К началу сентября «дозрела» самая большая наша печка — металлургическая домница.
Таких в здешней природе нет. Шесть метров высоты, стометровая труба, выведенная по склону Окского обрыва. Тяга в ней…! Шапку уносит!
Начинка — «мусорное» железо. Шлак металлургов Суздальского княжества. Раздробили, смололи в порошок, просеяли, промыли, обжарили с порошком древесного угля из моих реакторов. Ветерок был — хорошо продувал наши аглочаши.
Я даже предположил, что мы не просто так, а металлизированный агломерат сделали. Типа — железорудный агломерат, в котором часть оксидов железа восстановлена до железа в ходе спекания шихты с повышенным расходом твёрдого топлива по методу В.Дэвиса 1958 г.
Прогревали красавицу аж 6 недель. Поставили порог, заделали щель сбоку, засыпали углём до половины и запалили. При закрытом колошнике и фурмах. Потом пошла завалка шихты.
Засыпали колошами смеси агломерата с моим качественным древесным углём, известняка толчёного добавили, окиси марганца из «сортирного» доломита специально наковыряли, воздухозаборник развернули и…
Не надо иллюзий: никто в мире не умеет работать с такой печкой. А уж при неизвестном сырье, с топливом, которое сильно отличается от обычного, с продувкой, которой здесь не бывает…
Короче: я не ожидал от первой плавки ничего приличного.
Прокуй звал меня «на праздник освобождённого труда и металла». А я… я боялся. Обосновывал тем, что буду отвлекать внимание, что народ будет выпендриваться и нервничать в присутствии начальства.
Но если честно… просто страшно. Слишком много было вложено в эту печку, слишком много надежд с ней было связано. И слишком много непредсказуемого.
Терпел-терпел, да и не вытерпел. Пошёл, таки, посмотреть.
Ну, типа, всё путём. Если учесть, что варку железа вижу вживую в первый раз в жизни… в двух жизнях.
В принципе — скучно. На нормальной домне можно хоть какие-то рукоятки подёргать. Кислорода подбавить, газа, там. Или, к примеру, электричества подкрутить. Тут — только заслонку на воздухозаборнике прикрыть да смесь в очередной колоше чуть изменить.
Ребята перекрестились дружно и пошли выпускать. Чего сварилось. В этой нашей… «бляуофене».
* * *
«Бляуофен» — два усеченных конуса, соединенных широкими основаниями; малое сечение верхнего конуса, куда засыпается уголь и руда — колошник, плоскость соприкосновения широких оснований конусов — распар, малое сечение нижнего конуса — лещадь (bottom-stone). Часть конуса между фурмами и лещадью — горн, часть между распаром и фурмами — заплечики. Фурмы — на «аршин с кепкой» выше лещади.
Почему — не знаю, но во всех приличных печках, и на Востоке и на Западе, даже в самых родо-племенных — дуют не от самого дна.
Наша печка не совсем «бляуофен»: заплечики сделаны положе; не доходят до лещади на 1/8 высоты; стены горна выложены почти вертикально, образуя цилиндр. И — «топ-фри», «открытая грудь». Хотя геометрически — совсем не «топ».
У классической «бляуофены» кладка передней стенки начинается с самой лещади. Здесь передняя стена начинается с уровня фурм. Между нижним камнем передней стены — темпелем и лещадью во всю ширину и высоту нижнего горна остается окно; против этого окна снаружи, отступя фута на полтора от передней стены, поставлен порог (dam-stone). Между темпелем и порогом — щель, через которую кочергой очищают нижний горн.
Очертания домны должны соотноситься с качеством руды: руды легко восстанавливаемые и легкоплавкие не требуют долгого пребывания в печи — печки невысокие, заплечики крутые, горн широк; такими будут штирийские бляуофены — в них руда остается всего 6 часов; чем трудновосстановимее руда, тем положе должны быть заплечики; чем трудноплавче руда, тем уже должен быть горн. Сырой горючий материал требует более высокую печь; чем труднее сгорает уголь, тем время пребывания руды в домне больше…
Всё это — мило. Кусочки где-то когда-то читанного, слышанного. Это — «чем… тем…» — прекрасно, если знаешь с чем сравнивать. Для меня — первая плавка. Для моих людей… В «святорусских» домницах таких вывертов нет.
Да не знаю я! И никто не знает! И пока мы сами шишек не набьём…
Когда в нижнем горне чугун и шлак поднялись до уровня фурм — дутье остановили, заделку у темпеля выгребли, всунули в горн рабочий лом (им работают вчетвером). Впихнули под темпель так, чтобы он прошел по лещади до задней стены; налегая на длинный конец лома, встряхивали им — в горне на стенах есть приставшие «жуки» (губчатая масса железа) — их отбили.
Сгребли шлак, спустили по пологу (сделанная из огнеупора, хотя должна быть чугунная, но у нас нету, доска в ширину порога, приставленная к нему наклонно), «нагрели у рыла» (не заделывая у темпеля, пустили дутье минут на 10). Потом, заделав у порога набойку, произвели выпуск чугуна, пробив ломиком, на уровне лещади, глиняную заделку боковой щели.
Вот оно! Потекло! Расплавленное! Неужто — чугуний?!
У смеси железа с углеродом есть свойство: чем доля углерода выше, тем точка плавления ниже. Самое тугоплавкое (1539 ®C) — техническое чистое железо. В РИ металлурги увидели текущее железо только во второй половине 19 века.
Понятие «козёл» — «замёрзший» в печи металл — для металлурга имеет не личностные, а физико-химические свойства. Мы очень старались не допустить «окозления», старательно поддували да подогревали. За что и поплатились.
Из металлоприемника чугун побежал в копеж (место сбоку полога), откуда по борозде в формы, приготовленные в песке. Такие… чугунные «свинки». Надо бы — не в песок, а в изложницы. Пока нету.
В домне за фурмами — ярко-бело, пламя на колошнике — длинное, легкое, красноватого цвета, на конце едва заметен белый дымок.
«Спелый ход» — шихта составлена правильно, сила дутья и нагрев согласованы с составом руды и внутренним очертанием печки, количество засыпаемых угля и руды — в должной пропорции. Восстановление руды полное, в горне чисто, выпуск чугуна делается легко.
Если что-то не так — «сырой ход».
У нас всё идёт красиво. Даже странно как-то. Без «кавардака»: это металл, который течет по борозде медленно, с шумом и искрами, и тотчас застывает в пористую массу.
Домну по высоте можно разделить на 5 частей.
От колошника до температуры в 400®, примерно 1/3 высоты — зона приготовления. Руда выделяет влагу и химически соединенную воду, подготовка необугленного горючего материала.
Второй пояс до 900® — зона восстановления; углекислота, действуя на раскаленный уголь, образует окись углерода, которая восстанавливает руду от поверхности к центру; выделяется углекислота флюса; нижняя граница — распар.
Ниже — пояс обуглероживания; заплечики; губка восстановленного железа начинает обуглероживаться, переходя в сталь и чугун; в нижней части этой зоны — у начала верхнего горна, 1200®, начинается химическое взаимодействие рудной породы и флюса, заканчивается уже в четвертом поясе — зоне плавления, 1500®. Объем ограничивается верхним горном; происходит плавление чугуна, образование и плавление шлака (образование шлака требует более высокой температуры, чем его плавление).
Наконец — зона горения, занимает наименьший объем; начинается не выше 10 дюймов под фурмами; наивысшая температура домны, от 2000 до 2200®C. Железный лом, толщиной в дюйм, просунутый за фурмы на длину 171/2 д., в 11/2 минуты совершенно оплавляется.
Что-то мне не верится. Даже нашему, знаете ли, Дмитрию Ивановичу. Который Менделеев. Который вот это описание и составил. Насчёт 2200®C.
Оказалось — зря я так к творцу «Периодической системы».
Факеншит уелбантуренный! Тут она и завалилась! Не «система» — печка.
Итить её… воздуходуйно. Прогорела, гадина.
Построили бы чуть иначе — видели. Когда кирпич начинает краснеть — есть стандартные методы изменения режима, в крайнем случае — ремонт «на ходу».
«Когда внутренняя футеровка домны делается кирпичная и вся кладка горна удобна для наблюдения, тотчас видно, когда какая-нибудь часть стенки начнет краснеть — гореть; для прекращения этого достаточно на колошник против такого места отгрести от стены уголь и в эту канаву сыпать рудной мелочи (подрудок); если… кирпич будет продолжать гореть, то нужно сделать выпуск и, замазав фурмы, выломать сгоревшие кирпичи, в верх образовавшегося отверстия заколотить обрезки мокрых досок (чтобы они не давали очень высыпаться углю и руде…), и, очистив ряд, на который можно класть новый кирпич, возможно быстро сделать кладку на жидкой глине; по исправлении пускают дутье. Если вследствие какой-нибудь неполадки (напр. поломки мехов) приходится временно остановить домну, то, очистив хорошенько в горне и сделав выпуск, замазывают фурмы и закрывают колошник…».
В принципе — моя ошибка.
«Внутренняя кладка из огнеупорного материала (футеровка шахты) в старых печах окружалась массивным кожухом из красного кирпича; для возможности же шахте расширяться от нагревания между кожухом и футеровкой оставлялось пустое пространство — забудка, пазуха, которое заполнялось плохими проводниками тепла: песком и т. п. В наружной кладке, против тех мест, где должно иметь доступ к внутренним стенам, выводятся своды; их никогда не бывает менее 2-х: один фурменный, для провода дутья, а другой рабочий, для выпуска чугуна».
Вот такую «старую» печь мы и построили.
«Домны современной постройки резко отличаются…; вместо прежнего, тяжелого наружного кожуха во всю высоту домны, ныне он делается только до распара, вся же труба заключается в цилиндре из котельного железа, причем футеровка покоится на колоннах и вместо темных сводов вокруг горна всюду светло и доступ свободен. На лещадь и стены горна прежде употребляли камни огнеупорной горной породы, в настоящее время они заменяются кладкой огнеупорного кирпича».
Камней «огнеупорной горной породы» у нас и сначала не было. Тут всё правильно. А вот с наружным кожухом… А где я возьму для этой дуры «цилиндр из котельного железа»?! Да и колонны под футеровку выкладывать — сперва научиться надо.
* * *
Когда эта… бляуфенина начала гореть и внутрь заваливаться, все нормальные люди кинулись в рассыпную. А Прокуя я поймал за шиворот в последний момент — он кинулся к печке. Поддержать её хотел.
Как он вопил, какие слова говорил…! Потом дрался со мной, потом плакал… «Суета сует и всяческая суета». А люди, тем временем, сделали всё нужное.
Позволили всему, что могло гореть — сгореть. Оказалось — много мы дерева используем. Выпустили остаток металла из нижнего горна. Просто в ямки в песке. Типа как на Райковецкой домнице. «РОзлив вина по-еврейски». Я ж рассказывал!
Главное: сами не погорели. Ожоги были у многих, но серьёзно — только двое. И — без смертельных случаев.
– А! Всё пропало! Печка сгорела! Железо погибло!
– Прокуй, уймись. Ничего страшного. Печку отстроим заново. Представление о режиме ты получил. А железо…
Железо… Мы получили полста пудов полного спектра. От «нулёвки» — железа с меньше 0.1 % углерода до белого чугуна с 6–7%.
* * *
Напомню: сталь — смесь железа с углеродом в диапазоне 0.1 % — 2.14 %.
Некоторые говорят, что в сыродутной печке нельзя получить сталь. Отнюдь. В реальности есть сталь «передельная», «сварная», «тигельная». И — «сырцовая». Которая получается в обычной «святорусской варнице» при «прямом восстановлении железа».
На «Святой Руси» её умеют выделять из общей массы.
«Передельной» на Руси, как и во всём мире ещё нет. Все остальные дают, примерно, десятую часть всего русского железа.
В сыродутном процессе никто толком до конца не понимает. Я имею в виду — из специалистов.
Одни считают, что железная руда восстанавливается до металла в твердом состоянии в виде пористой пастообразной низкоуглеродистой массы, сквозь которую проникает вязкий железистый шлак, хорошо плавящийся при температуре выше 1200 ®С. В результате пористое железо образовывает достаточно плотную крицу и не насыщено углеродом.
Однако, в отдельных местах формируются науглероженные зоны. Цель плавки — получение мягкого (низкоуглеродистого) ковкого металла.
Другие полагают, что в зонах печи, где температура составляет 800-1200 ®С, частицы железа сначала науглероживаются, затем плавятся в виде чугуна. Потом — повторное окисление углерода и металла в фурменной зоне печи, температура в которой выше 1400 ®С.
Третьи полагают, что, в различных зонах проходят оба процесса. Поэтому продукты сыродутного производства содержат и высокоуглеродистые стали, и даже частицы чугуна.
Изотермы в печи напоминают пламя свечки. Температура в зоне горения превышает 1400 ®С, но в нескольких сантиметрах от нее 1200–1300 ®С, а на колошнике 500–700 ®С.
В верхней части печи (500–550®С) руда теряет влагу и становится пористой. До зоны 700–750®С большая часть гематита (Fe2O3) восстанавливается до магнетита (Fe3O4) и монооксида железа (FeO), на поверхности кусков руды образуется тонкий слой металлического железа. В сильной восстановительной атмосфере начинается процесс науглероживания. Наиболее активно он проходит в области температур, превышающих 900 ®С, когда? — железо поглощает углерод из газа:
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2
В кусках частично восстановленной руды содержатся остаточные минералы, пустая порода, монооксид железа и металлическое железо. Углерод из СО (2СО?С + СО2) проникает в трещины и поверхностный слой металлического железа. Давление газа достаточно высоко для диффузии углерода в железную оболочку. «Конгломерат» из остаточных минералов, монооксида железа, вкраплений древесного угля, заключенных в пористую металлическую пленку, опускается на уровни, где температура около 1200 ®С.
Здесь пустая порода активно взаимодействуют с монооксидом железа с образованием фаялита (Fe2SiO4) — основной составляющей шлака сыродутной плавки. Расплавленный шлак проникает через поры в «конгломерате» и опускается на подину печи.
Температура горения древесного угля — около 1400 ®C, начало восстановления оксидов железа — 650 °C. В диапазоне 700-800 °C Fe3O4 и FeO восстанавливаются до металлического железа. Казалось бы — чего дальше греть-то?
Как с варкой хрусталя: у химиков процесс уже пошёл, а у технологов — ещё и конь не валялся. Железо восстанавливается, но не течёт — сидит молекулами в окружающей породе. Металлурги не железо плавят, а кремнезёмы с глинозёмами — пустую породу.
Получается лепёшка — крица. Сначала «макароны по-флотски» — много шлака с вкраплениями железа. Потом «пельмени» разного уровня «мясистости». Переход от «макарон» к «пельменям» — тысячелетия истории человечества.
Идеал — «чисто мясной рулет». Но от 2 % неметаллических включений в продукции русских варниц — всегда.
* * *
Ну вот получили. Что-то. Начали разбираться. Выпуск шёл «сплошняком с недоваром». Разделялся частями: видно, какие чушки — сверху расплава, какие снизу. Треть — нормальное мягкое железо, треть — оцел, сталь. Точнее: стали. Всего спектра: от малоуглеродистых до высокоуглеродистых. Треть — чугун. В обоих вариантах: сером и белом.
На «Святой Руси» слова «чугун» — нет, работать с ним не умеют. Раз под кувалдой колется — дерьмо, «свиное железо». Да ещё и в смеси со шлаком.
Напомню для знатоков: ковка в средневековье — прежде всего не способ формовки изделия или уплотнения поверхности, а способ выбить шлак из железа. Иногда — железо из шлака. А тут оно — бздынь и «в щепки». Или как это у металлов называется7
Ну, не так уж чтобы совсем. У нас тут высокий «бляуофен», а не штукофен, от которых этот термин — «свиное железо» — и пошёл. С этим чугуном можно работать.
Как? — Ну… ядра пушечные лить… пушек нет… гробы делать, как в Индии… у нас деревянные… мостовые мостить, как в некоторых уральских городах…
– Дрянь! Лопается! Ковать нельзя!
– Уймись, Прокуёвина! Ты про ковкий чугун слышал?
Затих. Не слышал, не видел, не верит.
* * *
И правильно делает: «ковкий чугун» — нормально не куётся, название — условное. Особенность: графитовые включения расположены в форме хлопьев и изолированы друг от друга, отчего металлическая основа менее разобщена, обладает некоторой вязкостью и пластичностью.
Предметы отливаются из белого чугуна, прокаливаются в горшках, и металл, бывший до этой обработки твердым, хрупким и легкоплавким, приобретает все свойства железа — делается мягким, трудноплавким, способным к обработке, получает известную степень ковкости.
Другое название: литая сталь (run steel). Повторное открытие — конец первой трети 19 века.
Пригоден для замков, шпор, колес, шкивов… Двухпудовый тигль с загрузкой слоями с угольным порошком — в печь. Печь медленно подогревают до светло-красного каления (около 1000®), 20–30 часов; при этой температуре выдерживают 60–80 часов, затем медленно охлаждают 30 часов.
Вот это я вываливаю на своего супер-металлиста. Визг прекращается, пошло впитывание информации.
«Старый мудрый Вяйнемёйнен сделал дерево из дуба…». — А из чугуна?
Главное: вот эта «радость» — «красота горящего металла» — только начало. Дальше идут вагранки, тигли, горны. Цементация и адусирование. Литьё в формы. Чего для чёрного металла здесь никогда… поверхностное и полное легирование… крупповская броня с быстрой цементацией светильным газом (если сумею получить на пиролизе древесины нечто сходное) и поверхностной закалкой путём быстрого нагрева поверхности (30–40 % глубины), с быстрым охлаждением сильным потоком воды либо масла.
А ещё здесь пока есть город Ахсикет. В 30 км к северо-востоку от Намангана на правом берегу Сырдарьи. Потом его монголы… С VII по XIII в. там выплавляли высококачественные тигельные стали. Там ров длиной 250 м, шириной 25 м и глубиной 14 м, доверху наполненный тиглями вместимостью от 2 до 10 кг. Варили тигельную сталь, используя каменный уголь. Была целая гора из каменного угля высокого качества. За 600 лет — полностью выработана.
Объёмы представили? За раз? За столетия?
Чем мы хуже Ферганы?
* * *
Дальше — «раздача слоников». Горшени — втык за огнеупоры, Фрицу — за то, что я не продумал доступ к футеровке из-за кожуха. А он не подсказал. Прокую — за истеричность, Терентию — за кое-какие несуразности в обеспечении и размещении. Воздухозаборник сгорел, завалочная часть — в крошево…
По сути — фигня. Появился металл для изложниц, для рельс и вагонеток, для решёток подогрева воздухозаборника…
Вторым уровнем, уже самому себе. Надо выносить «горячие производства» из города. Выносить — все. Но особенно — металлургию. Уж больно ядовито. Второго такого места в округе, как Дятловы горы, с такими возможностями естественного движения воздушных масс — нет. Поэтому — искусственное дутьё. И обязательный подогрев воздуха. И использование колошниковых газов, и достаточность проточной воды, и…
Есть тут недалече речка одна. Известная по моим временам. Течёт себе… извилисто, «соромно». А что там за местности? Надо глянуть.
Короче: «за работу, товарищи!».