Глава 5Древесноугольная металлургия
Уголь у них с дедушкой Нефёдом, конечно, первосортный выходил, а всё же, как станут разбирать угольные кучи, одна в одну никогда не придётся…,,,,
1.Последние 150 лет существования металлургической индустрии отмечены постоянным усложнением и специализацией отдельных составляющих её производств. В частности, получение металлургического топлива в настоящее время зачастую воспринимается как самостоятельное производство, слабо связанное собственно с металлургией. Подобному взгляду особенно способствовало развитие переработки побочных химических продуктов, выделяемых из каменного угля в процессе коксования, что привело к «перемещению» коксохимической подотрасли в область химических технологий. Между тем, без специального топлива, которое в металлургии по совместительству является и восстановителем, невозможен процесс производства из руд железа и большинства цветных металлов. На протяжении нескольких тысяч лет получение металлургического топлива воспринималось как неотъемлемая часть металлургического производства.
Почему это актуально?
2.Благодаря современным средствам массовой информации сегодня вряд ли найдется человек, не имеющий представления о проблеме парниковых газов, главным источником которых является использование ископаемого топлива. Наиболее эффективно «борются» с этими опасными спутниками прогресса растения, поглощающие углекислый газ (диоксид углерода) и производящие кислород. В ряде стран мира, и прежде всего в Бразилии, в доменном производстве активно используют древесный уголь, который получают из эвкалиптов – быстрорастущих деревьев. Для этого создают специальные плантации с высоким «оборотом» выращиваемой и периодически вырубаемой древесины. При получении древесного угля, выплавке чугуна и сжигании доменного газа диоксид углерода выделяется, а при выращивании эвкалиптов – поглощается, причём поглощается почти в три раза больше. Итак, хотим победить парниковый эффект – возрождаем древесноугольную металлургию?!
3.Конечно, в этом призыве есть доля шутки: подобное возможно лишь в ограниченных объёмах и в странах, где климат способствует быстрому росту деревьев. В противном случае использование древесного угля приведёт лишь к сведению лесов, что хорошо видно из следующего очерка. Однако в условиях, когда прирост древесины превышает её вырубку, доменное производство с применением древесного угля оказывается действительно эффективным как с точки зрения экономики (для удовлетворения нужд местных потребителей, когда не требуются большие объёмы производства), так и с точки зрения охраны окружающей среды.
Древнейшее металлургическое топливо
4.Практически все издревле доступные человеку химические элементы на нашей планете, кроме благородных металлов, присутствуют в природе в составе соединений с кислородом, реже с серой и другими элементами. Это означает, что для их выделения в чистом виде необходимо затратить энергию. Лишь один элемент, благодаря тому что растения, ассимилируя энергию солнца, используют её для строительства клеток, находится в состоянии, позволяющем ему окисляться с выделением тепла. Человек давно оценил эту данную природой возможность, что позволило ему выжить в суровой дикой природе, постепенно улучшить условия существования, а позднее – производить из руд металлы, построить индустриальную цивилизацию и обеспечить комфортный уровень жизни.
5.Вряд ли когда-нибудь будет достоверно установлено, когда и в какой части планеты человек впервые установил, что обугливание древесины без сгорания позволяет получить топливо, гораздо более удобное в использовании и функциональное – древесный уголь. Разделение эндотермического процесса обугливания (удаления из древесины влаги, кислорода и водорода) и экзотермического процесса горения, которые «в условиях костра» происходят одновременно, позволило в случае применения древесного угля снизить потери тепла и получить существенно более высокую температуру.
6.Использование древесного угля, особенно совместно с применением принудительного воздушного дутья, привело к увеличению «температурного потенциала» цивилизации, что способствовало развитию производства керамики и стекольного дела. Благодаря тому что, в отличие от дров, древесный уголь является практически бездымным топливом, он нашёл широкое применение в быту при приготовлении пищи и обогреве помещений с использованием открытых жаровен. Наконец, именно благодаря древесному углю человечество получило возможность выплавлять из руд медь и железо.
Самая консервативная технология
7.Технологию производства древесного угля можно по праву считать самой консервативной в истории человечества – она просуществовала практически в неизменном виде несколько тысяч лет, со времени своего зарождения до середины XIX в. Причём на протяжении многих веков это производство было самым масштабным – ведь оно поставляло топливо для всех производств, требующих высоких температур, а также для многочисленных домашних хозяйств.
8.К сожалению, о технологии углежжения в период зарождения и становления металлургического производства известно только благодаря археологическим раскопкам в местах концентрации древних производств. При этом исследователи, как правило, основное внимание уделяют непосредственно производству керамики, стекла и металла, а вот вопросам производства металлургического топлива посвящено совсем немного специальных исследований.
9.К сожалению, о технологии углежжения в период зарождения и становления металлургического производства известно только благодаря археологическим раскопкам в местах концентрации древних производств. При этом исследователи, как правило, основное внимание уделяют непосредственно производству керамики, стекла и металла, а вот вопросам производства металлургического топлива посвящено совсем немного специальных исследований.
10.Известно, что древесный уголь широко применялся при получении и обработке металлов в Древнем Египте. Образцы его найдены археологами в захоронениях, относящихся к раннединастическому (4000–2680 гг. до н. э.) периоду и периоду I династии (3050–2850 гг. до н. э.). Особенно масштабным производство древесного угля было на территории Аравийской пустыни и на Синайском полуострове. Это привело к практически полному сведению лесов на этих территориях. Существует версия, что именно истощение запасов топлива, а не руд, вынудило египтян перенести производство металлов на периферийные территории государства с последующей транспортировкой готовых слитков в метрополию (например, медь в основном выплавляли в Тимне, недалеко от современного города Эйлата в Израиле).
11.В Месопотамии древесный уголь был известен с незапамятных времён, в частности, он применялся в качестве пигмента при раскраске гончарных изделий. При этом он всегда представлял существенную ценность в этом бедном лесами регионе. Найдено письмо вавилонского царя Хаммурапи (1793–1750 гг. до н. э.) к его слуге Син-Идиннаму, в котором он даёт распоряжение о скорейшей поставке дров для производства металла из поселения при рудниках Дур-Гургурри в Вавилон, чтобы тамошние металлурги «не сидели с пустыми руками». При этом царь обращал особое внимание на то, чтобы поставлялся только свежесрубленный лес, без сухих деревьев.
12.В местностях, бедных лесом, в качестве заменителя древесного угля использовались верблюжьи кизяки и кусты колючки. Греческий историк и географ Гней Помпей Страбон (ок. 64 г. до н. э. – ок. 23 г. н. э.) упоминает о том, что мастера по бронзе использовали финиковые косточки в качестве заменителя древесного угля. Гай Плиний Секунд (Плиний Старший, 23–79 гг. н. э.) в «Естественной истории» пишет об использовании в Египте корней папируса для замены угля при кузнечной обработке железа.
Письменные источники
13.Первое описание свойств и способов использования древесного угля принадлежит перу (а точнее – стилосу) древнегреческого философа и естествоиспытателя Тиртама. Тиртам – ученик Платона, а позднее – любимый ученик, друг и преемник Аристотеля. Именно Аристотель наградил его прозвищем, под которым он и остался в памяти потомков – Теофраст, т.е. «божественный оратор». За свою долгую и плодотворную жизнь (372–287 гг. до н. э.) Теофраст написал свыше 200 трудов по естествознанию, среди которых две книги о растениях: «История растений» и «Причины растений». Помимо основ классификации и физиологии растений, эти труды содержат описание горючих свойств различных видов древесины и получаемого из них угля. Кроме того, в сочинении «Об огне» Теофраст поясняет, почему «приготовленный» (древесный) уголь более чёрный, чем ископаемый, и даёт рекомендации по более эффективному его сжиганию, а в сочинении «О камнях» упоминает о том, что ископаемый уголь активно используется в кузнечном деле.
14.Теофраст отмечает, что самый лучший уголь получается из деревьев с плотной древесиной, в частности из дуба и земляничного дерева. Такие угли горят дольше и позволяют достичь более высоких температур, поэтому их охотно используют в процессе производства серебра «для первой переплавки руды» (имеется в виду первая стадия производства серебра – выплавка его из руды, а при дальнейших операциях по его очистке от примесей предъявлялись менее строгие требования к качеству топлива).
15.При этом из всех плотных углей дубовый содержит самое большое количество золы, что ограничивает его применение при производстве металлов. По словам Теофраста, в случае если требуется мягкий уголь, например при производстве железа, «когда оно уже расплавилось» (описывается стадия процесса плавки, когда уже произошло разделение на металл и шлак и требуется меньше тепла), используют уголь из эвбейского ореха, а при производстве серебра (речь идёт о стадии очистки серебра от примесей) – уголь из алеппской сосны. Кузнецы предпочитают сосновый уголь дубовому, поскольку его легче разжечь, и, хотя он и даёт меньше жара, но горит ярким пламенем, а не тлеет.
16.Дерево для производства угля должно быть свежим и не старым (о том же писал Хаммурапи). Лучший уголь получается из зрелых деревьев, у которых плотность, влажность и количество золы находятся в оптимальных пропорциях. Что касается собственно выжига угля, то Теофраст рекомендовал выбрать гладкие и прямые поленья, чтобы можно было сложить их как можно плотнее в кучу, укрыть её дёрном, поджечь и периодически «помешивать» шестами. Также он даёт подробное описание процесса выделения газов при сжигании и обугливании различных пород дерева и рекомендации по использованию дров и изготовлению деревянного огнива.
17.Практически идентичные рекомендации по технологии производства древесного угля даёт и Плиний Старший в «Естественной истории». Кроме того, он подробно описывает технологии производства различных металлов и, в том числе, особенности использования древесного угля. Также он описывает возможности использования смолы, выделяемой при производстве древесного угля, особенно из деревьев хвойных пород. Об использовании смолы пишет и Теофраст – по его словам, она использовалась в качестве связующего для брикетирования угольной мелочи.
Экология углежжения
18.Благодаря римлянам, технология кучного (как вариант – ямного) выжига древесного угля постепенно распространилась по всему Pax Romana (римскому миру). Кроме того, римляне осуществляли торговлю углём, производимым в «промышленных центрах» в Греции, Македонии, Галлии и других областях, что позволило жителям Империи оценить удобство этого вида топлива по сравнению с дровами.
19.В этом аспекте необходимо особо отметить проблему воздействия производства топлива на окружающую среду, а особенно, когда дело касается древесного угля, проблему уничтожения лесов – обезлесение. Отметим, что если рассматривать средиземноморский регион античного времени в целом, то, в первую очередь, растительности наносили урон бесчисленные овечьи стада. Что касается угля, то, по свидетельству Страбона, только его производство для выплавки меди и серебра позволило привести в порядок заросший дикими лесами Кипр. Однако в окрестностях крупных производственных центров дело обстояло иначе. Так, на острове Эльба – крупнейшем римском центре по производству железа – леса были вырублены ещё во времена Римской республики, и по этой причине добытую на острове руду перевозили в Популонию, расположенную рядом с богатыми лесом Лигурийскими горами.
20.Плиний отмечал, что вследствие сведения лесов в Галлии приходится производить второй обжиг руды с помощью древесного угля (привезённого из других мест) вместо дров, что, безусловно, приводит к удорожанию производства. Он также отмечал недостаток древесного угля для обеспечения металлургии в области Кампанья. Несмотря на это, производство в этих областях продолжалось в течение сотен лет без каких-либо изменений за исключением роста себестоимости металла из-за увеличения затрат на перевозку топлива.
Географические, ландшафтные и погодные факторы
21.После падения в 476 г. Западной Римской империи на протяжении всего средневековья технология производства древесного угля не претерпевала существенных изменений. Так, описание процесса выжига в изданном в 1540 г. труде «Пиротехния» («Pirotechnia») итальянского инженера и учёного Ванноччо Бирингуччо (Biringuccio, 1480–1539 гг.) мало чем отличается от аналогичных описаний Теофраста и Плиния Старшего. Бирингуччо, так же как и его предшественники, даёт наставления по выбору древесины для производства металлургического угля, характеризует её свойства в зависимости от условий произрастания деревьев, описывает технологию подготовки и обугливания дров, а также приводит советы по использованию различных сортов древесного угля. В частности, Бирингуччо рекомендует использовать ямный уголь только в кузнечных операциях, а для плавки руд применять кучной.
22.Технология углежжения с использованием в качестве покровных материалов дёрна и земли могла применяться только в тех областях, где эти материалы имелись в наличии (в частности, в Европе). На Ближнем Востоке и в Египте, в регионах с песчаными почвами, обугливание древесины осуществляли, по-видимому, в ямах. Также проблема отсутствия качественных покровных материалов решалась путём сооружения специальных печей из камня.
23.При этом следует иметь в виду, что печи для выжига древесного угля целесообразно было применять только там, где нельзя применить другой способ изолирования тлеющих дров от атмосферного воздуха. На первый взгляд это странно – ведь капитально построенная печь, в отличие от «кустарно» покрытой кучи, обеспечивает более высокое качество угля, позволяет существенно снизить трудоёмкость процесса, при этом требования к технологической дисциплине менее строгие и, наконец, сводится к минимуму риск для жизни и здоровья углежогов. Дело в том, что строить капитальное сооружение, работающее «на дровах», не имело никакого смысла – ведь окружающие лесные ресурсы довольно быстро истощались, а транспортировка готового угля требует гораздо меньше затрат, чем перевозка дров. При истощении леса углежоги просто переходили на другое место, где лес рос в изобилии, и продолжали там свою деятельность. При переходе на новое место пришлось бы бросать печи и строить новые, что, конечно, увеличило бы затраты на производство.
24.Результатом неизбежного удаления угольного производства от металлургического, как уже говорилось выше, было постепенное удорожание угля, поскольку к нему добавлялась стоимость транспортировки, но другого выхода не было. В качестве примера можно отметить, что в конце XIX в., в заключительный период существования уральской древесноугольной металлургии, транспортировать дрова для обеспечения заводов топливом приходилось сплавом по реке, поскольку на заводах имелись печи для выжига угля. Это существенно снижало их и без того крайне низкую экономическую эффективность.
25.Производство древесного угля в кучах представляет собой многофакторный процесс: для того чтобы получить качественный древесный уголь, мастеру требовалось учитывать буквально всё – от свойств используемого дерева до погодных условий. У «певца Урала» Павла Бажова в коротком рассказе «Живинка в деле» есть два предложения, которые очень точно характеризуют эту особенность: «По нонешним временам, при печах-то, с этим попроще стало, а раньше, как уголь в кучах томили, вовсе мудрёное это дело было. Иной всю жизнь колотится, а до настоящего сорта уголь довести не может».
Заготовка древесины
26.Рассмотрим подробно кучное углежжение во второй половине XIX в. Несмотря на то что в это время в результате внедрения изобретений Бессемера, Томаса и Мартена, стремительно увеличивались объёмы металлургического производства, а каменноугольный кокс так же стремительно вытеснял древесный уголь из доменного производства, именно этот период принято считать наивысшим расцветом технологии выжига древесного угля.
27.Процесс производства древесного угля начинался с выбора древесины. Древесные породы подразделялись углежогами на так называемые твёрдые (тёмные, или тяжёлые), мягкие (белые, или лёгкие) и смолистые. Твёрдые породы давали самый прочный и плотный уголь, выделяющий при горении наибольшее количество тепла.
28.Значительное влияние на качество угля оказывало состояние дерева – оно не должно было быть слишком молодым или старым, червоточным или подгнившим. В этом случае уголь получался хрупким, и выход его был низким. Существенное значение имела система рубки. Оборот древесины, т.е. время, через которое можно возобновлять рубку леса, составляет 60–100 лет для смолистых, 20–60 лет для твёрдых (бук и граб – 120 лет) и 18–20 для мягких пород. Рубка должна была производиться таким образом, чтобы ежегодный прирост компенсировал количество вырубленного леса. В частности, рубка леса в России производилась на заводских дачах (приписанных к заводу участках леса) площадками, расположенными вокруг завода в шахматном порядке так, чтобы среднее расстояние перевозки угля было бы примерно одинаковым.
Операции подготовки площадки, укладывания и покрытия дровяной кучи.
Гравюра из «Энциклопедии, или Толкового словаря наук, искусств и ремёсел» Дидро и Д'Аламбера. (1751 г.)
29.Поскольку вопрос сбережения и воспроизводства лесных ресурсов стоял очень остро – от этого зависело само существование заводов – ему всегда уделялось самое пристальное внимание. В частности, российский министр финансов Е.Ф. Канкрин (1774–1845 гг.), руководивший горнозаводской отраслью в течение 20 лет, считал «науку лесного хозяйства» на заводах не менее важной, чем собственно горные науки. Его перу принадлежит «Инструкция об управлении лесной частью на горных заводах хребта Уральского, по правилам лесной науки и доброго хозяйства», призванная служить «руководством к исполнению существующих узаконений».
30.В качестве основы своей системы Канкрин использовал практику управления лесным хозяйством, принятую в Германии. В европейской практике считалось, что лучше всего заготавливать дрова зимой, когда деревья бедны соком, либо осенью, в этом случае они лучше сохнут. Порядок заготовки дров в России существенно отличался. Ещё со времён Виллима де Геннина (1676–1750 гг.) на Урале было заведено, что на рубку леса крестьян созывали к 20 марта. Реально работа начиналась с апреля, потому что глубокий снег не позволял подбираться к стволам так, чтобы не оставлять высоких пней. Рубка продолжалась весь апрель, чтобы «с мая месяца для пахоты и посеву хлеба отпущать крестьян из дровосеков в домы». Позже окончание заготовки приурочили к началу страды (Петров день, 12 июля (29 июня по старому стилю).
Фестиваль углежжения на полуострове Гало, Швеция
Долгое время Швеция являлась лидером по производству древесноугольного чугуна, соперничая на этом поприще лишь с Россией. Современные шведы с почтением относятся к наследию той эпохи, регулярно устраивая тематические праздники, посвящённые реконструкции старинных технологий.Подобные мероприятия ежегодно проводятся активистами ассоциации Gålö Gärsar полуострова Гало (Gålö) муниципалитета Ханинге и традиционно собирают большое количество посетителей. Интересно, что куче для выжига угля даётся имя: так в 2008 г. она именовалась в честь самой младшей жительницы полуострова – Эммой, а в 2010 г. в честь старейшей – Ингой-Бритт.
31.Заготовка дров заключалась в валке деревьев, очистке их от веток и сучьев с последующим распилом на поленья определённой длины. В российской практике с поленьев, называемых ёлтылями, также снимали кору – «облысивали». Корни иногда корчевали и также использовали для углежжения, однако отдельно от поленьев. После этого поленья складывали для просушки в вентилируемые поленницы, специальные отапливаемые помещения или (на Урале) в виде пирамид – скоростен. Для просушки в естественных условиях выбирали сухое, возвышенное место. Сушка продолжалась в течение полугода. Оптимальной считалась средняя степень просушки – слишком сухое дерево быстро обугливалось, в результате чего сильно угорало и давало лёгкий уголь, а из влажных дров уголь получался трещиноватый. Приступали к выжигу угля в России осенью, а в Европе – в середине лета.
Подготовка к углежжению
32.Подготовка к выжигу заключалась в организации площадки, укладывании дров в кучу специальным образом и покрытии кучи дёрном и землёй для изоляции от атмосферного воздуха.
33.В состав бригады угольщиков, как правило, входило 8–10 человек. Мастер и помощник подготавливали место для углежжения, покрывали кучу, наблюдали и регулировали процесс углежжения, разбирали кучу с готовым углём. Двое или трое настильщиков перевозили дрова и складывали в кучу. Четверо или более работниц занимались плетением щитов из соломы и веток, которые использовались для укрепления «покрышки» кучи. Такая бригада одновременно обслуживала 8–12 куч диаметром в основании до 5 м.
34.Работа углежога была одной из самых трудных и опасных в металлургическом производстве – она требовала постоянного напряжения и внимания в течение длительного времени, углежог постоянно вдыхал химические продукты, выделяемые древесиной при перегонке, кроме того, обслуживание кучи требовало периодического нахождения углежога на её поверхности, в результате чего он в любую минуту мог оказаться в огненном пекле. При этом платили за готовый уголь не особенно много, что в условиях горнозаводского Урала провоцировало периодические выступления и даже бунты углежогов, особенно в те годы, когда из-за неблагоприятных погодных условий снижался выход годного угля. Известно, например, что углежоги были самыми активными сторонниками Емельяна Пугачёва.
35.Работу начинали с выбора особого места – куреня. Оно должно было удовлетворять следующим условиям: удобно располагаться по отношению к запасам древесины, иметь свободные площади для операций разгрузки, складирования и погрузки, быть защищенным от ветра. Рядом должна была иметься вода, рыхлая почва и дёрн, а сам грунт под кучей должен был пропускать воздух (но не чрезмерно) и жидкие продукты процесса углежжения. Последнее условие – самое важное, при его несоблюдении в брак уходило от пятой до четвёртой части выжигаемого угля. Поэтому глинистые и песчаные грунты были непригодны для углежжения.
36.После выбора места готовили площадку (она называлась «ток») – удаляли дёрн и корни, утрамбовывали грунт и придавали ему лёгкий наклон от центра по радиусу. В случае влажного места делали настил, а в случае песчаного грунта – увлажняли и перемешивали с глиной или землёй. Если имелась возможность осуществлять дешёвую транспортировку леса издалека (сплавом по реке или зимой по санному пути), то устраивали постоянные токи. В этом случае площадка выкладывалась кирпичом с наклоном по радиусу от центра, либо наоборот – к центру, в этом случае также сооружали резервуар для сбора жидких продуктов перегонки.
37.Впрочем, такие токи использовались нечасто, поскольку при наличии возможности недорогой доставки дров выгоднее было выжигать уголь в печах, а не в кучах. Следующей важной операцией была кладка кучи (в России её называли «кабан»). Очень образно описана эта операция у Бажова: «Как стали плахи в кучи устанавливать, дело вовсе хитрое пошло. Мало того, что всякое дерево по-своему ставить доводится, а и с одним деревом случаев не сосчитаешь. С мокрого места сосна – один наклон, с сухого – другой. Раньше рублена – так, позже – иначе. Потолще плахи – продухи такие, пожиже – другие, жердовому расколу – особо. Вот и разбирайся. И в засыпке землёй тоже».
Формирование кучи
38.При формировании кучи требовалось укладывать дрова как можно плотнее для устранения циркуляции воздуха внутри кучи. Если это нельзя было обеспечить вследствие неправильной формы брёвен, то промежутки засыпали древесной или угольной мелочью. Крупные сучковатые поленья, которые невозможно было расколоть, ставили в центр кучи, где процесс шёл интенсивнее и дольше. Ближе к центру также клали самые сухие и смолистые поленья, поскольку разжигание кучи производилось от центра.
39.Поленья ставили по возможности вертикально (при этом качество угля было выше), однако небольшой наклон был необходим для удерживания покрышки кучи. В двух нижних ярусах кучи поленья ставили толстой частью вверх, а выше – толстой частью вниз. При этом поленья ориентировали так, чтобы их сердцевина была обращена к центру кучи. Эти условия были необходимы для уменьшения пустого пространства между поленьями, а последнее – для ускорения процесса. Нежелательно было смешивать плотные и мягкие породы дерева, поскольку скорости их обугливания существенно различаются. Если все же приходилось добавлять твёрдое дереву к мягкому или наоборот, то твёрдое клали ближе к центру. Диаметр кучи составлял от 3 до 15 м, в основном использовались кучи диаметром 6…9 м, высота составляла от трети до половины диаметра. В зависимости от длины поленьев, они складывались в 3–4 яруса. Небольшие кучи было легче обслуживать, однако потери древесины в них были больше.
40.Существовало несколько способов укладывания дров в кучу (они использовались в разных регионах): валлонский (Бельгия) способ – в этом случае в центре ставили три жерди, которые после распорки и перевязки образовывали трубу. Вокруг неё укладывали хорошо просушенные дрова, щепки и головни от предыдущих операций углежжения, чтобы обеспечить быстрое разжигание. Далее вокруг концентрическими окружностями почти вертикально устанавливались поленья, причём наклон постепенно увеличивался для удерживания покрышки. Для удерживания купола (головы) кучи верхний ряд поленьев клали плашмя, ориентируя их по радиусу. Если куча была большого размера, то в средний ярус клали самые толстые поленья, поскольку температура там выше; если куча была маленькая, то она состояла из одного яруса;
- итальянский способ – отличался от валлонского тем, что верхний ярус состоял из коротких поленьев, расположенных наклонно. Кроме того, куча при этом способе обычно располагалась на деревянном настиле;
- тирольский (Австрия) способ – в этом случае брёвна настила располагались не радиально, а по касательной, и размещались на лежаках из радиально расположенных брёвен. Разжигание производилось не через трубу, а через специально устроенный канал в настиле (располагался с наветренной стороны). Характерной особенностью этого способа также является ось, составляемая из поленьев разной толщины.
- суксунский (Россия) способ схож с тирольским, однако ось в этом случае была не составной, а цельной.
- уральский, или славянский (Россия) способ – в этом случае настил не использовался, а труба сооружалась не из кольев, а из дров, сложенных «клеткой». В подошве кучи располагался горизонтальный зажигательный канал.
41.После сложения кучи необходимо было выровнять её поверхность, заделав все щели и промежутки между поленьями, для чего использовали щепу, угольную мелочь и прочий древесный мусор. На Урале для этой цели также использовали «хвою» – мелкие ветки, в большом количестве образующиеся при заготовке дров, и хворост, производя, таким образом, очистку леса и снижая риск возникновения лесных пожаров. Затем производили операцию дернения, т.е. обкладывали поверхность кучи обращённым внутрь дёрном, а поверх укладывали второй слой покрышки – утрамбованную землю. В голове кучи толщину покрышки увеличивали.
42.При тирольском и итальянском способах вместо дёрна и земли для покрышки использовали увлажнённый угольный мусор от предыдущих операций углежжения. Для предотвращения осыпания покрышки использовали подпорки различной конструкции. Если место или сезон были ветреными, то с подветренной стороны ставился забор.
43.Разжигание кучи производили на рассвете – это давало возможность в течение всего дня контролировать процесс и вносить коррективы, если что-то пойдёт не так. Если использовалась куча с трубой, для разжигания в неё бросали раскалённые угли, а после того как дрова разгорались, полностью заполняли холодным углем. Аналогичным образом разжигали и кучу с каналом у основания, только в этом случае горящий материал помещали в центр кучи с помощью длинного шеста. Иногда разжигание производили не от центра, а с головы кучи, для чего использовалась короткая труба. Разница состояла в том, что при обугливании от центра образовавшийся там уголь измельчался вышележащей массой и окислялся, однако процесс в этом случае шёл быстрее. При разжигании же с головы угар меньше, зато процесс шёл дольше.
Обугливание древесины
44.Обугливание в кучах, ямах и печах представляло собой процесс частичного горения в отличие от перегонки древесины в реторте при полном отсутствии воздуха. Поэтому искусство управления процессом углежжения заключалось в том, чтобы, проделывая отверстия (обычно черенком лопаты) в покрышке кучи, обеспечивать сгорание части дров для повышения температуры, но при этом предотвращать сгорание готового угля путём своевременного заделывания отверстий. Здесь снова уместно процитировать Бажова: «По этим вот ходочкам в полных потёмочках наша живинка-паленушка и поскакивает, а ты угадывай, чтоб она огнёвкой не перекинулась либо пустодымкой не обернулась. Чуть не доглядел – либо перегар, либо недогар будет. А коли все дорожки ловко улажены, уголь выйдет звон-звоном».
45.Первые сутки после разжигания были самыми опасными и ответственными. В это время выделяющиеся из дров монооксид углерода, водород и некоторые органические соединения, скапливаясь под покрышкой и смешиваясь с воздухом, образовывали гремучую смесь, которая часто взрывалась, срывая часть покрышки. При этом углежог должен был как можно быстрее восстановить повреждённый участок. Для предотвращения взрывов увеличивали приток воздуха в кучу для «дожигания» вышеупомянутых соединений. С началом выделения из поленьев влаги процесс образования гремучей смеси прекращался.
46.Вторым опасным моментом были пустоты, образующиеся под покрышкой при сгорании и усадке дров, особенно при неплотном их укладывании. Следствием этого мог стать провал головы кучи, поэтому углежоги пытались обнаружить пустоты с помощью специальной колотушки (по звуку) или щупа. Если удавалось обнаружить пустоту, производили операцию «кормления» – покрышку удаляли и заполняли пустоту дровами, углём, мусором, после чего покрышку восстанавливали. Кроме того, куча постепенно оседала, что приводило к образованию трещин в покрышке, которые требовалось периодически заделывать.
47.Собственно процесс обугливания делился на три периода:
1. Потение, или парение – в этот период (примерно через 1–2 суток после разжигания) начиналось активное испарение влаги из основной части дров, при этом водяной пар и продукты разложения конденсировались в непрогретых частях кучи и могли её потушить. Для предотвращения этого устраивали многочисленные отверстия-отдушины в покрышке, через которые происходило удаление влаги и газов, вплоть до полного открытия подошвы кучи. Выделяющийся при этом газ был плотный, стелящийся по земле вблизи кучи, цветом от жёлто-серого до жёлто-чёрного. Продолжительность этого периода составляла от нескольких дней до недели и более, в зависимости от размера кучи. Его по возможности старались сократить, поскольку в течение всего периода необходимо было обеспечивать приток воздуха в кучу, что приводило к угару. Об окончании потения сигнализировало изменение дыма, который становился прозрачным и лёгким. Уголь в период парения, согласно исследованиям французского химика Ж. Эбельмана, образовывал перевёрнутый конус, в нижней части кучи находились необугленные дрова.
2. Перегонка – собственно период обугливания сухих дров в течение 2–4 суток. В начале периода углежог укрывал подошву кучи и в течение всего периода следил за целостностью покрышки и равномерности обугливания (ориентируясь по «жару», исходящему от кучи с разных сторон). Если обугливание шло неравномерно, для его регулирования проделывали либо заделывали отверстия в покрышке. Также необходимо было обеспечить свободный выход продуктов разложения древесины).
3. Поджигание – этот период длился 4–8 суток, а при больших размерах кучи и дольше. В этот период необходимо было обуглить дрова, находившиеся вблизи поверхности кучи, особенно в нижней её части у подошвы. Для этой цели в покрышке проделывали несколько десятков отверстий для локального повышения температуры. При этом отверстия делали по окружности, начиная сверху, постепенно спускались к подошве. На следующий уровень спускались, когда дым из отверстий становился бледно-голубым. Когда в отверстиях появлялось пламя, их заделывали, покрышку усиливали и кучу оставляли примерно на сутки для охлаждения, после чего приступали к разборке (разломке).
48.Общая продолжительность процесса составляла от 6 суток для куч диаметром 3 м, до 14–17 суток для куч диаметром 7…9 м и до месяца и более для куч диаметром 12…15 м. Сырое дерево или влажная погода увеличивали продолжительность на неделю. Кроме того, по уральскому способу кучу охлаждали в течение 2–3 суток, а по суксунскому – разбирали сразу же после заделки всех отверстий. По внешнему виду кучи после окончания обугливания можно было судить о качестве угля – если куча оседала неравномерно, была сильно деформирована, это говорило о неравномерном ходе процесса и большой доле брака. Помимо мастерства углежога, существенную роль здесь играли погодные условия.
Разборка кучи и сортировка угля
49.Разбирали кучу сверху, вынимая уголь граблями и одновременно засыпая тлеющий в куче уголь землёй; по другому способу разборка осуществлялась по концентрическим окружностям от подошвы к голове. Вынутый уголь также засыпали землёй или заливали водой и складировали в виде невысокого вала вокруг тока, сортировали, а затем грузили в короба для транспортировки. Разломка кучи продолжалась 8–10 дней. При сортировке различали следующие сорта угля:
- рупный уголь – самый плотный, иногда представлял собой целое обугленное полено, применялся в доменном производстве и других шахтных печах;
- горновой уголь – также плотный, но более мелкий, величиной с кулак, из средней части кучи между трубой и покрышкой, использовался в кузнечных и кричных горнах;
- центральный уголь – мелкий и неплотный из-за частичного выгорания угля от оси кучи;
- угольная мелочь – размером 2…3 см;
- угольный порошок – образовывался при разломке и перевозке, вместе с мелочью, использовался для обжига руд, извести и т.п.;
- угольный мусор – смесь порошка с землёй, использовался при последующих выжиганиях, например, для покрышки;
- бурый уголь и головни – недопечённый уголь, применялся для уплотнения или для «кормления» при последующих выжиганиях.
50.Для больших куч при нормальном ходе процесса отношение первых двух сортов к остальным составляло 11 к 1, а для маленьких – 6 к 1. Хороший «чёрный» древесный уголь должен был обладать глубоко-чёрным цветом, не пачкать руки, быть звонким при ударе и хорошо выдерживать статическую нагрузку. Существовал также «красный» уголь – не полностью обугленное дерево. Этот уголь получался при «оптимальном» обугливании, когда процесс прекращали до его естественного завершения, снижая за счёт этого угар. Однако широкого распространения этот способ не получил.
Выжиг в балаганах и стационарных печах
51.Помимо выжига угля в стоячих кучах существовал способ обугливания в лежачих кучах – балаганах. Уголь при таком способе получался высокого качества, в частности отсутствовал центральный уголь, однако требования к древесине были существенно выше – фактически требовался не дровяной, а строевой лес, что ограничивало применение этого способа. Использовался он преимущественно в Швеции и Австрии.
52.Также для производства древесного угля применялись стационарные каменные печи различных конструкций. В этом случае роль отверстий в покрышке играли отверстия в кладке, которые можно было открывать и закрывать.
Использование древесного угля
53.Масса полученного в результате выжига угля составляла 20–26 % от массы дров. Содержание углерода увеличивалось приблизительно от 45 % масс. в древесине до 85 % масс. в древесном угле. Перевозился уголь в коробах объёмом не более 3 м3 для снижения потерь от разрушения кусков, при отсутствии хороших путей сообщения использовали кули объёмом 0,2 м3, перевозимые гужевым транспортом. Перед использованием в доменном производстве уголь должен был пролежать несколько месяцев для поглощения из атмосферы 10–12 % масс. влаги. При этом снижался его расход и исключалась опасность в жаркую погоду перегреть печь. Но надо было учитывать, что при содержании влаги более 20 % масс. уголь рассыпался в ходе доменной плавки. С учётом этих особенностей доменные производства должны были иметь специальные угольные сараи для хранения в оптимальных условиях запаса угля на 8–10 месяцев работы. При соблюдении условий хранения уголь мог быть использован и через два года после производства.
Китайский вариант углежжения
54.В Китае отдавали предпочтение выжигу древесного угля в ямах, при этом применялись два варианта технологии. Если почва была песчаная и хорошо пропускала воздух, обугливание проводили в круглых ямах глубиной примерно 1,5 м и диаметром около 4 м с дымоходом. Процесс обугливания занимал 5–6 дней, а выход угля составлял 30–35 % масс. Если же почва была глинистая, то сооружали перекрытую сверху подземную камеру аналогичных размеров с дымоходом и каналом для подачи воздуха. При этом для контроля хода процесса применялись жерди, проходящие насквозь через камеру, которые периодически вынимали и по их внешнему виду судили о ходе обугливания.
«Кучное углежжение» – одна из акварелей Ивана Бояршинова из «Атласа Златоустовской оружейной фабрики»
55.Соблюдая традицию подарков к знаменательным датам членов правящей династии, руководство Златоустовского горного округа в 1827 г. распорядилось изготовить «Технический кабинет», который был подарен будущему императору Александру II (1818–1881) в день его десятилетия.
56.«Кабинет» должен был показать весь процесс производства холодного оружия. В комплект входили: историческое, технологическое и статистическое описание Златоустовской оружейной фабрики, деревянное бюро с выдвижными ящиками, в которых находились предметы, последовательно представляющие весь процесс производства оружия – от простой болванки до готовой шашки, от сырья до миниатюрных моделей машин, станков, доменных и других металлургических печей в масштабе 1:23,3.
57.«Технический кабинет» также включал образцы природного сырья и металлургических полуфабрикатов: угля, руды, флюсов, шлаков, чугуна, железа, стали и прочего полного набора инструментов, используемых на фабрике, образцов клинков и оружия в разных переделах и пять украшенных офицерских клинков. Всего коллекция включала 504 предмета. К «Техническому кабинету» был приложен «Атлас Златоустовской оружейной фабрики».
58.Над выполнением работы по созданию «Технического кабинета» и альбома трудилось большое количество мастеров, в том числе знаменитые златоустовские художники – братья Василий и Иван Бояршиновы. Уникальный альбом «Атлас Златоустовской оружейной фабрики» включает 60 листов акварелей, чертежей и рисунков, представляющих процесс изготовления холодного оружия, и по сей день широко используется при иллюстрировании исторических изданий, посвященных этой теме. Две превосходные акварели для альбома: «Вид заводской площади» и «Селение иностранных мастеров» выполнены Василием Бояршиновым. Иван с натуры изобразил для данного альбома «Добычу руд» и «Кучное углежжение».
Кучи для выжига угля:
изображение кучи для промышленного выжига угля из руководства по металлургии XIX в.