Глава 4Фундамент инженерных наук

То не море топить корабли, но ветри; не огнь творить ражжение железу, но надымание мешное; тако же и князь не самвпадаеть въ вещь, но думци вводять. 

 

Даниил Заточник, Моление.

,,

,,

1.В начале XIII в. некий Даниил Заточник писал князю Ярославу Владимировичу «Моление», в котором, помимо прочего, имелись такие слова: «То не море топить корабли, но ветри; не огнь творить ражежение железу, но надымание мешное; тако же и князь не сам впадаеть въ вещь, но думци вводять».

2.Стараясь убедить князя проявить милость посредством красочных сравнений, сам того не ведая, древнерусский автор очень точно охарактеризовал процесс, происходящий за тысячи километров от него – именно благодаря увеличению интенсивности «мешного надымания» древняя сыродутная печь превращалась в новый металлургический агрегат.

3.Интенсивность подачи дутья играла ключевую роль и для дальнейшего развития конструкции доменной печи. От неe, в первую очередь, зависела производительность агрегата, а также развиваемая в нeм температура, которая, в свою очередь, определяла ход протекающих процессов и эффективность работы в целом.

4.Сформировавшись в XIV-XV вв., «классическая» доменная печь просуществовала с минимальными изменениями до начала XIX в. Даже переход от использования древесного угля к коксу привeл лишь к локальным изменениям в конструкции печи. Непрерывный процесс изменений, преобразивший внешний вид и инфраструктуру доменной печи начался в эпоху индустриализации после внедрения революционной инновации – нагрева доменного дутья.

5.Уже вскоре после внедрения современники по достоинству оценили значение этого нововведения. Например, Уильям Ферберн в 1864 г., разбивая историю производства железа на «эпохи», вполне обоснованно выделял доменное производство с нагревом дутья в отдельную «эпоху»: «Пятая и последняя, хотя не менее важная эпоха в истории этой промышленности, отмечена применением горячего дутья – изобретение, которое учетверило производство железа и доставило заводчикам возможность плавить руды, которые иначе не могли бы принести никакой пользы и были бы негодны к плавке; оно сделало излишним коксование угля и обжигание руд и облегчило большое и быстрое производство, которое далеко превзошло самыя блестящия из заявленных его изобретателем ожиданий. Заводчики, пользуясь таким могучим двигателем, не затруднились извлечь железо из дурных материалов; например, отвалы каменноугольной золы и нечистыя, с вредными примесями, руды были употреблены ими в дело».

Почему это актуально?

6.Нуждается ли современный инженер для успешной профессиональной деятельности в философском осмыслении своей профессии и понимании процессов, происходящих в металлургическом агрегате? Или ему достаточно знаний общих фундаментальных наук и навыков «on-line» - диагностики и управления? Судя по изменениям в программах обучения российских технических университетов, «философия техники» не входит в перечень приоритетных учебных дисциплин. Вместе с тем, история металлургии вообще и доменного производства в частности наглядно демонстрирует, что создание отечественных прорывных технологий невозможно в условиях отсутствия «мировоззренческого фундамента инженерных наук».

Эпистеме и эмпирия

7.В начале XX в. доменный мастер имел на вооружении не только достижения аналитической химии, но и множество приборов, непрерывно регистрирующих показатели доменной плавки. Несмотря на это, в своей работе он, как и его предшественники на протяжении веков, во многом полагался на собственную наблюдательность и опыт, поскольку одни лишь показания приборов и результаты анализа далеко не всегда могли рассказать о происходящих в печи процессах. 

8.В этот период работу доменщика можно охарактеризовать древнегреческим философским термином «технэ», под которым понимался особый род знания, занимающий среднее положение между опытом (эмпирия) и теоретическим знанием (эпистеме). В широком смысле технэ можно понимать как «ремесло-искусство», в котором формальные знания, доступные любому, дополняются индивидуальным опытом.

9.В этом смысле работу доменщика уместно сравнить с работой врача-терапевта: в обоих случаях имеется «закрытый» объект, о внутреннем состоянии которого можно судить по внешним признакам, и правильный диагноз во многом зависит от знаний и опыта конкретного специалиста. В ходе эволюции на протяжении XX в., а особенно в результате Научно-технической революции, доменная профессия претерпела те же изменения, что и профессия врачебная. Достижения науки, причeм самых различных еe областей, позволили заглядывать всe глубже в печь и в человека, а, кроме того, накапливать практические и теоретические знания, формализуя их в виде стандартов (в медицине) и технологических инструкций (в доменном деле).

10.Рассмотрим основные этапы превращения «классической» доменной печи в «современную».

Доменная классика

11.«Классическая» доменная печь представляла собой массивную башнеподобную конструкцию в форме усечeнной пирамиды, которая почти полностью, за исключением колошниковой площадки, была скрыта под примыкающим к ней навесом или крышей. Высота печей составляла, в разное время и в различных регионах, от 3 до 8 м и несколько увеличилась (до 10-12 м) при использовании кокса и цилиндрических мехов с водяным или паровым приводом. Печи классической конструкции, увеличенные до максимально возможных размеров и снабжeнные нововведениями (воздухонагревателями для дутья и цилиндрической поршневой воздуходувкой) эксплуатировались в Европе и США до начала XX в. Часто печи располагали попарно или по три в одном здании и снабжали общей инфраструктурой.

12.В Великобритании в начале XIX в., когда Промышленная революция требовала от британских промышленников всe больше и больше металла, доменные печи стали объединять в подобные крепостным стенам батареи (или банки – bank), строя вплотную друг к другу, с общей колошниковой площадкой и литейным двором.

13.Основную часть объeма печей составлял массивный каменный кожух, скрывающий внутри небольшое плавильное пространство: до 10 м3 у древесноугольных печей и до 50 м3 у коксовых. Наличие толстого кожуха представлялось необходимым для снижения потерь тепла. Строили его первоначально из дикого (необработанного) камня, а позднее – из кирпича.Внутри кожуха располагалась шахта, или, как еe называли в отечественной практике, «труба», выстроенная из огнеупорного камня или кирпича. Для доступа к горну в кожухе были предусмотрены две «амбразуры»: для подвода дутья и выпуска металла и шлака. Остальные две стены были глухие, одна из них могла стоять вплотную к земляной насыпи, по которой поднимали на колошник шихтовые материалы. Позднее в этих стенах также стали делать сводчатые отверстия для подачи дутья через несколько фурм.

14.Внутри кожуха часто делали сквозные вентиляционные отверстия, которые также служили для компенсации теплового расширения. Кладку кожуха обычно скрепляли железными связями, что, по мнению Адольфа Ледебура, было излишним: при расширении кладки они нередко лопались, в то время как кладка не разрушалась. Шахту обычно строили не вплотную к кожуху, а оставляли некоторый зазор (пазуху), который заполняли кусками шлака. Пазуха играла роль теплоизолятора и компенсатора теплового расширения шахты.

15.Для постройки лещади, горна и заплечиков использовался огнеупорный песчаник, называемый «горновым камнем». Позднее заплечики стали делать из фасонного кирпича. В качестве связующего и для заделки стыков использовались огнеупорные глины, например, каолиновые (белая глина).

16.С переходом к использованию кокса от кремнистого песчаника пришлось отказаться. Дело в том, что для работы на коксе, содержащем, в отличие от древесного угля, значительное количество серы, требовалось добавлять в шихту известняк, который образовывал поглощающий серу шлак. Однако этот шлак с высоким содержанием оксида кальция взаимодействовал с кремнистым песчаником и разъедал его. По этой причине при постройке горнов и заплечиков в коксовых доменных печах песчаник заменили шамотным кирпичом.

Печь открывает грудь

17.На гравюрах из руководства известного французского учeного Жана-Анри Ассенфратца можно увидеть интересную особенность устройства горнов изображeнных доменных печей. Горны в нижней части имеют отверстие, напротив которого располагается порог. Печи такой конструкции получили названия «печь с открытой грудью» или «печь с зумпфом». Откуда же взялась такая, на первый взгляд странная, конструкция и зачем она нужна?

18.Отметим, что ранние доменные печи имели «закрытую грудь». Поскольку доступ к горну у печей «классической» конструкции имелся только с двух сторон, причeм одна из них использовалась для подачи дутья, отверстия для выпуска чугуна и шлака при «закрытой груди» располагали рядом – для чугуна в самом низу горна, а для шлака несколько выше, но ниже уровня фурм. Позднее, когда конструкция печей изменилась, и горн стал доступен со всех сторон, выпуск чугуна и шлака стали осуществлять на противоположных сторонах печи через водоохлаждаемые отверстия.

19.Широкое распространение печей с «открытой грудью» началось в конце XIII в., и было обусловлено тем, что шлак не всегда обладал необходимой жидкоподвижностью и самостоятельно вытекал из горна. В этом случае густые, легко твердеющие (так называемые «короткие») шлаки загромождали горн, и их требовалось выгребать вручную. Более всего эта проблема сопровождала выплавку кремнистого серого чугуна, который составлял основную массу производимого металла.

20.Очищать горн через небольшие выпускные отверстия или фурму не представлялось возможным, поэтому было найдено оригинальное решение проблемы. Часть металлоприeмника, представляющая собой один крупный камень (порог), как бы выдвигалась на некоторое расстояние от горна. Благодаря этому создавалось открытое пространство, достаточно большое для того, чтобы вводить в него инструменты для удаления застывших материалов. По-новому был организован выпуск чугуна и шлака. Ключевую роль в этом процессе играл камень горна, ограничивающий «открытую грудь» сверху, и называемый темпелем.

21.Для того чтобы жидкие продукты плавки образовывали гидравлический затвор, препятствующий выходу газов из горна, но не заливали при этом фурмы, нижняя кромка темпеля располагалась ниже верхней кромки порога. При этом темпель был немного погружeн в шлак, покрывающий поверхность чугуна, а верхняя кромка порога располагалась ниже уровня фурм.

22.По мере накопления чугуна его периодически выпускали через отверстие в пороге; шлак же постоянно перетекал через порог под давлением газов, либо выгребался вручную. Контакт с чугуном и шлаком приводил к быстрому износу порога и темпеля и необходимости их регулярной замены.

Нуждается ли современный инженер для успешной профессиональной деятельности в философском осмыслении своей профессии и понимании процессов, происходящих в металлургическом агрегате? Или ему достаточно знаний общих фундаментальных наук и навыков «on-line» - диагностики и управления?

23.Поскольку при выпуске чугуна уровень жидких продуктов понижался, обнажая нижнюю кромку темпеля, на время выпуска прекращали подачу дутья – иначе из-под темпеля выбивалось бы мощное пламя от сгорающих горновых газов, что делало бы невозможной работу на горне. Это приводило к снижению производительности, а иногда и к расстройствам хода печи, вызванным охлаждением горна. Проблемы, обусловившие использование доменных печей с «открытой грудью» – недостаток тепла в горне и загустевание шлака, были решены в первой половине XIX в. с введением важнейших инноваций – нагрева дутья и водоохлаждаемой «шлаковой фурмы».

Факторы успеха

24.Ход физико-химических процессов в «классической» доменной печи отличался от поздних вариантов доменной плавки (с интенсивным и нагретым дутьeм), что было связано с недостатком тепла. Восстановление руды начиналось после опускания ее примерно на треть высоты от колошника до лещади и шло в интервале температур 400‑900 °С. В зависимости от того, была руда предварительно обожжена или нет, этот процесс смещался к верхнему или нижнему краю интервала. Заканчивалось восстановление в районе распара (при правильном ходе процесса), ниже, в заплечиках, восстановленное железо науглероживалось, превращаясь в чугун.

25.Процессы плавления начинались в верхней части горна, где температура достигала 1200 °С. В интервале температур от 1200 до 1500 °С плавился образовавшийся в заплечиках чугун, проходило образование и плавление шлака. Максимальная температура в печи достигала 2200 °С в небольшой по объeму зоне горения, расположенной примерно в 20 см выше уровня фурмы.

26.Успех плавки зависел от множества факторов. Предварительными опытами подбирали соотношение руд различных месторождений и флюса, обеспечивающее хорошую плавкость и необходимое количество шлака. Особое внимание обращали на то, чтобы крупность угля и руды создавала условия для движения газов и не допускала просачивания руды сквозь уголь.

27.Имелись природные факторы, повлиять на которые было невозможно, например, уровень воды в заводском пруду, который достигал максимума весной и осенью, и в этот период мастер имел наибольшие возможности по управлению ходом плавки. Сильное влияние на процесс оказывала влажность воздуха – зимой плавка шла успешнее, чем в сырую погоду.

«Товар и сок» Огневицы

28.Контроль хода плавки осуществлялся через фурменное отверстие. Мастер смотрел через фурму в горн, следя за стекающими в него каплями чугуна («товаром») и шлаком («соком»). О правильном ходе говорило присутствие в равном количестве светлых и тeмных капель чугуна. Преобладание какого-либо оттенка свидетельствовало о чрезмерной «спелости», либо «сырости» хода и требовало вмешательства в ход плавки.

29.Количество шлака должно было быть оптимальным – при чрезмерном количестве снижался нагрев и, текучесть чугуна, а при недостаточном количестве шлака чугун окислялся кислородом дутья, и значительное количество железа терялось со шлаком. Поэтому при потемнении за фурмой (что говорило о большом количестве шлака) мастер перемешивал содержимое горна через отверстие между темпелем и порогом железным ломом, а затем выгребал шлак железной кочергой и засыпал отверстие увлажнeнным «мусором» (угольной пылью).

30.Среди уральских мастеровых «огненных профессий» – углежогов, смолокуров и металлургов, ходила легенда об Огневице – девушке с яркими «огненными» одеждами и сверкающими бусами. Этот образ олицетворял прекрасную и опасную огненную стихию – «немало доменщиков, вглядевшихся в очертания девушки, показавшейся в горниле домны, сошло с ума, либо погибло в еe объятьях». 

«Спелый и сырой» ход

31.Наилучшим считался так называемый «спелый» ход, который способствовал максимально эффективному извлечению железа из руд и обеспечивал длительную эксплуатацию («кампанию») печи до капитального ремонта. Позднее «спелый» ход стали делить на «горячий спелый» и «холодный спелый». Первый получался посредством использования нагретого дутья, а второй – при помощи увеличения расхода угля, т.е. «облегчения» колоши. Предпочтение, за редким исключением (при выплавке чугуна специальных сортов), отдавалось первому, поскольку при нeм повышалось содержание в чугуне кремния и экономилось топливо.

32.Признаками «спелого» хода являлись: длинное, лeгкое, красноватое, с белым дымком пламя на колошнике, ярко-белый цвет за фурмой, жидкий светло-серого цвета чугун, шлак, тянущийся в нити, прозрачный и стекловидный в небольших кусках и вспучивающийся в белую пузырчатую массу при обливании водой.

33.Если по какой-то причине (нехватка дутья, неправильный подбор шихты в колоше, высокая влажность материалов) печь холодала, ход становился «сырым». При этом руда не успевала полностью восстановиться до плавления и проникала в горн, смешиваясь со шлаком и повышая содержание в нeм оксида железа.

34.При «сыром» ходе ярко-белый цвет за фурмой сменялся красным. На стенках горна образовывались настыли и «жуки» («жуковины») – губчатые массы науглероженного («чугуноватого») железа. Чугун становился густым и белым, а шлак – зелeным и не дающим нитей, а при увеличении содержания в нeм оксида железа – чeрным. Пламя на колошнике укорачивалось и становилось красно-бурым и дымным.

35.Иногда «сырой» ход организовывали путeм уменьшения расхода угля намеренно, например, при выплавке чугуна для изготовления закалeнных отливок или при переходе от выплавки серого чугуна к выплавке белого. 

Из пушки по «козлу»

36.При похолодании печи «сырой» ход переходил в «стылый». Через фурмы становились видны длинные «сосульки» и остывающий красный уголь. Шихтовые материалы не опускались равномерно, а долго держались без осадки, после чего резко оседали – «ухали». Нижний горн загромождался настылями, «жуками» и «заскулинами», а вытекающий малоуглеродистый чугун, называемый «кавардак», застывал в виде пористой массы сразу после выпуска.

37.Довести печь до такого серьeзного расстройства называлось «посадить козла» – под «козлом» подразумевалась большая железистая настыль на лещади, образовавшаяся попавшей в горн невосстановленной рудой. Для устранения этого расстройства требовался постепенный нагрев печи до полного расплавления всех застывших конгломератов и нормализации хода.

38.Если же печь уже совсем «не принимала дутья», приходилось еe частично разбирать, извлекать все материалы, ремонтировать или перестраивать заново. При этом наибольшую проблему составляло извлечение «козла». В конце XIX в., когда печи значительно увеличились в размерах, «козел» иногда даже взрывали динамитом и есть сведения, что на одном из заводов в США даже расстреливали прямой наводкой из пушки.

39.Не только похолодание, но и перегрев представлял значительную проблему. При узком и высоком горне повышение расхода и давления дутья сверх оптимального значения создавало условия для восстановления кремния и образования тeмно-серого чугуна. Такой режим работы приводил к повышенному расходу топлива (позднее таким образом стали выплавлять чугун для бессемеровских конвертеров). При ещe более значительном увеличении температуры начинался «переспелый» ход, при котором не только непроизводительно расходовалось топливо, но и возникала опасность повреждения кладки горна.

Литейный двор

40.При накоплении в горне чугуна, несколько человек большим железным ломом перемешивали содержимое горна. Необходимость этой операции была вызвана недостатком тепла в горне, из-за чего чугун иногда приваривался («примерзал») к лещади. Кроме того, со стен горна специальной кочергой сбивались железные наросты – «жуки».

41.Затем с помощью обмазанного глиной железного ковша отбиралась проба, которая отливалась в песок. При этом оценивались литейные свойства, а также вид излома (цвет и зернистость). Если чугун признавался «добрым» для тех целей, для которых он предназначался, минут на 10 пускалось дутьe, а затем начинался его выпуск, в противном же случае чугун доводился до нужной кондиции соответствующими приeмами.

42.Перед выпуском на литейном дворе поправляли песчаные борозды-желоба для транспортировки и отливки чугуна. После этого прекращали подачу дутья для предотвращения выбивания из горна пламени, фурму закрывали железной доской, чтобы предотвратить выход их горна взрывоопасного газа; в пороге пробивали забитое до этого песком отверстие, а с началом выпуска фурму опять отпирали.

43.Поскольку вместе с чугуном неминуемо вытекало какое-то количество шлака, для его отделения поверх главного жeлоба клали большой кусок застывшего шлака: чугун проходил по жeлобу ниже него, а шлак задерживался и отводился в сторону. Чугун заполнял борозды, застывая в виде отливок («штыков»).

44.После окончания выпуска фурму опять закрывали, отверстие в пороге забивали песком, отбивали застывший у порога и на стенках горна шлак, затем чистили горн, заполняли его углeм и запирали передовое отверстие влажным «мусором». В сутки выпуск производился обычно три раза; один выпуск давал до 3 т чугуна.

45.Чугун в виде «штыков» использовался для передела в железо. В случае выплавки чугуна для литейных нужд, борозды, по которым тeк чугун, сообщались с литейными формами. Модели небольших отливок (наковален, молотов и т.п.) отпечатывали в песке, и к полученным выемкам подводили небольшой канал, запираемый чугунной доской. Для отливки мелких вещей в опоках чугун в них заливали из жeлоба железными ковшами, обмазанными глиной.

Дмение для доменной печи

46.До середины XVIII в. для подачи в печь дутья использовались исключительно клинчатые мехи, представляющие собой две широкие доски клинообразной формы, соединeнные кожей. В нижней доске имелся клапан, через который в мехи при их расширении поступал воздух. При обратном ходе клапан запирался, и воздух выходил из мехов через сопло. Мехи использовались попарно и работали в противофазе для обеспечения непрерывности подачи дутья.

47.На смену клинчатым мехам пришли деревянные поршневые (ящичные или цилиндрические) мехи сначала одинарного, а затем и двойного действия («однодувные» и «двудувные», как называли их в России). Однодувные мехи представляли собой eмкость с поршнем, вытесняющим воздух, и клапаном, препятствующим обратному ходу засасываемого в eмкость воздуха. 

48.Принцип действия двудувных мехов был таким же, но конструкция их была более совершенна (аналогична конструкции китайских мехов): внутри eмкости перемещался поршень, который одновременно вытеснял воздух из одной еe части и засасывал в другую, соответственно, использовались два клапана. Такая конструкция существенно повышала эффективность работы мехов и увеличивала количество подаваемого в печь воздуха.

49.Появление и распространение ящичных или цилиндрических мехов было связано с переходом к использованию кокса (из-за его меньшей горючести) и лишь затем их стали применять для подачи воздуха в древесноугольные доменные печи.

50.Цилиндрическая воздуходувка Смитона состояла из четырeх однодувных цилиндров диаметром 1,37 м, причeм цилиндры действовали не попарно, а поочерeдно. Для привода мехов использовалось водяное колесо или паровая машина Ньюкомена. С распространением паровой машины Уатта и ростом объeмов производства металла, однодувные цилиндрические мехи были заменены двудувными с приводом от паровых машин. Тем не менее, в целях экономии даже в конце XIX в. на небольших печах цилиндрические мехи приводили от водяного колеса, имея в запасе паровую машину на случай снижения уровня воды в заводском пруду.

На смену клинчатым мехам пришли деревянные поршневые (ящичные или цилиндрические) мехи сначала одинарного, а затем и двойного действия («однодувные» и «двудувные», как называли их в России).

51.С началом XX в. в заводской практике постепенно стали появляться новые типы воздуходувных машин: турбовоздуходувки (вентиляторы) с приводом от паровой турбины, турбовоздуходувки с приводом от электродвигателя и поршневые воздуходувки, в которых вместо паровых цилиндров использовались газовые (внутреннего сгорания). Благодаря использованию мощных поршневых воздуходувок, приводимых в действие паровой машиной, дутьe в доменные печи стали подавать через несколько фурм.

 Любознательный шотландец

52.Инновацией кардинально изменившей доменный процесс стал нагрев подаваемого в печь дутья. Первое предложение о нагреве дутья было сделано в 1822 г. Е.Ф. Леюксом, однако честь называться основоположником этого направления принадлежит Джеймсу Бомонту Нилсону.

53.Родился Нилсон в шотландской деревне Шеттлстон, в трeх милях восточнее Глазго (сейчас это район Глазго), 22 июня 1792 г. Он получил «классическое» для небогатого шотландца того времени образование, окончив приходскую школу и отработав механиком на различных горных машинах.

54.В 1819 г. Нилсону удалось выиграть конкурс у 18 других соискателей и получить место смотрителя работ по сооружению газового завода в Глазго на пять лет с приличным жалованием. По-видимому, работодатели были удовлетворены результатами его работы, поскольку ещe до окончания срока договор был перезаключeн ещe на шесть лет, а жалование со временем увеличилось более чем в четыре раза. На должности управляющего Нилсон оставался почти три десятка лет, до 1847 г., за это время значительно расширив завод, и построив ещe два.

55.Нилсон непрерывно повышал своe образование, слушая курсы химии, высшей математики и естественной философии в Университете Андерсона в Глазго.

Каверзный вопрос

56.Путь Джеймса Нилсона в историю начался с практического вопроса, заданного ему неким железозаводчиком, которого интересовало, не является ли причиной частых расстройств хода доменных печей в сырую погоду присутствие в воздухе серы (на которую металлурги списывали едва ли не все неудачи, причeм под серой понимался самый широкий спектр веществ)?

57.По мнению Нилсона, корень проблемы был не в алхимической «сере», а в кислороде и влаге: зимой, когда печи работали стабильно, концентрация первого была выше, а второй – ниже. Для улучшения хода доменных печей Нилсон предложил повысить концентрацию во вдуваемом воздухе кислорода и осушать его, пропуская через резервуар с известью. Через несколько лет ту же идею высказал (и даже запатентовал) Генри Бессемер, однако на практике повышение концентрации кислорода в дутье было осуществлено только в 1950-х гг., когда научились получать кислород в промышленных масштабах.

58.Однако это были лишь первые теоретические рассуждения. Поводом к началу практических изысканий послужило обращение к Нилсону другого предпринимателя, Джеймса Эуина. По какой-то причине одна из воздуходувных машин Эуина находилась в полумиле от доменной печи, что, по понятным причинам, приводило к низкой эффективности еe работы. Для решения проблемы Нилсон предложил пропускать воздух через раскалeнный сосуд, в результате чего его давление должно было возрасти, а интенсивность дутья, соответственно, повыситься. 

59.Проведя опыт, Нилсон обнаружил, что горение газа, смешиваемого с нагретым воздухом, происходит значительно интенсивнее. Аналогичный опыт с раздуванием кузнечного горна нагретым воздухом также показал, что степень жара значительно возросла. Получив выдающиеся результаты при помощи простейших опытов, Нилсон стремился как можно скорее проверить их на промышленной доменной печи, однако «убедить железоделателей в необходимости вдувать в печь нагретый воздух было ещe сложнее, чем убедить крестьян из дальних шотландских деревень в пользе образования».

60.В самом деле, зачем делать то, во вреде чего убеждает повседневная практика? Ведь зимой печи работают лучше, чем летом – большинство были уверены, что сам холод положительно влияет на ход плавки. Поэтому регуляторы, аккумулирующие сжатый воздух от цилиндров, красили в белый цвет, а воздухопроводы проводили через резервуары с холодной водой или обкладывали льдом. Через некоторое время владельцы завода Клайд все же разрешили Нилсону провести несложный опыт на одной из печей. Нагрев дутья всего до 25 °С показал значительное снижение содержания железа в шлаке.

Глобальное доменное потепление

61.Поскольку направление было явно перспективным, Нилсону было необходимо утвердить свой приоритет и продолжать работу, для чего в 1828 г. он взял на свой способ патент на 14 лет. Однако проблема заключалась в том, что изобретатель не имел капитала ни для внедрения своего изобретения, ни для защиты патента в суде в случае его оспаривания. Требовались «венчурные инвесторы», которыми стали Чарльз Макинтош (изобретатель водоотталкивающей ткани, в его честь назван непромокаемый плащ), Колин Данлоп, Джон Уилсон. В качестве стратегии было выбрано максимальное распространение инновации. С этой целью роялти с тонны выплавленного с применением нагретого дутья металла составляла не более шиллинга.

62.Были продолжены, уже в промышленных масштабах, опыты по использованию нагретого дутья на заводах Клайд и Калдер, которые показали, что при нагреве дутья до 150 °С удельный расход топлива снижается на треть, а, кроме того, вместо кокса можно использовать неподготовленный каменный уголь.

63.Буквально за несколько лет нововведение распространилось по всей Шотландии, а затем было применено на большинстве заводов Англии и Уэльса. К 1840 г. лицензию на использование нагретого дутья приобрели десятки британских промышленников, а роялти составило 30 тыс. фунтов стерлингов. Однако до обеспеченной старости с собственным имением, большой семьeй, благотворительностью и признанием научных и инженерных обществ Нилсону было ещe далеко. Уже в 1832 г. последовало первое патентное разбирательство, а в 1839 г. патент Нилсона оспаривали едва ли не все железопромышленники Шотландии разом. Это было связано с тем, что только с использованием нагретого дутья можно было перерабатывать местную руду – так называемый углистый железняк. 

64.Дело длилось в течение пяти лет, трижды рассматривалось судом присяжных, трижды подавалась апелляция в Палату Лордов, а затрачено на него было, по самым скромным оценкам, 40 тыс. фунтов стерлингов. Впрочем, и компенсация компаньонам от проигравшей стороны составила 160 тыс. фунтов стерлингов. В итоге по результатам всех разбирательств патент на изобретение был оставлен за Нилсоном. Хотя в развитие своего изобретения Нилсон инвестировал примерно две трети прибыли, которую оно ему принесло, оставшаяся треть составила вполне приличный капитал. В 1851 г. Нилсон купил имение Квинсхилл, в нем он и скончался 18 января 1865 г.

Воздухонагреватели

65.Первоначальная конструкция воздухонагревательной печи, разработанная Нилсоном, представляла собой небольшую железную камеру, установленную на кирпичной кладке. Впоследствии камера была заменена чугунной ретортой, внутри которой были установлены перегородки, изменявшие направление движения воздуха с целью увеличения пути его движения и улучшения нагрева. Затем на смену конструкции Нилсона пришли воздухонагреватели с чугунными трубами, помещeнными внутри кирпичной камеры, в которой происходило горение. Трубчатые воздухонагреватели подразделялись на аппараты с «лежачими», «висячими» и «стоячими» трубами. Для отопления стали применять колошниковые газы. Впервые это было осуществлено вюртембергским металлургом Фабер-дю-Фором.

66.Воздухонагреватели с чугунными трубами имели два существенных недостатка, которые обусловили их уход с «исторической арены». Во-первых, они позволяли нагреть дутьe самое большее до 550 °С, в то время как уже к концу XIX в. зачастую требовался нагрев до 700-800 °С (особенно при выплавке ферросплавов). Во-вторых, чугун довольно быстро окислялся, в результате чего трубы становились ломкими, а их теплопроводность в значительной мере снижалась. Из-за этого даже нагрев в 500 °С невозможно было обеспечивать в течение продолжительного времени. Поэтому воздухонагреватели с чугунными трубами были постепенно вытеснены регенеративными или, как их тогда называли, каменными воздухонагревателями. Их работа основывалась на принципе регенерации тепла, который был разработан братьями Сименс и практически сразу же применeн в конструкции воздухонагревателя Эдуардом Каупером.

67.В регенеративных воздухонагревателях дутьe пропускается через камеру, заполненную решeтчатой кладкой из огнеупорных кирпичей, которая предварительно нагревается потоком газообразных продуктов сгорания топлива. Периодически потоки движения газов и воздуха меняются, при этом дутьe направляется через другую предварительно нагретую камеру, а поток горячих газов вновь направляется в первую камеру. Для улучшения условий теплообмена кирпичам стали придавать специальную форму, при которой их удельная поверхность максимальна. Европейские доменные печи, как правило, снабжались тремя кауперами, а американские – четырьмя.

Улавливать и распределять

68.На протяжении многих веков доменная печь была открыта сверху, и доменные (колошниковые) газы выбрасывались в атмосферу, сгорая при соприкосновении с воздухом и озаряя округу живописными сполохами. 

69.Первые попытки использования теплового потенциала доменных газов заключались в том, что на колошнике сооружались приспособления, позволявшие использовать их тепло для обжига руды или литейных форм. Так, доменные печи построенного в самом начале XIX в. Златоустовского завода имели на колошнике устройства для обжига руды, а на французском заводе в департаменте Шер его владелец Оберто соорудил на колошнике доменной печи устройства для обжига известняка и кирпичей, а также цементации железа. В Великобритании пионером в области использования доменного газа был Джеймс Палмер Будд, владелец завода Исталифера в Сванси. 

70.Серьeзный толчок использованию колошникового газа дало развитие химии, благодаря успехам которой и, в частности, работам Роберта Вильгельма Бунзена во второй четверти XIX в. было установлено, что он примерно на четверть состоит из монооксида углерода, т.е. является не только теплоносителем, но и калорийным топливом. 

71.Первенство в использовании химического потенциала колошникового газа принадлежит Фабер-дю-Фору, который в 1837 г. провeл первые успешные опыты по отводу несгоревшего колошникового газа из доменной печи. Способ Фабер-дю-Фора заключался в отводе газа ниже уровня засыпи шихтовых материалов, где он ещe не вступал в реакцию с кислородом воздуха. Для этого в кладке шахты предусматривались расположенные равномерно по окружности отверстия, по которым газ попадал в кольцевой канал и далее отводился к месту использования. Среди такого рода газоотводящих устройств наибольшее распространение получили конструкции Пфорта и Дарби, разработанные в 1842 г. 

72.Для организации отвода газов колошник закрыли крышкой, которая герметизировалась с помощью водяного затвора и поднималась и опускалась посредством цепи, соединeнной с системой противовесов и рычагов. Однако вариант, когда колошник просто закрывался крышкой, не обеспечивал равномерности отвода газа, который во время загрузки уходил в атмосферу. Поэтому в дальнейшем распространение получили газоуловители, комбинированные с засыпными аппаратами конструкции «воронка-конус». Они обеспечивали быстрое поступление материалов в печь и, следовательно, минимальные потери газа в ходе операции загрузки. Первым аппаратом такого типа была «воронка Парри», применeнная в 1850 г. на заводе в Эббв-Вэйл.

73.У газоуловителя Парри имелась неподвижная воронка, в которую засыпались шихтовые материалы, и подвижный конус, больший еe в диаметре, который мог опускаться внутрь печи, пропуская материалы, а затем возвращаться в исходное положение, запирая колошник.

74.С переходом к постоянно закрытому колошнику возникла проблема распределения материалов при их засыпании. Если раньше, на печах с открытым колошником, рабочие ссыпали (лотком на небольших печах и тележкой на крупных) руду и флюс ближе к стенкам, а топливо преимущественно в центр, то при опускании конуса все материалы скользили по нему в сторону стенок.

75.Поскольку правильное распределение материалов было необходимо для организации ровного хода печи, с «закрытием» колошника для распределения стали использовать стены шахты. Вначале, когда уровень засыпи был ещe низким, в печь загружали кокс, который, имея пространство для падения, отскакивал от стенок и попадал, в значительной степени, в центр печи. После этого засыпали руду и флюс, которые скатывались с конуса к стенкам и, так как уровень засыпи повышался во время загрузки кокса, оставались там. На характер распределения материалов также влияли угол наклона образующих конуса, его диаметр и величина порции материалов.

76.Такой простой, даже несколько примитивный способ распределения шихты применялся более ста лет, пока во второй половине XX в. не были разработаны и внедрены гибкие способы распределения. К ним относятся:  

• распределение при помощи подвижной защиты колошника (когда стенки верхней части шахты защищаются металлическими пластинами, наклон которых можно регулировать), 
  
  
• распределение с помощью ротора (когда материалы ссыпаются на вращающийся по оси печи ротор, на котором закреплены лепестки, меняющие угол наклона),  
  
  
• распределение с помощью лотка (наиболее эффективный способ, при котором материал ссыпается по вращающемуся вокруг оси печи лотку, при этом угол наклона и скорость движения лотка можно регулировать).
  
  

На протяжении многих веков доменная печь была открыта сверху, и доменные (колошниковые) газы выбрасывались в атмосферу, сгорая при соприкосновении с воздухом и озаряя округу живописными сполохами. 

«Шотландская» печь  и «свободная» шахта

77.С увеличением спроса на чугун размеры доменных печей быстро росли, строить массивный кожух становилось всe менее удобно и всe более затратно. В результате появились печи новой конструкции, у которых кирпичный кожух уменьшенной толщины опирался на угловые пилоны, отодвинутые от горна. В качестве вспомогательного усиливающего элемента использовались чугунные кольца и балки, передающие вес шахты и кожуха на угловые пилоны. Вскоре эти конструкции стали играть ключевую роль. Произошло это в середине XIX в. когда доменщики Шотландии, по выражению Ледебура, «впервые отказались от обычаев старины и стали сначала ограничивать по возможности размеры наружного кожуха, а затем вполне отбросили его, шахту поместили на чугунном кольце, опирающемся на колоннах, и окружив еe лишь железным кожухом». 

78.Новая конструкция печи, получившая название шотландской, стала настоящим прорывом в индустриальный мир. Шотландские печи были дешевле в постройке и долговечнее в эксплуатации, чем печи традиционной конструкции, при этом ожидаемых большинством доменных техников увеличения расхода топлива и расстройств хода, связанных с потерей тепла, не происходило.

79.Шахта «шотландской» доменной печи опиралась на мощное чугунное кольцо («маратор»), которое собиралось из отдельных сегментов, соединяющихся между собой и крепящихся к опорным колоннам. На колоннах имелись кронштейны для крепления кольцевого воздухопровода, по которому к фурмам поступало дутьe. На маратор опирался и кожух, монтируемый из железных сегментов толщиной 10-20 мм, которые склeпывались или свинчивались между собой.

80.Кожух, опорные кольцо и колонны служили опорой для колошниковой площадки. В верхней части кожуха устанавливались поперечные кронштейны, к которым крепилась колошниковая площадка. Благодаря кронштейнам и колошниковой площадке «шотландская» печь получила характерный, легко узнаваемый вид. После монтажа кожуха внутри него выкладывалась шахта. Поскольку нагрев шахты, а, следовательно, и еe тепловое расширение было довольно значительным, между шахтой и кожухом оставляли пазуху шириной 10-20 см. Затем выкладывали горн и заплечики.

81.Так как изготовление железного кожуха составляло значительную часть затрат на сооружение печи, а сам он, даже в том случае, когда делался частично разборным, создавал затруднения при ремонтах, следующим шагом стала замена его скрепляющими кладку связями. Печи такой конструкции впервые появились в Германии в 1864 г. и получили название печей со свободно стоящей шахтой. Отсутствие кожуха позволяло наблюдать за состоянием кладки и оперативно ремонтировать еe в случае прогара. 

82.Опору для колошниковой площадки, находящегося на ней загрузочного устройства и прочей инфраструктуры конструировали, используя два способа: либо вокруг печи сооружали четыре мощные колонны, на которых затем устанавливалась колошниковая площадка, либо опоры шахты делали более мощными, а на них, помимо шахты, опирали также лeгкие металлоконструкции, поддерживающие колошниковую площадку. Для печей со свободно стоящей шахтой, имеющих небольшую производительность, которым не требовалась серьeзная инфраструктура для выпуска чугуна и шлака, колошниковую площадку опирали на стены здания, внутри которого находилась сама печь.

С увеличением спроса на чугун размеры доменных печей быстро росли, строить массивный кожух становилось всe менее удобно и всe более затратно. В результате появились печи новой конструкции, у которых кирпичный кожух уменьшенной толщины опирался на угловые пилоны, отодвинутые от горна.

Эллиптические печи

83.Опробовались и иные конструкции доменных печей. Среди них необходимо отметить печи с вытянутым горном прямоугольного или эллиптического сечения. Такая конструкция была предложена в 1850-х гг. в Силезии (Абтом) и США (Альгером). В 1860-х гг. эллиптические печи с прямоугольным горном применялись в России на заводах Урала и Райволовском заводе в Финляндии. Конструкцию разработал Владимир Карлович Рашет – известный организатор горнозаводского дела в Российской империи, управляющий Нижнетагильским горным округом Демидова, а позднее директор Департамента горных и соляных дел Министерства финансов.

84.Первоначально Рашетом была предложена конструкция медеплавильной печи, представлявшая собой невысокую длинную и узкую четырeхугольную камеру, в длинных стенах которой располагалось большое количество фурм (6-12), а в коротких – выпускные отверстия для продуктов плавки. Печь зарекомендовала себя с лучшей стороны при плавке медных руд и при переработке купферштейна на черновую медь.

85.Конструкция рашетовской доменной печи мало отличалась от медеплавильного варианта. Стенки четырeхугольной камеры постепенно расходились кверху, так что такие привычные элементы доменной печи, как горн, заплечики и шахта не были обособлены, а как бы переходили один в другой. Предполагалось, что такое устройство будет способствовать правильному распределению тепла, газов и материалов, снижению капитальных и эксплуатационных затрат, увеличению производительности.

86.Однако опыт эксплуатации опроверг эти ожидания. Газы шли по пути наименьшего сопротивления, т.е. по углам и вдоль коротких стен, шихтовые же материалы, напротив, застаивались именно в этих зонах. Кладка выше фурм часто прогорала, а имеющейся высоты было недостаточно для восстановления руды до еe плавления. В результате доработок рашетовская печь приобрела форму как бы «сплющенной» доменной печи, с длинным узким горном прямоугольного сечения, с выпускными отверстиями на коротких сторонах и фурмами на длинных.

87.Помимо заводов Нижнетагильского горного округа, рашетовские печи строились также на заводах Гороблагодатского и Лысьвенского горных округов. Последней эллиптической печью на Урале была печь №1 Саткинского завода.

В 1860-х гг. эллиптические печи с прямоугольным горном применялись в России на заводах Урала и Райволовском заводе в Финляндии. Конструкцию разработал Владимир Карлович Рашет – известный организатор горнозаводского дела в Российской империи, управляющий Нижнетагильским горным округом Демидова, а позднее директор Департамента горных и соляных дел Министерства финансов.

88.Главное достоинство эллиптической печи – горн большой площади, но небольшого «диаметра», оказалось востребованным в конце 1930-х гг., когда с проектом эллиптической печи, которая, благодаря конфигурации горна, должна была достичь невероятного по тем временам объeма в 5000 м3, выступил профессор В.А. Сорокин. Однако главный недостаток эллиптической печи – сложность распределения материалов на колошнике большого диаметра, сделал этот проект неосуществимым.

Печи нужна вода

89.Повышение интенсивности дутья при увеличении размеров печей и мощности дутьевых средств, привели к необходимости организации охлаждения отдельных частей доменной печи. В первую очередь это коснулось воздушных фурм. При работе без нагрева дутья использовались литые медные фурмы в форме усечeнного конуса со сквозным отверстием, в которое вставлялся наконечник (сопло) воздухопровода. Такие фурмы вмуровывались в соответствующие отверстия в горне и имели достаточную стойкость.

90.При нагреве дутья фурма уже не охлаждалась им, а напротив – дополнительно нагревалась, кроме того, высокотемпературная зона сместилась ближе к фурме, поскольку из-за увеличенного прихода тепла горение начиналось раньше. Водоохлаждаемые фурмы стали изготавливать пустотелыми, с заделанными в них трубками для подвода и отвода воды. Чаще всего для изготовления фурм использовали фосфористую бронзу или красную медь, реже их делали из чугуна, заливая в него спиральную железную трубку. 

91.Для удобства обслуживания фурмы монтировались в заделаные в кладку водоохлаждаемые амбразуры. Амбразуры, как и сами фурмы, делали либо пустотелыми из бронзы, либо чугунными, с залитыми трубками, либо склeпанными из железа и охлаждаемые внешним поливом. Вода подавалась самотeком, причeм для предотвращения скопления воздушных и паровых пузырьков подвод осуществлялся через нижнюю трубку, а отвод – через верхнюю.

92.Опыт использования водоохлаждаемых фурм натолкнул на мысль об использовании аналогичной конструкции для шлакового выпуска. К тому времени «открытая грудь» уже потеряла свою актуальность, поскольку при отсутствии в горне печи дефицита тепла шлаки были достаточно подвижны, и выгребать их вручную уже не было необходимости. Шлаковая фурма Люрмана (позднее отверстия для выпуска чугуна и шлака, получили название «лeтка»), как и следует из еe названия, была практически полным аналогом воздушной фурмы за исключением того, что еe отверстие («глаз») имело больший диаметр.

Повышение интенсивности дутья при увеличении размеров печей и мощности дутьевых средств, привели к необходимости организации охлаждения отдельных частей доменной печи. В первую очередь это коснулось воздушных фурм.

93.В случае применения сильно нагретого дутья требовалось также обеспечить охлаждение кладки горна и заплечиков. Для этого использовали два способа. Первый заключался в том, что в кладку вмуровывали чугунные и бронзовые «холодильные ящики», которые объединялись друг с другом и с фурмами трубопроводами, по которым циркулировала вода. По другому способу кладка горна и заплечиков окружалась железным кожухом, по которому постоянно текла охлаждающая его вода. Аналогичная схема применялась и для охлаждения лещади.

«Всеядные» доменные печи

94.Считается, что главным достоинством применения нагретого дутья является значительная экономия топлива, точнее – более полное его использование, поскольку отходящие газы доменной печи затем используются для нагрева подаваемого в печь дутья. Однако такая картина сложилась позднее, в XX в.

95.В XIX в. горячее дутьe имело гораздо большее значение. Его применение позволило повысить приход тепла в горн, в результате чего стало возможным эффективно применять различные виды сырья и топлива, которые ранее не могли быть использованы по технологическим или экономическим причинам. Благодаря нововведению горно-металлургическая промышленность Шотландии обрела новую жизнь. Если в 1829 г., вскоре после того, как Нилсон получил патент, там было произведено 29 тыс. т чугуна, то к 1845 г. его производство увеличилось до 475 тыс. т, а к началу 1870-х гг. – уже до миллиона тонн. Причeм 95 % чугуна выплавлялось из углистого железняка, который без применения нагретого дутья использовать было невозможно.

96.Разумеется, такое увеличение производства благотворно сказалось на экономике региона (чего нельзя сказать про экологию), обеспечив работой его жителей. В 1862 г. здесь работало 125 доменных печей, каждая из которых производила по 200 т чугуна в неделю и обеспечивала работой до 400 человек. Наиболее предприимчивые шотландские фермеры стали со временем крупными промышленниками.

Антрацитовые домны

97.Применение в доменной плавке нагретого дутья дало возможность использовать различные виды топлива, которые обладали плохой горючестью и не могли обеспечить необходимую температуру в горне. В первую очередь к таким видам топлива относится некоксующийся уголь, с которого, собственно, и началось массовое использование нагретого дутья (в Шотландии). Шотландские угли были подходящими для доменной плавки – малозольнистыми и крупнокусковыми.

98.Схожая ситуация сложилась и в Уэльсе, где имелись значительные запасы ещe одного вида минерального топлива – антрацита, которые до изобретения Нилсона не могли быть использованы ввиду его чрезвычайно высокой (по сравнению с коксом и древесным углeм) плотности и низкой горючести.

99.На использование антрацита или, как его называли в Великобритании, уэльского угля, были взяты патенты в 1836 г. Джорджем Крэйном и в 1842 г. Джеймсом Палмером Буддом. Как и некоксующихся угли, антрацит склонен к разрушению и замусориванию горна, что требует повышенного расхода дутья. Кроме того, необходим значительный нагрев дутья для интенсификации горения этого низкореакционного топлива.

100.Для плавки использовался антрацит с размером кусков около 100 мм. По мере опускания куски сильно разрушались, часто до порошкообразного или пластинчатого состояния. Антрацитовый порошок смешивался с мелкой рудой и шлаком, провоцируя зависания шихты и создавая серьeзные загромождения в заплечиках и горне. По этой причине плавка на антраците предъявляла очень строгие требования к крупности и фракционному составу руды, а также к свойствам самого антрацита.

101.Для решения проблемы зависаний и загромождений применялась продувка путeм значительного увеличения давления и температуры дутья. В сложных случаях приходилось даже разбирать горн для удаления загромождения путeм его разбивания и даже взрывания. С целью некоторого «разбавления» антрацита для предотвращения загромождений часть его (от трети до половины) заменяли коксом.

102.Высокая теплотворная способность антрацита и значительные запасы этого топлива обусловили его масштабное использование в XIX в., помимо Южного Уэльса, также в США, на заводах Пенсильвании (с 1840-х гг.), и на Юге России, на Сулинском заводе Пастуховых (с 1890-х гг.).

103.В начале XX в. существенное повышение цены на антрацит сделало невыгодным его использование в доменной плавке, поскольку чугун при этом получался даже дороже коксового. По этой причине использование антрацита в качестве доменного топлива было прекращено. Тем не менее, и в наше время периодически рассматриваются проекты выплавки чугуна с помощью антрацита, что, при определeнном соотношении цен на антрацит и коксующиеся угли, может быть актуально.

104.Профиль антрацитовой доменной печи должен был обеспечивать достаточно быстрый сход шихты для предотвращения еe слeживания с образованием настылей, т.е. заплечики должны были быть достаточно крутыми, а горн – широким.

105.Первые антрацитовые печи имели высоту 13,5 м; постепенно их высота увеличилась до 21,3 м (дальнейшее увеличение высоты не привело к повышению эффективности работы), а объeм – до 240-260 м3. Наиболее эффективно работали пенсильванские антрацитовые печи: их производительность достигала 150 т в сутки, а удельная производительность – 0,55-0,63 т в сутки на кубический метр объeма.

На подножном корму

106.В условиях неразвитых путей сообщения, когда доставка кокса требовала существенных затрат, а древесный уголь был дорог, неоднократно проводились промышленные плавки на местном топливе – буром угле, торфе, торфяном коксе.

107.Плавки, проведeнные в XIX в. в альпийских районах Австрии (Штирия и Каринтия) и в Венгрии, показали, что даже при низкой стоимости бурого угля его использование целесообразно только для замены части основного топлива с целью его экономии и только после предварительной термической подготовки – сушки и прокаливания. В отдельных случаях им заменяли до 40 % топлива на крупных коксовых печах.Торф с переходом к использованию нагретого дутья применяли в качестве добавки на небольших доменных печах в континентальной Европе и в Ирландии. Его использовали в прокалeнном виде для замены части основного топлива.

С началом Великих реформ 1860-х гг., инициированных поражением в Крымской войне, в России началась первая волна индустриализации, которая сделала актуальной массовое внедрение доменных (и многих других) инноваций, уже несколько десятилетий используемых в заводской практике стран Западной Европы и Северной Америки.

108.Торф прессовался в брикеты шарообразной формы, которые сушили на воздухе или прокаливали в печи с получением «торфяного кокса». Плавку можно было вести, пока количество брикетов не превышало двух третей от общего количества горючего.

109.Опыты по использованию торфяного кокса проводились в начале XX в. и в России. Поскольку наиболее актуально это было в лишeнной угля, но богатой торфом Центральной России, соответствующие работы велись на Косогорском и Верхне-Выксунском заводах. В первом случае плавка велась на смеси торфяного кокса с обычным, а во втором – на одном торфяном коксе.

110.На доменной печи Косогорского завода объeмом 348 м3, высотой 20,5 м и диаметром горна 3,4 м изучалась возможность использования торфяного кокса на крупных доменных печах. Использовалась тульская руда с содержанием железа 60 %. Кокс выжигался в печах, однако обладал невысокой прочностью и давал много мелочи. Результаты опытов показали, во-первых, что из-за его измельчения по мере опускания нередки осадки шихты, а во-вторых, что замусоривания горна измельчeнным торфококсом не происходит ввиду его высокой горючести, обеспечивающей полное сгорание материала в горне.

Лидер отечественных инноваций

111.В России наиболее успешно внедрение нагретого дутья было осуществлено на доменных печах и вагранках Замосковного горного округа. Первый опыт был проведен на Выксунском заводе в 1836 г. Первоначально нагретое дутье было применено в вагранке, а потом и в доменной печи. Результаты восьмимесячной работы были положительными (в отличие от опыта доменных печей казенных Александровских литейного и пушечного заводов в Петербурге и Петрозаводске в 1829 и 1835 г. соответственно). О чем можно судить из статьи Г. Шерера «Замечания об употреблении нагретого воздуха на Выксунском железном заводе» опубликованной в «Горном журнале» (№ 4 за 1837 г.). Автор отмечает «увеличение, по крайней мере, на треть количества полученного чугуна (шлаки почти не содержали железа); уменьшение на треть количества потребного древесного угля; при этом качество чугуна нисколько не пострадало».

112.В 1847 г. воздухонагревателями была оборудована доменная печь Гусевского чугуноплавильного завода наследников И.Р. Баташова, а в 1854 г. на горячем дутье стала работать домна Верхнеунженского чугуноплавильного завода Владимирской губернии.

113.Заводы наследников Баташовых оставались лидерами отечественных доменных инноваций в течение второй половины XIX в. Первый опыт доменной плавки на торфе был осуществлен в доменной печи Верхне-Выксунского завода. Она имела полезный объeм 86,4 м3, высоту 16,3 м и работала на древесном угле. Дутьe нагревалось с помощью кауперов до 400-600 °С. Руда (бурый железняк с отсеянной мелочью и содержанием железа 52 %) была привезена из района Липецка.

114.Торф коксовали кучным способом. Торфяной кокс перед загрузкой в печь рассевали с использования вил с расстоянием между рожками 25 мм. Выход мелочи был значительным, но она не рассыпалась в порошок, а была достаточно крепкой. Печь четыре дня выплавляла литейный чугун (63 т в сутки) с расходом торфяного кокса 936 кг на т чугуна и еще четыре дня передельный чугун (75 т в сутки) с расходом 867 кг на т.

На рубеже веков

115.К началу XX вв. с введением принципиальных инноваций изменилось ведение доменной плавки. «Новые» доменные печи имели закрытый колошник, работали на коксе, с известняком в качестве флюса и оснóвными шлаками, использовали нагретое дутьe. Мастер «новой» доменной печи, благодаря успехам химии и других наук, был гораздо более осведомлeн о процессах, происходящих в печи, чем его коллега за сто, и даже за пятьдесят лет до него.

116. В этой связи уместно процитировать знаменитого шведского химика Йонса Берцелиуса, который в первой половине XIX в. писал в своeм «Трактате о химии»: «Составление рудной шихты имеет часто большую важность, в отношении к количеству получаемого железа или к его качеству. Чтобы правильно составить шихту из железных руд, нужно иметь точные данные об их составе и о веществах, образующих в них породу. Но до сих пор предмет этот мало обращал на себя внимание учeных. Однакож железное производство весьма много бы выиграло, еслиб железные руды были подвергнуты столь же точным анализам, какие делаются, часто из простого любопытства, большей части других минералов. Так как экономические расчeты редко управляют изысканиями настоящего учeного, потому что он в них почти никогда не участвует, то от него в этом отношении нельзя ожидать многого; но мы должны надеяться, что искусные металлурги найдут полезным для своих собственных выгод посвятить часть своего времени изысканиям такого рода».

117.«Искусные металлурги» нашли полезным посвятить время «изысканиям такого рода» уже через несколько десятилетий, и во второй половине XIX в. химический анализ вошeл в повседневную заводскую практику, значительно упростив ведение металлургических процессов. При этом ужесточились требования к химическому составу выплавляемого чугуна, а также расширилась его номенклатура. 

118.Первоначально чугуны делили по виду излома на белые и серые, а также по зернистости. Долгое время выплавляли преимущественно серые чугуны с повышенным содержанием кремния для производства литья. Белые чугуны использовали для передела в железо, поскольку удаление в ходе передела кремния (в серых чугунах) требовало дополнительных затрат топлива (а также повышенного расхода топлива в доменной плавке). По этой причине с распространением в конце XVIII в. пудлингового способа передела чугуна в железо, а также с резким увеличением спроса на железо в первой половине XIX в. баланс сместился в сторону белого чугуна.

119.Во второй половине XIX в., с возникновением и распространением сталеплавильных технологий требования к чугунам стали более формализованными – они подразделялись на передельные и литейные, при этом для каждого вида сталеплавильного передела были установлены чeткие требования, в том числе и по химическому составу.

120.Содержание кремния в литейных чугунах было установлено на уровне 1,5-3,5 %. Они были, разумеется, серыми, а также делились по «нумерам» в зависимости от величины зерна в изломе. Существовал ещe отдельный сорт литейного чугуна – «гематитовый», выплавляемый из руд с низким содержанием фосфора (содержание в чугуне до 0,1 %).

121.Передельные чугуны различались по переделам. Для пудлингования использовался любой чугун, при этом от выбора чугуна (белый или серый) зависели свойства получаемого железа. Для бессемерования предназначался серый чугун, богатый марганцем и кремнием и содержащий как можно меньше фосфора. Томасовским способом перерабатывали низкокремнистые белые чугуны со значительным содержанием марганца и фосфора (1,5 2,5 % для обеспечения правильного теплового баланса). Передельный чугун для кислой мартеновской плавки должен был содержать лишь следы фосфора, тогда как для оснóвного процесса требования по содержанию фосфора не были столь строги.

Шлаковое многоцветье

122.При нормальном ходе плавки руководствовались видом шлака, по которому можно было ориентировочно оценить содержание в нeм четырeх главных составляющих его оксидов (кремния, кальция, алюминия и магния). Кремнезeмистые шлаки при застывании имеют стекловидный излом. Излом шлаков, богатых оксидом кальция – камневидный, оксид алюминия делает излом фарфоровидным, под влиянием оксида магния он принимает кристаллическое строение.

123.Крмнезeмистые шлаки при выпуске вязки и тягучи. Кремнезeмистый шлак, обогащeнный оксидом алюминия становится более жидким, но ещe может вытягиваться в нити, если оксида кремния в нeм не менее 40-45 %. Если же содержание оксидов кальция и магния превышает 50 %, шлак становится вязким, не может течь тонкими струйками и при застывании образует морщинистую поверхность.

124.Морщинистая поверхность шлака говорила о том, что плавка «горячая» – при этом кремний восстанавливается и переходит в чугун, следовательно, в шлаке становится меньше оксида кремния. Гладкая поверхность имела место при выплавке белого чугуна с невысоким содержанием кремния. Оксид алюминия придавал поверхности шлака чешуйчатость.

125.Индикатором хода плавки был цвет шлака. Оснóвный шлак с большим количеством оксида кальция имел при выплавке графитистого «чeрного» чугуна в изломе серый цвет с голубоватым оттенком. При переходе к белым чугунам он постепенно желтел вплоть до коричневого, а при «сыром» ходе значительное содержание оксидов железа делало его чeрным. Кислые, кремнистые шлаки при тех же условиях меняли свой цвет от зелeного до чeрного. Оттенки цвета шлака позволяли судить о присутствии марганца, который придаeт кислым шлакам аметистовый оттенок, а оснóвным – зелeный или жeлтый.

126.Конечно, по виду шлака доменщики ориентировались и ранее, но с конца XIX в. эмпирические знания были дополнены данными химического анализа, таким образом стала понятна причина того или иного явления, что, дало возможность более гибкого и оперативного управления ходом процесса. Например, при потемнении шлака и переходе излома от «каменистого» к «стекловидному» мастер не просто знал, что ход плавки ухудшается, а что в шлаке увеличивается количество оксидов железа и кремния, а, следовательно, ухудшились условия их восстановления вследствие «похолодания» печи.

127.
Состав шихты теперь рассчитывался на основе химического анализа материалов с тем, чтобы получить шлак заранее определeнного состава и оперативно скорректировать состав шихты в случае, если наблюдение за видом шлаков будет свидетельствовать о неожиданном изменении их состава, или если понадобится более легкоплавкий шлак для устранения какого-либо расстройства.

От цвета пламени к составу и температуре газа

128.Поскольку колошник печи был теперь закрыт, вместо вида пламени ход плавки контролировали, анализируя состав и температуру отходящих газов. При этом в отличие от шлака, характеризующего произошедшие изменения постфактум, анализ газов позволял оперативно реагировать на начинающиеся негативные изменения в ходе плавки.

129.Расстройства печи остались теми же – перегрев или похолодание горна, приводящие к его загромождению, однако увеличилось количество факторов и совокупностей факторов, которые могли их вызвать, поскольку тепловые условия, в сравнении с «классической» доменной печью существенно изменились. 

130.Главным признаком расстройства были чeрные железистые шлаки и пузыристый, малоуглеродистый чугун, что свидетельствовало об ухудшении хода процессов восстановления. Произойти же это могло из-за того, что плавка велась «слишком быстро», в результате чего повышалась температура горна и заплечиков, при этом руда плавилась и проникала в горн недовосстановленной, обезуглероживая чугун и формируя «козeл».

131.«Медленная» плавка приводила к «похолоданию» печи из-за плохой циркуляции газов. К «похолоданию» приводило и слишком быстрое опускание руды, в результате чего процессы восстановления в значительной мере перемещались в нижнюю часть печи, охлаждая еe. То же самое происходило при слишком «тяжeлой» колоше, только в этом случае не хватало тепла не на восстановление, а на плавление. Настыли, загромождающие горн, могли теперь быть не только железистыми, но и известковистыми, образующимися при использовании «чрезмерно трудноплавких шихт».

132.Таким образом, одни и те же расстройства могли быть вызваны различными причинами и, следовательно, требовали различных корректирующих воздействий. Всe это потребовало создания серьeзной научной базы, которая сыграла особенно важную роль в развитии доменного производства в эпоху Научно-технической революции второй половины XX в.

«Замороженный» прогресс

133.К сожалению, только в период НТР Россия смогла более-менее на равных конкурировать с передовыми индустриальными странами в области теории и практики доменного производства. Предыдущие «волны» технического прогресса проникали в страну в виде готовых решений, «импортированных» из-за рубежа в ходе «догоняющих модернизаций».

134.«Примораживая» общественно-политическую жизнь России в целях предохранения существующего режима от революционных потрясений, правительство Николая I «заморозило» заодно и технический прогресс. В результате страна осталась в стороне от Промышленной революции, потеряв военно-политическое превосходство над странами Западной Европы.

135.Отметим, что Министерство финансов, в ведении которого находилась горно-металлургическая отрасль, стремилось внедрять в стране передовые технические достижения, в первую очередь британские. Отчeты о достижениях европейской промышленности, составляемые зарубежными «агентами» Корпуса Горных Инженеров, регулярно печатались на страницах «Горного журнала», и об изобретении Нилсона и многих других, российские металлурги и промышленники узнавали уже через несколько месяцев после их оглашения. Например, ещe в 1830-х гг., вскоре после того, как Дж. Нилсон внедрил своe изобретение, Христофор Иоакимович Лазарев, представитель знаменитого армянского рода промышленников и меценатов, провeл на Чeрмозском заводе в Пермском крае успешные опыты по использованию нагретого дутья. 

136.Но даже готовые технические решения практически не были востребованы, поскольку внешний спрос на русское железо иссяк ещe в начале века, после того, как Великобритания стала сама обеспечивать себя металлом, а внутренний спрос был крайне низок. Количество инициативных, предприимчивых людей, способных и желающих внедрять инновации, было невелико, поскольку бóльшая часть населения страны не имела никаких прав, не говоря уже о капиталах. В результате даже те инновации, которые внедрялись наиболее технически грамотными и предприимчивыми заводовладельцами, представляли собой, скорее дань технической моде, нежели реальный инструмент повышения экономической эффективности.

«Догоняющая» индустриализация

137.С началом Великих реформ 1860-х гг., инициированных поражением в Крымской войне, в России началась первая волна индустриализации, которая сделала актуальной массовое внедрение доменных (и многих других) инноваций, уже несколько десятилетий используемых в заводской практике стран Западной Европы и Северной Америки.В 1870-х гг. многие древесноугольные печи Урала и Замосковного горного округа (в первую очередь, Выксунского завода и заводов Мальцевского Общества), обзавелись системами отвода колошникового газа и воздухонагревательными аппаратами, а также «закрытой грудью» и водоохлаждаемыми фурмами. В это же время на богатом углeм и железной рудой Юге России (нынешняя Украина) появились первые коксовые доменные печи. Это были печи «шотландской» конструкции завода Новороссийского Общества (в Лисичанске Екатеринославской губернии) и Сулиновского завода Пастуховых. Первая из них была задута в мае 1870 г. и работала на коксе из местных углей с небольшой примесью сырого угля.

138.Следующая волна индустриализации также была обеспечена западными технологиями и инвестициями. Произошла она в самом конце XIX в. и связана с именем премьер-министра Сергея Юльевича Витте. В ходе этой модернизации (пожалуй, единственной в российской истории не вынужденной, а спланированной) окончательно сформировалась металлургическая промышленность Юга России. Ещe одна, «сталинская» индустриализация 1930-х гг., в ходе которой было организовано современное на тот момент металлургическое производство на Урале и в Сибири, была осуществлена на основе американских и германских технологий.