Як працює «сиродутна» піч. Яке її застосування

До XIV века основным процессом получения железа было восстановление его из руды в сыродутной печи (домнице). Такая печь имела форму, близкую к усеченному конусу высотой примерно 1,2 м и диаметром 60–80 см в основании и 30 см в верхней (колошниковой) части, складывалась из камня или огнеупорного кирпича и обмазывалась глиной. В печи была предусмотрена фурма – труба для подачи воздуха от мехов диаметром в несколько сантиметров, отверстие для слива шлака в нижней части, а также иногда разборная часть для извлечения слитка железа после окончания процесса. После высыхания печь протапливали с помощью дров, чтобы обжечь глину, а также для образования золы, которая в дальнейшем служила подстилающим «антипригарным» покрытием и выполняла роль одной из составляющих частей флюса (зола содержит соду и поташ). Эта часть технологии не вызвала у нас никаких особых затруднений, и после сооружения домницы и прошествии нескольких дней, которые потребовались на высыхание глины и обжиг, мы приступили к первой части процесса – восстановлению железа.

В качестве исходного материала мы взяли богатую (и к тому же обогащенную) руду – магнетит (FeOFe2O3) из района Курской магнитной аномалии. Технология достаточно проста: в печь до половины загружают древесный уголь, разжигают, после чего сверху засыпают смесь руды с флюсом (в каче-стве которого мы использовали вполне исторически аутентичную смесь доломитовой муки, песка и соды). Поверх насыпают еще слой угля, и затем по мере его прогорания добавляют слои руды с флюсом и угля. Такой цикл повторяют несколько (до пяти) раз. При этом на протяжении нескольких часов требуется постоянный поддув воздуха с помощью мехов, чтобы температура в печи достигла 1400–1500 С (тут мы были вынуждены немного отступить от технологии, поскольку использовали электрический поддув из-за нехватки работников).

В сыродутной печи происходит несколько процессов. Во-первых, порода при высокой температуре отделяется от руды и стекает вниз в виде шлака. Во-вторых, оксиды железа угарным газом и углеродом восстанавливаются до железа, зерна которого сплавляются между собой, образуя слиток – крицу. Когда уголь почти полностью прогорает, шлак через отверстие в печи сливают, а затем, после остывания, разбирают часть стенки и извлекают крицу – пористый железный слиток.

Эффективность сыродутного процесса невелика: значительная часть железа уходит в шлак, и из 120 кг руды мы получили всего около 25 кг крицы. Причем это пока еще только сырой исходный материал, очень неоднородный по своему качеству. Во время своего нахождения в печи крица насыщается углеродом весьма неравномерно и в результате содержит фрагменты мягкого железа почти без углерода (0–0,3%), углеродистой стали (0,3–1,6% углерода) и чугуна (с содержанием углерода выше 1,6%). Это совершенно разные материалы, с разными свойствами, поэтому первым делом нужно провести первоначальную сортировку. «Крицу разбивают на небольшие куски, которые по механическим свойствам – хрупкость и пластичность – сортируют на три кучки с различным содержанием углерода, – объясняет Василий Иванов. – Если кусок мягкий и ковкий, то содержание углерода низкое, если твердый – высокое, если куски хрупкие и легко раскалываются, обнажая характерный излом, – это чугун».

Сыроду́тная пе́чь — простейшее приспособление для получения металла из железной руды.

В земле выкапывалась яма, в которую закладывались руда и древесный уголь, над ямой сооружался купол с короткой трубой, а сбоку прилаживался мех для дутья. Когда процесс заканчивался, печь разрушали и доставали крицу. Многократно использовались только меха.

Одна печь выдавала крицу весом в среднем около 3 кг, на треть состоящую из железа. Но при проковке крицы много железа снова окислялось или оставалось в шлаке. Процесс был фантастически непроизводительным, особенно если вместо руды использовался красный песок или болотная грязь.

Даже из самой легкоплавкой руды в сыродутной печи восстанавливалось не более половины железа. В случаях же использования ржавого песка, в котором самого железа было мало, а вредных примесей (фосфора и серы) много, крицу на несколько лет опускали в воду. За это время фосфор и сера окислялись почти полностью, а часть железа ещё не успевала.

В общем, можно считать, что сыродутная печь давала в среднем не более 500 граммов железа.

Несмотря на это, сыродутная техника получения железа сохранялась во многих регионах очень долго. Ею пользовались не только варварские, но и многие цивилизованные народы. Только в Индии сыродутные печи вышли из употребления в начале I тысячелетия до новой эры, в Китае же они служили до II века новой эры, на Арабском Востоке — до VII века, в Западной Европе — до начала XIV, а в России — до конца XIV века. Римляне, в частности, не знали других способов производства железа.

Кроме низкой производительности, недостатком сыродутной технологии была её расточительность, — учитывая все потери, извлекалось в среднем около 20 % железа содержащегося в руде. Но ещё хуже было то, что большая часть руд вообще не расплавлялась в сыродутной печи. Те же, что годились, ещё надо было найти и добыть, а возможности для этого у наших предков были весьма скромными, — даже у цивилизованных народов, умеющих строить шахты.

В качестве сырья мог использоваться, конечно, не только качественный магнетит, но и песок (или даже болотная жижа) с небольшим содержанием окиси железа. Найти подобный ресурс в количестве необходимом для кустарной кузницы проблемы не составляло — такое железо имелось везде (даже норвежцы, высадившись в Америке, сразу начали разработку какой-то лужи). Но подобные источники были приемлемы для варварских племён, но не для нации с миллионными городами.