Автор: Михайлов Леонид

11 класс

 Руководители:

 А.М. Подурец

В.Ф. Кузнецова

2011

Введение

Нас давно интересовала история развития металлургии в нашем крае, эта история связана, в основном, с братьями Баташовыми, которые владели заводами в нашем округе. В предыдущие годы мы занимались исследованием их заводов в Илёве [1], Сноведи [2], а также в Рязанской и Владимирской областях [3]. Известно, что на заводах Баташовых существовал полный металлургический цикл: от добычи руды до изготовления железных изделий. В процессе изучения истории заводов нас очень интересовал вопрос о развитии технологии металлургии, и данную работу мы посвятили древнему процессу получения железа.

Развитие металлургии железа

Первые известные археологам железные предметы относятся к 10 веку до н.э. Первое железо ценилось очень дорого и не сразу использовалось для изготовления орудий труда. Самым древним способом получения железа из руды был, так называемый, сыродутный способ, при котором в горн или печь загружают железную руду и уголь, при горении которого происходит частичное восстановление железа из руды. В горн нагнетали «сырой», не подогретый воздух, откуда и произошло название самой техники. Плавление в горне измельченной железной руды в смеси с древесным углем происходило при высокой температуре. По мере выгорания угля твердые зерна железа, восстановленные из руды, опускались в низ печи и, свариваясь, образовывали губчатый сгусток, называемый крицей. Для уплотнения металла вынутую из горна застывшую крицу многократно проковывали, получая монолитный кусок железа весом до 5-6 кг. Товарным крицам металлургии придавали округлую лепешкообразную форму.

Впоследствии, при производстве железа примитивные кричные горны были заменены доменными печами: эти печи имеют больший размер, производительность, а также в них достигается большая температура. Продукцией домны является чугун (железо с высоким содержанием углерода), который потом перерабатывается в железо или сталь [4-6].

Цели и задачи работы

Цель работы: реконструировать сыродутный способ получения железа в современных условиях.

Задачи:

1) Найти руду, необходимую для выплавки железа.

2) Соорудить печь, максимально соответствующую древним образцам.

3) Провести процесс плавки.

4) Проанализировать полученные образцы.

Описание получения железа в литературе

Одним из источников по которому мы восстанавливали древний способ получения железа была книга Жюля Верна “Таинственный остров” [7]. В книге описывается, как несколько людей попали на необитаемый остров в одной одежде и постепенно сами создавали себе разные удобства, в том числе они выплавляли железо для собственных нужд.

Их способ выплавки назывался “каталонским”. Он заключался в следующем. ”Каталонский способ в собственном смысле требует постройки печей и тиглей, в которые укладываются пластами руда и уголь.” Но герой книги инженер Сайрес Смит предполагал обойтись без этих конструкций. Он возвёл «кубическое сооружение из угля и руды и направил в центр него струю воздуха». “Каменный уголь, так же как и руду, удалось без труда собрать поблизости прямо с поверхности земли. Сначала руду искрошили на мелкие куски и очистили руками от грязи. Затем уголь и руду слой за слоем сложили в кучу, как делает угольщик с деревом, которое он хочет обжечь. Таким образом, под действием воздуха, нагнетаемого мехами, уголь должен был превратиться в углекислоту и затем в окись углерода, которой предстояло восстановить магнитный железняк, то есть отнять от него кислород”. Воздушное дутьё было организовано с помощью мехов из тюленьих шкур.

Железо было получено, но “это оказалось трудным делом. Понадобилось всё терпение, вся изобретательность колонистов, чтобы успешно его осуществить. В конце концов, оно удалось, и была получена железная болванка в губчатом состоянии, которую надо было ещё ковать, чтобы выгнать из неё жидкий шлак. Таким образом, был получен грубый, но годный к употреблению металл”.

Мы пытались воплотить в реальность то, что было описано Жюлем Верном. Основным отличием нашего способа являлось то, что мы использовали печь.

Процесс получения железа

Добыча руды

3 июня 2010 года мы поехали исследовать окрестности села Елизарьева, где, как нам было известно, находились дудки-шахты по добыче железной руды. От Сарова мы добрались до места примерно за 20 минут. Добравшись до места, мы пошли на поиск руды, которая должна была располагаться в области старых шахт. Больше всего руды мы нашли там, где не было травы и был снят (траншея антипожарная) или утрамбован (дорога) слой грунта. Именно в траншее мы и нашли большинство руды разных размеров, вплоть до 15*10*10 см (приблизительно). В основном руда была серого и бурого цвета. Преобладает руда бурого цвета. Мы набрали ведро руды. Также мы увидели около десятка остатков дудок, которые засыпаны и уже заросли травой.

 DSC02792

Старая дудка вблизи села Елизарьева

 DSC02789

Железная руда

Измельчение руды

Мы решили дробить руду до размеров не более 1см3 , чтобы её было легче расплавить. Мы раздробили всю руду, находящуюся в ведре и получили примерно 3/5 ведра дроблёной руды.

DSC03664ь

Процесс измельчения руды автором работы

 Кладка печи

Для печи были использованы обломки силикатных кирпичей. Кладка печи осуществлялась с помощью смеси цемента с песком. Мы намесили раствор и ряд за рядом складывали кирпичи в печь, скрепляя их раствором.

DSC03667

Приготовление раствора

DSC03675

Наша печь

 Плавка

Печь предварительно нагрели, сжигая в ней дрова в течение полутора часов.

В прогретую печь мы засыпали руду, а затем древесный уголь, приобретённый в магазине, слоями. Нам надо было добиться температуры в 900 градусов по Цельсию, поэтому помимо условий, предоставленных нам природой, нам пришлось использовать пылесосы для дутья (имитация мехов). Пылесосов было два и включались они поочерёдно, работая по 30 минут без перерыва. Но уже через час плавки печь начала трескаться, так как силикатный кирпич не выдерживал столь высокой температуры. Но при том, что она трескалась, за 2ч30мин плавки не рассыпалась. В процессе плавки мы измеряли температуру внутри печи с помощью специального прибора. Она колебалась от 800 до 1300 градусов по Цельсию. Весь процесс с подготовкой занял 4ч.

DSC03680

Воздушное дутьё. На фото — Валентина Фёдоровна Кузнецова — хозяйка пылесоса

DSC03682

Загрузка руды и угля

DSC03693

Измерение температуры при помощи пирометра проводит Алексей Ковалёв

 Результат плавки

После разборки печи на следующий день мы извлекли из неё серые кусочки со слабо выраженным металлическим блеском.

DSC03701

Разборка печи

 DSC03700

Образцы полученного металла

 DSC03704

Видимо, металлургическая реакция имела место (до и после)

Попытка проковать полученный металл

Следуя способу, описанному Жюлем Верном, образцы полученного металла следовало проковать. Для этого мы их отнесли в кузницу, там кузнец раскалил их в горне, но под его молотком наш металл рассыпался. Экспертиза, проделанная в одной из лабораторий ВНИИЭФ, показала, что полученное вещество состоит на 20% из железа, а остальное — оксиды железа.

 

Заключение

Металл мы получили, но он оказался не годным для изготовления каких-либо изделий.

В чём же была наша возможная ошибка? Мы разместили описание нашего опыта в интернете и получили множество комментариев [8], некоторые из которых оказались ценными.

В частности, пользователь с ником 3meys подсказал нам:

“При кричной плавке из руды температура должна быть ~900 градусов и как можно меньше не сгоревшего кислорода, чтоб он не окислял обратно металл”.

Из этого мы делаем вывод, что у нас была температура несколько выше необходимой, и восстановленное железо окислилось, что объясняет хрупкость и пористость полученных нами образцов.

Тем не менее, мы считаем, что добились поставленных целей — провели плавку, в результате которой был осуществлён металлургический процесс. С помощью нашего эксперимента мы приблизились к пониманию древнего металлургического производства.

Благодарности

            Автор и руководители благодарят сотрудников Института Физики Взрыва РФЯЦ-ВНИИЭФ Алексея Евгеньевича Ковалёва за измерения температуры при помощи пирометра и Михаила Игоревича Ткаченко за проведение рентгеноструктурного анализа руды и металла.

Список литературы

  1. Колоярцева Н. (руководитель В.Ф. Кузнецова). Село Илёв. История, отлитая в чугуне. Доклад на VII конференции ЦВР «Открытие родной земли». Саров, 2004.
  2. Михайлов Л. (руководители А.М. Подурец, В.Ф. Кузнецова). История Сноведского металлургического завода. Доклад на городской эколого-краеведческой конференции, Саров, 2008.
  3. Михайлов Л. (руководители А.М. Подурец, В.Ф. Кузнецова). Унженские заводы Баташёвых. Доклад на Школьных Харитоновских чтениях, Саров, 2010.
  4. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. Москва, 2002.
  5. http://erzya.ru/culture/57-krichniki.html
  6. http://termist.com/bibliot/popular/mezenin/mezenin_018.htm
  7. Верн Ж. Таинственный остров. Минск, 1984.
  8. http://leprosorium.ru/comments/948169.

Приложение

Сравнение технологии сегодня, в XVII — XVIII веках (вчера) и нашей

Добыча руды:

2 Untitled-1 DSC02787

Измельчение руды:

3 4 DSC03666

Получение угля:

5 6 DSC03685

Печи:

7 8 DSC03675

Плавка:

10 11 DSC03697

Дутьё:

9 DSC03694

Результат:

13 12 DSC03700

Просмотров: 26 205

К этой записи 7 комментариев

  • Ал. А. Демидов Ал. А. Демидов:

    Алексей Михайлович!
    Не нашёл в работе начального состава руды! А ведь её анализ был проведен…

    1. А. М. Подурец А. М. Подурец:

      Сидерит, сиречь карбонат железа.

      1. Ал. А. Демидов Ал. А. Демидов:

        А процентный состав? Бедная или богатая руда? Ведь все железные руды разные?

        1. Ал. А. Демидов Ал. А. Демидов:

          Алексей Михайлович!
          Так как Вы уже давно занимаетесь со школьниками историей развития металлургии в нашем крае, то уверен, Ваши ребята в каких-то своих работах дали общую классификацию железосодержащих руд России (СССР, Мира) и место наших «болотных» руд в этой классификации. Дайте ссылочку или разместите на сайте этот материал для нашего общего развития… 🙂

          1. А. М. Подурец А. М. Подурец:

            Это не болотная руда. Болотная, насколько я знаю, это окисел железа, а у нас — углекислое железо, залегающее на глубине в 10-15 м. Количественный анализ руды не делался.

  • Ал. А. Демидов Ал. А. Демидов:

    В преддверии очередных Школьных Харитоновских Чтений в Сарове вижу абсолютную необходимость опубликовать документы по анализу образцов урановой руды «Мраморного» в лабораториях РФЯЦ-ВНИИЭФ. Приедут ли к нам школьники из Новой Чары Забайкальского края на Чтения? Когда ШХЧ — 2015 начнутся?

  • Игорь:

    Тут в работе забыли про сознание оператора выплавки, который и задает трансформацию материалов, работает со стихиями огня и воздуха. Поэтому результата практически нет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>