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.
// Металл получается достаточно чистым, без примесей шлака.
Дак а хотя бы углерод туда добавлять надо?
// местных углей и небольшие инвестиционные затраты сделали его популярным в Индии, Иране и других развивающихся странах.
Это в принципе хороший индикатор. Вообще надо наверно книгу поискать по особенностям экономики/технологии развивающихся. Авось кто написал.
Добавляется, может сам уголь, может в составе сырья (вторсырье с разным содержанием углерода). Но чистота получается действительно потрясающая, при определенных навыках сравнима с электродуговой печью.
//Дак а хотя бы углерод туда добавлять надо?//
Уголь и оксид железа лежат отдельными слоями, или же руда прессуется в гранулы. Восстановление происходит газообразным восстановителем — угарным газом, и руда, и уголь твердые и непосредственно не взаимодействуют, а по окончании процесса просто механически разделяются — вручную или решетом.
Если перегреть или передержать при высокой температуре, начнет происходить науглероживание — получится жидкий чугун, который стечет на дно тигля и по пути нахватается грязи, если уголь каменный был.
Тема с тиглями намного обширнее. Несмотря на свою действительно простоту есть несколько подводных камней. Один из них собственно сам тигель. Подборка материалов, изготовление и собственно закалка потребуют не одного эксперимента, причем лопается он достаточно часто при самой плавке. Опять же, несомненное достоинство — чистота получаемого материала потребует многократных экспериментов по подбору соотношения загружаемого сырья, для получения конкретных свойств. Но несмотря на все эти сложности, это наверно единственный способ получить качественную, и самое главное достаточно чистую сталь. Следующим после тигельной плавки будет мартен, но это уже действительно различные технологичные эпохи. Тигель в принципе доступен хоть в каменном веке, а мартен это уже серьезные инвестиционные вложения и особенно требования к большому человеческому ресурсу.
Если рассматривать только спм процесс восстановления, то требования к тиглям очень небольшие — 1000 градусов хватит, а такую температуру почти любой горшок выдержит.
Переплавить полученное железо в сталь — совсем другое дело, здесь без высокотемпературных огнеупоров делать нечего. Сатейка по тигельной стали, кстати, тоже на подходе.
Это значит я поторопился ))), хотя сказав «А», нужно говорить «Б» ))), я про сталь в тигле. Тигельная плавка позволяет получить сталь из руды минуя промежуточные фазы. Железо с последующим науглероживанием или чугуна с последующим окислением углерода. В этом несомненное достоинство этого метода. Вот Вы выше сказали «…передержать при высокой температуре, начнет происходить науглероживание — получится жидкий чугун…», при правильных пропорциях уголь/руда получим сразу сталь. И при долгой температурной выдержке примеси или оседают или всплывают, так что на выходе чистый материал получить можно. Все конечно в огнеупоры упирается, нужно на 1600-1700 ориентироваться. Вот в принципе конкретный вопрос. Основная проблема огнеупоров — связать в единую субстанцию шамот. Саму шамотную смесь получить несложно. В растворе любой глины в принципе можно отделить глинозем от примесей, закалит как черепки и перетолочь в песок. В принципе основа для огнеупорных материалов готова. Но этот песок невозможно сформировать в форму, он не слипается, нужно добавлять обычную глину и здесь начинаются проблемы. Необходимо подбирать размер зерен песка, иногда несколько размеров, подбирать % относительно друг друга и глины. И вот вопрос можно ли фурановой смолой заменить глину? Упоминается, что она используется для форм в металлургии, но под какие температуры? И время?
Плавить сталь из руды в тигле можно — это получилось и у Аносова, и, возможно, у индусов получалось (хотя скорей всего нет). Но не рационально, хотя бы потому, что в загруженном под завязку тигле получится слишком маленький объем стали — 5-10% от всего тигля, а тигель фактически одноразовый и весьма ценный. Поэтому лучше сначала восстановить руду до железа в тигле попроще.
Проблема огнеупоров не только в самой огнестойкости, но и в стойкости к шлаку — окись магния, например, 2000 легко держит, а от следов оксида железа начнет плыть и до 1500.
Фурановые смолы (а также фенольные или каменноугольный пек) в огнеупорах сначала коксуются до углерода, который потом или выгорает, или реагирует с карбидообразователями (бор, кремний, цирконий). Но для попаданца на фурановых смолах одноразовые тигли лепить — слишком затратно.
Да, я так и думал, смола что коксоваться будет, а потом выгорать — одноразовая по сути. Даже не то что затратно одноразовые, по времени выгорания они не долговечные, может просто не подойти по времени технологии плавки. И проблем в огнеупорах вообще много ))). Тут скорее не статью про плавку стали, важнее статью по огнеупорам написать ).
Не станет ли проблемой недостаток сырья? Окалины много не собрать, отработанных элементов также не хватит на промышленные объёмы. Получается — нужно предварительно налаживать производство серной кислоты из пиритов, которые также нужно найти. Или необходим источник качественной железной руды, что также встречается нечасто.
Я бы рискнул и на низкокачественном сырье плавить, главное пропорции подобрать и время. И все-таки сразу на сталь. Хоть и будет выход 5-10 %. Но тут вопрос в том что сразу, хоть и мало, но получаем качественный товар, готовый к использованию (можно от примесей избавится при плавке).
//Не станет ли проблемой недостаток сырья//
Станет, конечно, но если рассматривать не производство металлов, а те же гальванические элементы — одно и то же железо будет крутиться много циклов. Каждый цикл нужно будет докидывать 5-10% железа на потери, что меньше, чем потери при сыродутном процессе.
//Я бы рискнул и на низкокачественном сырье плавить//
Типичная болотная или луговая руда содержит 2-3, а иногда и до 8% фосфора. При плавке весь этот фосфор в металл, и там и останется. Вторая проблема — маргенец, его в болотной руде до 10% бывает, а в стали он в таких количествах очень вреден, нужно не более 1.5% (если не брать в расчет специальную марганцевистую сталь).
Так что или искать хорошую руду (навскидку японский железный песок, фосфора меньше 0.05%), или пытаться очищать имеющуюся руду
Окалины, кстати при традиционных спосоьах обрабоики металла немало получалось — половина или три четверти кричного металла легко могли угореть при многочисленных проковках и проварках. Так что окалину всегда собирали и заново плавили для более качественных изделий.
Если добавить в шихту негашеную известь можно связать фосфор и вывести его в шлак. Я же говорю, сложность тигельной плавки в подборе состава сырья и его соотношения. При том что нет никаких средств измерения и контроля за составам сырья. Все «на глазок».
Известь может связывать фосфор только в окислительной среде, и только после полного выгорания углерода — тогда получаются фосфаты кальция, переходчщие в шлак. В восстановительных условиях — при выплавке чугуна или прямом восстановлении руды, при температуре 1200 и выше фосфор (в руде он в виде фосфатов кальция и железа) восстанавливается и растворяется в железе (в виде твердого раствора и фосфида железа), и никакой флюс его оттуда не достанет.
Ошибся. Но есть мнение, что кроме химических реакций в расплаве происходят и чисто физические процессы. Я к тому что при длительном нахождении при постоянной температуре в расплаве произойдет банальное разделение на фракции с получением фракции чистого металла.
Насчет фосфора — считать его однозначно вредной примесью не стоит — это вполне адекватный легирующий элемент. В низкоуглеродистых, менее 0.1-0.2 С, сталях фосфор в небольших количествах повышает в 2-3 раза твердость (без всякой термообработки), улучшает коррозионную стойкость, улучшает свариваемость. Хладноломкость проявляется только в комбмнации с углеродом.
>>91.61% phosphorus removal was attained with 1% sulfuric acid after leaching for 20 min at room temperature. Iron loss during acid-leaching can be negligible, which was less than 0.25%>>
https://link.springer.com/article/10.1007/s11771-006-0003-y
Чот быстро у них фосфат кальция в слабенькой кислоте растворяется… И акцентируют, что гипс в осадок уходит — зная растворимость апатита это как-то странно.
Любопытно было бы совместить щелочную и кислотную промывки, может быть лучше любой отдельной.
А для попадуна на болотной руде, с дефицитом серняги — вполне можно щёлоком ограничится, сильно лучше чем ничего. Впрочем, и органическими кислотами вдобавок к щёлоку воспользоваться можно — им не апатит поднимать.
Фочфор в руде в разных формаз встречается — фосфаты железа, фосфаты кальция и адсорбированные фрсфатанионы. Последние дожны легко слетать.
Щёлок соберёт апатит и, ессно, сорбированное. А органикой и из железа можно повыгрызть…
Железу тоже достанется, но в статейке утверждали, что даже 1% серняга его почти не съела…
Биологическая очистка тоже интересна, и совместима/синэргична с органическими кислотами. Только желатьельно, чтобы жрали этот фосфор не только в нуклеотиды, но и в скелет какой-нить. А я навскидку не помню микробов фосфатным скелетом.
Еще пишут, что лишний фосфор можно выжирать бактериями и растениями — они до фосфора падки.
Вы бы уточняли, что это из РУДЫ хотят удалять.
Из сплава вы фиг что удалите, только с поверхности можно вытравить…
Ну вроде только руду и обсуждали.
Ну так не сразу по тексту понятно — со стороны еще решат, что из самой стали вытравливать)
Ходит много легент, что скандинавские/кавказские/японские (нужное подчеркнуть) кузнецы закапывали полосы железа в землю, и через годы доставали полуизржавевший металл и из него лучшие шашки/катаны ковали. Типа выгнивали в первую очередь «грязные» участки. Но что-то в это не верится — фосфор вообще сильно повышает коррозионную стойкость, а углерод понижает, и самые углеродистые участеи и проржавеют первыми.
Ну когда исходный материал говно и технологии примитивны то и не такие извращения пойдёшь.
/Ходит много легент, что скандинавские/кавказские/японские (нужное подчеркнуть) кузнецы закапывали полосы железа в землю/
ага, вот тут
ценно то, что товарищ лично попробовал поставить опыт
Эксперименты проводил в том числе и знаменитый Архангельский
https://www.arhangelskie.com/index.php/10-stati/22-stat-ja-05-tajna-inistogo-zheleza
Но почему-то особые свойства ржавого железа упоминаются преимущественно в отечественных источниках. Может быть, ситуация такая же, как и с молибденом в японских клинках — в советских книгах для детей (очень хороших) именно молибдену приписывали роль добавки, обеспечивающей уникальные свойства. А анализы металла говорят, что нет там молибдена — как и в руде (зато в ванадий в руде есть).
если сейчас углубитья в «уникальные свойства клинков», то боюсь, мы не выплывем
Вся соль в тигле! Что толку, что у нас есть хорошая руда, но нет огнеупорной глины.
Чем мне нравится эта статья — именно отсутствием попытки сразу прыгнуть в выплавку стали.
Описанная технология применима хоть в каменном веке, на почти любой глине, с любым топливом. В отличие от прямой выплавки.
Хорошая статья! Спасибо!
Жаль, что не упомянули возможность прямого восстановления железа пиролизным газом. Если совместить процесс производства древесного угля в закрытых ёмкостях с продувкой железосодержащего субстрата полученным газом, то тоже можно интересных результатов добиться. В этом газе много как СО, так и свободного водорода. Полученный же древесный уголь пускать на тигельное восстановление и в горн.
Так же интересно было бы сравнение с каталонским горном. Несмотря на внешнюю несхожесть, процессы довольно похожи. Причем в КГ возможны вторичные плавки, получение сталей по техпроцессу и использование окалины для переплавки.
Вопрос: возможна ли переплавка полученного порошка в КГ?
И ещё вопрос: возможно ли организовать некое подобие порошковой металлургии примитивными средствами, используя полученный железный порошок?
Древесным газом, коннчно, можно восстанавливать, но сначала нужно отделить воду, а саму реторту с рудой — греть. Лучше ищ древесного угля получать генераторный наз и им восстанавливать, но конструкция установки все равно получится сильно сложней, чем в тигле.
По своей сути каталонский ппоцесс, как и любой сыродутный, по сути тоже прямое восстановление, только потом частицы железа с помошью шлака свариваются в крицу.
Загружать предварительно восстановленное желещо в горн, по-моему, не получится, так как без шлака железо успеет окислиться.
Разве что загружать железную губку с закрытую трубу из железа, нагревать и проковывать.
Кстати, решение с заворачиванием железной губки в герметичную рубашку — лучшее, на мой взгляд. Встречал на ютубе ролики, где похожим образом из обрезков железного троса дамаск варили. И обосновывалось это именно тем, что без рубашки тонкие проволочки тупо выгорят. При проковке же по закрытому способу усадка была в районе 15-20%, а слиток получился тугой и равномерный.
В результате обсуждения нарисовался вполне себе вменяемый техпроцесс, легко воспроизводимый хоть с начала бронзы, когда железо ценилось на вес серебра, а то и золота. Тёмные века в Средиземноморье могли наступить на пару-тройку тысячелетий раньше 🙂
Насчёт загрузки «вторсырья» в КГ, я читал, что в в нём единственном сыродутном агрегате допускалось вместо руды (при великой нужде, разумеется, но, как бы то ни было) использование шлака от предыдущих плавок, железной окалины и железной стружки/опилок. Из них формировались «колобашки» типа стандартных окатышей. Чем связывались — не знаю.
Так же вместо чистого угля можно было использовать угольную пыль в виде тех же «колобашек» (но тут я и сам мастак, ибо в бытность свою кочегаром навострился мокрой пылью топить).
Шлак переплавляли несколтко раз не только в каталонском горне, но и часто в любой сыродутной печи, при этом мелкие частицы железа, захвпченные шлаком, соединялись с основной крицей. Извлечь железо, связанное в шлаке химически, можно только с добавлением основных флюсов (CaO или MgO) и при более высокой температуре.
Окалину же, как пишут, считали самой ценной «рудой» и отдельно переплавляли на листовое железо или уклад.
Вообще, каталонский горн крайне интересная штука, как и японская татара — вершина всех сыродутных аппаратов.
Доброго дня! По поводу нашей давешней небольшой дискуссии по поводу невозможности обработки полученного порошка железа проковыванием: смотрим https://www.youtube.com/@Kuznica_Maria_Leonid (там много чего интересного, в том числе и про возможность работы с порошками через ковку и получения оружейных сталей и булатов с заданными свойствами. Последние ролики как раз про это).
см чуть выше
//Разве что загружать железную губку с закрытую трубу из железа, нагревать и проковывать.//
еще посмотрите на ютубе такого товарища как shurap, у него гораздо более интересные вещи. Но, что примечательно, обычно кузнецы из такого дамаска делают лишь декоративную часть клинка, а на режущую кромку вставляют кусок нормальной стали.
мой скепсис идеи кузнечной сварки порошка состоит из двух пунктов:
1. массово и дешево так сталь/железо производить не получится.
2. результат при этом получится весьма посредственный, металл со множеством включений. Как декоративный сойдет, но не более того. Было бы интересно увидеть результаты механических испытаний, хотя бы на растяжение и ударную вязкость, такого «порошкового металла». Но что то нигде найти не получается.
Касательно Аркангельского, хотя я лет двадцать назад (когда только начал увлекаться ножеделаньем) его считал авторитетом в данной области, и с большим интересом читал все статьи, сейчас понимаю, что половина его утверждений и высказываний (что на ютубе, что на ганзе) — это чушь, как и значительная часть околоножевых баек.
Вставлю свои 5 копеек.
Технология конечно интересная но объем какой то непоподанческий. Несколько горшков с углём и ржавченой печке это конечно лучше чем ничего но все таки как то не солидно. Плюс проблемы с качеством руды ведь все примеси в этом тигеле и останутся. Так что если по близости нет месторождения магнита…
Домна же хоть и на пару порядков ресурсозатратнее но технологически не то чтобы хайтек. Опыт китайских товарищей показывает что ее можно строить из подручных материалов и эксплуатировать силами неграмотных крестьян. С соответствующим качеством продукции… Но зато в намного больших объёмах. Потом правда этот чугуний придется переделывать но для некоторых задач и такой сойдёт. А прямое восстановление железа можно использовать в тех случаях когда железная руда является побочным продуктом например при добычи цветных металлов. Кстати а с пиритом такой процесс выгорит вместе с серой?
Я тут придумал один эксперимент по этой теме. Сам я сейчас с порошками металлов вожусь для разных композитов и в том числе железо. Что скажете на такую проверку —
1. Берем оксид железа(3) — его из железа получить можно и он получается из сульфата железа.
2. В тигель как в статье и получаем порошок железа
3. Порошок железа мешаем с добавками и в трубку. Трубку греем в горне и проковываем в полосу.
Если все работает — получаем на выходе хайтек))
>Трубку греем в горне и проковываем в полосу.
Хайтек тут трубка. Она сама должна быть из качественного металла ибо станет частью слитка.
Сульфат железа само по себе сырье для серной кислоты плюс не то чтобы очень распространены элемент. Да и нужно очень постараться чтобы продукете не было серы.
И я не уверен насколько однородной будет продукт из смеси порошков.
Имхо, нк получится создать достаточно инертные условия, чтобы все без флюса проварилось. Или вауумировать, или водород дуть.
Как я понял, Вы занимаетесь производством ножей из дамаска? Дамаск сами свариваете? Если да, то должно быть видней в этом вопросе, да и попробовать несложно.
Я только из подшипников кую, сваривать пробовал только трехслойку.
Трубку просто не надо полностью заваривать, а оставить небольшое отверстие для выхода всяческой дряни. При первом медленном и равномерном прогреве в горне вакуумизация происходит т.с. естественным путём за счёт вытеснения/выгорания кислорода внутри трубки. Ищите на Ютубе «дамаск из троса», там всё очень наглядно показано.
Насчёт хайтек-трубки. Там надо по сути не трубку, а железную рубашку, т.е. «круглота» и равномерность толщины стенки пофигу, т.к. полученная заготовка несколько раз перегибается, перекручивается и многократно проковывается.
Видел, и без трубы трос сваривается при достаточном количестве флюса. Но трос из толстой проволоки, тонкие проволочки или порошок железа даже в трубе успеют сильно окислиться и не сварятся.
Там не толстая проволока была. Обрезки обычного витого троса, ещё и с верёвкой внутри. Верёвка, кстати, выгорела, а пропитка троса вышла дымом как раз через то самое отверстие.
а чего бы вам-остальным хотелось увидеть из технического прогрессорства?
Чего бы вы ожидали от подготовленого попаданец?
Я думаю что хватит уровня малолюдной немецкой фабрики уровня 1870-х г. Всё оборудование самодельное, из дубовых брёвен, кирпича и полос железа (всего до 800кг железа). Главное -это водяное колесо и полный набор механических молотов. Полный набор Молотов =Кричный +листобойный +Рафинировочный +расковочный +Сварочный +Полосо-дельный +быстрый-лёгкий(300удар/минуту). Одновременно работает только 1 молот на каждом водян.колесе. А на быстром лёгком механ.молоте можно делать доспехи и шлемы.
То-есть набор из:
водян.колеса(15 л.с.) +Меха(Воздуходувка) +механ.молоты +кирпичный газогенератор Симменса + печь для обжига руды +доменка +Тигельная печурка +рафинир-оровальный горн с подогревом воздуха и теплообменником+шлифовальное колесо. И всё это можно перевести на газ от торфянных газогенераторов сименса, -это что-бы не было проблем с топливом(в болоте торфа тысячи тонн). а для получения годной стали (без вредного фосфора) можно взять «Контуазский (также — французский6, малокричный35) способ кричного передела» как и в России 1840-х.
Такая «фабрика» в первую неделю 6-суток подряд не гася печь-доменку плавила руду -делала железные крицы, а в остальные три недели делала из своих криц годный металл и вещи на продажу.
Возможно подготовленный попаданец который знает химию сможет сделать правильный шлак для рафинирования железа в «Контуаз-ком Горн-е»? Сейчас это называют «сталеплавильный шлак», и он состоит из оксидов кремния, железа, магния, марганца. То-есть для шлака понадобится» песок, железная окалина, жжённый доломит, жжёная руда марганца(тогда называли «чёрная магнезия», руда марганца есть возле Днепра на Украине =Кременчуг+ Никополь)
+++
Техника 1621 года, кузня-музей «Frohnauer Hammer» im Erzgebirge, (Видео, длина 7 минут) https://www.youtube.com/watch?v=eA_I7P0cp_M&t=117s
головы молотов весят 100Kg (задействованый) 200Kg и 250Kg сила удара до 12тонн.
Техника из дубовых брусьев, железных обручей и редкик железных стержней.
С уважением к Автору и читателям.
https://dl.dropboxusercontent.com/s/28yd8ywyzn4koq0/%D1%82%D0%B8%D0%B3%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BA%D0%B0%20%D0%B6%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%B0%20%D0%BA%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%B9%201.png?dl=0
https://dl.dropboxusercontent.com/s/luq7yh7mph0q0bv/%D1%82%D0%B8%D0%B3%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BA%D0%B0%20%D0%B6%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%B0%20%D0%BA%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%B9%202.png?dl=0
//The iron smelter is situated on a slightly inclined floor, 21/2 m long and 11/2 m wide. On
the two long sides are walls, I V4 m high; the third side, towards which the floor ascends, is
open; and on the fourth is a small and primitive hut for the bellows and two people who
work it. The floor is covered with small pieces of anthracite, the size of a fist. On this are
placed about 150 crucibles of refractory clay, 15 inches high [38 cm] and 6 inches wide
[15 cm], which are filled with a mixture of small pieces of anthracite and crushed iron ore.
All the spaces between crucibles are carefully filled out with anthracite, and a layer of the
fuel is spread on top. Sometimes a second layer of 150 crucibles is laid over the first. Over
this is laid more anthracite and on top a layer of shards of old crucibles. The whole heap is
ignited, and air is blown in. When everything is burning and the heat is great, the blowing
is stopped, since the natural draught is sufficient to maintain the heat.
If the intention is to make cast iron [Roheisen], the crucibles are taken out after a certain
period of time and the contents cast as flat plates; the result appears to be a clean white steelmaking
pig iron. If wrought iron is desired, the heap is allowed to burn out and cool off
. over a period of four days. The crucibles are then taken out and broken. In this case the iron
is in the form of a hemisphere.
Typically the crucibles might be 15- 20 cm in diameter and 50-100 cm
high; the charge in each, 15-25 kg ore and 4- 6 kg coal; the number of crucibles in
the furnace from under 100 to over 300; the heating time 1-3 days; and the yield of
iron from ore 20-40 per cent. 122 Natural draught alone was sometimes used, but
more often, as here, a man-powered blast was used during part or ~ll of the process.
The iron produced in this way was normally in the form of a very slaggy bloom,
with a carbon content in the range 1-3 per cent. This was either de carburised by
any of a number of processes (e.g. Figure 26) to make wrought iron, or carburised in
a cupola or crucible furnace to make cast iron.
As von Richthofen observed, the scale of enterprise in Shanxi in the 19th and 20th
centuries was very small. 123 We may perhaps explain this by noting the tiny capital
cost of a crucible iron smelter: «A capital of thirty dollars would be sufficient to start
this complete set of foundry and iron works, including the purchase of a stock of
coal ‘ ore and fire-clay. These substances are all close at hand, and cost only a
trifl». It seems that almost anyone could start an ironworks, and that the technology
used did not provide any great economies of scale.//
//Clay’s PROCESS. — A patent was granted to William Neale Clay in 1837, and another in 1840, for processes for the manufacture of iron by welding together the crude spongy metal obtained by heating rich hæmatite with powdered charcoal. The method employed was to crush the better kinds of red hæmatite into lumps not larger than a walnut, and these, mixed with one — fifth of their weight of charcoal, coke, coal- slack, or any other carbonaceous materials, were subjected to a bright-red heat in a clay retort or other suitable vessel, until the iron was reduced to the metallic state. As soon as the reduction was considered complete, the spongy mass was transferred directly to a puddling — furnace, either with or without a further addition of coke; it was then balled in the usual way, worked into blooms under a tilt — hammer, and afterwards rolled into bars. Experiments by this process were first made on a small scale near Glasgow, and afterwards on a more extensive one in the vicinity of Liverpool; commercially it proved a complete failure, although iron of fair quality was sometimes produced. The iron was, however, frequently red — short; the chief cause of failure was the length of time required for reducing the ore, and the consequent heavy expenditure of fuel and labour.
It was subsequently attempted to effect the reduction of the ore directly in the puddling — furnace, but here again waste, in the shape of cinder, added to a large expenditure of time, fuel, and labour, caused the process to be abandoned for one in which a mixture of pig-iron, crushed hæmatite, and carbonaceous matter was treated in the puddling — furnace. The bar-iron thus produced was tolerably uniform in character, and of fair quality, fetching about the same price in the market as the better descriptions of Welsh bars. Upwards of 1,000 tons of iron were made by this process, but at such a heavy pecuniary loss as to cause it to be ultimately abandoned. Dr. Percy remarks of this process, that although it was not successful, it is important that the results obtained should be placed on record.//
А если перед обработкой взрывом уплотнять в толстостенной трубе — а ля порошковая металлургия?
Вся проблема состоит в том, что 100% восстановления железа достичь очень сложно (разве что специально осушенным водородом), все равно останется пара процентов FeO. Да и просто при контакте с воздухом поверхность частиц железа сразу покроется слоем оксидов, пусть и очень тонким. В итоге после ковки/прессования оксиды, которые плавятся выше 1400-1500, останутся на границах зерен и сильно ухудшат свойства металла. Чтобы удалить эти оксиды, надо или переплавить металл, или использовать флюс/шлак (понижающий температуру плавления оксида и переводящий его в шлак, который выжимается при ковке, и остатки которого не так вредны), или вести прессование в сильно восстановительной (водородной) среде, как это делают в случае порошковой стали.
Но даже в случае современных порошковых сталей конечные свойства на самом деле не очень получаются. Например, порошковая сталь пк40-7.6 (0.4% углерода и максимальная запрессовка) имеет предел прочности 400 МПа, а обычная сталь такого же состава почти в полтора раза прочней и более пластичная.
Не, я к тому, чтобы достаточно дёшево получить нормальные для дальнейшей обработки куски — сравнительно равномерные по составу и структуре. Или тигельная плавка попроще будет?
Дак в том-то и дело, что универсального решения нет и не может быть; все зависит от того, какая руда, какое топливо, какие огнеупоры доступны.
Железо, получаемое прямым восстановлением оксида при относительно низких температурах, имеет пористую структуру и за счет этого высокую активность. Поэтому на основе такого железа можно сделать достаточно простое, но в некоторых случаях весьма полезное устройство — химическую грелку.
Грелки на основе железа появились в 1930-х годах, и представляли собой пакет из влагоскойкой бумаги с порошком железа (использовались дробленые чугунные стружки в количестве около полукилограмма) с добавлением солей (обычно хлорида натрия и аммония), ускоряющих процесс коррозии железа. Активация производилась добавлением небольшого количества, после чего грелка разогревалась до 40-50 градусов и поддерживала эту температуру в течение нескольких часов. Добавляя следующие порции воды, действие грелки можно было продолжить, до 10-20 ч. Для предотвращения ожогов и более равномерного распределения тепла использовался прорезиненный чехол.
http://livinghistory.ru/uploads/monthly_04_2020/post-5571-0-08229800-1586692709.jpg
При использовании губчатого железа вместо чугунных стружек можно достичь более полного использования железа, однако стоит добавить инертный наполнитель типа древесных опилок для удерживания воды и равномерного тепловыделения.
Сейчас пользуются популярностью грелки на основе мелкого порошка железа (40-60%), смешанного с активированным углем и вермикулитом, и поваренной солью (1-2%). Состав уже смочен водой, и хранится в герметичной упаковке, при извлечении из которой начинается реакция железа с кислородом и водой и генерация тепла.