Глава 5Заводской центр

…в доменном соку много имеется чугуна в крошках и дроби, и чтоб оной с соком не смешивался, миновать того невозможно…

 

Виллим де Геннин, Описание уральских и сибирских заводов.

,,

,,

1.На протяжении всей истории металлургии железа шлаки, являющиеся непременными спутниками плавильных процессов, обязательно дробились для извлечения из них корольков металла и капелек чугуна. Доменные шлаки часто были густыми и легко увлекали с собой чугун, поэтому проблема специальной обработки шлака с целью извлечения из него металла была актуальной на протяжении всей истории выплавки чугуна в доменных печах.

Почему это актуально?

2.В XXI в. главной парадигмой устойчивого развития цивилизации стали принципы всемерного сбережения природных ресурсов и максимального использования ресурсов вторичных. Необходимо отметить, что металлургическое производство в данной области в числе явных и безусловных лидеров. Это наглядно демонстрирует история производства чугуна.

По инструкции Вилима Ивановича

3.Переработка доменного шлака подробно описана в труде Виллима де Геннина «Описание уральских и сибирских заводов». В разделе «О толчении и промывании доменного соку» де Геннин приводит подробные расчёты того, сколько металла теряется со шлаком и сколько из него можно произвести «самого доброго беложильного полосового железа». «…в доменном соку много имеется чугуна в крошках и дроби и чтоб оной с соком не смешивался, миновать того невозможно, ибо оной чугун в крошках и дроби тем соком заливается, а оной на всех заводах железных никуда не употребляется…».

4.Виллим Иванович и его помощники провели настоящую научно-исследовательскую работу: «…чрез верную большую пробу показано, что каждой центнер (100 пудов чугуна) имеет в себе дробного чугуна от 7 до 11 пуд…». Для решения проблемы де Геннин распорядился устроить на всех казенных доменных заводах шлаковые «толчеи и промывальни». «… из шести домен в каждой год выходит соку 350 тысяч 400 пуд, из которого толчением и промыванием сыщется чугуна 35 тысяч пуд, а железа из оного может быть выковано 17 тысяч 500 пуд, сверх же того при заводах имеется прошлых лет соку великая сумма, от которого немалое число железа по вышепоказанному … исканию получить можно, и дабы тот в соку чугун туне не пропадал, того ради построить немедленно на всех казенных железных заводах, на которых домны есть, толчеи и промывальни, по выданным от меня чертежам…».

5.В рукописи подробно изложено, как хранить, приходовать и переделывать в железо различные виды чугуна (извлечённый из шлака, скрап, отходы литья). «…в каждой летней день могут оного соку истолочь два человека 600 пуд, да два ж человека промыть более 400 пуд…». Геннин рекомендует «заобыклых» (привычных) к переработке шлаков работников не использовать на других работах, поскольку новые, неопытные, могут «молот и наковальню повредить и чугун нечисто вымывать и напрасный убыток учинить».

Шлаковые отвалы, кирпичи и ковриги

6.Шлак, из которого был извлечен металл, представлял собой смесь песка и мелкого щебня. На протяжении многих веков его использовали при устройстве фундаментов, отсыпке дорог, в землеустроительных работах, в частности в качестве дренажного материала при слишком влажных почвах. Переход к коксовой доменной плавке привел к появлению высокоосновных известковистых шлаков, рассыпающихся на воздухе в пыль. Такие шлаки стали применять в качестве удобрения в сельском хозяйстве.

7.Поскольку на дальние расстояния перевозить обычный строительный материал, особенно в условиях отсутствия путей сообщения, было нерационально, а местные потребности были гораздо скромнее, чем возможности доменных печей, основная часть шлака складировалась на территории заводов в виде отвалов. Эти отвалы обычно размещали в естественных низинах, оврагах и т.п., постепенно заполняя их и выравнивая рельеф, так что часто новые корпуса заводов строили на заполненных и выведенных из эксплуатации шлаковых отвалах.

Шлак являлся наиболее крупнотоннажной попутной продукцией доменного производства, но, отнюдь, не единственной. Многие «замечательные продукты» (как отмечал Джон Перси в книге «Металлургия чугуна», изданной в 1854 г.) находили в печах после выдувки. Особенно актуальным было использование этих продуктов для древесноугольных доменных печей, кампания которых продолжалась не более полутора лет.

8.Масштабное использование доменных шлаков началось на фоне мощного индустриального развития во второй половине XIX в. В результате дома и производственные строения из шлакового «кирпича» стали своего рода «визитной карточкой» регионов с развитой металлургической промышленностью, причём, наряду с «кирпичами» для кладки использовались и куски шлака неправильной формы, которые получались при выпускании шлака из печи на землю с последующим дроблением застывшей шлаковой «лужи».

9.Лидерами в использовании шлака в эпоху индустриализации были Великобритания, Германия и США. Кремнезёмистые шлаки с низким содержанием оксида кальция, которые не уступали по прочности граниту и практически не взаимодействовали с влагой, шли на отливку брусчатки для мощения мостовых. В этом качестве их широко использовали в Великобритании. Также такие шлаки модифицировались с помощью добавок гипса, извести и окалины, а из полученной массы прессовались прочные пластичные плитки.

10.На рейнских заводах жидкий шлак оставляли в шлаковозных ковшах, а полученные «ковриги» использовались при сооружении насыпей. Охлаждение в ковшах старались проводить как можно дольше, для чего использовали футерованные ковши и даже специально подогревали шлак. В результате такой обработки шлак не трескался при застывании и по прочности не уступал базальту.

Масштабное использование доменных шлаков началось на фоне мощного индустриального развития во второй половине XIX в. В результате дома и производственные строения из шлакового «кирпича» стали своего рода «визитной карточкой» регионов с развитой металлургической промышленностью...

11.Шлаковые «ковриги» применяли при сооружении конструкций широкого спектра. Например, в британском Кливленде шлаковые глыбы весом до 3,5 т использовали при постройке плотины на реке Тис, куда их отвозили за несколько километров прямо в шлаковозных ковшах.

12.В США в 1929 г. вблизи металлургических предприятий функционировали 58 фабрик по переработке шлака. Шлак подвергался дроблению на специальной установке, корольки чугуна извлекали посредством магнитной сепарации. Стоимость установки по размолу шлака составляла 150 тыс. долл. При этом реализация ежегодно производимого шлакового продукта позволяла получить около 200 тыс. долл., т.е. установка окупалась примерно за год даже без учёта стоимости извлеченного металлопродукта.

13.В 1932 г. на питтсбургском заводе компании Davison была внедрена альтернативная технология извлечения чугуна из жидкого шлака с помощью центробежной машины.

«Люрмановские кирпичи»

14.Жидкие шлаки коксовой и древесноугольной плавки на белый чугун часто подвергали «зернению» (грануляции), пуская струю жидкого шлака в бассейн с водой (обычно с использованной охлаждающей водой). Получившийся крупный (несколько миллиметров) песок при необходимости дополнительно дробили.

15.Шлаковый песок использовали для засыпки пешеходных дорожек, при приготовлении строительных растворов, а, по большей части – для изготовления «люрмановских шлаковых кирпичей». Шлаковый песок смешивали с гашеной известью или известковым молоком, и из полученной массы путем прессования формовали кирпичи, которые затем твердели на воздухе. Люрмановские кирпичи по прочности превосходили обычные глиняные. Иногда, комбинируя красители и наполнители, по способу Люрмана из шлака изготавливали искусственный камень – мрамор, диабаз и другие породы.

16.Наибольшее количество фабрик (более 10) по производству шлакового кирпича по способу Люрмана располагалось в Германии. Производительность одного завода достигала 10 млн. кирпичей в год. Рекордсменом была фабрика в Оснабрюке – 15,6 млн. штук в год. Несколько фабрик работали в Великобритании и Франции, по одной в Испании (Бильбао) и Бельгии (Серен). 

«Шлаковая шерсть»

17.Некоторые доменные заводы Великобритании и США путем коррекции шихты доводили состав кремнеземистых шлаков до требований, предъявляемых стекольным производством, и поставляли шлак в качестве сырья для изготовления бутылок. Кислые шлаки различных оттенков использовались для получения эмалей и глазурей, а на Урале наиболее красивые образцы обрабатывали подобно природным минералам и самоцветам. Из доменного шлака, вспенивания его струей воздуха, изготавливали искусственную пемзу. Некоторое время из шлака, путем дробления его струей пара на мелкие капли, за которыми тянутся тончайшие нити, изготавливали «шлаковую шерсть», используемую для теплоизоляции. Для этой цели были пригодны только древесноугольные кислые шлаки с минимальным содержанием оксида кальция и серы. Проблема заключалась в том, что при значительном содержании оксида кальция шлаковая шерсть реагировала с влагой воздуха, рассыпаясь, либо, наоборот, каменея. Кроме того, содержащаяся в шлаке сера вступала в реакции, образуя сероводород, что делало непригодным использование материала в жилых помещениях. Вследствие этих причин от массового изготовления шлаковой шерсти отказались.

«Римский» цемент эпохи индустриализации

18.Известковистые доменные шлаки использовали для изготовления цемента. В этих шлаках содержание кальция должно было быть не настолько высоким, чтобы вызвать распад шлака. Кроме того, требовалась обязательная предварительная грануляция. 

19.Для производства цемента шлаковый песок перемалывался в пыль и смешивался с сухой пылевидной гашеной известью – так получался «римский» цемент, причем, если сначала производили только цемент, твердеющий на воздухе, то позднее научились изготавливать гидравлический цемент, твердеющий в воде.

20.Некоторые шлаки (с высоким содержанием оксида алюминия) использовались для изготовления высококачественного «портландского» цемента. Для этого из смеси шлаковой пыли с прочими компонентами (клинкера) формовались кирпичи, которые после обжига вновь перемалывалась до пылеобразного состояния.

21.Открытие полезного влияния грануляции на свойства шлака, что и привело к началу производства шлакового портландцемента, было сделано в 1861 г. Лангеном, управляющим завода «Фридрих-Вильгельм-хютте» в Тройсдорфе. В конце 1860-х гг. Люрман, управляющий заводом «Георг-Мариен-хютте» в Оснабрюке, открыл первую фабрику по производству из шлака гидравлического цемента под маркой «Trass» (горная порода, разновидность вулканического туфа, с римских времен применяемая в производстве цемента).

22.Наиболее подходили для изготовления портландцемента шлаки некоторых британских печей. На заводах Германии состав шихты специально корректировали добавками боксита с тем, чтобы получить в шлаке необходимое количество оксида алюминия. Вообще же шлаковый портландцемент считался в это время превосходящим по качеству портландцемент, произведенный из природного сырья. Поэтому его в значительных количествах производили на металлургических заводах Австрии, Бельгии и Франции.В России к началу XX в. только один завод (Франко-русского общества в Екатеринославе) производил портландцемент из шлаков Александровского металлургического завода Брянского общества.

Атрибут инновационного производства

23.Стекловидные силикатные, кремнистые шлаки, достаточно плотные и инертные, чтобы не подвергаться разрушительному действию влаги, перерабатывались, преимущественно, путём отливки из них строительных кирпичей или иных изделий. Известковистые, богатые кальцием пористые шлаки, рассыпающиеся при взаимодействии с водой, а иногда и просто на воздухе, использовались как источник оксида кальция для приготовления сыпучих строительных материалов и цементов. Основные направления использования в первой половине XX в. доменных и других металлургических шлаков, в зависимости от их свойств, приведены в табл. 1.

24.Наиболее массовые и перспективные направления использования доменного шлака – производство кирпича и цемента, требовали его предварительной грануляции, поэтому установка для грануляции в первой четверти XX в. стала обязательным атрибутом любой более-менее крупной печи. 

25.Применялась простая и дешёвая водная грануляция с использованием шлакового желоба, бассейна и грейферного крана, однако такой простейший способ требовал очистки большого количества сточных вод, а также сооружения отдельной установки для каждой печи (лишь иногда удавалось использовать один бассейн для двух печей). Значительные неудобства создавали выбросы пара и сернистых газов. По этим причинам появились усовершенствования мокрой грануляции, а затем и новые способы – полусухой и сухой.

26.Усовершенствования заключались в том, что у каждой печи сооружалась небольшая вентилируемая установка, в которую стекал шлак, и куда под напором подавалась вода. Их этой установки гранулированный шлак по вентилируемому сборному желобу потоком воды транспортировался в общий бассейн, откуда извлекался грейфером для отгрузки в вагоны. Это решало упомянутые проблемы, кроме большого расхода воды, которую требовалось подвергать очистке.

27.Полусухая грануляция осуществлялась в вентилируемых «мельницах», состоящих из чугунного барабана, внутри которого на вертикальном валу вращались с высокой скоростью (350 об./мин.) один или несколько дисков с лопатками. Сюда же подавалась вода, необходимая для грануляции (от ее расхода зависела крупность гранул). Далее гранулированный шлак транспортером перемещался в бункер, откуда отгружался в вагоны. Использование полусухой грануляции позволяло снизить влажность шлака с 20-30 до 6-10 % и значительно сократить количество используемой воды.

28.Для минимизации расхода воды была разработана установка сухой грануляции, представляющая собой барабан диаметром 1,5 и длиной 15 м, установленный под небольшим углом и приводимый в движение электромотором. В верхнюю, загрузочную, часть подавался шлак, который разбрызгивался по стенкам барабана струей воздуха, скатывался по ним и, перемещаясь вдоль барабана, выходил через нижнюю, разгрузочную, часть. Для регулирования крупности гранул в барабан подавалось небольшое количество воды.

29.Необходимо отметить, что стоимость шлака составляла менее процента от стоимости чугуна, и его массовое использование было вызвано не только желанием заработать на нем, но и необходимостью снизить расходы на его хранение в отвалах. В периоды кризисов, когда чугун не находил сбыта, а потребность в материалах для дорожного строительства оставалась стабильной, привлекательность шлака возрастала настолько, что некоторые предприятия работали ради получения шлака и доменного газа, продавая чугун в качестве побочного продукта по низким ценам.

«Замечательные продукты»

30.Шлак являлся наиболее крупнотоннажной попутной продукцией доменного производства, но, отнюдь, не единственной. Многие «замечательные продукты» (как отмечал Джон Перси в книге «Металлургия чугуна», изданной в 1854 г.) находили в печах после выдувки. Особенно актуальным было использование этих продуктов для древесноугольных доменных печей, кампания которых продолжалась не более полутора лет.

31.Вот как описывает Джон Перси состояние доменной печи после выдувки. «Обильные цинковые настыли пристают к колошнику в виде сосцеобразных масс, …скопления, состоящие из кокса, мусора, шлака и обожженной извести …обильно усеяны зернами свинца. Азотистый и синеродистый титан образует гнезда, жилки или блестки медно-красного цвета на кусках чугуна, вынимаемых из углов и щелей горна. В щелях горна часто находят сурик, закись свинца, глет, в прекрасных кристаллах металлический свинец. В заплечиках – поваренная соль, хлористый и синеродистый калий».

32.Соли щелочных металлов были постоянными попутными продуктами доменных печей, работавших с отрытой грудью и колошником. В 1840-х гг. на заводе в австрийском городе Мариацеле на поверхности отверстия в горне доменной печи в (его проделали для освещения литейного двора) скапливалось значительное количество цианистого калия. Его стали собирать и применяли для гальванопластики. На печах с закрытым горном и колошником цианистые и хлористые соединения щелочных металлов конденсировались и осаждались преимущественно в газопроводах. Их извлечение было затруднено и дальнейшего применения они не находили.

Необходимо отметить, что стоимость шлака составляла менее процента от стоимости чугуна, и его массовое использование было вызвано не только желанием заработать на нем, но и необходимостью снизить расходы на его хранение в отвалах. 

33.Настыли, содержащие до 90 % оксида цинка, регулярно извлекали из доменных печей, работающих на цинксодержащих железных рудах, и продавали в качестве сырья на заводы по производству цинка. В Бельгии цинковая настыль, называемая «туция», пользовалась большим спросом у производителей цинка. Однако на заводе в Серене считали более выгодным использовать ее для производства масляной краски для деревянных и железных изделий вместо используемой обычно краски на основе оксида свинца.

34.Еще одним «продуктом» доменной плавки (в случае работы на полиметаллических рудах) был свинец. В Верхней Силезии в доменных печах применялись железные руды со значительным содержанием свинца и серебра. На заводе в Тарновице горным инспектором Банзеном была внедрена конструкция лещади, которая позволяла извлекать свинец в виде отдельного продукта и минимизировать при этом риск «побега» свинца из горна. В 1891 г. 30 доменных печей Верхней Силезии «произвели» 760 т цинковых колошниковых настылей и 1228 т серебросодержащего свинца. 

Мечты Джеймса Будда

35.Два «продукта» доменной плавки вошли в постоянный заводской оборот в середине XIX в., когда на доменных печах в массовом порядке стали закрывать колошник и отводить доменные газы. Первый из них – колошниковый газ, высокое содержание в котором горючих компонентов – монооксида углерода, водорода и углеводородов делало его ценным топливом (табл. 2).

36.Начало полезному использованию химического потенциала доменного газа положил Фабер-дю-Фор, который в 1837 г. организовал отвод газа ниже уровня засыпи шихтовых материалов с последующим его сжиганием. Через три года Филипп Тайлор, управляющий машиностроительных мастерских в Марселе, получил заказ на воздуходувную машину для завода в Рюстреле в департаменте Воклюз. Поскольку местность, где располагался завод, не располагала значительными топливными ресурсами, Тайлор предложил хозяину завода использовать колошниковый газ.

37.Долгое время Тайлору не удавалось обеспечить эффективную работу машины из-за того, что паровой котел располагался на колошнике, а пар от него по длинной трубе поступал вниз, теряя давление. Тайлор предложил закрыть колошник, а газы отводить широкой чугунной трубой к паровому котлу, расположенному на земле рядом с печью. Для загрузки шихтовых материалов им был сконструирован засыпной аппарат, который позволял производить загрузку без открывания колошника. Также Тайлор сконструировал систему подачи газа и воздуха в топку парового котла посредством множества трубок, обеспечивающих их эффективное смешивание, и использовал клапана, позволяющие регулировать поступление воздуха и газа для обеспечения оптимального соотношения между ними.

38.В 1848 г., аналогичным образом использовал колошниковый газ Джеймс Палмер Будд, который отводил его на 14 м от печи и сжигал в топке паровой машины. Полученные результаты столь впечатлили Будда, что он писал по этому поводу: «Мне кажется, несравненно выгоднее пускать в ход доменную печь, даже как простой газовый генератор, не проплавляя в ней ничего, а, только пользуясь развивающимися в ней газами, которые и отводить для нагрева паровиков и воздухонагревательных аппаратов, нежели устраивать отдельную топку для каждого из этих приборов. Этот вывод мне внушает идею огромного преобразования в металлургии, которое будет состоять в совершенно особом расположении печей и заводов, способном ежегодно дать, при одном только железном деле, экономию несравненно более, нежели в 1 млн. фунтов стерлингов».

39.Идеи Будда реализовали только в конце XX в., причем только на передовых металлургических предприятиях, которые стали производить на продажу электроэнергию, используя химический потенциал металлургических газов. Более ста лет колошниковый газ потреблялся исключительно на заводские нужды, в первую очередь, на нужды самого доменного цеха: на отопление воздухонагревателей доменных печей и паровых воздуходувных машин, а позднее – паровых турбовоздуходувок и газовых воздуходувок.

40.В первой половине XX в. на тонну выплавляемого в доменной печи чугуна образовывалось 3000-4000 м3 доменного газа, теплотворная способность которого соответствовала 300-500 кг хорошего угля. Таким образом, доменная печь играла роль эффективного газогенератора. С появлением в составе металлургических предприятий коксохимических производств, где производилось улавливание и очистка коксового газа (это произошло в последней четверти XIX в.), структура потребления газов усложнилась. Коксовый и доменный газ в различных соотношениях стали основой энергетического баланса металлургического предприятия, однако, для их рационального использования предприятию требовалось иметь единую газовую сеть.

41.Об эффективности использования доменного газа на мощных комбинатах полного цикла дает представление информация Съезда американских доменщиков, прошедшего в 1920 г. в Чикаго. Приводились следующие данные о распределении доменного газа, %: отопление кауперов доменных печей – 22,5; сжигание на воздуходувках доменных печей – 14,1; отопление коксовых печей – 29,15; нагревательные колодцы прокатных станов (смесь 25 % коксового и 75 % доменного газа) – 7,6; нагревательные печи прокатных станов (смесь 33 % коксового и 67 % доменного газа) – 12; мартеновские печи (смесь 40 % коксового и 60 % доменного газа) – 9,65; потери – 5.

Ценная пыль

42.С началом использования колошникового газа появились и первые аппараты для его очистки, поскольку запылённый газ делал невозможной работу устройств, в которых он применялся. При использовании колошникового газа для нагрева кауперов и в качестве топлива для паровых котлов ограничивались «грубой» очисткой от крупной пыли (80-90 % от общей массы пыли). Применение колошникового газа в качестве топлива для газовых воздуходувок, мартеновских и коксовых печей сделало актуальной «тонкую» очистку от мелкофракционной пыли.

43.В 1920-х гг. тонкую очистку стали применять для всех потребителей доменного газа, включая воздухонагреватели. К 1930 г. наибольшее распространение в качестве аппарата для тонкой очистки получил дезинтегратор системы Тейзена. В Европе на него приходилось 27 из 33 млн. м3 в час суммарных мощностей по газоочистке. Хотя дезинтеграторы были достаточно дёшевы, просты и надёжны в эксплуатации, они требовали значительных расходов воды и электроэнергии. По этой причине в качестве альтернативы использовались сухая и электростатическая газоочистка.

44. Состав улавливаемой пыли изменялся в очень широких пределах, в зависимости от используемых руд и способов их подготовки к плавке, размеров печи, вида топлива, конструкции улавливающих устройств и других факторов (табл. 3).

45.В начале XX в. было установлено, что крупная пыль представляет собой главным образом частицы шихтовых материалов, образовавшиеся от ударов при загрузке. Тонкая (мелкая или мелкодисперсная) пыль преимущественно выносится из нижних горизонтов печи, образуется в результате истирания кусков шихтовых материалов, и является продуктом газификации и последующей конденсации оксидов кремния, марганца и щелочных металлов, а также распада диоксида углерода с образованием сажи. При горячем ходе печи и при выплавке ферросплавов количество тонкой пыли возрастало. Миновав газоочистку, легкая тонкая пыль относилась газом дальше по трубопроводу и осаждалась в дальних участках газового тракта (табл. 4).

46.В ряде случаев, при переработке руд, содержащих значительные количества элементов, склонных к возгонке, колошниковая пыль могла быть использована в качестве сырья для дальнейшей переработки на сторонних предприятиях (как правило, на заводах по производству свинца или цинка). Например, 30 доменных печей Верхней Силезии в 1891 г. произвели 8450 т цинксодержащей пыли.

47.Помимо оксидов цинка и свинца, а также цианистых соединений, в доменной пыли иногда в значительных количествах присутствовал сульфат натрия, который извлекали растворением для дальнейшего использования.

Рециклинг

48.При работе на обыкновенных железных рудах основными компонентами колошниковой пыли были мелкие частички руды и топлива. В этом случае главным элементом, который требовал извлечения, было железо, а агрегатом для его извлечения, соответственно, сама доменная печь.

49.В первой четверти XX в. на крупных доменных печах с колошниковой пылью выносилось до 15 % загружаемой руды, поэтому проблема ее «возвращения» обратно в производственный цикл (рециклинг) была весьма актуальной, особенно с учетом того, что других потребителей на нее не находилось, и часто она просто направлялась в отвал. Самым простым способом рециклинга было увлажнение пыли с последующей загрузкой в печь, что позволяло в определенной мере снизить вторичный унос, однако кардинально проблему не решало. 

50.Другим способом, позволяющим вернуть колошниковую пыль в доменную печь, было вдувание ее в горн. С этой целью применялась установка конструкции Гескампа, обеспечивающая вдувание через специально установленное сопло с помощью тонко очищенного сжатого колошникового газа. После того, как были решены проблемы со стойкостью сопла и трубопроводов к абразивному износу, эта установка получила распространение на ряде заводов Германии (например, такими установками были оборудованы все печи завода «Рурорт Мейдерих»).

51.Хотя установка Гескампа много лет использовалась в Германии и хорошо зарекомендовала себя, это была, безусловно, полумера. Проблема утилизации колошниковой пыли была решена массовым внедрением установок подготовки железорудного сырья путем его спекания (агломерации). Однако необходимо отметить, что и этот способ нельзя считать панацеей, поскольку окончательным решением проблемы колошниковой пыли можно считать только использование сырья такой прочности, которая обеспечивает лишь минимальное ее образование.

Эффективный утилизатор

52.Доменная печь являлась эффективным агрегатом для переработки железосодержащих отходов других металлургических переделов, например, прокатной и молотовой окалины, сварочных и пудлинговых шлаков. В этом качестве выступали ещё британские доменные печи XVII в., использовавшие в шихте шлаки производства железа, которые в большом количестве оставили римские и скандинавские завоеватели в районе Форест-оф-Дин. Эти шлаки содержали 30-40 % железа, а количество их было таково, что, как отмечал Джон Перси, «двадцать доменных печей работали на протяжении 300 лет преимущественно на этом материале».

53.Когда обнаружилось, что шлаки сыродутных печей прекрасно подходят для переработки в доменных печах, это тут же привело к организации сопутствующего бизнеса. Об этом упоминает тот же Перси: «образовался новый вид собственности – обширные отвалы шлаков, оставшихся от римлян и датчан, создали новый род владения – стали вновь откапывать огромные склады шлаков, которые в течение многих веков были покрыты лесами…».

54.В больших масштабах использование в доменной шихте железистых шлаков началось с середины XIX в., когда в употребление вошло горячее дутье. Его использование позволило эффективно перерабатывать шлаки кричного передела чугуна в железо, которых за несколько столетий накопилось немалое количество в отвалах старых заводов.

55. В больших количествах в доменных печах использовались пудлинговые шлаки. Например, доменные печи завода Даулэйс в 1860-х гг. при выплавке тонны чугуна использовали, помимо руды, до 500 кг пудлинговых шлаков. Однако их применение имело характерную особенность, поскольку в условиях пудлингового передела в шлак переходило значительное количество фосфора, содержащегося в перерабатываемом чугуне. Это ограничивало максимальную долю шлаков в доменной шихте, а с переходом к производству литой стали по способу Бессемера стало и вовсе невозможным.

56.Впрочем, с изобретением томасовского процесса, требующего содержания в чугуне до 4 % фосфора, пудлинговые шлаки не только стали желанным сырьем для доменных печей Германии, но и, благодаря этому, значительно поднялись в цене. Более того, после полной выработки немецких отвалов пудлингового шлака этот некогда отход стал импортироваться в страну из Великобритании и Бельгии.

Вагранка – печь с куполом

57.Еще одним постоянным компонентом доменной шихты в эпоху индустриализации (до широкого распространения мартеновских печей) был чугунный и железный лом. Его использовали в качестве постоянной добавки к шихте, но особенно много крупногабаритного лома проплавляли во время выдувки печей. Вот как описывает этот процесс Перси: «жар доменной печи используют для расплавления больших чугунных и железных вещей всего весом до 20 тонн,…сначала вводятся самые большие штуки, например наковальни и головы больших молотов, потом прибавляют легкие куски. На последнюю колошу чугуна насыпают до двух тонн кокса или древесного угля, чтобы расплавить шлаки, приставшие к печи».

58.Использование доменных печей для переплава металлолома было настолько успешным, что в разгар Промышленной революции оформилось новое направление в совершенствовании конструкции этого агрегата – создание шахтной «ломоплавильной» печи. Наиболее удачной и известной конструкцией стала, так называемая «рациональная шахтная печь», которую внедрил в производство англичанин Джон Вилкинсон.

59.В России чугуноплавильная печь независимо от размера и конструкции называлась вагранкой. Согласно этимологии этого термина, предложенного В.И. Далем «вагранка, также варганка, происходит от варганить – работать, кипеть» (отметим, что корень варга – очень древний и связан с кузнечным ремеслом). 

60.Европейские технические термины, используемые для обозначения чугуноплавильных печей, различались. Особенно четко это заметно на примере Франции и Бельгии. Литейщики, странствовавшие по деревням Франции и Бельгии в эпоху Нового времени, для переплавки металлолома и чугунных чушек использовали переносные горны, которые именовались «кальянами» (la calebasse). Такой передвижной горн состоял из трех основных деталей: котла (помещенного на оси с двумя колесами), выложенного внутри огнепостоянным кирпичом; обмазанного глиной трубы – «наставыша» и ручных мехов. В таком горне можно было расплавить до 5 пудов чугуна или железного лома. Формовочным материалом для литейщиков служили дорожная пыль или смесь речного песка с «глиняной мутью». Для обозначения шахтной чугуноплавильной печи стали использовать термин le Cubilot – купольная печь. Аналогичные термины в конце XVIII в. вошли в употребление в немецком (Der Kupolöfen) и английском (Cupola furnaces) языках. 

«Чугунопомешенный»

61.Важный вклад в распространение ваграночной плавки внес колоритный исторический персонаж – британский промышленник Джон Уилкинсон (1728-1804). Он внимательно относился к изобретениям, мог оценить их сущность и практическую значимость: в 1754 г. он построил на заводе в Брэдли, по соседству с Коалбрукдейлом, доменную печь, работающую на коксе по образцу печей Дарби, а в 1775 г. купил первую паровую машину, вышедшую из мастерской Болтона и Уатта; кроме того, он имел ряд патентов, в частности на прокатную машину и паровой токарный станок.

62.Имея в 1761 г. в собственности только небольшое предприятие, доставшееся ему по наследству, Уилкинсон в 1772 г. выкупил завод в Брэдли, расширил его и прорыл ветку к Бирмингемскому каналу. Таким образом, он начал строительство своей обширной промышленной империи, в которую со временем вошли заводы, рудники и копи в Брозли, на реке Северн, заводы в Южном Уэльсе, корнуолльские оловянные копи и огромный склад с 6 пристанями в Лондоне. В некоторых регионах даже чеканился кредитный жетон с его профилем и надписью «Wilkinson – ironmaster» - Уилкинсон – железозаводчик. Это были так называемые кредитные монеты или жетоны, которыми коммерсанты и промышленники расплачивались с рабочими, и которые можно было обменять на деньги или отоварить в заводской торговой сети. Они были распространены в то время и позднее, в частности во Франции и в России.

63.Джон Уилкинсон стал производить сначала железные стулья, затем чаны для пивоваренных и винокуренных заводов, потом – чугунные трубы всяких размеров. В 1776-79 гг. он принимал активное участие в проекте по сооружению первого в мире цельнометаллического чугунного моста через реку Северн. Длина пролета моста составляет 30,6 м, его вес – 384 т, в наши дни, как и в далеком прошлом, мост вызывает живейший интерес любопытствующих туристов. Сразу после открытия к мосту стали приходить люди, его торопились зарисовать художники, а для соорудивших его мастеров и инженеров он стал самой лучшей рекламой. На северном конце моста по пятницам процветал возникший сам собой рынок (эта традиция сохранилась по сей день). Вскоре вокруг моста вырос небольшой городок Айронбридж – буквально: «Чугунный мост».

Длина пролета моста составляет 30,6 м, его вес – 384 т, в наши дни, как и в далеком прошлом, мост вызывает живейший интерес любопытствующих туристов. Сразу после открытия к мосту стали приходить люди, его торопились зарисовать художники, а для соорудивших его мастеров и инженеров он стал самой лучшей рекламой. 

64.Затея с чугунным мостом была далеко не единственным предприятием Уилкинсона на ниве популяризации нового конструкционного материала. Постройка железного моста не заключала в себе, в конце концов, ничего такого, что переворачивало бы вверх дном общепринятые идеи. Но заставить плавать железные корабли – это казалось вызовом здравому смыслу. Когда вскоре после открытия моста в Брозли Уилкинсон впервые заговорил об этом, то все твёрдо уверовали, что эксцентричный промышленник болен новой формой помешательства – манией железа. С того времени к нему приклеилось прозвище Iron Mad – чугунопомешанный. Однако будучи уверенным в принципе Архимеда, он игнорировал эти разговоры и в июле 1787 г. на воды Северна было спущено судно, построенное из скрепленных болтами листов железа. 

65.«Оно отвечает всем моим ожиданиям, – писал Уилкинсон одному приятелю, – и убедило маловерных, которых было 999 из тысячи». Первыми судами, построенными по этой модели, были небольшие речные баржи грузоподъемностью в 20 т.

66.Менее удивительной новинкой, заслуживающей, однако, упоминания, было использование чугуна для производства водопроводных труб. В 1788 г. Уилкинсон выполнил заказ, размеры которого сделали бы его невероятным в глазах предшествующего поколения – он отлил более 70 км чугунных труб для водоснабжения Парижа.

67.Подобные результаты все более внушали ему страсть к своей отрасли промышленности и безграничную веру в её будущность. К концу жизни он любил повторять, что железо призвано заменить большинство употреблявшихся тогда материалов, что наступит время, когда везде будут видны железные дома, железные дороги, железные корабли. Он призывал активнее использовать чугун и железо в строительстве, и даже построил чугунную церковь. После его смерти в 1805 г., согласно последней воле покойного, его похоронили в чугунном гробу, а над могилой установили чугунный обелиск. Говорят, при жизни он любил носить чугунную шляпу. Кто знает,… может быть, это и правда…

Продажа по каталогам

68.«Промышленная экспансия» Уилкинсона распространилась и на континентальную Европу. Во Франции и Германии он организовал чугунолитейные заводы по английскому образцу. В Германии первый такой завод был построен в Верхней Силезии в 1789 г. Другим заводом Германии, построенным по английской технологии, был Глейвитский металлургический, основанный в 1794 г. английским инженером Бильдоном, который до этого работал на заводе в Карроне. Глейвитский чугунолитейный завод производил архитектурное, художественное и бытовое литье.

69. В конце XVIII в. в Англии и Германии вошли в обиход каталоги чугунного литья. В первой четверти следующего столетия мода на художественные изделия из чугуна получила повсеместное распространение. Особенно широко тиражировалась античная пластика.

70.После посещения Александром I в 1816 г. Берлинского чугунолитейного завода и выставки Академии наук в Берлине выпуск художественного литья из чугуна был налажен на императорских заводах Солонца и Петрозаводска в Карелии. Лидерами в овладении инновационных технологий стали Каслинский и Верхне-Выксунский чугунолитейные заводы. По поводу продукции последнего историк П. П. Свиньин писал в 1826 г.: «Нельзя не упомянуть о достоинствах здешнего чугуна и литья из него. Он мягок и имеет вместе такую необыкновенную упругость, какой по своим путешествиям я не замечал ни на одном заводе, как в России, так и в Швеции, Англии, США. Общие свойства чугуна – твердость, хрупкость, ломкость, но здешний гибок, как пружина, и крепок в соединении частей своих. Доказательством служит Петровский театр в Москве, где ложи висят на кронштейнах или на пальцах из сего чугуна».

В конце XVIII в. в Англии и Германии вошли в обиход каталоги чугунного литья. В первой четверти следующего столетия мода на художественные изделия из чугуна получила повсеместное распространение. Особенно широко тиражировалась античная пластика.

Домнина дочь

71.Конструкция первых вагранок представляла собой уменьшенную и упрощенную копию доменной печи, поэтому вполне естественно, что вначале при ведении ваграночной плавки пытались применять способы управления процессом, опробованные на доменной печи. Попытки копировать в первоначальных конструкциях вагранок внутренний профиль доменных печей не дали положительных результатов, и в то же время создавали затруднения при ремонте. Постепенно, с накоплением производственного опыта, попытки делать внутренний профиль вагранки подобно доменным печам были оставлены, и перешли к простому цилиндрическому очертанию.

72.В поисках увеличения мощности вагранок конструкторы быстро пришли к идее подачи дутья не через одну или две узкие фурмы, как это практиковалось на первом этапе развития ваграночной плавки, а через большое количество фурм, расположенных в одном горизонтальном ряду, при пониженном давлении.

73.Вагранка, получившая законченное конструктивное оформление в конце XVIII в., быстро завоевала первенствующее положение среди других плавильных агрегатов чугунолитейного производства благодаря возможности использования широкого спектра вторичных ресурсов металлолома, простоте обслуживания, надежности в работе и большой гибкости ведения процесса плавки.

В конверторном цехе

74.Важную роль вагранки в освоении и распространении конверторного способа получения литой стали. В конвертора чугун должен был подаваться только в жидком виде, поэтому в тех случаях, когда конвертерные цеха входили в состав предприятий, не имеющих доменного производства, в них устанавливались вагранки. В конце XIX в. наибольшее распространение получили конструкции вагранок Ireland и Krigar.

75.Высота плавильного пространства этих вагранок составляла от 2,5 до 4 м при работе на коксе, от 4 до 6,5 м при работе на древесном угле. Диаметр достигал 2 м, а высота трубы – 7,5 м. Фурмы располагали в два или три ряда по 4-8 штук в каждом. Для выпуска шлака использовали «очко» (1 или 2 шт.). 

Конструкция первых вагранок представляла собой уменьшенную и упрощенную копию доменной печи, поэтому вполне естественно, что вначале при ведении ваграночной плавки пытались применять способы управления процессом, опробованные на доменной печи. 

76.В начале плавки вагранку наполовину наполняли коксом (или древесным углем) и ставили на «естественную тягу» (через трубу) для разогрева. Затем загружали кокс и чугун попеременными слоями, добавляя известняк, необходимый для ошлакования золы кокса. Чугун периодически выпускали в специальные ковши, а шлак – в шлаковые ямы. Для окончания плавки прекращали загрузку и ждали пока весь чугун (сильно «опережающий» в своем движении кокс) не расплавится и на фурмах не останется только кокс. После этого лещадь вскрывали (разламывая футеровку стенок металлоприемника – копежа), оставшийся в печи кокс выгребали и заливали водой. Восстановление футеровки занимало обычно около 2-х дней и производилось специальной бригадой в конце рабочей недели. Производительность вагранок определялась их размерами и достигала 12 тонн в час, расход кокса составлял 6-12 % от массы проплавляемого чугуна. 

77.Помимо расплавления передельного чушкового чугуна и металлолома вагранки применялись также для расплавления «шпигеля» или «зеркального» чугуна с высоким содержанием марганца. Шпигель добавлялся в конвертор после продувки, к уже готовому металлу в количестве 5-8 % (масс.) для обеспечения обессеривания получаемой литой стали.