Сыродутный процесс

Сыродутный процесс — это древнейший металлургический способ получения железа из руды, основанный на восстановлении оксидов железа в твёрдой фазе при относительно низких температурах (от 700 до 900 °C) в специальной печи — сыродутном горне. Процесс получил своё название из-за использования атмосферного воздуха, не подвергавшегося предварительному подогреву («сырого» дутья), что отличало его от более поздних методов с подогревом дутья. Сыродутный процесс был основным способом получения железа на протяжении нескольких тысячелетий, начиная с эпохи раннего железа (около XII—X века до н. э.) и вплоть до появления доменных печей в XV—XVI веках.

История

Происхождение

Зарождение сыродутного процесса относят к концу бронзового века — началу железного века. Первые археологические свидетельства целенаправленного получения железа из руды обнаружены в Малой Азии (территория современной Турции) и датируются примерно 1200—1100 годами до н. э. В этот период хетты, а затем и другие народы Ближнего Востока освоили технологию восстановления железа в небольших ямах или глиняных горнах. Сыродутный процесс быстро распространился по Средиземноморью, Европе, а затем и в Азии.

На территории Восточной Европы и Древней Руси сыродутный процесс стал известен в I тысячелетии до н. э. и активно применялся славянскими племенами. В IX—X веках, с образованием Древнерусского государства, производство железа сыродутным способом достигло значительного размаха. Археологи находят многочисленные остатки сыродутных горнов и шлаков на поселениях в Новгородской, Смоленской, Черниговской и других землях.

Развитие и распространение

На протяжении античности и раннего Средневековья сыродутный процесс оставался единственным способом получения железа. В Древнем Риме и в странах Средиземноморья технология была усовершенствована: горны стали делать более высокими, а дутьё — более интенсивным, что позволяло получать более крупные крицы. В Индии и Китае сыродутный процесс использовался параллельно с выплавкой чугуна, но в Европе вплоть до XIV века он оставался доминирующим.

В Средние века в Европе получили распространение так называемые «штирийские» и «каталонские» горны, которые представляли собой усовершенствованные варианты сыродутных печей. В них дутьё подавалось с помощью водяных колёс, что увеличивало производительность. Однако принципиально процесс оставался тем же: железо не плавилось, а получалось в виде крицы.

Упадок

Сыродутный процесс постепенно уступил место более эффективным методам. Ключевым фактором стало изобретение и распространение доменных печей, в которых при более высоких температурах (свыше 1200 °C) и интенсивном дутье происходила плавка руды с получением чугуна. Первые домны появились в Европе в XV веке. Чугун, в отличие от кричного железа, был хрупким, но его можно было перерабатывать в ковкое железо в специальных горнах (кричных переделах). Этот двухстадийный процесс (выплавка чугуна + его передел) оказался гораздо производительнее и экономичнее сыродутного.

К концу XVIII — началу XIX века сыродутный процесс в промышленных масштабах практически исчез в Европе и Северной Америке. В некоторых отдалённых регионах (например, в Сибири, на Урале, в Африке) он сохранялся до конца XIX — начала XX века. В настоящее время сыродутный процесс используется исключительно в реконструкторских и экспериментальных целях для изучения древних технологий и получения исторически аутентичного железа.

Технология процесса

Сырьё

Основным сырьём для сыродутного процесса служили железные руды, преимущественно бурые железняки (лимонит), гематит и магнетит. Важным условием была доступность руды и её относительно высокое содержание железа (не менее 30—40 %). В качестве флюса (вещества, способствующего отделению шлака) часто использовали известняк или доломит, хотя в простейших вариантах обходились и без него.

Топливом служил древесный уголь, который давал высокую температуру и не содержал серы, вредной для качества железа. Каменный уголь для сыродутного процесса не применялся из-за его загрязняющего действия.

Устройство печи (горна)

Сыродутный горн представлял собой шахтную печь, сложенную из камня или глины. В простейшем варианте это была яма, обмазанная глиной. Более совершенные горны имели форму усечённого конуса или цилиндра высотой от 0,5 до 2 метров. В нижней части печи располагалось отверстие для подачи воздуха (фурма) и выпуска шлака. Воздух подавался с помощью ручных или ножных мехов, а в более поздних вариантах — с помощью водяных колёс.

Ход плавки

Процесс плавки состоял из нескольких этапов:

1. Загрузка. В горн послойно загружали древесный уголь и измельчённую руду. Соотношение угля и руды могло варьироваться, но обычно угля требовалось значительно больше (в 5—10 раз по объёму).
2. Розжиг и дутьё. Уголь поджигали, и начинали подавать воздух. Температура в горне постепенно повышалась до 700—900 °C. При такой температуре железо не плавится (температура плавления чистого железа — 1538 °C), но его оксиды вступают в реакцию с угарным газом (CO), образующимся при неполном сгорании угля. В результате химической реакции оксид железа восстанавливается до металлического железа, которое остаётся в твёрдом состоянии.
3. Образование крицы. Восстановленное железо в виде мелких зёрен, пропитанных шлаком, спекалось в пористую губчатую массу — крицу. Крица содержала много шлаковых включений, которые делали её хрупкой.
4. Выемка крицы. После завершения плавки (обычно через 4—8 часов) горн разбирали или вынимали крицу через нижнее отверстие. Крица весила от нескольких килограммов до нескольких десятков килограммов.
5. Проковка. Горячую крицу сразу же проковывали кувалдой. При этом из неё выдавливался жидкий шлак, а железо уплотнялось и сваривалось в монолитную массу. После проковки получалась заготовка — «кричное железо», которое уже можно было использовать для ковки различных изделий.

Химические реакции

Основная химическая реакция сыродутного процесса — восстановление оксида железа (III) угарным газом:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Угарный газ (CO) образуется при неполном сгорании углерода угля в условиях недостатка кислорода:

2C + O₂ → 2CO

Параллельно происходило образование шлака: пустая порода (кремнезём, глинозём) и флюс (известняк) взаимодействовали, образуя легкоплавкие силикаты, которые стекали вниз и выводились из горна.

Характеристики получаемого продукта

Железо, полученное сыродутным процессом, называлось кричным железом. Оно имело ряд характерных особенностей:

• Низкое содержание углерода. В кричном железе содержание углерода обычно не превышало 0,1—0,3 %, что делало его мягким, ковким и пластичным, но не позволяло закаливать его до высокой твёрдости.
• Неоднородность. Из-за неполного восстановления и неравномерного распределения шлака кричное железо было неоднородным по составу и свойствам. В нём часто встречались шлаковые включения, которые ухудшали его качество.
• Наличие примесей. В железе могли присутствовать примеси фосфора, серы, марганца и других элементов, которые попадали из руды и угля. Особенно вредным был фосфор, который делал железо хладноломким.
• Низкая производительность. За одну плавку получали всего несколько килограммов железа, а расход топлива был огромен. На 1 кг железа требовалось до 10—15 кг древесного угля.

Для улучшения свойств кричное железо подвергали дополнительной обработке: цементации (науглероживанию) для получения стали, а затем закалке. Из такого железа изготавливали оружие (мечи, ножи, наконечники копий), орудия труда (топоры, серпы, лемехи плугов), а также предметы быта (ножи, гвозди, скобы).

Значение и наследие

Сыродутный процесс стал основой для развития металлургии и цивилизации в целом. Он позволил человечеству перейти от бронзы к железу, которое было более доступным и прочным материалом. Железные орудия труда и оружие обеспечили значительный прогресс в сельском хозяйстве, ремёслах и военном деле.

Несмотря на свою архаичность, сыродутный процесс заложил фундамент для всех последующих металлургических технологий. Принцип восстановления железа из руды, хотя и в более совершенной форме, лежит в основе современной чёрной металлургии. Изучение сыродутного процесса помогает археологам и историкам реконструировать технологический уровень древних обществ, а также понять эволюцию металлургических знаний.

Источники

1. Беккерт М. «Железо: факты и легенды». — М.: Металлургия, 1984.
2. Колчин Б. А. «Чёрная металлургия и металлообработка в Древней Руси». — М.: Издательство АН СССР, 1953.
3. Толмачёв И. А. «Металлургия железа в древности и средневековье». — М.: Наука, 1988.
4. Tylecote R. F. «A History of Metallurgy». — London: The Metals Society, 1976.