Історія доменного виробництва

Історія доменного виробництва — розділ історії металургії заліза, що вивчає виникнення і розвиток доменного виробництва.

Доменне виробництво сьогодні (2021 рік) є основним способом отримання заліза з залізних руд, хоча розробляються і існують також інші способи — безпосереднє виробництво заліза.

Доменна піч була створена суто досвідним шляхом, задовго до будь-якого пояснення процесів, що відбуваються в ній. Виникнення доменного виробництва відносять звичайно до ХІІІ — середини XIV століть. В той же час найелементарніше пояснення доменного процесу було запропоноване лише у другій половині XIX століття.Металлургия чугуна. Ефименко Г. Г., Гиммельфарб А. А., Левченко В. Е. Изд. 2 — К.: «Вища школа», 1974 — С. 276.

Назва «доменна піч» походить від старослов'янського слова «дмети», тобто дмути, подавати дуття. Таким чином, «доменна піч» означає «дуттьова піч».

Щоб зрозуміти масштаби розвитку доменного виробництва достатньо порівняти масштаби світового виробництва чавуну за останні 200 років. 1820 року світове виробництво чавуну становило 1 млн т,Iron and steel: world's statistics. / Enciclopædia Britannica. V. 12. Page 673. світове виробництво чавуну сьогодні становить приблизно 1,15 млрд т чавуну (2016 рік), тобто зросло за цей період у понад як 1000 разів. Достатньо сказати, що сучасні найбільші за об'ємом доменні печі виплавляють до 10 — 11 тисяч тонн чавуну на добу, для виробництва якого потрібно майже вдвічі більше залізорудної сировини і флюсу і біля 5-ти тисяч тонн палива.

Металургія заліза до виникнення доменного виробництва Хоча сьогодні доменне виробництво є основним способом отримання заліза з залізних руд, воно було далеко не першим в історії металургії заліза. Доменне виробництво виникло приблизно через 2,5 тис. років після першого знайомства людини з залізом, отриманим із руди.

Відкриття заліза людиною Перше залізо, з яким мала справу стародавня людина було самородне залізо — метеоритне і телуричне. Згодом, можливо випадково, людина навчилася отримувати залізо з залізних руд. Освоєння виплавки заліза з руд стало великим досягненням людства, яке згодом викликало бурхливе зростання виробничих сил. Більш високі якості заліза і сталі, а також загальнодоступність залізних руд (на відміну від відносно рідкісних покладів міді і особливо олова залізні руди, хоча й низького ґатунку (бурі залізняки) трапляються майже всюди) і дешевизна нового металу забезпечили витиснення ним бронзи і каміння, що залишалося важливим для виробництва знарядь праці і за бронзової доби.

Припускається, що відкриття способів отримання заліза з руд відбулося незалежно у різних частинах світу у різних народів. Вперше людина навчилася отримувати залізо з залізної руди у західній частині Азії у 2-му тисячолітті до н. е.Железо. // Железный век. //

Спочатку для отримання заліза з руд, можливо, використовували багаття. У ньому можна було отримати залізо лише з легковідновлюваної руди. В окремих випадках у великих багаттях, що довго горіли, первісна людина несподівано створювала умови, необхідні для відновного процесу. Якщо в середину такого великого багаття потрапляли шматки легко відновлюваного залізняку, то він міг перетворюватися на залізо. Так, мабуть, людина повільно і наполегливо вчилася одержувати і застосовувати залізоШалимова Н. И. Черная металлургия — что это? / Н. И. Шалимова.- М.: Металлургия, 1980. — 152 с.Красавцев Н. И. Очерки по металлургии чугуна / Н. И. Красавцев, И. А. Сировский.- М.: ГНТИ.- 1947. — 492 с.

Одними з перших агрегатів для отримання заліза були тиглі і «вовчі ями». Значно прогресивнішим від цих способів отримання заліза було отримання заліза сиродутним способом у сиродутних горнах.

Сиродутний процес

Сиродутний процес протягом більше тисячі років — від його виникнення до появи доменного виробництва у XIV столітті — на більшій території світу, зокрема в Європі, був єдиним способом отримання заліза з руди. Першими почали отримувати залізо сиродутним способом хатті — народ в Малій Азії — у 2 тисячолітті до н. е.

Спочатку сиродутний процес здійснювався у невеличких сиродутних горнах заввишки 1 м, потім у більших за розмірами сиродутних печах, що сягали висоти кількох метрів, які в літературі називаються сиродутними горнами або сиродутними печами. Термін «сиродутний» отримав свою назву у XIX столітті після застосування в доменній плавці нагрітого дуття замість холодного (тобто «сирого»). Під час сиродутного процесу залізо отримували у тістоподібному стані — у вигляді так званого губчастого заліза (криці, лупи).

По мірі вигорання вугілля у піч завантажували суміш руди з деревним вугіллям. Плавка продовжувалася до тих пір поки не було витрачено певну кількість руди, після чого випускали з нижньої частини горну шлак і випалювали залишки вугілля. На цьому плавка завершувалася, стінка горну розбиралася і з нижньої частини виймали розжарений шматок губчастого заліза. У шпаринах криці містився шлак. Крицю проковували під молотами, при цьому з неї видалявся шлак, а шматок заліза ставав більш суцільним, після чого вона ставала придатною для виготовлення виробів. За одну плавку у горні залежно від його розмірів отримували від 8 до 80 кг заліза. Тривалість плавки становила 2 — 2,5 години. Нагрів горну до 1000–1150 °C був достатнім для відновлення заліза, але недостатнім для його плавлення. Європейським металургам до Середньовіччя, тобто до появи доменного виробництва, залізо у розплавленому (рідкому) стані не було відоме. Варто зазначити, що чавун у рідкому стані був відомий у стародавньому Китаї, де його виплавляли у маленьких печах з дутьовими ящиками.

Сиродутне го́рно і сиродутна піч

Сиродутні горна влаштовували прямо на землі, звичайно на схилах пагорбів і ярів. Вони мали вид труби, заповненої деревним вугіллям і залізняком. Вугілля запалювали, і вітер, що дув у схил, підтримував горіння. Якщо на перших сиродутних горнах повітря потрапляло до нього самопливом, то згодом на них почалося використання міхів, якими роздмухували вогонь у сиродутному горні.

Внаслідок вдосконалення сиродутне горно перетворилося у більшу за розмірами сиродутну піч, яка згодом перетворилася у печі, відомі у різних народів під назвами штукофен, блауофен, домниця.

Каталонське го́рно

На півдні Європи, у Каталонії, внаслідок вдосконалення сиродутного горну з'явилися сиродутні горни, відомі під назвою каталонських. Вони являли собою невелике поглиблення квадратної або прямокутної форми (завширшки і завдовжки близько 70–80 см, глибиною 40–50 см). На відміну від звичайних сиродутних горен, у каталонських горнах процес був непереривчастий і тому вони були продуктивнішими.

Домниці

Протягом багатьох сторіч виробництво заліза у сиродутних горнах і потім у більших за розмірами сиродутних печах було єдиним способом отримання заліза з руд. Однак зрослі вимоги суспільства вимагали шукати шляхи збільшення продуктивності виробництва заліза, бо продуктивність сиродутної печі була низькою. Це призвело до збільшення сиродутних печей, переважно у висоту, і кількості повітря, що подавалося в неї. Наслідком цих конструктивних змін стало зниження температури у горішніх і підвищення її у нижніх частинах печі, що викликало докорінні зміни процесу, що відбувалися в печах. Ці зміни завершилися перетворенням сиродутного горну (печі) у цілком новий агрегат — домницю. Домниця разом з крицею, залежно від того, як відбувався процес, могла давати вже й новий продукт — чавун — рідкий продукт плавки, що витікав з печі разом зі шлаком. Такі печі почали будувати у Європі у XIII столітті. У німців такі печі звалися штюкофенами (або вольфофенами), у французів «forneau a loupe», у англійців «high blooomery-furnace», у шведів осмундівськими, або селянськими.

Подальший розвиток домниці перетворив її у доменну піч, продуктом якою був один лише чавун.

Середньовічні металурги не знали ні властивостей чавуну, ні можливостей його застосування. Чавун містив не 0,1 % вуглецю, як криця, а до 4 % вуглецю і через це на відміну від криці був крихким — його неможливо було кувати. В той же час вони помічали, що створення чавуну веде до великого скорочення виходу криці. Тому отриманий при відхиленні сиродутного процесу від норми чавун спочатку вважали браком. Лише згодом його почали використовувати для виготовлення відливок, а потім повторно переплавляти з рудою, випалювати вуглець і отримувати крицю, а вже з неї — м'яке ковке залізо. Для цього використовувалися кричні горна, а процес називався кричною переробкою.

Таким чином, замість безпосереднього отримання заліза з руди у сиродутному горні або сиродутній печі, тобто одноступеневого процесу, з'явився двоступеневий процес — отримання чавуну у доменній печі і подальша переробка його на ковке залізо у кричному горні, а пізніше — на сталь у пудлінговій печі (1774, Г. Корт), конвертері (1856, Г.Бессемер), мартенівський печі (1864, П. Мартен).

Перехід до двоступеневого отримання сталі мав величезну економічну ефективність. Весь подальший розвиток металургії проходив як вдосконалення цього двоступеневого способу виробництва сталі, який дотепер залишається найекономічнішим і найпродуктивнішим.

Порівняння процесів у сиродутному горні і у домниці

Внутрішній об'єм горна заповнювався шарами залізної руди і деревного вугілля. У нижній частині горна відбувалося горіння палива. Гази, що виділялися при горінні палива, підіймалися вгору, проходячи крізь стовп шихти. При цьому вони взаємодіяли з залізною рудою, нагріваючи її й відновлюючи оксиди заліза.

Нагрівання горну до 1000–1200 °C було достатнім для відновлення заліза, але не достатнім для його плавлення. Відновленні зерна напіврозплавленого заліза злипалися, зварювалися, утворюючи губчасту масу. Відразу ж починався процес навуглецювання металу при контакті його з оксидом вуглецю СО і вуглецем С деревного вугілля.

Через те, що сиродутні горна і сиродутні печі були невеликого об'єму, руда в них швидко нагрівалася і, не до кінця відновлена, плавилася. Залізо, що не встигло відновитися, переходило у шлак. З всієї маси шихти у металеву крицю встигало перейти не більш як 60–70 % заліза. Вся інша маса заліза (30–40 %) не встигала відновитися з руди до його плавлення й залишалася у шлаку у з'єднанні фаяліту Fe2SiO4 ((2FeO)·SiO2). Залізистий фаялітовий шлак легко плавиться.

У нижній частині горна навуглецьоване губчасте залізо потрапляло у масу рідкого залізистого шлаку, що містив 50–55 % монооксиду заліза FeO. Навуглецьоване залізо реагувало з цим шлаком, унаслідок чого основна частина розчиненого в залізі вуглецю вигорала за реакцією: C + FeO = Fe + CO.

Інтенсивне зневуглецювання заліза шлаком призводило до отримання продукту, що містив не більш як 0,5 % С (частіше <= 0,3 %). Такий продукт, маючи температуру плавлення не нижче 1400 °C не міг плавитися у горні, в якому максимальна температура не перевищувала 1200–1250 °C.

Шлаки періодично випускалися з сиродутного горна і на поду горна залишалося залізо.

Нагріті до тістоподібного стану пластинчасті часточки заліза, злипаючись і зварюючись на поді горна, утворювали шпаристу грудку губчастого м'якого заліза — крицю, просякнуту шлаком. У такому стані його гарячим витягали з печі, для чого перед цим ламали її стінку. Крицю тут же обробляли молотками на ковадлі, під час чого з її шпарин видалявся шлак. Залишалося лише залізо, придатне для виготовлення виробів.

Через те, що ці процеси інтенсивно проходять вже при температурі 700 °C, а процеси шлакоутворення можуть відбуватися тільки при 1100–1200 °C, то вони розділилися — почали проходити у різних частинах печі: на горі проходило відновлення руди, а знизу — плавлення шлаку. Це призвело до того, що вміст FeO у шлаку (на момент його плавлення) різко знизився, вигорання вуглецю з відновленого навуглецьованного заліза зменшилося. Таким чином, залізо залишалося навуглецьованим. Це різко знизило температуру його плавлення, яка тепер становила 1200 °C. Розплавлене навуглецьоване залізо, тобто чавун, стікав у нижню частину печі як і шлак.