溶鉱炉。発明と生産の歴史

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溶鉱炉。発明と生産の歴史

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高炉、溶鉱炉 - 鉄鉱石から鉄と合金鉄を製錬するための、垂直に配置された大型の冶金用シャフト型溶解炉。高炉プロセスの最も重要な特徴は、炉の作業全体 (炉の建設からその「大規模な」修理まで) にわたる連続性と、上昇する羽口ガスの逆流と、上から継続的に下降し成長する原料の柱とが逆流することです。料金の新たな部分が含まれます。

溶鉱炉

何世紀にもわたって、鉄は古代に発見された方法を使用してチーズ吹き炉で採掘されていました。地表に低融点鉱石が豊富に見られる限り、この方法は生産のニーズを完全に満たしていました。しかし、中世に鉄の需要が増加し始めたとき、冶金学はますます耐火性の鉱石を使用しなければなりませんでした。それらから鉄を抽出するには、より高い「溶融」温度が必要でした。当時、それを増加させる方法は1つしか知られていませんでした。2）炉の高さを増加させる。 XNUMX）爆風の増加。

そのため、徐々に、XNUMX世紀までに、シュトゥコーフェン、つまり「クラッカーを作る炉」という名前が付けられたチーズ製造炉から、より高度で高度な溶融炉が形成されました。シュトゥコーフェンは高炉への第一歩でした。それらは鉄の豊富なスティリアで最初に出現し、次にチェコ共和国やその他の鉱山地域で出現しました。これらの炉では、より高い温度に達することができ、より多くの耐火鉱石を処理することができました. シュコーフェンシャフトは二重の円錐台の形をしており、上部 (鉱石と石炭が部分 (ヘッド) で装填される炉のいわゆる上部の開いた部分) と下部に向かって先細りになっています。壁には、羽口（ふいごの助けを借りて炉に空気を吹き込むためのパイプ）と鶏肉を引き出すための穴がXNUMXつありました。

鉱石を鉄に変換するプロセスは、未加工の高炉とまったく同じ方法でシュトゥコーフェンで行われましたが、進歩がありました。閉鎖された鉱山は熱をうまく集中させ、その高さ (最大 3 m) のために製錬が進みました。より均等に、よりゆっくりと、より完全に、鉱石がより多く使用されるようになりました。製錬所の意向とは関係なく、スラグとともにゴミのように流れる鋳鉄、鋳型内の可鍛性鉄、鋳型を薄い層で覆った鋼の5種類の鉄原料がシュトゥコーフェンで一度に得られました。 . （冶金学における鉄、鋼、鋳鉄は、化学鉄と炭素の実際の合金と呼ばれることを思い出してください。それらの違いは、炭素の量にあります。たとえば、柔らかいブルマリー（溶接）鉄では、0％以下です。、鋼の場合 - 最大 04%、鋳鉄の場合 - 1% 以上。

炭素の量がこのような小さな制限内で変化するという事実にもかかわらず、鉄、鋼、および鋳鉄は、その特性が互いに大きく異なります。鉄は鍛造に適した柔らかい金属であり、逆に鋼は優れた切削品質を保持する非常に硬い材料。鋳鉄は硬くて脆い金属で、まったく鍛造することはできません。炭素の量は、金属の他の特性に大きく影響します。特に鉄に多く含まれているほど溶けやすくなります。純鉄はかなりの耐熱金属ですが、鋳鉄ははるかに低い温度で溶けます。)

しかし、シュコフェンの利点は、すべての耐火性鉱石にとって不十分でした。より強い打撃が必要でした。人力はもはや温度を維持するのに十分ではなく、水車が毛皮に動力を供給するために使用されました。水車のシャフトには、くさび形の革製ベローズのカバーを引き戻すために、故障時にカムが取り付けられていました。各溶解炉には、交互に機能するXNUMXつのベローズがありました。すでにXNUMX世紀には多くの製錬所が山や丘から谷や川岸に移動したため、油圧エンジンとベローズの出現はXNUMX世紀の終わりに起因しているに違いありません。この改善は、鋳鉄、その鋳造および再加工特性の発見につながったため、冶金技術の最大の変化の出発点でした。

実際、爆発の増加はプロセス全体に影響を与えました。炉内が非常に高温になり、スラグが形成される前に鉱石から金属が還元されます。鉄は炭素と合金化し始め、上記のように融点が低い鋳鉄に変わり、通常の粘性フラッシュの代わりに完全に溶融した塊（鋳鉄）が炉に現れ始めました。最初、この変態は中世の冶金学者を非常に不快にさせました。冷凍鋳鉄は鉄のすべての自然の特性を奪われ、鍛造も溶接もされておらず、耐久性のある道具、柔軟で鋭い武器を作ることは不可能でした。そのため、鋳鉄は長い間生産の無駄と見なされ、製錬業者は鋳鉄に対して非常に敵対的でした。しかし、それで何をする必要がありましたか？

耐火鉱石からの鉄の回収中に、そのかなりの部分が鋳鉄になりました. この鉄をすべてスラグと一緒に捨てないでください! 徐々に、使用できない銑鉄が冷却されたスラグから選択され始め、XNUMX回目の再溶解が行われ、最初にそれが鉱石に追加され、次にそれ自体が追加されました。同時に、予期せぬことに、鋳鉄は炉内で急速に溶け、発破を増やすと簡単にブルマ鉄に変わることが発見されました。鉱石から入手。また、鋳鉄はより低い温度で溶けるので、この再分配に必要な燃料と時間は少なくてすみます。このように、XNUMX 世紀に、最初は無意識のうちに手探りで、そしてその後かなり意識的に、冶金学における最大の発見、つまり再加工プロセスが行われました。溶鉱炉の普及に伴い、XNUMX 世紀にはすでに広く応用されていました。

すぐに、他の肯定的な特性が鋳鉄で発見されました。ハードクリッツはオーブンから出るのが簡単ではありませんでした。これには通常、数時間かかりました。その間、ストーブは冷却され、追加の燃料がストーブを加熱するために使用され、余分な時間が無駄になりました。溶鉄を炉から放出する方がはるかに簡単でした。炉は冷える時間がなく、すぐに鉱石と石炭の新しい部分を入れることができました。プロセスは継続的に続行できます。さらに、鋳鉄は優れた鋳造品質を持っていました。（何世紀にもわたって、鉄を処理する唯一の方法は鍛造であったことを思い出してください。）XNUMX世紀の半ばまでに、それからの最初の粗い鋳造物が原因でした。砲兵の開発に伴い、鋳鉄の使用が拡大しました。最初は砲弾の鋳造に使用され、次に大砲自体の個々の部品の鋳造に使用されました。しかし、XNUMX世紀の終わりまで、鋳鉄はまだ品質が低く、不均一で、液体が不十分で、スラグの痕跡がありました。粗くて気取らない墓石、ハンマー、炉ボイラー、その他の複雑でない製品がそこから出てきました。

鋳鉄では炉の設計にいくつかの変更が必要でした。いわゆるブラウオーフェン（ブロー炉）が登場し、高炉への次のステップを表しました。それらはシュツコーフェンよりも高い高さ（5〜6 m）で区別され、非常に高い温度での溶融の継続を可能にしました。確かに、製鉄プロセスが XNUMX つの段階に分けられる (つまり、一方の炉では鋳鉄が連続的に製錬され、もう一方の炉では鋳鉄が鉄に変換される) という考えはすぐには思いつきませんでした。ブラウフェンは鉄と鋳鉄の両方を同時に生産しました。

溶融が完了すると、羽口の下にある開口部からスラグが放出されました。冷却後、粉砕し、鋳鉄ペレットを分離した。クリツァは大きなトングとバールで引き抜き、ハンマーで処理しました。最大のクリツィーの重さは最大40ポンドでした。さらに、最大 20 ポンドの鋳鉄が炉から引き出されました。 15 回の加熱は 3 時間続きました。鶏肉を取り出すのに4時間、かまどの準備に5～XNUMX時間かかりました。

最後に、XNUMX段階の製錬プロセスのアイデアを思いつきました。改良されたブラウオフェンは、銑鉄の生産専用の高炉である新しいタイプの炉に変わりました。それらとともに、最終的にリワークプロセスが認識されました。チーズ製造プロセスは、至る所で鉄処理の XNUMX 段階法に置き換えられ始めました。まず、鉱石から鋳鉄が得られ、次に鋳鉄の二次再溶解中に鉄が得られました。最初の段階はドメインプロセスと呼ばれ、XNUMX 番目の段階は重要な再配布です。

溶鉱炉
XV-XVI世紀の高炉

XNUMX世紀半ばの英国製溶鉱炉の外観。

最も古い溶鉱炉は、4 世紀後半にジーガーラント (ヴェストファーレン州) に登場しました。彼らの設計はブラウオーフェンとは 5 つの点で異なっていました: シャフトの高さが高く、送風機が強力で、シャフト上部の容積が大きくなっています。これらの炉では、温度の大幅な上昇が達成され、鉱石のより長い均一な製錬が達成されました。最初は閉鎖型の高炉を建設しましたが、すぐに前壁が開かれ、炉床が拡張され、開放型の高炉が得られました。高さ 1600 m のこのような溶鉱炉は、XNUMX 日あたり最大 XNUMX kg の銑鉄を生産しました。

銑鉄は、チーズ溶鉱炉に似たデザインのブルマリーで鉄に加工されました。作業は、炭の積み込みと爆風の供給から始まりました。木炭がノズルの近くで燃え上がった後、鋳鉄のインゴットが置かれました。高温の作用下で、鋳鉄は溶け、一滴ずつ流れ落ち、羽口の反対側の領域を通過し、ここで炭素の一部を失いました. その結果、金属は厚くなり、溶融状態から低炭素鉄のペースト状の塊になりました。この質量は、バールによってノズルまで持ち上げられました。

爆風の影響で炭素がさらに燃え尽き、再び炉床の底に沈んだ金属はすぐに柔らかくなり、溶接しやすくなりました。徐々に、底に塊が形成されました-50〜100 kg以上の重さの叫び声が、それを圧縮して液体スラグを絞り出すために、ハンマーの下で鍛造するために炉床から取り除かれました。

全体のプロセスは1〜2時間かかりました。塊鉄炉では1日あたり約90トンの金属が得られ、完成した塊鉄の収率は鉄重量の92〜XNUMX％でした。塊鉄はスラグが少ないため、生鉄よりも品質が高かった。

XNUMX 段階 (生生地) プロセスから XNUMX 段階 (高炉と発酵) プロセスへの移行により、労働生産性を数倍向上させることが可能になりました。金属に対する需要の増加が満たされました。しかし、すぐに冶金学は別の種類の困難に直面しました。鉄の精錬には大量の燃料が必要でした。数世紀にわたり、ヨーロッパでは多くの木が伐採され、数千ヘクタールの森林が破壊されました。

一部の州では、無秩序な伐採を禁止する法律が可決されています。この問題はイギリスで特に深刻でした。木炭が不足していたため、イギリス人は必要な鉄のほとんどを海外から輸入することを余儀なくされました。 1619 年、ドドリーは初めて製錬に石炭を使用しました。しかし、石炭の広範な使用は、鉄の良好な生産を妨げる硫黄の存在によって妨げられました。

ダービーが石炭から硫黄を除去する方法を発見したのは 1735 年のことで、ダービーは密閉したるつぼで石炭を熱処理する際に生石灰を使用して硫黄を吸収する方法を発見しました。それで、新しい還元剤 - コークス - が得られました。

高炉生産のスキーム (クリックして拡大): 1 - 鉄鉱石 + 石灰石。 2 - コーラ。 3 - ベルトコンベア; 4 - 高炉ガスの大気中への漏出を防止する装置を上部に取り付ける。 5 - コークスの層。 6 - 石灰岩、酸化鉄、鉱石の層。 7 - 熱風（温度約 1200°C）。 8 - スラグ。 9 - 液体銑鉄。 10 - スラグ取鍋。 11 - 鉄のキャリア。１２−蓄熱器１３で燃焼させる前に、高炉ガスから粉塵を除去するためのサイクロン。 12 - 再生器（クーパー）。 13 - 煙突。 13 - 再生装置（冷却器）への空気供給。 14 - 石炭粉。 15 - コークス炉。 16 - コークス用タンク。 17 - ホットトップガス用のガス出口

著者：Ryzhov K.V.

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