Вообще соединия мышьяка — аурипигмент As2S3 и реальгар AsS — известны с глубокой древности и высоко ценились как пигменты

Мышьяк часто содержится в полиметаллических рудах, и при плавке частично попадает в выплавляемый металл [...]]]> Для попаданца в прошлое достаточно высока вероятность встретиться с мышьяком, поэтому полезно знать, что это такое и с чем его едят.

Вообще соединия мышьяка — аурипигмент As2S3 и реальгар AsS — известны с глубокой древности и высоко ценились как пигменты

Мышьяк часто содержится в полиметаллических рудах, и при плавке частично попадает в выплавляемый металл (например, так получалась мышьяковистая бронза), а частично испаряется и уносится из печей с дымом, осаждаясь в виде белого налета — так называемого белого мышьяка (As2O3). При нагревании с органическими веществами или углем оксид мышьяка легко восстанавливается до серого металлического мышьяка. Небольшая добавка мышьяка в свинце повышают его твердость, а в меди и особенно латуни улучшает коррозионную стойкость.

Токсичность мышьяка была хорошо известна с глубокой древности, и его широко использовали как яд. Поскольку симптомы отравления мышьяком носят общий характер, и очень напоминают холеру, долгое время выявить отравление им было невозможно, до появления очень чувствительного метода Марша.

Для анализа по методу Марша пробу смешивают с серной кислотой и добавляют кусочек цинка (и кислота, и цинк должны быть свободны от примесей мышьяка, кроме того, важна подготовка пробы). Выделяющийся водород пропускается через стеклянную трубочку, нагреваемую пламенем, и при наличии мышьяка в пробе получающийся арсин AsH3 разлагается с образованием темного зеркального налета. Похожий налет дает сурьма, но ее несложно отличить от мышьяка по дальнейшему поведению «зеркала» — налет мышьяка при более сильном нагревании улетучивается и оседает дальше на холодных участках трубки.

Более простой, но не такой чувствительный способ определить присутствие мышьяка, предложенный еще раньше Карлом Шееле, — просто понюхать выделяющийся газ, в присутствии мышьяка появляется характереый чесночный запах арсина AsH3. Токсическое действие мышьяка состоит в сильном связывании с атомами серы белков организма (в том числе жизненно важных ферментов), поэтому при отравлении хорошо действуют сернисные антидоты — унитиол и БАЛ. Последний был специально разработан для лечения отравления мышьяксолержащими ОВ типа льюзита и адамсита, что и отражено в его названии названии (Британский АнтиЛьюзит). Оба антидота также эффективны при отравлении ртутью, свинцом и другими тяжелыми металлами, поэтому в аптечке попаданца они точно будут не лишними. При отравлении мышьяком также хорошо действует суспензия гидроксида железа, получающаяся при смешении раствора железного купороса с содой, и образующая с мышьяком нерастворимое соединение FeAsO3, но эффект будет только при очень скором принятии противоядия.

Соединения мышьяка являются сильнодействующими пестицидами, например, для защиты дерева от гниения и древоточцев; для уничтожения насекомых, грызунов или сорняков. Но использовать их нужно с большой осторожностью. Несмотря на высокую токсичность, в небольших количествах мышьяк содержится в организме человека (10-25 мг), а в маленьких дозах оказывает общее укрепляющее действие, чем часто пользовались горняки в Штирии. Препараты мышьяка (например, оксид мышьяка или капли Фоулера — 1% раствор арсенита калия) хорошо действуют при малярии, аутоимунных заболеваниях и даже излечивают некоторые формы рака.

В начале XX в., а именно в 1909 г., на основе мышьяка был получен сальварсан — первый химиотерапевтический препарат, эффективный при сифилисе и сонной болезни, и имевший большое значение вплоть до середины XX в. Есть несколько способов получения этого препарата, но проще всего исходить из фенола, который при нагревании до 150 градусов реагирует с мышьяковой кислотой, давая феноларсиновую кислоту, которую нужно далее обработать нитрующей смесью, и затем провести еще две стадии восстановления.

Полученный прерарат может содержать очень токсичные примеси, поэтому в отсутствие точных аналитических методов каждую партию препарата желательно проверять на животных.
Эффективная доза для лечения сифилиса составляет около 0.003 г на килограмм живого веса, токсичная же доза начинается от 0.1 г/кг. Особенно эффективно сочетание инъекций сальварсана с лечением ртутью, при этом полное излечение первичного сифилиса достигается в 90% случаев.
Конечно, с появлением антибиотиков сальварсан и подобные препараты вышли из употребления, но появление столь действенного средства на 100 или даже 1000 лет реньше может произвести огромный эффект.

Вооруженный этими знаниями попаданец сможет не только защититься от отравления, но и получить значительную пользу от мышьяка и его соединений

Впервые влияние добавок железа на медные сплавы было отмечено Уильямом Кером, запатентовавшим в 1779 г. сплав, содержащий 54% меди, 40% цинка и 6% железа. Оптимальным оказалось меньшее содержание железа, в диапазоне от 1 до [...]]]> В предыдущей статье про латунь обсуждались достоинства и недостатки этого сплава. Однако стоит отдельно упомянуть особый класс латуней, легированных железом.

Впервые влияние добавок железа на медные сплавы было отмечено Уильямом Кером, запатентовавшим в 1779 г. сплав, содержащий 54% меди, 40% цинка и 6% железа.
Оптимальным оказалось меньшее содержание железа, в диапазоне от 1 до 4.5%, и подобные сплавы под названиями стерро-металл, айх-металл и дельта-металл и др. нашли широкое применение в технике.
Первым из них был стерро-металл (55-60% меди, около 40% цинка и до 4.5% железа), предложенный бароном де Ростхорном в качестве пушечного металла в 1850-х гг. и отличавшийся от обычной желтой латуни высокой прочностью, доходящей до 600 МПа в тянутом виде, твердостью и вязкостью. Стерро-металл легко подвергался горячей и холодной ковке.
Сплав Айха (1860 год) содержал меньше железа, до 1.5%, был мягче и особенно подходил для прокатки в листы, которые использовались для облицовки кораблей благодаря отличной стойкости к коррозии в морской воде. Однако метод приготовления этих сплавов, при котором сначала сплавлялась медь с железом, приводил к недостаточно стабильному составу, что особенно сказывалось в крупных отливках. Эта проблема была решена 1886 г. Диком, который растворял железо в расплавленном цинке до насыщения (около 5% железа), в результате чего стало возможным получать сплавы с точно заданным составом.
Дик организовал Delta Metal Company, и начал производство сплавов, среди которых наибольшее распространение получил сплав No. IV, содержащий 56-58% меди, 40-42% цинка, по 1% железа и свинца, и раскисленный фосфором. Этот сплав собственно и получил известность как «дельта-металл».
Из дельта-металла отливали пароходные винты, высоконагруженные зубчатые колеса, валки, арматуру паровых котлов, цилиндры насосов и гидравлических прессов, подшипники, а также декоративные изделия.
Дельта-металл отлично подходит для литья пушек, поскольку хорошо заполяет форму, дает мелкозернистую струтуру и даже в виде простой отливки значительно превосходит оловянную и фосфористую бронзу, а после ковки или прокатки вполне может конкурировать со сталью.
С появлением алюминиевых бронз и улучшением технологии стального литья популярность железистых латуней снизилась, но тем не менее латунь ЛЖС58-1-1, практически идентичная металлу дельта, производится и применяется до сих пор.

Поскольку содержание цинка в дельта-металле и аналогичных сплавах превышает 35%, в них наряду с альфа-фазой присутствует бета-фаза, обеспечивающая повышенную прочность и твердость.
Легирование железом также повышает твердость и обеспечивает получение мелкозернистой структуры с повышенной вязкостью, а небольшая присадка свинца улучшает обрабатываемость.
Очевидное преимущество дельта-металла состоит а том, что цинк, в отличие от олова, достаточно широко распространен и легко выплавляется из руд

Обычный серый чугун хорошо подходит для отливки деталей машин и станков, посуды, а благодаря стойкости к перепадам температуры и химической стойкости — для сосудов и труб на химическом [...]]]> Во многих областях чугун просто незаменим, и внедрять его выплавку стоит как можно раньше, тем более что принципиальных сложностей для этого нет практически в любую эпоху.

Обычный серый чугун хорошо подходит для отливки деталей машин и станков, посуды, а благодаря стойкости к перепадам температуры и химической стойкости — для сосудов и труб на химическом производстве.
Основной недостаток серого чугуна состоит в хрупкости, поскольку углерод в нем находится в виде пластинчатых графитовых включений, что способствует росту и распространению трещин.

Но свойства чугуна можно кардинально улучшить, меняя морфологию графита и получая в результате ковкий или высокопрочный чугун.
Для КЧ и ВЧ в первую очередь необходим подходящий состав исходного сплава. Он должен быть низкоуглеродистым (2.5-3.5% C), и содержать минимальные количества серы и фосфора, не более 0.1-0.2%. Кремний и марганец в больших количествах тоже нежелательны. Отличный вариант исходного сырья — древесноугольный чугун из небольшой домны без подогрева воздуха, тем более именно такую домну построить проще всего. Имеет смысл и получение синтетического чугуна науглероживанием кричного железа в тиглях при 1200-1400 градусах — так даже из самой плохой руды вполне можно выплавить металл, свободный от нежелательных примесей.
Для получения ковкого чугуна нужно сначала сделать отливку из белого чугуна, в которой весь углерод находится в форме цементита Fe3C (этому способствует низкое содержание кремния и фосфора, а также быстрое охлаждение отливки). Превращение белого чугуна в ковкий происходит в процессе длительного, в течение 10-25 часов, отжига при 950-1000 градусах (закалка исходного белого чугуна сокращает это время до 5-7 часов за счет образования центров графитизации), при этом цементит распадается и углерод выделяется в виде графита, но не пластинчатой, как в СЧ, а хлопьевидной формы, оказывающей значительно меньшее ослабляющее влияние.

Структура самой железной матрицы зависит от режима дальнейшей обработки — при медленном охлаждении получается перлитный КЧ; если же охладить отливку до 700-750 и выдержать при этой температуре еще несколько часов — ферритный КЧ.
В результате формируется материал с пределом прочности на растяжение около 300-400 МПа и предельным удлинением 12-3% (для ферритных и перлитных КЧ соответственно). По сравнению с 150-200 МПа и <1% , типичных для СЧ, разница колоссальная.
Еще более радикальное улучшение механических свойств чугуна происходит при модифицировании расплавленного чугуна присадками магния, кальция, церия и др. Присадки вводятся в малых количествах, 0.1-0.3%, и служат инициаторами для выделения графита в виде сферических частиц прямо при охлаждении расплава.

Поэтому не нужен длительный отжиг, а свойства получающихся высокопрочных чугунов приближаются к среднеуглеродистым сталям — предел прочности 500 МПа и выше (до 1000 МПа), удлинение 10-20%. К тому же ВЧ хорошо заполняет формы при отливке и имеет маленькую усадку.
И КЧ, и ВЧ могут подвергаться термообработке (закалка, отпуск), что еще больше расширяет область их применимости.

История [...]]]> Кричное железо и сталь (сначала сырцовые, а затем передельные и пудлинговые) использовались для изготовления инструментов и оружия на протяжении тысячелетий. При грамотной обработке, состоящей в первую очередь в многократной проковке для гомогенизации и выжимания остатков шлака, удавалось получить весьма качественный материал. Но настоящую однородную сталь можно получить только переплавкой — например, в тиглях.

История тигельной стали началась достаточно давно. По всей видимости, впервые выплавлять высокоуглеродистую сталь начали на юге Индийского полуострова в VI-V вв. до н.э. В дальнейшем подобные технологии достаточно широко использовались на Шри-Ланке, на Ближнем Востоке и в Центральной Азии, а также в Китае. Сталь получалась различными способами — науглероживанием кричного железа, сплавлением железа с чугуном или восстановлением железной руды (или скорей частично восстановленного агломерата из сыродутного горна) в тигле. Тигли, способные выдерживать высокие температуры и достаточно устойчивые в образующимся шлакам, были ключевым элементом технологии, и зачастую глину для тиглей импортировали.
Для достижения температуры плавления железа использовался специальный тип печи в виде купола, внутреннее пространство которого заполняли тиглями и топливом, обычно древесным углем, воздух же для горения обеспечивался интенсивным дутьем.

Древесный уголь — не очень подходящее топливо для плавления железа, так как очень быстро прогорает, а высокая пористость делает очень сложным достижение высокой температуре — уголь активно реагирует с углекислым газом с поглощением тепла:
C + CO2 = 2CO
Поэтому древняя тигельная сталь получалась только высокоуглеродистой, а за счет недостаточно высокой температуры — обычно неоднородной, что в итоге привело к легендарному булату.
В Европе производство тигельной стали было впервые организованно в 1740 г. Бенджамином Хантсманом, который в поисках лучшего материала для часовых пружин разработал способ переплавки цементной стали в тиглях. Способ Хантсмана на протяжении почти 150 лет использовался практически без изменений — увеличивалось лишь количество переплавляемого за одну загрузку металла и менялся состав шихты — и был основным способом получения качественной инструмениальной или оружейной стали.
Плавка стали производилась в самодувных горнах, приток воздуха в которые обеспечивался тягой дымовой трубы. Горны, или плавильные ямы, рассчитанеые на 1, 2 или 4 тигля, обычно располагались в ряд вдоль стены с дымоходами.

Сами тигли, которые требовались в больших количествах, готовились из огнеупорной глины, с добавлением шамота или графита в самой сталелитейной мастерской и сушились несколько недель на стеллажах над плавильными ямами.
Высушенный тигель обжигали прямо в горне, и затем загружали металл — цементную сталь или смесь железа с чугуном или древесным углем, также добавляли верхушки ранее отлитых болванок и флюс — обычно зеленое бутылочное стекло. Вместимость тигля при этом составляла 15-30 кг металла. Сверху плотно примазывалась крышка, а сам тигель устанавливался на колосники через прокладку из огнеупорной глины, предотвращаюшей дно от охлаждения воздухом. В качестве топлива практически всегда использовался кокс, расход которого составлял двух- трехкратное количество от выплавляемой стали, древесным же углем пользовались редко, так как его расход был в несколько раз выше и нужная температура достигалась с трудом.
Сама плавка длилась 2-4 часа, после чего тигель доставали из ямы и расплавленный металл выливали в изложницу.

Ключевым фактором, обеспечивающим высокое качество получающейся стали, было время выдержки после плавления — недодержанная сталь получалась неоднородной, а передержанная — с большим количеством пузырей из-за растворившихся в жидком металле газов. Сама операция отливки тоже требовала большого мастерства и силы — металл из 30-кг тигля нужно было вылить непрерывной струей, не касающейся стенок изложницы, и не допустить попадания шлака.

На русских заводах изложницы обычно смазывали бараньим салом, которое обеспечивало восстановительную среду и препятствовало образованию пузырей. После остывания верхнюю часть слитка с усадочной раковиной отрезали и добавляли в следующую плавку, а сам слиток проковывали и использовали для изготовления слесарных и столярных инструментов, бритв, столовых приборов, оружейных стволов и т.д.
Таким же способом отливали не только отдельные слитки, но даже и загототовки пушек, весом в многие тонны, собирая металл из сотен тиглей. Сталь для крупных отливок часто плавили ускоренным способом, помещая в разогретые тигли железо, магнитный железняк и заливая чугуном, предварительно расплавленным в вагранке — так отливали пушки на Обуховском заводе.
По сравнению с конвертерной или мартеновской сталью тигельная сталь была сильно дороже, но тем не менее производительность типичной мастерской в Шеффилде с 12 горнами и семью рабочими составляла около 25 тонн стали в неделю (6 рабочих дней с тремя плавками в день), а производство всех шеффилдских заводов в конце XIX в. — более 1000 тонн только лучшего сорта инструментальной стали в неделю (не считая стали низших сортов и мягкого литого железа для котельных листов и заклепок). В больших объемах тигельная сталь производилась также в Германии, России, США и других странах.
Кроме обычной углеродистой стали в тиглях плавили и легированеые — например, вольфрамовую сталь. Тигельная сталь постепенно вытеснилась сталью, выплавляемой в электропечах, однако последние заводы были закрыты в 1950-х — почти 200 лет с начала производства стали Хантсманом.
Лимитирующие факторы для более раннего внедрения тигельной стали — высокотемпературные огнеупоры и кокс (хотя в России использовали и древесный уголь). Также стоит дополнить технологию плавки введением раскислителей (кремния, марганца, магения, алюминия и др.), которые предотвращают образование пузырей в отливке. Тигельный горн отлично подойдет для выплавки легированных сталей — быстрорежущей (1% углерода и 5-20% вольфрама или молибдена) или марганцевой стали Гадфилда (1% углерода и около 13% марганца).

Пламя обычной свечи или масляной лампы имеет достаточно невысокую температуру, потому что топливо сгорает в условиях недостатка кислорода. Если же вдувать дополнительный воздух в пламя через трубку с тонким отверстием, то пламя принимает вид острого языка, [...]]]> Паяльная трубка — это простое, но крайне полезное приспособление, которое служит человечеству уже не одну тысячу лет.

Пламя обычной свечи или масляной лампы имеет достаточно невысокую температуру, потому что топливо сгорает в условиях недостатка кислорода. Если же вдувать дополнительный воздух в пламя через трубку с тонким отверстием, то пламя принимает вид острого языка, в котором достигается очень высокая температура.

Сложно сказать, где и когда впервые использовали паяльную трубку (самое раннее изображение датируется 2400 г до н.э., в Египте), но она была обычным инструментом ювелиров и стеклодувов с древних времен и до появления газовых горелок. А в развивающихся странах ювелиры до сих пор используют паяльную трубку.

Стеклодувы, изготавливавшие термометры, научную аппаратуру и стеклянные украшения, в XVIII в перешли на подачу воздуха мехами, которые качал помошник или сам стеклодув ногой.

Все это, конечно, полезно для попаданца, ведь ему наверняка придется паять твердыми припоями, спаивать стеклянные трубки, плавить сферические линзы для простейшего микроскопа и т.д., но самое полезное применение паяльной трубки другое — это химический анализ.
Впервые использовать трубку для анализа начали в XVII в, а трудами Берцелиуса, Гана и многих других химиков огневой анализ стал очень информативным методом. С помошью паяльной трубки были открыты более десяти новых элементов! Суть анализа состоит в том, что испытуемое вещество (например, какой-нибудь минерал) подвергается действию окислительного или восстановительного пламени, на куске древесного угля, глиняной или гипсовой пластинке.

По поведению вещества (плавление, изменение цвета, окрашивания пламени, образование корольков металла или налетов на угле или гипсе), а также окрашивании капельки расплавленной буры с крупинкой вещества можно определять большое количество элементов, и даже их примерное содержание (например, по размеру королька металла). Вся аппаратура для анализа очень проста, не занимает много места и идеальна для использования в полевых условиях.

С помошью паяльной трубки можно осуществить в миниатюре практически все процессы выплавки металлов (обжиг руды, плавка, купелирование и т.д.) и за очень короткое время — буквально несколько минут — понять, стоит ли эту руду пытаться плавить в печи. Нагревая в пламени паяльной трубки образец глины, можно сразу же оценить ее степень огнеупорности.
С появлением более совершенных методов, в первую очередь спектрального анализа Бунзена и Кирхгоффа, а также развития мокрых методов анализа, огневой анализ быстро утратил свое значение, однако попаданцу этот метод может оказать огромную помошь.

Коксование угля заключается в удалении летучих соединений (в том числе и серы, столь нежелательной в металлах) и спекании угля в плотные, но пористые куски кокса с [...]]]> Попаданец, обнаруживший каменный уголь, несомненно попытается использовать его в металлургии. Как хорошо известно, сам по себе уголь плохо подходит для выплавки металлов, поэтому его нужно превратить в кокс.

Коксование угля заключается в удалении летучих соединений (в том числе и серы, столь нежелательной в металлах) и спекании угля в плотные, но пористые куски кокса с высокой теплотворной способностью.
На заре использования каменного угля в металлургии, когда кокс выжигали в кучах практически так же, как и древесный уголь, настоящий коксующийся уголь не использовали, потому что он спекался в непроницаемую для газов массу. Получение кокса, природного для доменной печи, требовало большого опыта выжигальщиков, подбиравших подходящие крупные куски угля и укладыванших их особым образом. После разбора кучи поиходидось вручную выбирать кокс из коксовой мелочи, которой получалось до половины. Стойловые печи, в которых уголь располагался между двумя кирпичными стенками, позволили использовать мелимй уголь спекающихся (то есть собственно коксующихся) сортов, но также требовали очень опытных работников, контролировавших приток воздуха через каналы в сиенках.

Поэтому попаданцу стоит обратить внимание на ульевые коксовые печи, которые при всей своей примитивности использовались вплоть до XXI века.

Ульевая печь представляет собой огнеупорный свод, похожий на улей, расположенный на горизонтальном поду и снабженный отверстиями вверху и сбоку. Аналогичную конструкцию имеют печи, издревле использовавшиеся для выпекания хлеба, поэтому в России ульевые печи называли булочными (вообще процесс коксования имеет сходство с выпеканием хлеба).
В горячую печь засыпали уголь слоем до метра, и закладывали боковое отверстие кирпичами, оставляя вверху небольшую щель для притока воздуха. Под действием тепла раскаленных пода и купола уголь выделял летучие продукты, которые сгорали над поверхностью угля, поддерживая процесс коксования. Поскольку нагрев угля происходил в основном сверху, кокс спекался и расстрескивался в характерные столбики.

По окончании процесса, на что требовалось, в зависимости от размера печи, от 2 до 3 дней, кладку сбоку разбирали, кокс тушили водой и выгребали наружу, освобождая печь для следующей загрузки. Выход кокса получался на 10-20% выше, чем в кучах или стойлах (поскольку сгорали лишь летучие продукты в пространстве между углем и сводом), кроме того, стало возможным использовать обогащенный уголь, размолотый и отмытый от пустой породы, а также составлять шихту из разных видов угля. Дальнейшие усовершенствования конструкции — улучшение теплоизоляции и установка печей в ряд, нагрев пода печи дымовыми газами снизу, отведение продуктов сгорания в общий дымоход — сильно улучшили производительность ульевых печей, однако во многих местах ульевые печи уступили место значительно более сложным и требовательным к сырью ретортным и щелевым печам с косвенным нагревом, в которых помимо более высокого выхода кокса (на 10-15%) можно было улавливать ценные продукты сухой перегонки угля (из газов ултевых печей можно улавливать только аммиак).
В Америке же загрузку и выгрузку ульевых печей механизировали, и в таком виде ульевые печи применялись очень широко вплоть до 1950-х.

В Китае ульевые печи простейшей конструкции применялись до 2011 г, несмотря на запрет в 1996 г в связи с их низкой экологичностью.
Но на этом история ульевых печей не закончилась — в сильно модернизированном виде они работают и сейчас, например, печи фирмы SunCokeEnergy в США. Загрузка и выгрузка полностью автоматизированы, выходящие газы дожигаются и обогревают коксовальные камеры со всех сторон, а тепло утилизируется для генерации электроэнергии.

Аналогичные печи рабоиают в Китае, Бразилии, Индии, Австралии. Полное сгорание летучих продуктов коксования, которые сейчас не представляют такой высокой ценности, как 100 лет назад, делает современные ульевые печи даже более экологичными, чем шелевые.

Поскольку восстановление проходит без образования шлаков, в [...]]]> Прямое восстановление железа в течении почти трех тысячелетий реализовывалось лишь в форме сыродутного процесса. Второе рождение прямое восстановление получило совсем недавно, поскольку в комбинации с выплавкой стали в электропечах обеспечивает получение высококачественных сталей с минимальными затратами.
Попаданцу же однозначно будет полезен процесс прямого восстановления железа в тиглях.

Поскольку восстановление проходит без образования шлаков, в первую очередь нужна чистая руда — например, магнетитовый песок. Отлично подойдет также железная окалина, отработанное железо из железных гальванических элементов, или же огарок от производства серной кислоты прокаливанием сульфатов железа.
В качестве восстановителя наиболее применим древесный уголь, в том числе и угольная мелочь, которая не подходит для сыродутных горнов или доменных печей. Может даже использоваться некоксующийся каменный уголь типа антрацита, однако в этом случае необходима добавка извести для связывания серы, содержащейся в угле
Руда и уголь помещаются в огнеупорные тигли (горизонтальными или концентрическами слоями), и эти тигли, закрытые крышками, нагреваются до 900-1200 градусов. Восстановление происходит за счет угарного газа, который образуется из углекислого газа под действием угля.
При использовании древесного угля и достаточно высокой температуры (1100-1200 градусов) практически полное восстановление проходит в течение нескольких часов, однако на практике, из-за низкой теплопроводности угля на весь цикл (прогрев, выдержка и охлаждение) требуется до нескольких суток. Температура влияет не только на скорость восстановления, но и на вид получающегося железа — при низких температурах, 800-900 градусов, получается рыхлый и легко окисляющийся на воздухе плрошок, при более высокой температуре спекающийся в плотный материал.
В настоящее время такой процесс проводится в туннельных печах, в которых медленно двигаются вагонетки с тиглями (TKDRI-процесс), полный цикл происходит за 25-30 часов. Тигли изготавливаются из карбида кремния, хорошо проводящего тепло и выдерживающего более 150 плавок, тогда как керамические — не более 20.

Хотя общая эффективность такого процесса существенно хуже, чем прямого восстановления газом в шахтных печах, возможность использования низкокачественных местных углей и небольшие инвестиционные затраты сделали его популярным в Индии, Иране и других развивающихся странах.
Спеченный железный порошок в настоящее время переплавляется в электропечах, попаданец же может использовать это железо для выплавки тигельной стали или чугуна. Проковать такое железо, как крицу, очень сложно.
Другие возможные применения — в гальванических элементах, для получения водорода, выделения меди из растворов и т.д.
Прямое восстановление в тиглях по сравнению, например, с сыродутным процессом, имеет целый ряд преимуществ:
Для восстановления в тиглях хорошо подходят оксиды железа в виде рыхлого порошка, которые сложно плавить классическими способами.
Восстановление происходит практически без потерь железа, что недостижимо для сыродутного горна, в котором необходимо образование железистого шлака.
Для нагрева тиглей может использоваться практически любое топливо — бурый уголь, торф, дрова, низкокачественные каменные угли.
Металл получается достаточно чистым, без примесей шлака. Кроме того, во многих местах такой процесс можно осуществлять с помошью уже имеющихся печей — например, гончарных, в которых температуры около 1000-1200 вполне достижимы.

Древнеримские горняки на копях около Рио Тинто делали попытки ускорить процесс вымывания меди, пуская воду в штольни. Но на [...]]]> Гидрометаллургия — крайне перспективная для попаданца область.
Корни гидрометаллургии уходят в глубокую древность — еще римляне знали о том, что в рудничных водах содержится медный купорос, и извлекали из этих вод медь с помощью железа.

Древнеримские горняки на копях около Рио Тинто делали попытки ускорить процесс вымывания меди, пуская воду в штольни. Но на регулярную основу извлечение меди окислением и выщелачиванием сульфидных руд поставили арабы около VIII в и китайцы около X в. Окисление пирита и марказита на воздухе долгое время было единственным способом получения сульфатов железа — железного купороса FeSO4 и Fe2(SO4)3, из которого готовили олеум.

Широкое применение гидрометаллургические способы добычи меди получили в конце XIX в , особенно в случае бедных руд, и в связи с введенными запретами на открытый обжиг руд.
Суть процесса состоит в окислении сульфидов железа, меди и других металлов под действием воздуха в растворимые сульфаты. Как оказалось, и в этом процессе большую роль играют микроорганизмы — например, Thiobacillus ferrooxidans, которая использует сульфиды как источник энергии и прекрасно себя чувствует в кислотной, полной тяжелых металлов среде.

Технически переработка сульфидных руд достаточно проста — измельченная руда укладывается тонким слоем на водонепроницаемую поверхность, устроенную с небольшим наклоном и, при необходимости, периодически поливается водой. Под действием воздуха, воды, солнца и бактерий происходит образование сульфатов, которые растворяются в воде и собираются в резервуары или пруды у нижнего края участка. Процесс это не быстрый, и продолжается несколько лет, причем каждый год извлекается около 20-30% содержащихся металлов. Для ускорения извлечения руду иногда предварительно слегка обжгали — тогда в растворимую форму сразу переходит до 30% всей меди. Получающийся раствор содержит в основном сульфаты железа и меди, а также цинка, никеля, кобальта и т.л., если они были в исходной руде. Медь легко можно извлечь из этого раствора цементацией на железе, а если перед этим раствор сульфатов очистить перекристаллизацией — тогда медь сразу получится очень чистой. Оставшийся раствор содержит в основном сульфаты железа — сырье для серной кислоты.
Сейчас выщелачивание богатых руд производят в баках с серной кислотой, а бедных — в кучах со специально обученными бактериями, растворенную медь извлекают органическими экстрагентами и электролизом, а остатки из растворов с низкой концентрацией — железом или цинком.

Если в руде присутствует свинец, то он остается в виде нерастворимого сульфата, который, однако, под действием раствора хлорида натрия легко переходит в растворимую форму Na2PbCl4.
Из железных руд, которые часто содержат ощутимые количества марганца, хрома и ванадия, эти полезные элементы легко извлечь после окислительного обжига с содой или поташом в виде растворимых манганатов, хроматов или ванадатов.
С помошью гидрометаллургических методов добывают и драгоценные металлы, что пригодится попаданцу в любую эпоху. Сейчас основное количество золота именно так и добывают — кучи золотоносной породы орошают раствором цианида, в присутствии которого золото окисляется кислородом до дицианаурата NaAu(CN)2 и переходит в раствор. Из раствора золото восстанавливается цинковой пылью или медным порошком, или же концентрируют адсорбцией на активированном угле. Поскольку цианиды сильно токсичны, в последние годы переходят на тиосульфат (но эффективность тиосульфата ниже, и он нужен в большей концентрации — около 5 г/л, тогда как для цианида достаточно 0.1-1 г/л). Вот этот вариант вполне подходит для попаданца — тиосульфат получается элементарно из сульфита и серы при кипячении.
В Новом Свете серебро с XVI в добывали с помошью метода амальгации в «патио», который начали использовать в связи с недостатком рабочей силы (было запрещено эксплуатировать индейцев, да и заставить из работать оказалось непросто) и сложностью обработки местных руд, содержаших много мышьяка. Для этого измельченную руду смешивали с водой, добавляли соль, медный купорос и ртуть, и месили ногами мулов и лошадей на огороженных каменных площадках — патио.

При этом сульфат меди разрушал соединения серебра, хлорид натрия переводил серебро в раствор, а ртуть восстанавливала серебро до металла и связывала в амальгаму. Через несколько недель амальгаму отделяли и получали чистое серебро выпариванием ртути. Если же смесь нагревать в медных чанах, то извлечение серебра происходит намного быстрее, за 10-20 часов, особенно это оказалось актуальным в Андах, где из-за холодного климата метод патио был неприменим. Эффективность амальгации привела к многократному увеличению притока серебра в Европу и увеличению добычи в самой Европе, что в итоге вылилось в сверхинфляцию в начале XVII в.
Серебро вообще хорошо подходит для гидрометаллургии — оно растворяется и в хлоридах (например, при добыче свинца), и в цианидах, и в тиосульфате, и очень легко выделяется в металлическом виде.
Какие же преимущества дает гидрометаллургия попаданцк? Во-первых, добыча металлов таким способом гораздо менее затратна по топливу и рабочей силе, особенно квалифицированной. Во-вторых, появляется возможность разрабатывать заброшенные и истощенные месторождения, и даже рудничные отвалы и шлаки от выплавки металлов. В -третьих, оказывается возможныи получать более чистые металлы, например, медь для проводов.

Процесс науглероживания железа при контакте с раскаленным углем был открыт очень давно, и, вероятно, был одной из движущих сил быстрого перехода из бронзового в железный век. Раньше всего было замечено, что выплавка железа в сыродутном горне при определенных условиях может приводить [...]]]> Цементация железа является крайне важной технологией, в которой попаданцу стоит хоть немного разбираться.

Процесс науглероживания железа при контакте с раскаленным углем был открыт очень давно, и, вероятно, был одной из движущих сил быстрого перехода из бронзового в железный век. Раньше всего было замечено, что выплавка железа в сыродутном горне при определенных условиях может приводить к крицам из сырцовой стали, которую с глубокой древности отличали от простого железа. Поверхностная цементация орудий из мягкого железа также известна по крайней мере с VIII в до н.э., а вероятно, и сильно раньше, но установить это сложно из-за сильной коррозии железных артефактов. Такое науглероживание проводилось или в горне в толстом слое углей, обеспечивающих восстановительную атмосферу, или путем нанесения слоя органических веществ, покрываемого для защиты от выгорания глиняным чехлом. Например, для цементации напильников смазывали насеченную заготовку салом, обматывали ремешками из кожи и льняными нитками, обмазывали глиной и нагревали, и после длительной выдержки закаливали в воде. На Руси цементация широко использовалась для производства уклада – ковригу из кричного железа многократно науглероживали в горне с углем и резко охлаждали ледяной водой или снегом. Закалившуюся поверхность отбивали молотом и сталистые пластинки собирали в пакет, который затем проваривали и проковывали, получая весьма однородную сталь.

Долгое время считалось, что превращение железа в сталь состоит с очищении железа от ненужных примесей при длительном контакте с огнем. Лишь в середине XVIII в Реомюр, активно исследовавший процесс цементации, понял, что ситуация ровно обратная – железо поглощает «летучие сернистые соединения» (так в то время называли все горючие составляющие материи) и превращается в сталь, а еще позже – в 1786 г. – Вандермонд, Бертолле и Монж опубликовали статью, в которой описали железо, сталь и чугун как сплавы с разным содержанием углерода.

Следует различать цементацию готовых изделий с целью повышения поверхностной твердости и получение цементной стали. Цементация поверхности в твердом карбюризаторе – это достаточно простой процесс. Достаточно поместить железные предметы в угольный порошок (лучше всего из березового угля, еще лучше – животный уголь из отходов кожи , рогов и копыт; в настоящее время используют древесный уголь с добавлением активаторов – карбонатов натрия, калия или кальция) в соответствующей огнеупорной емкости, защищающей уголь от выгорания, а метал от окисления, и нагревать достаточно продолжительное время. Если нужно цементировать не всю поверхность, то следует покрыть ненужные участки глиной, медью или полудой. Хотя процесс и называется цементацией в твердом карбюризаторе, в действительности поглощение углерода идет из газовой фазы – при высокой температуре монооксид углерода разлагается на углекислый газ и элементарный углерод, который поглощается поверхностью железа. Образовавшийся углекислый газ реагирует с углеродом карбюризатора с регенерацией окиси углерода. Стандартный режим цементации – 900-950 °С (легко достижимо хоть в дровяной печи), при этом за 1 час толщина науглероженного слоя увеличивается примерно на 0.1 мм. Обычно сразу после такой обработки предметы подвергаются закалке, которая и сообщает высокую твердость наружному осталеванному слою. Скорость науглероживания при повышении температуры сильно возрастает, и науглероженный слой в 1 мм можно получить уже за 4-5 ч при 980-1000 °С, но, поскольку перегретая высокоуглеродистая сталь дает хрупкую крупнозернистую структуру, потребуется еще несколько раз проводить нормализацию перед закалкой. Поверхностная цементация улучшает только поверхность металла – меч, например, изготовленный из очень низкоуглеродистого железа и покрытый стальной коркой в 0.5 мм, погнется при первом же ударе. А вот для ножей, серпов, столярного и слесарного инструмента, наконечников стрел и дротиков – это отличный вариант. Цементация необходима для всех деталей ударно-кремневого замка (кроме пружины), цементированными были до начала XX в. многие другие части огнестрельного оружия (рамки и барабаны револьверов, ствольные коробки, колодки ружей-переломок – все эти детали ковали из того же мягкого железа). В XIX в получила распространения цветная калка, при которой цементацию тщательно отполированных и обезжиренных деталей проводили в смеси древесного и костяного угля, а потом сразу закаливали детали в воде, получая твердое покрытие радужных цветов.

С появление броненосцев цементация в сочетании с поверхностной закалкой широко применялась при производстве броневых листов – только так можно было получить броневые листы с очень твердой лицевой поверхностью и вязкой основой. Для броневых плит стали применять газовую цементацию, с использованием светильного газа или ацетилена, а потом и просто керосина как источника углерода.

Очевидно, если продолжать цементацию достаточно долго, то науглероживание железа произойдет во всем объеме. Такой процесс в промышленных масштабах стали использовать в XVI-XVII вв в Германии и Англии, и, с разными модификациями, применяли вплоть до 1950-х годов. Полосы железа помещались в корыта из огнеупорной глины, вделанные в специальную цементовальную печь.

Полосы укладывались как можно плотнее, но с обязательными промежутками около 20-30 мм, плотно заполненными угольным порошком, при этом за одну загрузку цементировали от 2 до 25 тонн железа. Для защиты от окисления сверху насыпали толстый слой мелкого песка, и растапливали печь, постепенно повышая температуру. Из-за низкой теплопроводности угольного порошка только на прогрев уходило до нескольких дней, после чего температуру повышали до максимальной. При высокой температуре цементация происходит достаточно быстро, но тем не менее для больших загрузок железа печь приходилось топить 1-2 недели, при этом самое главное было не перегреть печь, потому что можно было получить оплавление поверхности полос или переуглероживание с образованием чугуна.  Поскольку цементация была достаточно затратным процессом, сталь делали только из лучшего и самого чистого от примесей серы и фосфора железа – в Англии использовали только шведское древесно-угольное железо из определенных мест производства. После охлаждения печи полосы стали (в Англии ее называли blister steel из-за характерных пузырьков на поверхности, а в России – морянкой или томленкой) сортировали, и для изготовления нужных вещей проваривали под молотом, или переплавляли в тигле. Аносов, обнаруживший газовую цементацию, использовал этот процесс очень оригинально получения литой стали – куски железа в открытых тиглях при достижения нужного содержания углерода плавились и стекали на дно тигля, при этом слой флюса защищал металл дальнейшего превращения в чугун.

Кроме цементации для попаданца может быть очень интересен процесс цианирования, про котором железные детали помещают в ванну с расплавленными цианидами (обычно смесь соды или поташа с цианидом натрия или калия, можно использовать и желтую кровяную соль K4[Fe(CN)6], которая при нагреве разлагается с образованием цианида калия). Цианирование приводит к насыщению поверхности углеродом и, в небольшой степени, азотом, при этом процесс в жидкой ванне идет гораздо быстрее (при 850 °С слой в 0.5 мм можно получить за 1-2 часа), поверхность получается еще тверже (за 70 HRC), и практически не происходит коробления деталей, что часто случается при цементации тонкостенных изделий.

Процесс обратной цементации, а именно удаление избыточного углерода из чугунных изделий, может быть не менее полезен. Обратная цементация была обнаружена Реомюром в ходе его многочисленных экспериментов, хотя в Китае подобный процесс  использовался задолго до этого. В XIX в получаемый металл под названием ковкого чугуна (это не совсем то, что сейчас подразумевается под ковким чугуном) широко использовался для массового изготовления небольших изделий, в том числе деталей замков оружия и даже, например, рамок револьверов и колодок двухстволок. Исходный чугун должен быть белым, с минимальным количеством кремния, серы и марганца, лучше всего такой чугун получать цементацией и переплавкой железа с древесным углем. Отлитые детали помещались в тигли с веществами, способными отнимать углерод – железной рудой или окалиной, и нагревались в печах при температуре около 950-1000 °С в течении 60-80 ч, при этом углерод диффундирует к поверхностным слоям и окисляется кислородом, так что его содержание падает примерно до 1%. Кроме выгорания, часть углерода из цементита переходила в мелкодисперсный графит, как и в современном ковком чугуне. В зависимости от условий охлаждения, можно получать металл с распределенным графитом и разной микроструктурой сталистой матрицы.

Получить его несложно — достаточно подержать дерево при температуре 300-500 градусов некоторое время без доступа воздуха. Вода и летучие вещества испаряются, сложные органические вещества разлагаются. Получается черное пористое вещество, примерно вдвое легче дерева и вдвое более [...]]]> Древесный уголь известен человечеству уже несколько тысяч лет, так что вряд ли попаданцу придется объяснять хроноаборигенам что это такое.

Получить его несложно — достаточно подержать дерево при температуре 300-500 градусов некоторое время без доступа воздуха. Вода и летучие вещества испаряются, сложные органические вещества разлагаются. Получается черное пористое вещество, примерно вдвое легче дерева и вдвое более эффективное как топливо.

Перевозка товаров на большие расстояния была делом дорогим, поэтому в больших городах топились в основном углем, а не дровами, несмотря на то что тонну дров в лучшем случае можно пережечь на 250 кг угля. Незаменим древесный уголь был в металлургии — обычные дрова не дают такой высокой температуры, а каменный ископаемый уголь содержит вредные для металлургии примеси, и решить связанные с этим проблемы удалось лишь в 18 веке.

Большую часть истории дерево пережигали в уголь в простейших кучах или ямах. Кучу дров обсыпали землей и, оставив небольшое отверстие для воздуха, поджигали. Углежог следил за кучей и проделывал дополнительные отверстия для воздуха или засыпал старые, добиваясь того, чтобы с одной стороны в куче образовалась высокая температура, с другой, чтобы сгорело как можно меньше дерева.

В общем, технология несложная, скорее всего известная местным, а в худшем случае легко восстанавливаемая попаданцем. Тем не менее, книжные попаданцы первым делом переходят на кокс. Их не смущает то, что у изобретателя процесса коксования Дарби на эксперименты ушло по меньшей мере 5 лет, а в маленьких доиндустриальных домнах не важна меньшая прочность древесного угля по сравнению с каменным, ни то что еще в 1880 году более 90 % из 370 тысяч тонн чугуна в год в Российской империи выплавлялись именно на древесном угле.

По-видимому основная причина лежит в психологии. По мнению любого обывателя, дерево и индустриальные технологии несовместимы. В реальности деревянные минометы использовались еще в первой мировой, а деревянные подшипники из бакаута работали в хронометрах, держали винты подводных лодок и турбины гидроэлектростанций, да и сейчас используются отдельными ненормальными.

Возможно отчасти в этом виновата нелепая легенда о металлургии чуть было не убившей леса Англии. В среде профессиональных историков от нее давно отказались, но в популярных книгах она будет жить еще долго. Почему это лишь легенда? Представьте что вы перенеслись на типичный английский железноделательный завод начала 18 века. Что вы увидите вокруг? Правильный ответ — большой-пребольшой лес. Английские законы предписывали, что на домнах может использоваться лишь дерево из лесных плантаций при заводе. Это несколько удорожало английское железо, но тем не менее перед началом перехода на уголь Англия выплавляла порядка 60 тыс. тонн чугуна в год. В уменьшении площади лесов было виновато в основном овцеводство, но в целом этот процесс был под контролем и полное обезлесение Англии никогда не грозило.