Глава 3Особая печь
Железную руду плавят в особливых великих печах, кои домнами называют…Чтобы сберечь напрасно сгоравший уголь, стали увеличивать печи, а, чтобы избежать потери времени, пустили печи действовать непрерывно и начали получать из оных чугун, который уже с большими выгодами стали превращать в железо; таким образом, имея в виду два вышеупомянутых обстоятельства, довели печи до такой величины, какой они ныне существуют.Вот краткое изложение мнения, почему с давнего времени употребляются огромные чугуноплавильные печи, называемые доменными печами.,,,,
1.Вот уже несколько веков доменная печь является тем техническим приспособлением, благодаря которому человеческая цивилизация получает свой главный «рабочий материал» – сплавы железа с углеродом. При этом для большинства населения планеты, за исключением, конечно, части жителей регионов с развитой металлургической промышленностью, доменная печь представляется скорее фольклорным персонажем, символом чего-то большого, мощного и горячего и даже отчасти таинственного, своего рода далeкой Морией, где куют металл суровые гномы. Хотя правильнее было бы сравнить еe с Мировым деревом, которое, по представлениям древних, лежит в основе мира – ведь именно благодаря доменной печи у нас есть железные дороги, небоскрeбы, корабли, самолeты, автомобили и всe то многое, что сделано из стали и чугуна.
Почему это актуально?
2.Если рассмотреть эволюцию доменного производства на фоне развития цивилизации, нельзя не отметить определяющее влияние, которое оказывало экономическое развитие человечества на конструкцию доменной печи. Доменный процесс за несколько столетий своего существования претерпел столь значительные изменения, что можно легко ошибиться, «примеряя» современные знания о нeм к условиям многовековой давности. Вместе с тем, путь развития доменного производства, который привeл к появлению агрегата с высочайшим уровнем эффективности, изобилует характерными примерами того, как, по выражению Максима Горького, «конкретный, живой человек преодолевает сопротивление материала и традиций». Таким образом, развитие доменного производства является наглядной иллюстрацией процесса внедрения инноваций в зависимости от их востребованности в сложившихся экономических условиях.
«Чжу-гун» – металл для литья
3.Чугун впервые получил широкое распространение в Древнем Китае и на протяжении сотен лет активно использовался для изготовления методом литья сельскохозяйственных орудий, предметов искусства и быта, архитектурных элементов, монет. При этом китайский чугун отнюдь не является уникальным материалом: находки древних чугунных изделий отмечены и на территории Европы, а, Плиний Старший в «Естественной истории» отмечает: «Замечательно, что железо при плавлении делается жидким, как вода, и после этого ломается подобно губке».
4.Образование чугуна и стали наряду с железной крицей имело место уже в сыродутной печи или горне в зависимости от условий: интенсивности дутья, свойств и степени подготовки руд и т.д. Отметим, что сам термин «сыродутный» появился в связи с внедрением в доменном производстве горячего дутья, т.е. «сыродутный процесс» подразумевает использование для вдувания в печь или горн не нагретого воздуха. В этом смысле доменные печи до середины XIX в. тоже можно считать «сыродутными». Тем не менее, термин этот обычно употребляют по отношению к печам и горнам, в которых из руды выплавлялось кричное железо.
5.Для разделения понятий «горн» и «печь», и предотвращения путаницы в дальнейшем отметим, что под горном понимается своего рода «открытый» металлургический агрегат, рабочее пространство которого ограничено невысокими стенками. Печь же «закрыта» за счeт большей высоты стенок, либо за счeт уменьшения отверстия для выхода газов. Поэтому горн может выступать в качестве конструктивного элемента печи.
6.Итак, древние европейские металлурги были знакомы со свойствами чугуна, однако применения ему не находили, поскольку ковке он не поддавался. По мнению некоторых авторитетных исследователей сыродутного процесса, чугун в эпоху Древнего мира получали в значительных количествах, однако, считали производственным браком и снова помещали в плавильное пространство печи, чтобы произвести более удобный продукт.
7.Довольно часто можно встретить мнение, что «китайцы на тысячу лет опередили европейцев» в производстве чугуна, «изобрели доменную печь» и т.п. Это верно лишь отчасти: китайцы действительно перешли к использованию чугуна гораздо раньше Европы, но доменной печи, в том смысле, в котором еe обычно понимают, они не изобретали.
8.Действительно, уже в первой половине I-го тыс. до н.э. китайцы научились переделывать кричное железо в чугун, переплавляя его в тигле в присутствии древесного угля. Позднее китайские металлурги освоили и выплавку чугуна непосредственно из руд, что обеспечивалось использованием для подачи дутья высокоэффективных ящичных мехов двойного действия.
9.Применение чугуна для изготовления сельскохозяйственного инструмента в значительной мере способствовало развитию сельского хозяйства Китая и привело к повышению уровня жизни населения. Литейные технологии позволяли получать идентичные изделия со значительно меньшими трудозатратами, чем при индивидуальной ковке каждого изделия.
10.Постепенно чугунолитейные технологии распространились за пределы Китая. Находки изделий из чугуна эпохи Раннего Средневековья нередки в Приморье, Средней Азии и Поволжье. Термины, обозначающие чугун у народов Юго-Восточной Азии, Дальнего Востока, восточных славян и латышей восходят к китайскому названию чугуна или литейного производства. Последнее обозначалось иероглифами чжу (чу) – «лить, литьe» и гун – «делать, производить». Отсюда происходят обозначения чугуна у татар – чуен, таджиков – чуян, туркменов и киргизов – чоюн.
Осмундская печь и харкхюттор
11.Получение чугуна в сыродутных горнах и печах не представляло собой проблемы уже в эпоху Древнего мира – он образовывался в небольших количествах уже при минимальном превышении температуры над уровнем, характерным для сыродутных печей и горнов того времени. При этом крица, которую мы условно называем железной, представляла собой конгломерат частиц железа с примесью частиц стали и чугуна. Доля высокоуглеродистого металла в крице зависела от длительности процесса, температуры внутри печи (которая определяется интенсивностью подачи воздушного дутья) и свойствами руды (восстановимость, количество и плавкость пустой породы).
12.В печах с естественной тягой и в небольших горнах с принудительным дутьeм с помощью ручных мехов процессы насыщения железа углеродом путeм диффузии не получали значительного развития. Температура, достаточная для того, чтобы образовавшиеся частицы чугуна расплавились и сформировали отдельный продукт плавки, имела место только в непосредственной близости от фурменной зоны, где происходило горение топлива (температура в фурменной зоне составляла 1400-1500 °С, но резко снижалась по мере удаления от неe). Железо преимущественно восстанавливалось газообразным монооксидом углерода без плавления. Науглероживание шло только в местах контакта восстановленного железа с углеродом топлива, число которых невелико.
13.При увеличении интенсивности дутья, а ,следовательно, и температуры, процесс науглероживания шeл более интенсивно, о чeм свидетельствует следующий пример. До середины XVIII в. в Швеции и Норвегии для выплавки железа из местных озeрных и болотных руд использовалась сыродутная печь, называемая осмундской (от местного названия крицы – osmund). Продуктом плавки была железная крица, практически не содержащая шлака, и зашлакованные кусочки железа, упоминаний о присутствии чугуна нет.
14.Характерной особенностью плавки в осмундской печи было то, что, несмотря на значительное содержание в руде фосфора, в кричном железе он практически отсутствовал. Это свидетельствует о том, что температура была недостаточно высокой для восстановления фосфора (оно начинается с 1000-1200°С). Чугун же, выплавленный из той же руды в доменной печи и затем обезуглероженный в кричном горне, давал фосфористое железо. Благодаря этой особенности, финский вариант осмундской печи – харкхюттор (от фин. harkko – «крица» и hytta – «печь»), до второй половины XIX в. использовался для промышленного производства железа из озeрных руд.
15.Полученный продукт представлял собой конгломерат из железа и чугуна, причeм количество чугуна было столь велико, что крицу приходилось переплавлять в кричном горне. Однако полученное в кричном переделе железо, а, следовательно, и исходный чугун, практически не содержали фосфора, что говорит о том, что чугун в харкхютторе получался путeм науглероживания уже восстановленного железа (поскольку при образовании чугуна из расплавленной руды фосфор неминуемо перешeл бы в него).
16.Харкхютторы и доменные печи даже входили в состав одного предприятия, при этом в первых производили железо для местного потребления, а фосфористый чугун из вторых отправляли в Санкт-Петербург для использования в литейном производстве.
17.Помимо осмундской печи, преимущественное восстановление монооксидом углерода имело место в процессах, организованных таким образом, чтобы руда долгое время контактировала с отходящими газами, например, в каталонском горне.
18.Иная картина наблюдается, если процесс организован так, что руда сначала плавится, а потом восстанавливается – в этом случае расплавленная руда стекает по кускам топлива, взаимодействуя с ним, а восстановленное железо имеет непосредственный контакт с углеродом твeрдого топлива (древесного или плотного каменного угля, кокса).
Железо начинает течь
19.Характерным примером этого варианта является так называемый «немецкий» сыродутный горн, в котором, в зависимости от умения мастера и свойств сырья, могла получиться железная крица, а в случае неудачи – чугун и «сырая» («неспелая») крица, т.е. смесь чугуна и высокоуглеродистой стали. Горн этот представлял собой железный (футерованный), каменный или кирпичный «ящик», заполненный топливом. Внешний вид подобного рода горна приведeн, в частности, в сочинении Георгия Агриколы «О горном деле и металлургии в 12 книгах» (1556 г.). Описывая выплавку железной крицы из легковосстановимых богатых железом руд, автор отмечает: «Железо, остающееся в горне после плавки руды, становится твeрдым и может быть выбито лишь с большим трудом. Из него изготовляют головки пестов и другие весьма твeрдые изделия». Указание на твeрдость металла по сравнению с обычным железом свидетельствует о том, что материал этот представлял собой чугун или углеродистую сталь.
20.Карл-Бернард Карстен в труде «Handbuch der Eisenhüttenkunde» («Руководство по чeрной металлургии», 1841 г.) описывая «немецкие» сыродутные горны, по конструкции идентичные упомянутым Агриколой, приводит данные о влиянии режимов их работы на свойства получаемых продуктов.
21.Размеры горнов определялись мощностью дутьевых приспособлений и свойствами используемых шихтовых материалов. Размеры подбирались таким образом, чтобы получить именно железо: при использовании легкоплавких руд, плотного, плохо горящего угля и сильного дутья размер горна увеличивали, в противном же случае – уменьшали.
22.Горн заполнялся углeм, затем, после его поджигания и проведения подготовительных операций сверху клали слой руды. Следующую порцию клали после того, как предыдущая полностью расплавлялась и просачивалась сквозь уголь внутрь горна, при этом уровень угля поддерживался постоянным. Регулируя соотношение шихтовых материалов, скорость плавки и выпуская образующиеся шлаки, мастер добивался формирования в горне железной крицы (что было делом очень непростым).
23.Из описания хода плавки, приводимого Карстеном, следует, что продуктом восстановления руды был чугун, который затем обезуглероживался в токе воздуха из фурмы, формируя железную крицу подобно тому, как это происходило в кричном горне, где переплавляли в железо доменный чугун.
Дитя энергетической революции
24.Образование чугуна в сыродутной печи или горне при интенсивной подаче дутья является, скорее, правилом, чем исключением. Причина же того, что до эпохи Ренессанса чугун в Европе практически не использовался, заключается в том, что для его образования в значительных количествах необходима температура более высокая, чем могли обеспечить естественная воздушная тяга или ручные мехи. Именно поэтому первые сведения о появлении нового продукта европейской металлургии железа – чугуне, хронологически совпадают с «энергетической революцией», произошедшей в континентальной Европе в XIII в. Заключалась она в массовом распространении для привода «промышленных агрегатов» того времени водяных колeс.
25.В XI в. в Европе начались коренные изменения социально-экономического ландшафта, приведшие к формированию мануфактурного производства. Ещe одним фактором стало развитие сети монастырей, которые стали объединяться в конгрегации и учреждать монашеские ордена. Важную роль в хозяйственном освоении горно-металлургических регионов Европы сыграли основанные в XI в. монашеские ордена цистерцианцев и картезианцев. Именно на этом этапе оказалась востребованной на новом качественном уровне давно освоенная инновация – водяное колесо. Расширенное применение водяных колeс, известных с античных времeн, началось в VIII-IX вв., однако резкое, скачкообразное увеличение их количества произошло в XIII в.
26.Водяное колесо может служить наглядным примером того, что инновации мало быть придуманной – для неe важно быть востребованной. В качестве иллюстрации можно привести Францию: здесь на территории современного департамента Об в XI в. зафиксировано наличие 14 водяных колeс, в XII – 60, а в XIII – 200; в Пикардии их количество составляло, соответственно, 40, 80 и 245, а на территории провинции Форез оно увеличилось с одного в XII в. до 80 в XIII.
Вода раздувает горны
27.Становление и развитие рыночной экономики базировалось на металлургической индустрии (поставлявшей монеты, инструменты, орудия труда, оружие), что привело к формированию и развитию горно-металлургических регионов, многие из которых имели промышленное значение до средины XX в.
28.В первую очередь увеличилась добыча металлов, необходимых для чеканки монеты – золота и серебра. Золото добывали на реках Рейне, Роне и По, в Альпах и Пиренеях. Наступили золотые времена для немецких центров добычи серебра – Гослара, Фрайберга и Аннаберга в Гарце и саксонских Рудных горах, а затем и Иоахимсталя на чешском склоне Рудных гор. Полиметаллические серебряно-медные руды добывали и перерабатывали в Тоскане, Сардинии, Калабрии, Арагоне, Дофине, Савойе, Оверни, Вивере, Эльзасе, Дербишире.
29.Металлургия железа активно развивалась в Гарце, Вестфалии и Штирии, британском Сассексе, нидерландском Намюре, французских Нормандии, Шампани, Дофине, Берри, Пуату и Перигоре, испанской Бискайе, итальянских Бергамо и Калабрии, на островах Сицилия и Эльба.
30.О важности водяного привода Ваноччо Бирингуччо в своей знаменитой «Пиротехнии» писал: «Однако из всех неудобств более всего следует избегать нехватки воды, потому как подъeмная сила водяного колеса гораздо более и притом определeннее, нежели у ста человек». Безусловно, значимость его в горном деле и металлургии позднего средневековья и раннего Нового времени трудно переоценить: это и вентиляция шахт, и дробление руд, выплавка и обработка металлов.
31.Операцией, в первую очередь требовавшей применения молота с водяным приводом, можно считать расковку крицы в листы и пластины, в т. ч. для изготовления доспехов и котлов. Отметим, что целесообразность механизации операции ковки зависела от трeх факторов – массы получаемой крицы, номенклатуры продукции и спроса на неe. Если крица была небольшой, то проще было проковать еe вручную, особенно с учeтом того, что «голову» молота было необходимо предварительно сковать из тех же криц, причeм так, чтобы она прослужила какое-то время.
32.Те же соображения относятся к спросу и номенклатуре выпускаемой продукции – если кузница обслуживала крестьян ближайшей округи, особого смысла вводить повышающие производительность инновации для неe не было. Другое дело, если металлургическое производство обслуживало замок, монастырь или город.
33.Первые достоверные сведения об использовании водяного колеса для привода мехов относятся к 1214 г., когда исторические источники отмечают их применение в металлургическом производстве одного из монастырей епископства Трент на севере современной Италии.
34.К этому же времени относятся и первые упоминания о производстве чугуна. Немецкий (саксонский) учeный-металлург Адольф Ледебур со ссылкой на геолога Адольфа Гурлта отмечал, что «первые следы ведения выплавки чугуна с промышленной целью находят в начале XIII столетия в Зигенском округе и близ Шмалькальдена». По-видимому, именно тогда некая небольшая шахтная печь для выплавки железа с мехами для принудительной подачи воздуха была совмещена с водяным колесом, что привело к повышению температуры и, как следствие, образованию жидкого чугуна.
Дутьевая высокая печь
35.В трудах по общей истории техники повествование обычно построено таким образом, что у читателя складывается впечатление, что уже вскоре после своего появления доменная печь вытеснила все прочие агрегаты для выплавки железа из руд (причeм нередко доменной называется любая печь, в которой образуется чугун). Однако это далеко не так. Отметим, что печи, в которых получали чугун в XIII в., не были доменными печами и не имели характерных признаков этого агрегата. А к таковым признакам относятся: шахтное строение, специфический профиль внутреннего пространства и чугун как единственный железосодержащий продукт. Соответственно, доменными не были и печи, используемые для выплавки чугуна в древнем и средневековом Китае.
36.Печи, в которых получали чугун (в «дополнение» к крице и шлаку) в XIII в. имели шахтную – круглую или прямоугольную в сечении, конструкцию, такую же, как и обычные сыродутные печи. Причиной же образования чугуна было применение мощных мехов с приводом от водяного колеса. Применение постоянного принудительного дутья, как главная особенность, отличающая эти печи от предшественников, отразилось в названиях агрегатов. В германских языках закрепилось название Blaseöfen, т.е. «дутьевая печь» (позднее термин трансформировался в Blauöfen), по-английски blast furnace, также как и доменная печь (от дмение – «дутьe»), означает «печь с дутьeм».
37.Отметим, что в английском и шведском языках в названии доменной печи фигурирует очень мощное дутьe, поскольку blast также означает «взрыв», как и шведское masugn, переводимое и как «взрыв», и как «доменная печь».
38.Следующим шагом на пути эволюции стал «рост» печи в высоту. В начале XIII в. блауофены имели высоту около 3 м, но уже к концу века в Эльзасе 5-метровые блауофены получили название хохофенов (Hochöfen), т.е. «высоких печей». От этой особенности произошли современные названия доменных печей во французском – haut fourneau, итальянском – altoforno, голландском – hoogoven, немецком – Hochöfen, языках, что означает «высокая печь».
39.Названия отразили характерные особенности печей, отличающие их от предшественников: сначала – наличие непрерывного принудительного дутья, а затем – значительную высоту. Увеличение высоты печи (при соответствующем увеличении диаметра) было обусловлено стремлением к увеличению производительности, поскольку наличие мощных мехов с водяным приводом позволяло продувать более высокий столб шихты.
40.Именно увеличение высоты печи при наличии интенсивного принудительного дутья привело в итоге к появлению доменной печи, которую, с учeтом этого было бы правильнее называть «высокой дутьевой печью». Одновременное воздействие этих двух факторов привело в итоге к значительному повышению эффективности процесса, поскольку наличие высокой шахты позволяло полнее использовать восстановительную способность газов и, следовательно, снизить расход топлива.
Эволюция техники и искусство Возрождения
41.Как в эволюции живых организмов, так и в «технической эволюции» имеют место «развилки», когда одни представители вида эволюционируют, а другие, видоизменяются с учетом местных условий. Оригинальный металлургический агрегат изображeн на картине начала XVI в. известного фламандского пейзажиста Иоахима Патинира.
Ян Брейгель Старший. Получение железа вблизи Сельвы (более корректный перевод – «Производство чугуна…»). 1600 г.
42.Русское название картины неточно. Хорошо видно, что «высокая печь» представляет собой сыродутный горн прямоугольного сечения, немного расширяющийся книзу, высотой примерно 6 м, с мехами, приводимыми от верхнебойного вертикального водяного колеса (самих мехов, расположенных за печью, на картине не видно). Обращает на себя внимание отсутствие массивного каменного кожуха, характерного для доменных печей того времени и используемого до XIX в. – как видно на картине, печь тонкостенная.
43.Уголь и руда засыпались в конусообразные кули, которые рабочие на спине по специальной наклонной лестнице поднимали на верх печи. Относительно небольшая высота печи и достаточно широкий колошник (верхняя часть печи, через которую загружаются шихтовые материалы) позволяли решать проблемы с их опусканием (в случае возникновения) с помощью длинной палки или прута.
44.Выпуск чугуна производился по мере его накопления, с таким расчeтом, чтобы уровень шлака не поднялся до уровня фурм и не залил их. Для этого в стенке пробивалось отверстие, которое заделывалось после окончания выпуска. Чугун, отлитый в слитки треугольного сечения, затем перерабатывался в кричном горне с получением железа.
45.Картина тем более интересна, что конструкция «классической» доменной печи, с присущими ей особенностями, сформировалась ещe в XIV-XV вв., и печи такого типа изображены на нескольких картинах второй половины XVI в., в том числе известного фламандского художника Яна Брейгеля Старшего.
46.Как видно, эта печь по конструкции существенно отличается от изображeнной на картине Патинира: имеется массивная каменная кладка в форме усечeнной пирамиды и специально организованное выпускное отверстие, а также навес над литейным двором. Доменные печи именно такого вида являются «классическими»; такая конструкция сохранялась до первой половины XIX в. и начала претерпевать изменения только с массовым распространением паровых двигателей.
47.«Классические» доменные печи можно увидеть на многих картинах XVI-XVIII вв. Отметим, что на картине Брейгеля изображен только навес над литейным двором, в то время как на картинах ван Фалькенборха присутствуют полноценные производственные строения. Не исключено, впрочем, что это местная особенность. Например, шотландские доменщики XVIII-XIX вв. предпочитали работать на открытом воздухе, известны случаи, когда они вынуждали хозяев разломать сооружeнные над литейным двором навесы.
Домница и штюкофен
48.Непосредственным предшественником доменной печи принято считать штюкофен или «высокую» кричную печь. По конструкции он схож с классической древесноугольной доменной печью, и в процессе плавки в нeм наряду с крицей образовывалось некоторое количество чугуна.
49.По неизвестной причине в знаменитом «Энциклопедическом словаре» Брокгауза и Ефрона конца XIX в., этот агрегат был назван «домницей». Позднее, «благодаря» принятой в советский период, особенно в послевоенные годы, установке на всемерное превознесение, зачастую в ущерб здравому смыслу, достижений русской науки и техники по сравнению с западной, в отечественной литературе этот агрегат также стали называть домницей, отождествляя таким образом отечественную домницу и «высокую» сыродутную печь, и утверждая, тем самым, что уровень развития металлургической техники Руси был не ниже западноевропейской.
50.Из описаний домницы или домни (в тех случаях, когда имеется в виду именно печь, поскольку также называли и производственное помещение, где располагалось несколько печей) видно, что это небольшая сыродутная печь, высота которой не превышала полутора метров, с ручными мехами, и единственной еe продукцией была железная крица.
51.Название «предшественницы» доменной печи в европейских языках (фр. fourneau a loupe, нем. Stücköfen, англ. high bloomery furnace) означает «кричная печь», за исключением английского языка, где совершенно справедливо добавляется прилагательное «высокая». Печи такой конструкции имели значительное распространение во многих регионах Европы, а особенно в альпийских областях современной Австрии – Штирии и Каринтии.
52.Эксплуатировались штюкофены до середины XIX в., и в 1841 г. Карстен отмечал, что к этому времени они почти нигде не использовались по причине колоссального расхода топлива. Подробное описание конструкции и работы «высоких кричных печей» приведено в трудах Габриэля Жара и Джона Перси.
53.Шахта этих печей имела форму двух усечeнных конусов или пирамид, сложенных друг с другом основаниями. Второй вариант можно считать более «эволюционно древним», поскольку именно такую, квадратную в сечении, форму имело внутреннее пространство штюкофенов и доменных печей, которые строили из тeсаного и дикого камня. С началом производства формованных из огнеупорной глины кирпичей внутреннее пространство стали делать круглыми в сечении.
54.Высота штюкофенов составляла от 3 до 5 метров. Соотношение между высотой и диаметром зависело от свойств используемых руд. Характерной особенностью штюкофена, благодаря которой его считают ближайшим предком доменной печи, является профиль внутреннего пространства с расширением («распаром») на середине высоты шахты.
55.Плавка в штюкофене осуществлялась следующим образом. После подготовительных работ и задувки заполненной древесным углeм печи ждали, пока горение посредством естественной тяги распространится до колошника, после чего начинали небольшими порциями грузить руду, постепенно доводя соотношение загружаемых руды и угля до одного к четырeм (по объeму).
56.Ниже фурмы имелось отверстие для выпуска шлака (летка), которое в начале плавки было постоянно открытым, и шлак вытекал из печи по мере образования. Первые шлаки были бедны железом, однако уже содержали в себе корольки – застывшие капли чугуна. По этой причине эти шлаки измельчали, промывали и выбирали из них металл.
57.Увеличивавшуюся в размерах крицу старались поддерживать в максимально горячем состоянии, поэтому летку закрывали и накапливали шлак, чтобы крица не могла привариться к поду (лещади) или стенкам печи. Впрочем, при перегреве крица также приваривалась, из-за оплавления.
58.Для определения размеров крицы через фурму для дутья, в которую вставлялось железное сопло мехов, пропускали железный лом. Когда крица достигала необходимых размеров, дутьe останавливали, давали шихте осесть, а затем, освободив место для выгрузки от шлака (его заливали водой и откалывали), разбирали часть кладки и вытаскивали через образовавшееся отверстие крицу.
«Чертов камень»
59.Масса крицы достигала 700 кг. Для еe извлечения использовали огромные клещи, приделанные к толстой цепи. В случае, когда крица приваривалась, за цепь тянули воротом, соединeнным с водяным колесом.
60.Практически всегда крица была окружена чугуном, за которым в некоторых областях закрепилось название Graglach – «чeртов камень», поскольку он был нежеланным гостем на празднике огня и железа. Саму же крицу в различных местностях называли Stück, Wolf, Maas или Guss. Количество чугуна, образующегося при получении 700-килограмовой крицы, составляло около 300 кг.
61.Таким образом, крупный 5-метровый штюкофен давал за одну плавку примерно тонну металла, из которых треть составлял чугун, а две трети – железо. Для этого требовалось 18 часов, из которых 15 часов длилась сама плавка, а 3 часа уходило на обработку крицы и подготовку печи к следующей плавке. За неделю выплавляли 7 криц, расходуя при этом 16-17 т железной руды.
62.Полученную крицу покрывали угольной пылью, чтобы не дать ей остыть, разрубали на части и уплотняли ковкой под молотом. При этом большую крицу разрубали пополам в течение примерно часа.
63.В отдельных регионах существовали разновидности штюкофена, ещe более близкие по конструкции к доменной печи за счeт конструктивно выделенного, узкого горна. Фактически это была доменная печь, в которой продуктом плавки был чугун, однако небольшая высота позволяла, при необходимости (а такая необходимость возникала – всe определялось спросом), получать и железную крицу.
64.При переходе на плавку железа в капитальной кладке горна пробивали отверстие для извлечения крицы, которое заделывали так, чтобы затем быстро открыть. Железосодержащим сырьeм служили отходы металлургического производства: железистые шлаки от кричного передела чугуна в железо и окалина от проковки железа в полосы; руды же добавляли небольшое количество – не более четверти от общего количества сырья.
65.Формирования крицы добивались двумя технологическими приeмами – снижением доли топлива в шихте для уменьшения возможности контакта восстановленного железа с углeм и постоянным выпуском шлака из горна, чтобы он не мешал окислению чугуна током дутья из фурмы. Последнее служило источником значительных потерь железа, поскольку шлак содержал около 40% (масс.) железа. Как правило, этот шлак переплавляли в «настоящих» доменных печах.
Атрибут индустриализации
66.Почему же на протяжении нескольких столетий, едва ли не до начала XX в., производительный и эффективный агрегат, которым уже к XVI в. стала доменная печь, соседствовал с менее эффективными, а иногда и откровенно примитивными способами выплавки железа из руд?
67.Происходило это по той же причине, по которой в Китае ещe совсем недавно использовались металлургические технологии, оставленные в Европе более 100 лет назад. Заключается она в нехватке капитала, достаточного для строительства крупного, сложного, дорогостоящего сооружения, каким являлась и является доменная печь. То есть доменная печь была атрибутом крупных промышленников и госпредприятий, мелкие же производители довольствовались менее капиталоeмкими способами производства.
68.Кроме того, до развития железнодорожных путей сообщения выплавляемый в больших количества металл (доменная печь подразумевала именно масштабное производство) мог не находить сбыта, поскольку транспортировать его для продажи в отдалeнные места не представлялось возможным. В этом случае излишним был и дополнительный передел, поскольку для локального потребления требовалось, как правило, железо.
69.Необходимо также отметить, что железо, получаемое из руд, из-за особенностей процесса было выше по качеству, чем железо, получаемое переделом чугуна.
70.Помимо экономических условий в некоторых регионах существовали также причины технологического характера. Поскольку основная часть чугуна использовалась для литья, в доменных печах выплавляли преимущественно серый чугун с высоким содержанием кремния и минимальным содержанием марганца, который ухудшал литейные свойства чугуна. По этой причине в тех регионах, где имелись руды со значительным содержанием марганца, из которых получался белый чугун с низкими литейными свойствами, введение доменного производства было затруднено.
71.Только в начале XIX в., когда с развитием паровой техники и путей сообщения резко возросла потребность в ковком железе, в доменном производстве стали использовать марганецсодержащие железные руды, поскольку низкокремнистый белый чугун был гораздо удобнее для обезуглероживания в пудлинговых печах, чем серый. Впрочем, потребность в железе во время Промышленной революции была такой, что для его производства не брезговали уже никаким чугуном.
Профиль
72.За прошедшие столетия доменная печь из небольшой печи, дававшей в XVI в. менее тонны чугуна в сутки, превратилась в мощный агрегат высочайшего уровня эффективности, производящий в сутки тысячи тонн металла. Однако еe основные «родовые черты» остались неизменными, что даeт основание называть столь непохожие, на первый взгляд, агрегаты одним названием.
73.Доменная печь является уникальным агрегатом, сформировавшимся в ходе продолжительного эволюционного процесса, на ход которого оказали влияние многие факторы, сопутствующие социально-экономическому развитию цивилизации. Желание удовлетворить растущий спрос на металл неминуемо вело к увеличению размеров сыродутной печи, которая представляла собой своего рода вертикальную трубу круглого, квадратного или прямоугольного сечения. Однако такая форма, как заметил Адольф Ледебур, «тем менее соответствовала потребностям доменной плавки, чем больше были размеры печи».
74.Увеличение размеров печи вширь сдерживалось эффективностью дутьевых средств – клинчатых кожаных мехов, и мощностью приводящих их в движение водяных колeс. Напрашивалось очевидное решение – сделать печь узкой в области горна с целью сконцентрировать в нeм тепло, а далее по высоте придать расширение, т.е. форму воронки. Однако при этом возникли бы проблемы на колошнике – его было бы неудобно обслуживать, и трудно рационально распределить материалы по сечению печи. По этой причине штюкофены и ранние доменные печи получили профиль в виде двух усечeнных конусов или пирамид, сложенных основаниями. При этом печь расширялась снизу вверх примерно до середины или чуть ниже, а затем сужалась до самого колошника.
75.Название верхней части доменной печи происходит от способа ее загрузки. Загружаемые в печь материалы учитывали по объeму, считая количество загруженных порций. Поскольку материалы грузили послойно: сначала слой угля, на него руду, а на руду – флюс, одна такая полная загрузка из трeх слоeв носила название «колоша».
76.Важной характеристикой являлось соотношение между количеством руды и угля, которое характеризовалось «тяжестью» колоши: «лeгкая» или «облегчeнная» – руды меньше установленного значения, «тяжeлая» – больше, «холостая» – совсем без руды. В настоящее время соотношение (по массе) железорудного материала и топлива, засыпаемых в доменную печь, носит название «рудная нагрузка».
77.Вероятно, расширение в средней части появилось в ранних доменных печах, так сказать, само по себе, в ходе истирания кладки при опускании расширяющихся при нагреве материалов. Мастера-доменщики же, руководствуясь наблюдениями над действующими печами, вновь построенным агрегатам стали придавать соответствующий профиль. На самом деле «естественно» возникавший профиль, по-видимому, был веретенообразный, но такая конфигурация была менее удобна в постройке, по причине чего еe «аппроксимировали» более линейными фигурами.
«Эволюционное древо»
78.Расширяющийся кверху (от горна) профиль внутреннего пространства печи позволяет снизить скорость газов, поднимающихся от фурм, и, таким образом, увеличить время взаимодействия их с шихтовыми материалами. Также подобная форма способствует равномерному опусканию материалов, поскольку соответствует изменению их объeма. Кроме того, обратная конусность (пирамидальность) нижней части печи создает опору для столба шихты, что, в свою очередь, обеспечивает их разрыхление и проникновение горновых газов, а также облегчает работы по очистке (ремонту) горна.
79.Сужение горна с образованием над ними откосов – заплечиков, могло также иметь целью снижение скорости схода (опускания) материалов и улучшение, благодаря этому, условий восстановления трудновосстановимых руд и науглероживания железа.
«Эволюционное дерево» доменной печи оказалось весьма ветвисто, за столетия доменные мастера предлагали, проверяли и отвергали большое количество различных вариантов отдельных элементов профиля доменной печи.
80.По этому поводу известный британский металлург Уильам Ферберн писал: «Степень наклонения заплечиков есть дело великой важности; оно должно быть таково, чтобы во время плавки рудная засыпь не слишком быстро проходила в горн, но чтобы в то же время движение ее не замедлялось в такой степени; чтобы руда в полужидком состоянии могла приставать к кирпичной кладке и иметь время остыть; при этом образуются в печи так называемые козлы, отделение которых от стен печи сопряжено с великими неудобствами». Отметим, что употребление при переводе термина «козел» в данном случае не совсем корректно. Имеются в виду настыли. Термином «настыль» в литературе XIX в. называли не только наслоения на стенках печи, но и любые застывшие, а иногда и полужидкие материалы в печи, включая собственно «козла», «сидящего» на лещади.
81.Таким образом, сформировались основные элементы профиля доменной печи. Самая широкая часть печи, где происходил перегиб, получила название распар. Выше неe до самого колошника шла шахта, область обратной конусности (или пирамидальности) от распара до горна получила название заплечиков.
82.Изначальный профиль с течением времени менялся на основе эмпирического опыта мастеров-доменщиков и в зависимости от условий работы печи. Распар со временем сместился вниз, ближе к фурмам, с тем, чтобы уменьшение диаметра печи приходилось на ту область, где начиналось плавление и, соответственно, уменьшение объeма материалов.
83.Видоизменился горн: область ниже фурм (металлоприeмник или нижний горн) получила отвесные стенки, поскольку смысла в их наклоне не было, а отказ от него позволил увеличить объeм металлоприeмника и упростил его сооружение.
84.Поскольку основная масса выплавляемого чугуна представляла собой кремнистый серый чугун, то для того, чтобы повысить температуру в горне и создать условия для восстановления кремния, заплечики начали делать не сразу за фурмами, а несколько выше. Область выше фурм сузилась, что способствовало лучшему еe нагреву. Эта область получила название верхнего горна.
Варианты профиля доменной печи. Гравюры из руководства Жана-Анри Ассенфратца «Чeрная металлургия» (La Sidérotechnie), 1812 г.
Варианты профиля доменной печи. Гравюры из руководства Жана-Анри Ассенфратца «Чeрная металлургия» (La Sidérotechnie), 1812 г.
Варианты профиля доменной печи. Гравюры из руководства Жана-Анри Ассенфратца «Чeрная металлургия» (La Sidérotechnie), 1812 г.
85.Конструкция печи для выплавки кремнистого чугуна, с узким и высоким горном, просуществовала до середины XIX в., когда стал использоваться нагрев дутья, что позволило решить проблему дефицита тепла в горне и выплавлять в одной печи разные виды чугуна, а также вновь «опустить» заплечики к уровню фурм.
86.Следующим важным изменением профиля доменной печи стало увеличение протяженности распара, который перестал быть линией перехода шахты в заплечики. Такая конструкция способствовала более равномерному сходу шихты, поскольку исчезал резкий перегиб. Идеальным вариантом было полное отсутствие перегибов, но такие печи были сложнее в постройке, поэтому большого распространения не получили.
87.Для удобства загрузки конструктивно был выделен колошник – он стал несколько возвышаться над уровнем колошниковой площадки, имея либо отвесные стенки, либо чаше- или воронкообразную форму.
88.«Эволюционное дерево» доменной печи оказалось весьма ветвисто, за столетия доменные мастера предлагали, проверяли и отвергали большое количество различных вариантов отдельных элементов профиля доменной печи.
Восстановимость руд и плавкость шлаков
89.Параметры профиля печи, помимо вида выплавляемого чугуна, в значительной степени зависели от свойств используемых материалов. В практике доменного производства были распространены следующие четыре основных варианта профиля печи (подразумевается, что диаметр распара во всех случаях одинаков):
- легковосстановимые руды и легкоплавкие шлаки – широкий колошник и широкий горн (т.е. профиль ближе к цилиндрической форме);
- трудновосстановимые руды, тугоплавкие шлаки – узкий колошник, узкий горн (сильно «вспученный» в районе распара профиль);
- легковосстановимые руды и тугоплавкие шлаки – широкий колошник (крутые заплечики), узкий горн;
- трудновосстановимые руды и легкоплавкие шлаки – узкий колошник (пологие заплечики) и широкий горн.
90.Поскольку плавкость шлака можно было изменить путeм подбора нужного флюса, а восстановимость руды – путeм еe подготовки, например, обжига, при проектировании профиля печи учитывали и этот аспект. Большое значение имел вид (химический состав) чугуна – например, выплавка серого кремнистого чугуна требовала более высоких температур, и, следовательно, более узкого горна, а также более длительного времени пребывания руды в печи.
91.Важную роль играл вид топлива (его горючесть и реакционная способность): например, при выплавке серого чугуна на древесном угле руда пребывала в печи 16 часов, в коксовой печи она находилась 40 часов, а при работе на неподготовленном каменном угле – 48 часов.
92.Гравюры из трудов Жара и Ассенфратца наглядно свидетельствуют о том, что профили доменных печей того времени вполне отвечали условиям, в которых они эксплуатировались, а иногда предвосхищали идею о построении рационального профиля, высказанную теоретиками и практиками доменного дела в XIX в.
93.Конечно, в этом нет ничего удивительного, поскольку один из тех, на кого принято ссылаться как на первопроходца в этом направлении, высказал мысль настолько очевидную, что было бы странным, если бы она не пришла в голову доменных техников ранее.
94.Звали этого человека Джон Гиббонс, он был железозаводчиком, а его имя, в отличие от имeн его предшественников, вошло в историю, поскольку в 1839 г. он опубликовал свою работу под названием «Практические заметки о конструкции доменных печей Стаффордшира», в которой поведал миру о своей идее «естественного» профиля.
«Огненный» перст
95.Мысли о «естественном» профиле Гиббонс изложил столь красиво, что их нельзя не процитировать: «Имея полную возможность ближайшим образом следить за работой доменных печей, я пользовался этим для изучения влияния жара на изменение формы рабочего пространства печи, начиная от момента задувки до того времени, когда приходится выдувать печь для ремонта.
96.…Обращая своe внимание на состояние огнеупорных стен рабочего пространства после выдувки, я говорил себе: «Огненный перст пишет на этих стенах, постараюсь же разобрать, что он пишет, и тогда многое мне станет ясным»
97..…Мне казалось, что если я построю печь таким образом, что внутреннее очертание рабочего пространства заранее уже будет иметь ту форму, какая получается вследствие разгара, то я ограничу разрушительное действие огня и предохраню значительную часть стен горна и заплечиков от разгара. Опыт не представлял никакого риска, и я произвeл его».
98.Следуя своей идее, Гиббонс построил печь объeмом 141 м3 с «естественным» профилем. За 4,5 года эксплуатации еe производство в два раза превысило производство печей (суточная производительность составляла 15 т чугуна) с традиционным профилем с более пологими заплечиками, а выдувка (через 7 лет) показала хорошее состояние кладки.
99.Тем не менее, здравая идея Гиббонса не стала «мэйнстримом», и увеличение крутизны заплечиков и диаметра горна шло весьма медленно, несмотря на то, что мощность дутьевых средств непрерывно росла. Знаменитый теоретик и практик доменного дела сэр Айзак Лоутиан Белл потратил 56 лет на постепенное увеличение диаметра горна и угла наклона заплечиков на печах своего завода «Кларенс», пока диаметр горна не достиг 3,66 м, а угол наклона заплечиков превысил 72 град. (отметим, что при этом росла и высота печей).
100.Проблема дальнейшей эволюции профиля европейских печей заключалась в том, что высота их ограничивалась уровнем 24-27 м при качественном коксе или немного более при коксе «премиального» качества. Диаметр же горна остановился на уровне около 3,5 м, при котором имеющиеся дутьевые средства обеспечивали его равномерный прогрев.
101.Металла требовалось всe больше, поэтому объeм печи наращивали за счeт объeма шахты, увеличивая диаметр распара, что приводило к уменьшению угла наклона заплечиков. Однако при этом упускали из вида то обстоятельство, что неизменный диаметр горна и неизменный расход воздуха приводит к тому, что количество восстановительного газа, образующегося в единицу времени, также остаeтся неизменным. При этом то же количество газа должно было восстановить значительно большее количество руды, что приводило к снижению производительности и ухудшению удельных (на единицу объeма) показателей работы крупных печей. В результате распространилось суждение о том, что печи большого объeма менее эффективны, и несколько десятилетий преимущество отдавали печам объeмом в несколько сот кубометров, пока на рубеже XIX и XX вв. ситуацию не исправили американские инженеры-доменщики.
Спрос рождает производительность
102.Рождение доменных печей было обусловлено увеличением спроса на металл. Он же привeл доменную печь к тому виду, который она имеет в настоящее время. Развитие доменных печей с многократным увеличением их размеров и производительности началось с переходом от использования древесного угля и мехов с приводом от водяного колеса к использованию каменноугольного кокса и воздуходувок, приводимых в движение паровой машиной. Эти две инновации, появившись с интервалом в несколько десятков лет в Великобритании, удачно дополнили друг друга, обеспечив возможность увеличения размеров доменной печи и, следовательно, еe производительности.
103.Хотя первая плавка на коксе, как известно, была проведена в 1735 г., даже на родине изобретения коксовые печи получили более-менее широкое распространение лишь во второй половине XVIII в. В континентальной Европе их распространение началось лишь в XIX в.
104.Объeм древесноугольных печей с кожаными клинчатыми мехами, приводимыми в движение водяным колесом, составлял до 10 м3. Несколько больший объeм имели печи, в которых водяное колесо приводило в движение более эффективные цилиндрические (поршневые) мехи. Максимальный же объeм древесноугольных печей, достигнутый во второй половине XIX в., составил около 100 м3, что было обусловлено низкой механической прочностью и высокой реакционной способностью древесного угля.
105.Прочный кокс, выдерживающий давление столба шихты высотой до 30 м, и при этом менее реакционноспособный, чем древесный уголь, позволял, при наличии достаточно мощных дутьевых средств, строить печи объeмом в нескольких тысяч кубических метров, как это имеет место в наше время. Однако достигнуты такие результаты были, конечно, далеко не сразу.
106.Выросшая из древесноугольной печи, коксовая доменная печь при появлении на континенте в начале XIX в. имела объeм уже около 50 м3. Такой объeм удовлетворял имеющемуся спросу на металл и сохранялся до 1830-х гг., когда началось массовое железнодорожное строительство, ставшее катализатором промышленного развития, требующего всe большего количества металла. Это дало толчок началу нового этапа развития доменных печей. Если средний объeм доменной печи в первой половине XIX в. составлял 70-80 м3 при высоте 12-13 м, то в середине столетия доменные печи имели объeм уже 130-150 м3. В 1860 г. была задута 15-метровая печь объeмом 175 м3, а четыре года спустя – 25-метровая объeмом 330 м3. Увеличение высоты коксовых доменных печей имело приятные последствия: производительность увеличилась на треть, а потребление кокса снизилось с 1450 до 1125 кг на тонну чугуна (при нагреве дутья до 450 °С).
107.Поскольку увеличение высоты и объeма доменных печей не только снижало расход топлива из-за более совершенного хода процесса, но и увеличивало производительность, что ещe более повышало экономическую эффективность выплавки чугуна, железозаводчики, тут же стали двигаться в этом направлении, тем более, что, начиная с 1860-х гг., рост выплавки металла, благодаря изобретениям Бессемера, Томаса, Сименсов и Мартенов, уже не сдерживался несовершенством процесса пудлингового передела чугуна. В этот же период была достигнута и фактически максимальная высота доменных печей, работавших на высококачественном коксе – 31,5 м.
108.На протяжении 1860-х гг. рекорды увеличения полезного объeма печей ставились каждый год-два: 326, 450, 566, 736, 815 м3, а в 1870 г. была построена печь объемом 1165 м3. К началу XX в. производительность доменной печи достигла 350 т чугуна в сутки.
Кливлендский психоз
109.Как и многие экономические бумы, граничащие с психозами, и часто оставляющие ни с чем чрезмерно увлeкшихся игроков, бум на строительство доменных печей большого объeма не был исключением. Печи-монстры заводов Ormesby и Ferry Hill в Кливленде (США) объeмом более 1000 м3 не оправдали возложенных на них надежд, показывая рекордно низкую удельную производительность и отсутствие снижения расхода кокса.
110.Небольшая древесноугольная печь даже на холодном дутье позволяла выплавлять до 0,5 т чугуна в сутки на кубический метр объeма. Для кливлендских монстров этот показатель едва превышал 0,12 т/м3×сут. В итоге, в последней четверти XIX в. рост объeма печей остановился. Основная масса печей имела объeм 250-350 м3 при высоте около 24 м.
Первая коксовая доменная печь Германии на заводе в Гляйвице. Модель. Экспонат Немецкого музея (Deutsches Museum)
111.Проблема заключалась в нерациональном профиле кливлендских печей. Рекордсмены 1870-х гг. имели высоту 27 м при диаметре распара более 9 м. При этом диаметры печей в других частях были существенно меньше этого значения. Диаметр колошника составлял 5 м, а горна – 3,5 м (в настоящее время печи такого объeма строятся с диаметром горна примерно 7 м). Это предопределяло «тарелкообразную» форму заплечиков с небольшим углом наклона. На таких заплечиках из кокса и полурасплавленной руды образовывался так называемый «мeртвый кожух», т.е. фактически печь приобрела новый, «естественный», профиль.
112.Такой конструктивный промах приводил, если можно так выразиться, к бесполезной трате полезного объeма печи. Ведущие учeные-металлурги того времени – Эммануэль-Луи Грюнер, Рихард Окерман и другие, активно высказывались в пользу более вытянутого профиля с крутыми заплечиками.
Свой нынешний вид доменное производство приобрело в 1950-70-е гг., когда в полную силу проявил себя новый феномен развития производительных сил, получивший название «Научно-техническая революция» и сопровождаемый, как некогда Промышленная революция, непрерывным ростом производства металла.
Рациональные соотношения Грюнера
113.В 1870-х гг. Грюнер опубликовал в виде цикла статей своe исследование, в котором на основе анализа работы печей с различным профилем обосновал наиболее рациональные соотношения между размерами основных элементов доменной печи. Он подразделил доменные печи на основе соотношения высоты печи (H) и диаметра распара (D). Грюнер выделил широкие (H:D < 3), обыкновенные (3 < H:D < 4) и узкие или вытянутые (H:D > 4) доменные печи. Первые имели худшие удельные показатели работы, а последние – лучшие.
114.Способом реализации «вытянутого» профиля на крупных (около 1000 м3) печах было увеличение диаметра горна (с некоторым сужением распара) при соответствующем увеличении мощности дутья. В конце XIX в. по этому пути пошли металлурги США. Начиная с 1880-х гг. на американских доменных печах постепенно увеличивали диаметр горна и интенсивность дутья, подбирая оптимальное соотношение между элементами профиля. К началу нового века были получены прекрасные результаты, и Европе оставалось лишь следовать по проторенному американцами пути.
115.Наилучшим соотношением между диаметрами горна и распара в этот период было признано соотношение 1:2. Построенная в конце XIX в. в США доменная печь объeмом 580 м3 имела высоту 27 м при диаметре горна 3,3 м, распара 6,9 м, колошника 4,8 м. Еe производительность составляла 350 т чугуна в сутки, расход кокса – 840 кг на тонну чугуна при температуре дутья 600 °С и содержании железа в руде 62% (масс.).
Большие и малые
116.С накоплением опыта эксплуатации и результатов научных исследований выросла и удельная эффективность использования печей. В период с 1923 по 1927 г. средняя удельная производительность доменных печей в США увеличилась с 0,75 до 0,81 т/м3×сут, в Германии этот показатель с 1925 по 1932 г. вырос с 0,83 до 0,93 т/м3×сут. В настоящее время он в среднем составляет 2 т/м3×сут, а в отдельных случаях доходит до 3 т/м3×сут.
117.Тем не менее, крупные доменные печи всe ещe имели худшие удельные показатели по сравнению с печами меньшего объeма. Различие в эффективности эксплуатации доменных печей различного объeма наложило отпечаток на распространение их по миру в первой половине XX в., что особенно хорошо видно на примере лидеров доменного производства этого времени – Германии и США.
118.В период после Первой мировой войны доля доменных печей объeмом более 600 м3 в США выросла с нуля в 1914 г. до 48% в 1929 г., что было обусловлено стремительным ростом спроса на металл. Поскольку крупные агрегаты обеспечивали валовую выплавку требуемого количества металла, никого особо не беспокоило, что он был дороже того, что выплавлялся в более эффективных печах небольшого объeма – ведь чугун покупали по той цене, по которой он предлагался на рынок.
119.В то же время экономика послевоенной Германия, задавленная военными расходами и последующей контрибуцией, не требовала большого количества металла. Вместе с тем, располагая необходимыми ресурсами, Германия значительное количество металла производила на экспорт. Для успешной конкуренции на мировом рынке требовалось снижать издержки, по причине чего германские металлургические компании предпочитали строить и эксплуатировать эффективные доменные печи небольшого объeма, причeм всячески рационализируя процесс их эксплуатации.
120.Преимущественному использованию в Германии доменных печей небольшого объeма (в 1935 г. почти две трети доменных печей Германии имели объем менее 500 м3) также способствовал недостаток капитала, не позволявший делать значительные инвестиции.
Последний резерв
121.Рост объeма доменных печей временно приостановился, но начал расти диаметр горна. Если на рубеже веков Адольф Ледебур отмечал, что «редко, даже в самых больших печах, диаметр горна бывает больше трeх метров», то в 1919 г. на заводе South Works была задута печь с диаметром горна 6,32 м производившая в сутки 600 т чугуна.
122.Рост производительности был достигнут благодаря уменьшению высоты и конусности заплечиков. Поскольку опыт South Works показал возможность и перспективность эксплуатации печей с широким горном, началась массовая перестройка американских печей с целью увеличения их производительности.
123.Перестройка горна и заплечиков требовала минимальных инвестиций, поскольку металлоконструкции и шахта практически не подвергались изменениям, а главное – вся инфраструктура, которая стоила больше, чем сама печь, оставалась без изменений (требовалось установить более мощную воздуходувную технику, увеличить ковшевое хозяйство и доработать систему подачи шихты).
124.Всe последующее десятилетие, вплоть до начала Великой депрессии, в США регулярно вводились в строй всe более мощные печи. В 1926 г. пять доменных печей были реконструированы с увеличением диаметра горна до 6,54 м, что позволило им выплавлять ежесуточно 750-800 т чугуна.
125.В следующем году на питтсбургском заводе Aliquipa Works компании Jones & Laughlin доменная печь №5 получила горн диаметром 7,47 м, что позволяло ей при полезном объeме 943 м3 выплавлять ежесуточно в среднем 997 т чугуна. Рекордсменом стала печь компании Weirton Steel Corp., суточную производительность которой благодаря реконструкции горна удалось увеличить с 600 до 1100 т, т.е. почти в два раза.
126.Начавшийся экономический кризис прервал соревнование, и не дал возможности ввести в эксплуатацию реконструированную в 1930 г. доменную печь №3 компании Jones & Laughlin, которая при диаметре горна 8,62 м должна была иметь суточную производительность 1500 т чугуна. Печь стала своеобразным монументом на могиле промышленного производства, объeм которого вернулся к показателям начала века (в США загрузка доменных мощностей составляла 17 % в 1932 г. против 83 % в 1929 г.).
Доменное многоцветие
127.Без малого столетие, с 1870-х гг. до второй половины XX в., объeм доменных печей редко превышал 1000 м3. Свой нынешний вид доменное производство приобрело в 1950-70-е гг., когда в полную силу проявил себя новый феномен развития производительных сил, получивший название «Научно-техническая революция» и сопровождаемый, как некогда Промышленная революция, непрерывным ростом производства металла.
128.Ежегодное мировое производство чугуна в третьей четверти столетия выросло со 100 до 530 млн. т в год. На этом уровне оно находилось, приблизительно, с 1975 по 2000 гг., после чего, за счeт развития промышленности Китая, годовое производство выросло в наши дни почти до 1,5 млрд. т в год.
129.В ходе Научно-технической революции доменные печи достигли своего нынешнего максимального объeма на уровне 5000-6000 м3 – такие колоссы, выплавляющие по несколько миллионов тонн чугуна в год, эксплуатируются в настоящее время в Южной Корее, Китае, России, Японии и Украине. Эти печи имеют диаметр горна более 15 м и производят в сутки 10-15 тыс. т чугуна. Самая большая в мире в настоящее время доменная печь №1 завода фирмы Posco в южнокорейском городе Кванъяне имеет объем 6000 м3, при годовой производительности 5,7 млн. т чугуна.
130.Объeмы же большей части доменных печей составляют от 1000 до 4000 м3. Наряду с ними эксплуатируются и печи меньшего объeма, в несколько сот кубометров, а в отдельных регионах, где на то имеются известные причины – нехватка капитала и ограниченные рынки сбыта, и более мелкие, вплоть до древесноугольных.
Деталь восточной чугунной пагоды. Храм Гуанчао, Гуанчжоу, 967 г.