое восстановление железа из руды [2].

На ранних этапах развития металлургии было характерно восстановление железа в ямных горнах с естественным дутьем

(«ветряные печи») — эта технология применялась издревле. На Руси она просуществовала вплоть до VIII в.

Сыродутный горн VI — VIII вв., применявшийся на Руси, сооружался из глины и иногда обкладывался камнем (рис. 1, 2).

Рис.1. Схема сыродутного горна, применявшегося на Руси в VI — VIII вв.

Высота сыродутного горна достигала 35 см, диаметр — 60 см, толщина стенок — (5 — 7) см. В горн закладывались железная руда, и древесный уголь и мехами нагнетался воздух. В результате восстановления руды получалась железная крица до 8 кг весом. Процесс восстановления железа продолжался (2 — 2,5) часа (рис. 1).

Сыродутный горн (рис. 2) строили обычно на склоне холма, что позволяло использовать естественную тягу воздуха через всегда открытую шлаковую летку и далее через рабочее пространство горна, высота которого достигала первоначально (1,0 — 2,5) м. Какие-либо воздуходувные машины отсутствовали, и количество воздуха, поступающего в горн через шлаковую летку в результате естественной тяги, было небольшим, что предопределяло невысокую интенсивность плавки.

Горение древесного угля перед шлаковой леткой в токе холодного воздуха по реакциям: С + О2 = СО2, СО2 + С = 2СО или 2С + О2 = 2СО требует около 4,4 м3 воздуха на каждый 1 кг сожженного углерода.

Так как приток воздуха при естественной тяге был слабым, небольшим было и количество углерода, сгорающего перед леткой в единицу времени. В то же время тепловые потери через стенки горна и затраты тепла на восстановление железа из руды и шлака были велики. Поэтому температуры в нижней, наиболее горячей части горна не превышали (1200 — 1250) °С (в горне перед фурмами современной доменной печи температуры достигают сейчас (1900 — 2100) °С). Газообразные продукты горения древесного угля (СО и И2), двигаясь вверх в рабочем пространстве горна, при небольшой высоте печи не успевали охладиться в достаточной степени, покидали горн с температурой до (800 — 900) °С (в современных доменных печах при высоте рабочего пространства (30 — 33) м температура колошниковых газов редко превышает (250 — 300) °С).

Слабо использовалась и восстановительная способность печных газов; содержание СО2 в отходящих газах составляло несколько процентов (в современных доменных печах колошниковый газ содержит до (16 — 18) % СО2).

Несовершенство тепловой работы сыродутных горнов приводило к огромному расходу древесного угля, который достигал (4 — 6) кг на 1 кг полученного кричного железа (в доменных печах расход кокса (0,4 — 0,5) кг/кг чугуна).

Рис. 2. Схема устройства сыродутного горна: 1 — тесаные глыбы или валуны (песчаник, известняк, гранит); 2 — уплотненный слой глины или песка; 3 — обмазка из огнеупорной глины; 4 — рабочее пространство горна; 5 — открытая шлаковая летка, служащая также для ввода воздуха в горн; 6 — зона горения древесного угля перед шлаковой леткой-фурмой; 7 — крица; 8 — яма для шлака

В шихту сыродутных горнов, кроме древесного угля, входили только железные руды — флюсы еще не были известны. По мере выгорания древесного угля, шихта медленно опускалась в пространстве горна, и сверху последовательно подсыпали слои руды и топлива. В верхней части сыродутных горнов происходили процессы испарения влаги шихты, разложения гидратов и карбонатов. Восстановление железа шло во всем объеме горна, но из-за недостаточного температурного уровня процесса эти реакции не шли до конца. Оставшиеся окислы железа входили в состав силикатного железистого шлака.

Конечный шлак, вытекавший из сыродутного горна, содержал до (50 — 55) % РеО и сверх того (10 — 15) % Ре20з (здесь Ре203 относится к переходящему в шлак магнетиту, представляющему собой закись-окись железа Ре0^Ре203).

Приводим состав конечного шлака одного из якутских сыродутных горнов, %: РеО 48,5; Ре20з 14,82; БЮ2 23,01; А^Оз 2,67; Мп0 3,48; Са0 2,84; Р205 0,87 и щелочей 3,78 %.

Шлак современной доменной печи содержит 0,5 — 1,0 % РеО и из каждых 1000 кг шихты лишь (3 — 5) кг железа переходит в шлак, а (997 — 995) кг железа — в чугун. В сыродутном горне из каждой 1000 кг Ре шихты в металлическую крицу переходило железа не более (600 — 700) кг. Вся остальная масса железа (300 — 400) кг не восстанавливалась и терялась безвозвратно с вытекающим из горна шлаком.

Черный железистый фаялитовый шлак, обладая значительной подвижностью при температурах, господствующих в нижней части горна ((1100 — 1250) °С), непрерывно вытекал из шлаковой летки сыродутного горна, скапливаясь в специальной яме перед горном. Немецкое название сыродутного горна «Иеппс^еп» связано с особенностью работы сыродутных горнов — «печь с бегущим шлаком». Основность (СаО : БЮ2) шлаков сыродутных горнов не превышала 0,1 — 0,3, поэтому реакция десульфурации металла (РеБ + СаО = СаБ + РеО) почти не имела места — вся сера шихты переходила в крицу. Качественный металл получали из чистых по сере руд.

Обсуждение результатов

Частицы твердого губчатого железа появлялись в сыродутном горне еще до образования железистого шлака. Немедленно начинался процесс науглероживания металла при контакте его с окисью углерода и углеродом. В доменной печи этот процесс приводит к получению чугуна с (4 — 4,5) % С и температурой плавления (1130 — 1200) °С.

Такой чугун выпускается из доменной печи в жидком виде при температуре (1300 — 1500) °С. Напомним также, что в горне доменной печи чугун находится под шлаком, содержащим всего (0,5 — 1,0) % РеО, т. е. количества закиси железа недостаточно для выжигания углерода из металла по реакции: (РеО) + [С] = [Ре] + СО.

Совершенно иные условия создавались в сыродутном горне, в нижней части которого первоначально науглероженное губчатое железо попадало в массу железистого шлака, содержавшего до (50 — 55) % РеО. Интенсивное обезуглероживание чугуна железистым шлаком приводило к получению продукта, содержавшего не более 0,5 % С (чаще 0,3 % С).

Такой продукт, имея температуру плавления не ниже 1400 °С, не мог вытекать из горна, в котором максимальная температура перед шлаковой леткой не превышала (1200 — 1250) °С.

Нагретые до тестообразного состояния пластичные частицы железа, слипаясь и свариваясь вместе на лещади горна, образовывали крицу (от старославянского слова «кръч» — кузнец). Пористую крицу, пропитанную железистым шлаком, отжимали для его удаления под специальными прессами около горна. Кричное малоуглеродистое железо легко ковалось, но не позволяло получать литые изделия. Для извлечения крицы из горна необходимо было взламывать переднюю стенку горна, а затем вновь её восстанавливать.

Прерывистость, периодичность сыродутной плавки была одним из главных ее недостатков, обусловивших низкую производительность горнов.

К важнейшим недостаткам сыродутного процесса относятся низкие температура зоны горения древесного угля и степень использования энергии газов, высокий уровень потерь железа со шлаком, прерывистость процесса. Дальнейшее развитие техники плавки железных руд шло по пути совершенствования конструкции сыродутных горнов и устранения недостатков.

Постепенно увеличилась и высота сыродутных горнов, т. е. удлинился путь газов в печи, понизилась температура отходящих газов, повысились температура и степень восстановления руды, поступающей в наиболее горячую зону горна. Применение клинчатых мехов, приводившихся в движение первоначально мускульной силой людей, а затем с помощью либо конного привода, либо водяного колеса, позволило значительно увеличить количество воздуха, подаваемого в единицу времени, а, следовательно, и количество сжигаемого в единицу времени древесного угля (рис. 3).

Рис. 3. Плавильный горн-домница

Следствием этого было повышение температур в нижней части горна, улучшение условий восстановления железа и снижение содержания окислов железа в шлаке. Окислительная способность шлака уменьшалась и это сокращало масштабы развития реакции обезуглероживания (РеО)+[С] = [Ре]+СО. Неизбежным следствием этих изменений технологии было увеличение содержания углерода в готовом продукте, снижение температуры его плавления. К XI — XII в. на крупных печах высотой до (4 — 5) м впервые в больших масштабах наряду с крицей начали получать и некоторое количество жидкого чугуна ((2 — 4) % С), вытекавшего из печи вместе со шлаком. К этому времени температуры в нижней части горна достигали (1300 — 1350) °С, а содержание РеО в шлаке уменьшилось до (10 — 15) %.

Дальнейшее развитие железоделательного мастерства шло медленно и осложнялось низкой населенностью Урала (не говоря уже о Сибири), что приводило к дефициту рабочих рук и отсутствием грамотных специалистов.

Первоначально в XVII веке железо за Урал поступало как в кричном виде, так и в виде готовых изделий (от гвоздей и серпов до якорей и жерновов) из европейской части страны — Ус-тюжны Железнопольской, Перми, Вычегды, Вятки, Соли Вычегодской, Соликамска, а также Москвы, Вологды и Ярославля. Стоимость железа резко повышалась после его ввоза в Сибирь. В 20-х годах XVII века пуд кричного железа стоил в Соликамске 60 копеек, в Тобольске он уже обходился более 1 рубля. В Енисейском остроге цена на него доходила до 5 рублей.

Несмотря на все растущую целесообразность развития собственного производства железа в Сибири колонисты сумели достичь самообеспечения железом лишь под самый конец XVII века (и то далеко не везде). Одной из главных причин было отсутствие кузнецов, причем тех, кто мог бы не только ремонтировать орудия труда, но и добывать, плавить руду, не говоря уже о том, чтобы делать из нее оружие (мастера «бронного дела» исчислялись в Сибири XVII века по пальцам). Поэтому в кузнецы для Сибири «верстали» людей из европейской Московии в приказном порядке или «прибирали» просто «гулящих». Во второй половине семнадцатого века в Сибири и на Урале уже появляются частные кузнецы и к концу века хорошо просматривается бурный рост числа кузниц в регионе.

Рост потребности в железе, обусловленный демографическим приростом населения, развитием мельничного дела, солеварения, а также потребностью в оружии привел к началу разработки ряда рудных месторождений на Урале и в Сибири (использовались не только болотные руды, но и бурый и красный железняки). Соответственно, в ряде мест были организованы первые казенные и частные «предприятия», в частности: Томский завод (1625 г.), Невьянское рудное железное дело (на реке Ница, 1630 г.), Железное и укладное дело в Арамашев-ской слободе (1654—1656), Нижненицинская слобода (1668— 1669), Рудоплавильное дело в Илимском остроге (1667— 1673), Завод Тумашевых в Верхотурском уезде на реке Нейва (1669 — 1675 г.), Железное дело Далматовского монастыря на реке Каменка.

В лесных массивах старого Сысертского завода заслуживает внимания печь на западной окраине Казачьего болота, которая выглядит довольно внушительным и капитальным сооружением, более напоминающим военный блиндаж (рис. 4).

Сысертский район расположен на юге Свердловской области и занимает площадь около 2000 кв.км. В настоящее время он фактически является пригородом города Екатеринбурга. В его состав всходит 38 населенных пунктов. Административный центр — город Сысерть, получивший свое название по речке Сысерть, главной водной артерии района, и расположенный в месте ее слияния с речкой Черной.

Едва ли можно еще где-нибудь встретить столько природных памятников, имеющих официальный статус. Здесь их насчитывается 18: скала и озеро. «Тальков камень», хребет Березовый увал, гора «Иванушкина», озеро «Большое Щучье», скалы «Марков камень», развалины старинного железоделательного завода, хрустальные копи, старинный канал «Черновский», скалы «Веселый мыс», «Храпы», Сысертский сосновый бор и т.д.

Настоящее, прошлое и будущее района связано с именем писателя П.П. Бажова. В своих сказах он запечатлел переменчивые картины уральской природы, временами они таинственно-суровые, в другое время одухотворенные и прекрасные. В 2007 году в Сысертском районе создана особо охраняемая территория областного значения: «Природный парк «Бажов-ские места».

Рис. 4. Казачья сыродутная печь

На склоне небольшого возвышения имеется стенка аккуратно сложенная из каменного плитняка с небольшим топочным отверстием в нижней части. В верхней горизонтальной части печи имеется загрузочно-разгрузочное отверстие.

Такая печь есть не что иное, как сыродутная печь для получения кричного железа. Сыродутным этот способ назывался из-за того, что в горн подавали («дули») холодный («сырой») атмосферный воздух. Казачья сыродутная печь представляла собой яму, вырытую на склонах горы, чтобы можно было иметь естественную тягу. Сначала разжигали уголь, насыпанный на дно горна или печи, затем сверху загружали попеременно слои руды и того же угля. В результате горения угля выделялся газ — окись углерода, которая, проходя через толщу руды, восстанавливала окислы железа. Сыродутный процесс не обеспечивал достижения температуры плавления железа 1539 °С, а максимально доходил до 1200 °С (это была своего рода «варка» железа). Восстановленное железо концентрировалось в тестообразном виде на самом дне печи, образуя так называемую горновую крицу — железную губчатую массу с включениями несгоревшего древесного угля и с многочисленными примесями шлака (при этом в более совершенных вариантах сыродутных печей жидкий шлак выпускали из горна по желобу). Из крицы, которую в раскаленном виде извлекали из печи, можно было изготавливать изделия только после предварительного удаления этой шлаковой примеси и устранения губчатости. Поэтому непосредственным продолжением сыродутного процесса были холодная и, главное, горячая ковка, состоявшая в

периодическом прокаливании кричной массы и ее проковыва-нии. В результате создавались кричные заготовки.

Казачья сыродутная печь является классическим образцом. Можно лишь предположить, что в данной печи использовали болотную железную руду, поднимая её со дна Казачьего болота. Болотные руды распространены гораздо шире других. Они образовались в субатлантическом периоде, когда в процессе заболачивания железная руда оседала на дно водоемов. Все средневековье черная металлургия использовала болотные руды. Если внимательно почитать имеющиеся материалы, относящиеся ко времени создания Сысертского завода (Шкерин В. А. «В краю Бажовских сказов»), то можно найти вот такие строки: «...арамильцы около 1680 года обнаружили железную руду близ речки Сысерть и с той поры плавят металл в малых печах, платя десятину в слободскую контору. Произведённое железо в печах нужно было сбывать, т.е. кто-то его у крестьян покупал и на казённые заводы направлял».

О том, что производство железа в так называемых малых (сыродутных) печах продолжало процветать говорят и другие факты. Достаточно внимательно исследовать другие сохранившиеся печи. Очень интересной с этой точки зрения является печь Марковская (рис. 5 — 7), которая в отличие от печи Казачьей имеет более совершенную конструкцию. Следовательно, такая печь имеет и более высокое качество, и количество получаемого железа. Отличием этой печи является то, что в её конструкции присутствует лиственничный желоб для непрерывного удаления шлака во время варки железа. А наличие таких деталей как элементы слесарных тисков, фрагменты рессорных узлов, изношенные лопаты начала прошлого века говорят о том, что печь использовалась вплоть до окончания деятельности завода.

Ещё более интересной является Полдневая малая печь (рис. 8, 9), которая представляет из себя спаренную печь с двумя загрузочными отделениями. Отличается она также тем, что топка расположена не со стороны оврага, а выходит в специальное отделение, которое до сегодняшнего дня не сохранилось, но остатки деталей позволяют предположить, что это был деревянный навес или землянка. Такая конструкция печи позволяет сделать вывод, что печь работала не на естественной тяге, а воздух подавался принудительно с помощью приспособления, скорее всего, что-то типа мехов. Наличие специаль-

ных воздушных колодцев возле топки и тела печи также подтверждают, что воздух в печь подавался принудительно и не холодный, а предварительно прогретый от самой же печи что, безусловно, позволяло повысить температурный режим стабильность и скорость получения продукта.

Полдневая печь ещё интересна тем, что сейчас без детального обследования трудно определить, что в ней плавили т.к. она находится между небольшим медным месторождением и старым железным рудником. Но, тем не менее, достоверно можно сказать, что на всём протяжении двух векового существования Сысертского завода в окрестных лесах интенсивно развивалось кустарное производство кричного железа, несмотря на грозные запреты местных чинов.

Рис. 7. Загрузочная клеть Марковской печи

Рис. 8. Полдневая малая печь

Рис. 9. Топка Полдневой печи

Одноступенчатый (сыродутный) способ получения железа был положен впоследствие в основу двухступенчатого (доменного и кричного), который позволил в дальнейшем значительно поднять производительность металлургического процесса и обеспечить все возрастающий спрос на металл в промышленном масштабе. Сыродутный процесс способствовал осуществлению перехода от ручных орудий труда к машинам и подготовке кадров искусных рабочих для крупной машинной индустрии.

Современная тенденция в черной металлургии связана с тем, что на многих металлургических заводах и комбинатах сворачивается производство передельного чугуна и, как следствие, закрываются доменные печи. В частности на Новокузнецком металлургическом комбинате (до 2003 года Кузнецкий металлургический комбинат). В определенной степени, это объясняется тем, что снова проявляется интерес специалистов к прямому получению железа из руды как к методу, перспективному в первую очередь в экономическом отношении.

Выводы

1. Прямое получение железа из руды и его применение явилось важнейшим открытием человечества, которое позволило:

• осуществлять обработку земли на крупных площадях;

• обеспечить расчистку под пашню широких лесных пространств;

• дать ремесленнику орудия такой твердости и остроты, которым не мог противостоять ни один камень, ни один из известных тогда металлов.

2. С применением сыродутного процесса резко возросла производительность и существенно снизилась трудоемкость изготовления орудий труда из металла на основе железа по сравнению с каменными.

3. Механические свойства орудий труда из металла на основе железа значительно возросли.

4. Эксплуатационные характеристики, а также надежность и долговечность орудий из металла черной группы существенно повысились.

5. Сыродутный процесс в настоящее время является основой для разработки современных методов прямого восстановления железа из руды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зворыкин A.A. История техники / A.A. Зворыкин, Н.И. Осьмова, В.И. Чернышев, Шухардин С.В. // М., Соцэкгиз. 1962. — 772 с.

2. Апасов A.M. Электрометаллургия стали и ферросплавов. Введение в специальность / A.M. Апасов // Томск: Изд-во ТПУ. 2006. — 398 с. ГГЩ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Апасов Александр Михайлович — кандидат технических наук, доцент, е-шаИ: mchmyti@rambler.ru,

Ананьева Ольга Рафиковна — студентка, е-шаП: mchmyti@rambler.ru, Юргинский технологический институт (филиала) Томский политехнический университет.