Примерное предполагаемое развитие технологий.

Домница (выплавка чугуна)

Выплавка чугуна производится в домнице, выложенной из огнеупорных кирпичей. Достигает 6 м высоты при внутреннем диаметре около 2,5 м. Выход металла для болотных руд принимаем за 10 % от массы. Кроме того, угля к руде берем как 3:1 (а далее будем подводить нагретые колошниковые газы). Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием - колошником, которая закрывается подвижной колонкой - колошниковым затвором. Шахта домницы имеет форму слегка усеченного конуса, суживавшегося по направлению к верху. Середина печи назовем распаром, а нижнюю часть - горном. Через специальные отверстия в горне (фурмы)в домницу вдувается горячий воздух. Через колошник порциями (колошами) загружается руда и уголь. Закрытая шахта хорошо концентрирует тепло, а благодаря ее высоте плавка идет равномернее, медленнее и полнее, чем в том же блауофене, так что руда оказывается более использованной.

В стенке имеется одно отверстие для фурмы (трубы, через которую в печь с помощью мехов нагнетается воздух) и отверстия для отвода шлаков и расплавленной массы чугуна. Для приведения в действие мехов используют водяное колесо. Вал водяного колеса снабжается посаженными на него в разбивку кулачками, которые оттягивают крышки клинчатых кожаных мехов. Для каждой плавильной печи имеются два меха, работающих попеременно.

Доменную печь загружают сначала древесным углем, а затем послойно рудой с известняком в качестве флюса (последний для связывания пустой породы в шлаки) и тем же углем. Доменная печь работает непрерывно (пока хватает руды). По мере того как верхние слои руды и угля опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и угля доставляется по помосту на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку (будет введено на 2 этапе после получения некоторого кол-ва чугуна), закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи. А из нее, по изогнутым трубкам через фурмы в горн (2 этап). В горне уголь сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накаленного угля, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в СО2. Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах - кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха (2 этап). В любом случае, первичный подогрев вовздуха будет проводиться торфяными печами.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи - распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время огнеупорной глиной.

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением: Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2. Это - тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс про который говорили ранее - CaCo3 (известняк). При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

В качестве примера приведу процентное содержание веществ в шлаке (что вполне может отличаться у разных руд и разных технологий):
Главной составляющей шлака является фаялит. Шлак содержит по массе: 45-50 % монооксида железа, 25-35 % кремнезема, 4-6 % глинозема, до 5 % извести и магнезии и до 15 % монооксида марганца. Кроме того, в шлаке присутствует оксиды щелочных металлов, фосфор (иногда более 1 %) и сера. Железистые шлаки отличаются высокой жидкоподвижностью, поэтому они легко вытекают из печи через отверстия в стенках, расположенные немного ниже уровня фурмы.
ЗЫ: Присутствие в рудах монооксида марганца, взаимодействующее с кремнеземом, облегчает восстановление железа и уменьшает его потери в ходе плавки.

Спуск расплавленной массы чугуна идет по глиняным лоткам в конвертер, а, по его заполнению, его перебрасывают в отлив чушек, формы которых выдавлены либо в песке, либо в глине. Данные чушки плавят в тиглях и разливают по формам, либо пускают на переплавку в вагранки.

Конвертор (передел чугуна)

Располагаться будет рядом, но чуть ниже домницы по уровню. Неподвижный конвертер, выложенный из огнеупорных кирпичей имеет вид невысокой вертикальной печки, закрытой сверху сводом с отверстием для выхода газов. Примерные размеры конвертора в высоту 0,3 и в ширину тоже по 0,3 метра каждая сторона. Сбоку в верхней части конвертера второе отверстие для заливки чугуна по глиняным лоткам прямо из домницы. Готовую сталь выпускаем через отверстие в нижней части печи (во время работы конвертера его забиваем огнеупорной глиной). В середине конвертера отверстие для выпуска шлаков. Воздуходувные трубки (фурмы) находятся возле самого пода печи. Так как конвертер неподвижный, продувку начинаем раньше, чем вливаем чугун, в противном случае металл зальет фурмы. По той же причине надо вести продувку до тех пор, пока весь металл не будет выпущен.

Мощность продувки.

Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна - ~350 кубометров за 20 минут (т.е. ~17 кубов в минуту или ~ треть куба в секунду). Берем объем 0.2х0.2х0.2= ~60 кг. Т.е. дуть нам надо примерно со скоростью 20 лит/сек.

Теперь сравниваем с мощностью водяных колес. Имеем 12-14 Квт от двух. Если современные компрессоры имеют производительность около 3-4 литра в секунду на 1 кВт, то мы в лучшем можем рассчитывать на 1-2 литра на 1 кВт. Пусть будет 1.5 л/сек. Тогда на два колеса получим требуемые ~20л/c. Посколько конвертер получается маленьким, то основная его работа будет не при прямой заливки из домницы. Наверное, стоит плавить чугун в вагранках и уже металл из них сливать в конвертер. Весь процесс длится не более 20 минут. Малейшая задержка на любом этапе дает брак. Это неудобство, но, к сожалению, возможностей для вращающейся печи я пока не вижу.

Мощность воздуходувной техники (альтернативный пример)
В принципе 2 клинчатых меха может достигнуть требуемой нам мощности, но давайте не забывать, что внизу приведены максимальные значения и водный поток просто не сможет создать требуемую производительность колеса.

Устройства для подачи дутья в металлургические агрегаты	Количество дутья,м3/мин.
Ручные меха	до 1
Клинчатые меха с водяным приводом	до 5
Водотрубная воздуходувка 'тромпа' (изобретена Джанбатиста дела Порта в 1589 г.)	5-7
Клинчатые меха с приводом от водоналивного колеса	10-15
Поршневые деревянные воздуходувки	20-30
Поршневая воздуходувка с чугунными цилиндрами конструкции Дж. Сметона, 1760 г.	60-70

Футеровка
Еще одна проблема - фосфор и сера не выгорают вместе с другими примесями; из чугуна они попадают в сталь и существенно снижают ее качество.

Основная футеровка нашего Томасовского конвертора (из обожжённого доломита) даёт возможность загружать в него известь для ошлакования и удаления фосфора. Таким образом, добавляем в конвертер до 12-15% свежеобожженной извести на первом этапе, а затем заливаем чугун. При этом образуются известковый шлак, способный удерживать фосфор в прочных химических соединениях. В результате фосфор выгорает вместе с другими ненужными примесями, а чугун превращался в сталь.

Первый период продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр.

Окисление железа, кремния, марганца идет по реакциям: Si + O2 = SiO2, 2Mn + O2 = 2MnO, 2Fe + O2 = 2FeO.

Образующаяся закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла.

Для удаления фосфора достаточны невысокие температуры металла и шлака, но необходимо достаточное содержание в шлаке FeO. Помимо вышеприведенных реакций для повышения содержания FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. Фосфор окисляется по формуле: 2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4*P2O5 + 5Fe. В результате окисления фосфор переходит из металла в шлак, поскольку тетрафосфат кальция может раствориться только в нем. Данная реакция также сопровождается выделением значительного количества тепла, за счет которого происходит более резкое повышение температуры металла. При повышенном содержании фосфора (а у нас именно так) для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, добавляя обожженную известь, что конечно снижает производительность конвертера.

Второй период начинается после почти полного выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для продолжения окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя. Когда содержание углерода в металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет.

При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая "кипение". При "кипении" уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему конвертера, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO. Все это способствует повышению качества металла.

Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа FeS растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO: [FeS] + (CaO) = (CaO) + (FeO)

Образующееся соединение CaS растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак. Высокое содержание в шлаке FеО (до 7-20%) затрудняет протекание реакции удаления серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с ограниченным содержанием серы (до 0,07%).

По мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 - 3 мин. После третьего этапа в конвектор можно ввести раскислители для понижения содержания кислорода в металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Это можно сделать только в том случае, если подобрать так называемые синтетические шлаки. Однако я не думаю, что наши герои смогут за короткий срок сделать это. Однако есть еще способ дегазации конвертерной стали с помощью твердого углерода (например, графита). Однако для этого необходимо закончить продувку, что в нашем случае временно невозможно.

Напоминаю, что перед раскислением металла из конвертора необходимо удалить шлак, т.к. есть возможность, что фосфор из шлака будет восстанавливаться, и переводиться обратно в металл. Готовую сталь выпускают из конвектора в заготовленные формы. Чтобы получить сталь с заранее заданным количеством углерода, варьируем третий период и сливаем сталь, так как продувку металла прекратить не можем. Либо можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавить определенное количество чистого от примесей чугуна или набросать древесного угля (как в томассовском конвертере) и при возможности размешать, что не только повысит количество углерода, но и должно по идеи раскислить сталь. Цель - получение высокоуглеродистой стали ~1,7%.

Часть слитков сразу же можно пустить на изготовление булата.

Флюсы

Вместе с железной рудой в доменную печь попадает имеющаяся в ней пустая порода, и при сгорании топлива образуется зола. Для нормального хода доменного процесса необходимо, чтобы все примеси плавились при определенной температуре после восстановления из руды железа. А между тем температуры плавления имеющихся в железной руде примесей и золы топлива значительно превышают эту температуру.

Для понижения температуры плавления пустой породы и золы в доменную печь вводят флюсы. Последние сплавляются с пустой породой руды и золой, образуя шлак. Шлаки имеют низкую температуру плавления и малый удельный вес. Они всплывают на поверхность и удаляются из доменной печи.

В качестве флюсов применяются известняк и кремнезем. Каждый из этих минералов в отдельности тугоплавкий, а смесь их плавится при более низкой температуре.

Если в пустой породе железной руды содержится большое количество песчано-глинистых примесей (наш случай), в качестве флюса применяется известняк. При преобладании в железной руде известковых примесей флюсом служит кремнезем. Таким образом, состав и качество пустой породы в железной руде влияют на выбор флюса и его количество, а также на количество расходуемого топлива. При большом содержании кремнезема в пустой породе потребуется больше флюсов и топлива. Наиболее употребительным флюсом при получении чугуна является известняк.

Обогащение руды

Поступающая в доменную печь железная руда должна иметь определенный химический состав. Важное значение имеет также физическое состояние руды. Если куски руды будут слишком крупными, не все железо восстановится полностью. Мелкие куски руды будут частично уноситься из печи вместе с потоком газов. Кроме того, мелкие куски - в доменной печи слеживаются, пористость руды уменьшается и процесс восстановления железа затрудняется.

Бедная железом и содержащая вредные примеси железная руда подвергается обогащению с целью увеличения в ней процентного содержания железа. В процессе обогащения из руды частично удаляется пустая порода.

Сначала проводим мокрый способ обогащения в отсадочных машинах. В них имеются по крайней мере два отделения. Тяжелые частицы, попавшие в приемное отделение, скапливаются на дне; более легкие частицы всплывают. Подаваемая болотная руда захватывается подаваемой по желобу текущей водой и поступает в поверхностный слой на нижней части уклона, который стремится выплеснуться через край. Вода отмывает и уносит с собой глинистые и песчанистые примеси. Так как железная руда и содержащаяся в ней пустая порода имеют различные удельные веса, то во время отсадки более тяжелые частицы руды быстрее оседают в воде, чем более легкие зерна пустой породы. Легкий материал смешивается с верхним слоем, и поперечный поток воды сносит его через перегородку в соседнее отделение, где происходит аналогичная сепарация. Потом желоб перекрывается и обогащенная руда удаляется.

Далее, полученные крупные куски железной руды размельчаем на дробилках до получения зерен определенной величины. Образующаяся при размельчении руды мелочь просеивается на ситах, либо отделяется дутьем. После этого руда сортируется.

Из мелочи и рудной пыли получаем окатыши - полуфабрикат металлургического производства железа. Шихта, то есть смесь тонко измельчённых концентратов железосодержащих минералов, флюса (добавок, регулирующих состав продукта), и упрочняющих добавок (обычно это бентонитовая глина, будем экспериментировать), увлажняется и подвергается окатыванию во вращающихся чашах или барабанах.

В результате окатывания получают близкие к сферическим частицы диаметром 1-30 мм. Они высушиваются и обжигаются при температурах 1200-1300 C на специальных установках - обжиговых машинах. Обычно обжиговые машины представляют собой конвейер из обжиговых тележек (паллет), которые движутся по рельсам. В верхней части обжиговой машины над обжиговыми тележками располагают отопительный горн, в котором происходит сжигание газообразного, твердого или жидкого топлива и формирование теплоносителя для сушки, нагревания и обжига окатышей. Чаще же всего руду обжигают в кучах или в особых печах, например, вращательных, наподобие служащих для обжига цемента. Мы на первом этапе только подсушиваем окатыши.

Обожжённые окатыши приобретают высокую механическую прочность. При обжиге удаляется значительная часть сернистых загрязнений. При использовании окатышей исключается раздельная загрузка в доменную печь руды и флюсов, значительно сокращается количество шлака при переработке руд с низким содержанием железа. Кроме того, повышается производительность плавки чугуна в доменной печи.

Производится также термическая обработка руд, к которой относятся обжиг и агломерация. Благодаря обжигу в специальных печах при температуре 600-800RС из руды удаляются влага, углекислый газ, сера. В результате руда очищается и обогащается, становится более пористой и легче восстанавливается.

Агломерация заключается в спекании рудной мелочи в специальных машинах. Получающийся при этом агломерат состоит из пористых кусков руды с невысоким содержанием серы (сера частично выгорает в процессе спекания), что облегчает проникновение газов и тем повышает восстановимость руды.

Огнеупорные материалы (Футеровка)

Все металлургические процессы происходят в печах при очень высокой температуре. Поэтому дно и стенки печей должны изготавливаться из огнеупорных материалов - материалов, хорошо сопротивляющихся действию высоких температур. Кроме того, огнеупорные материалы должны обладать механической прочностью, не размягчаться и не растрескиваться при высоких температурах, не изменять свой объем при изменении температуры, не вступать в химические реакции с печными газами, шлаками, расплавленными металлами и их окислами: От качества огнеупорных материалов зависит продолжительность работы печей без ремонта.

Огнеупорными считаются такие материалы, температура оплавления которых лежит не ниже 1500R С. Из них изготавливаются кирпичи и фасонные изделия различной формы и размеров, применяемых для кладки печей. Защитная внутренняя облицовка называется футеровкой.

Все огнеупорные материалы подразделяются на кислые, основные и нейтральные. Для Томасовского передела, одним из достоинством которого является удаление фосфора, должна использоваться основные огнеупоры для футеровки. К ним относится и доломит. Доломит - минерал, являющийся смесью углекислых солей кальция и магния (СаС03, MgC03), его огнеупорность 1800- 1900R С.

Минерал доломит, природный карбонат кальция и магния, CaMg(CO3)2. Цвет белый, серый, блекло-желтый. Блеск на гранях - стеклянный, матовый. Царапается стальной иглой и отличается от известняка меньшей растворимостью и более сильным блеском. Доломит распространен почти так же широко, как известняк, и используется в большинстве случаев для тех же целей. Кроме того, он служит одним из источников получения металлического магния и употребляется при производстве стали, в основном в мартеновских печах (в качестве сырья для огнеупоров и флюса).

Доломит предварительно обжигают до образования свободных CaO и MgO ("спеченный", "намертво обожженный" доломит или доломитовый металлургический порошок). При обжиге в интервале 700-765 C доломит распадается на CaCO3, MgO и CO2, а выше 1000 C происходит полная декарбонатизация. Но такой оксид легко набирает влагу, его прокаливают дальше до 1400 (1700 это уже стекло из доломита). Полученную смесь MgO и CaO дробят в порошок, смешивают с дегтем (2-8%) или каменноугольной смолой, потом обжигают при 1400, без доступа кислорода или в восстановительной среде (избыток CO).

Булат

Данные слитки помещают сразу в горн и подвергают там медленному охлаждению ~10R С в час. При таком медленном охлаждении образуется грубая непрерывная сетка цементита по границам аустенитных зерен. При 800R С (цвет королевского пурпура) начинаем обжатие либо проковку. Если работаем с холодным слитком, то его вторично нагреваем до 800R С. Прокат осуществляем с восьмикратным обжатием по толщине. Во время прокатки слиток постепенно охлаждается с переходом через фазу аустенит + цементит. В результате этой операции, которая имитирует ковку, зерна вытягиваются в направлении прокатки, измельчаются и цементитная сетка сжимается, расстояние между слоями составляет около 100 мкм. Фактически, происходит выделение цементита из раствора в виде мелких равномерно распределенных частиц, а не грубой сетки. Прокатанная сталь имеет все же менее сложный узор, чем кованый клинок, либо совсем не имеет такого узора.

Такие сверхвысокоуглеродистые стали без узора имеют при комнатной температуре более высокие показатели прочности и вязкости, чем обычные стали. Более того, при температурах 600-800 С они проявляют свойства сверхпластичности, т. е. ведут себя подобно аморфным материалам, например расплавленному стеклу. Это позволяет формовать из них сложные детали, такие, как шестерни, при минимальных затратах на обработку и используя методы, применимые в массовом производстве. До появления возможности прокатки используется ковка по определенной технологии.

Водяное колесо

Приблизительно все будет выглядеть так. В настоящее время есть только запруда и одно колесо. Сама запруда сложена немного не так - напомню: частокол свай в два ряда и обтесанные с двух сторон бревна между ними. Сваи сверху попарно меж собой скреплены бревнами в лапу и по ним будут проложены широкие мостки на соседний берег. Кроме того, на соседнем берегу будет второе колесо. Сама река при этом полноводнее и берега повыше. Желоб пока более хлипкий, но со временем заменим таким. А лесопилка на соседнем берегу примерно так и будем выглядеть, разве что поначалу без стен. Напомню, второе колесо будет работать на пилораму, а первое на глиномешалку, на измельчение руды и, в дальнейшем, на дутье. Третье только для подачи воздуха в домницу и конвертер. Однако требуются механизмы сопряжения и переключения всех трех устройств, не говоря о том что для дутья колесо, возможно, потребуется переработать.

Поток воды - из расчета примерно 1 куб/сек для каждого желоба. Тогда мощность потока воды в реке: 1000 литров *10 (g) *3 метра (высота колеса)= 20000 = 29 Квт. Берем 50 % КПД колеса (из 80% мах для верхненаливного) из-за несовершенства конструкции. Делим это еще раз пополам из-за отсутствия подшипника и деревянных сочленений механизмов передачи. Т.е. получаем ~ 7 Квт. По максимуму.

Пилорама

Лесопилка пока будет действовать более примитивно, чем показано на эскизном рисунке, с отбором мощности от колеса через систему ременных приводов с возможностью отключения (см. главу 16). Полотен будет стоять сразу три. Но! Рама на которой крепится бревно, конечно будет, но первоначально запустится без механического движения по полозьям, которые, возможно, лучше сразу же отлить из чугуна. Двигаться рама будет мускульной силой. Помучаются немного, тогда начнут механизировать процесс. Но только после запуска домницы и отливки деталей.

Печь для обжига кирпича

Поначалу немного отличается от того, что на рисунке. Но к этому стремимся. Внутри рва, получившегося по ширине в четыре, а в длину около пяти метров, выкладываются поперечные внутренние перегородки из необожженных кирпичей, стоящие довольно близко друг от друга. Эти перегородки, пронзенные посередине камерой топки, в ширину примерно в полкирпича, а расстояния между ними сантиметров тридцать с небольшим, так что поверху их можно перекрывать, ставя длинной стороной плинфу на ребро. Таким образом, щели между плинфой служат продухами, через которые горячий воздух будет поступать в обжигательную камеру, хотя впоследствии, конечно, можно выложить для удобства что-то типа пода над перегородками.

В камере обжига, ряды плинфы, поставленные ребрами друг на друга поочередно в разных направлениях, в самом конце должны были перекрываться кирпичами, положенными плашмя. Таким образом, не нужновыкладывать закрытый свод, а положенную плашкой плинфу поверху можно засыпать слоем песка, соорудив деревянный настил от дождя гораздо выше такой крыши. Cвод выкладывается лишь у входа в топочную камеру и у перегородок над топками же.

Экономика некоторых процессов

Болотные и озерные руды, представляющие отчасти химический, отчасти механический осадок водной окиси и кремнекислой закиси железа, песка и глины в виде горошин, лепешек или ноздреватых пористых масс в болотах, озерах и других стоячих водах. Обыкновенно содержат 35-45% железа. Обогащением (промывка и обжиг) доводим до 50%. Домна размером 6х2.5 м. вмещает (с учетов сужения) около 24 куб.м.

Добыча.
Поиски велем с помощью специальных щупов, разработку - лопатами. Добываем летом с лодок, если глубоко, либо вброд, если мелко, зимой со льда. Черпаем большими деревянными лопатами (пока нет частых бредней, либо сит), сырую везем на место, сваливаем и запускаем процесс обогащения в в отсадочных машинах. Далее на размельчаем на дробилках, из пыли и мелких фракций делаем окатыши, сушим в вагранке.

На 1 тонну чугуна уходит около 600 кг кокса, кокс более плотен, чем древесный уголь (в 2-3 раза), соответственно дает на единицу объема больше тепла, кроме того, современные домны более совершенны, поэтому закладываем 3 тонны древесного угля на тонну чугуна или на 2 тонны руды. Учитывая его насыпную плотность около 200 кг на куб, получаем 15 кубов на тонну чугуна.

Вес сырой руды принимаем 2 тонны за куб, то есть на одну тонну чугуна нужно 2 тонны руды, что составляет 1 куб. В итоге на 24 куба объема (3 тонны руды и 4.5 тонны угля) можно получить около 1.5 тонны чугуна.

Пусть один человек (дети и женщины) за день (неполный) добывает примерно 300 кг руды. Для сбора руды на одну плавку нужно около 10 человеко-дней. Добычей руды занимаются подростки (~10 чел), так что принимаю 2 дня на добычу и обогащение руды без учета доставки из отдаленных районов. Обогащение руды включает промывку в отсадочных машинах и обжиг руды.

Если строить печь для того, чтобы пережигать уголь в печи (не в куче), то это дает нам выход порядка 20% от веса безводной древесины, то есть на тонну угля нам потребуется в идеале 5 тонн хорошо просушенной древесины, что равно около 10 кубов. На самом деле можно смело умножать на 1.5, потому как ель и сосна естественной влажности весят 800-900 кг куб. Даже с учетов зимней заготовки и сушки, часть древесины уйдет на дрова для поддержания пиролиза, и эту цифру возьмем, как основу. Одно дерево диаметром ствола в 40 см и высотой 10-15 м, даст около 2-3 куба пригодной древесины, таким образом, на тонну угля нужно 5-7 деревьев. Примем, что для этого надо 15 человеко-дней, а для заготовки угля на плавку 70 человеко-дней. Заготовку лучше вести зимой.

Кроме того, нужно 200-300 кг на подготовку 1 тонны агломерата, столько же угля на пережег одной тонны известняка в известь для шлака в конвертере и в 1,5-2 раза больше угля для пережога доломита на футеровку. В общем, в основном все оставшиеся подростки будут работать на уголь, и все равно его будет не хватать. Поэтому будем закупать у всех, кто может поставить.

Теперь посложнее. От 'Sergey'. На хим реакцию при которой на одну молекулу Fe2O3 потребуется 3 атома углерода. Учитывая молярный вес кислорода и углерода, на 1 кг кислорода потребуется 0,75 кг углерода. Таким образом, если в тонне агломерата (обогащенной руды) 50% Fe, то Fe2O3 составляет 75%, масса кислорода составит 250 кг, а масса углерода для его связывания 200 кг на тонну англомерата, кроме того, большая часть угля нужна, чтобы расплавить всю породу, часть уйдет на потери тепла и т.д.

Определим количество угля, которое нужно для этого и которое не будет идти на восстановление руды:
4500(всего кг угля)-3000(всего кг агломерата)*0,2(уголь на восстановление тонны агломерата)=3900 кг угля, (как уже указывалось выше на 2 кг углерода требуется 2,5 кг кислорода), итого требуется до 5 тонн кислорода. Содержания кислорода в воздухе 20%, таким образом потребуется 25 тонн воздуха, удельная плотность воздуха 1,2 кг на куб, т.е. при нормальных условиях нужно порядка 21 тыс. кубов воздуха. С учетом предположения, что длительность плавки будет составлять около суток, объем воздуха, который нужно подать домну за 1 мин. составит 21 тыс. кубов/24 часа/60 минут=~15 кубов в минуту.

Водяное колесо.
Ремонт.
Один человеко-день. Специалист.

Вагранка, конвертер
Обслуживание и ремонт. Вагранка служит для сушки руды и плавки слитков чугуна. Конвертер для передела чугуна.
Принимаю за 2 человека в день. Специалисты.

Футеровка и известь.
Изготовление доломитного огнеупора и обжигание извести. Принимаю за 3 человека в день (далеко возить) неспециалистов и 1 специалиста.

Кирпичи.
Изготовление кирпичей, добыча и замес глины, формовка, сушка, обжиг.
Упрощенно принимаем:
для добычи 1 куба глины пусть будет 1 человеко-день.
для замеса 1 куба глины пусть будет 1 человеко-день (это с помощью колеса).
для формовки 1 куба кирпичей пусть будет 0.5 человеко-дней. Он же сушит (переворачивает и т.д)/ Итого 1 чел-день.
заготовка дров для обжига 1 куба кирпичей (~250 штук плинфы) - 5 кубов дров = 10 человеко дней (2 чел.-дня на куб дров)
Будет использоваться торф, но не думаю, что затраты сильно уменьшатся.
Итого 13 человеко дней на куб. Цикл берем в две недели. Обжигаем 10 кубов.
130 человек на 14 дней. Итог 10 человеко дней, если непрерывное производство. сам обжиг, ремонт и обслуживание печи - 2 человека день.

Всего 12 человек на день. На 2.5 тыс штук плинфы за 2 недели. Думал понадобится гораздо больше людей. Пусть будет 14.

Итог: Уйма народа + уйма угля.

Торфяной кокс

Торфяной кокс - твёрдый углеродистый остаток термического разложения малозольного торфа верхового типа.

Различают по конечной температуре нагревания торфа

• 550-600 С (низкотемпературное коксование, полукоксование)
• 700-750 С (среднетемпературное)
• 900-1100 С (полное коксование)

Свойства - высокая реакционная способность, малое содержание серы и фосфора.

Применение - сорбенты, активированные угли (в ассенизации, сахарном и винокуренном производствах), в кузнечном деле для сварки и поковки металла, выплавка чугуна в домнах и ферросплавы, сырье для агломерации железных руд.
Также применяется в кузнечном деле - с успехом идет для сварки и поковки металлических изделий, причем по сравнению с древесным углем он требуется в половиннообъемном размере. Выплавка чугунного лома в вагранках на таком коксе имеет большое преимущество, как на топливе, содержащем незначительный процент серы и фосфора. Выплавка чугуна в домнах на торфяном коксе велась в Приокском горном округе и технически вполне осуществима.

Вавилов Петр Михайлович (*? + п.1924). Инициатор торфяной плавки в СССР. В конце 90-х XIX в. занимался постройкой доменных печей Ашинского завода, после чего был его управителем. Затем занимал руководящие места в других заводских округах Урала, а в 1906 перебрался в Подмосковный бассейн, став директором Кулебакского завода. После революции 1917 этот завод вместе с Выксунским вошел в состав Приокского горного округа, техническим директором которого был назначен Вавилов. Одна из выксунских доменных печей вошла в историю нашей металлургии, ибо вместе с одной домной в Енакиеве они были единственными в стране домнами, не потухшими в годы разрухи. Она работала и на коксе, и на древесном угле, и на дровах, и на торфяном коксе, и на сыром торфе - на любом топливе, которое рабочие могли найти в окрестностях завода. Оказалось, что при нужде чугун можно плавить на любом топливе.
Вавилов задумался над этим и решил провести доменную плавку на одном сыром торфе, что и было осуществлено в январе-марте 1923 на выксунской доменной печи. Но вскоре выплавка чугуна на торфе была перенесена на Кулебакский завод. Вавилов не только доказал, что чугун действительно можно плавить на одном торфе, но и выплавил на этом топливе, никогда раньше не применявшемся в доменных печах, много чугуна, крайне необходимого в то время стране. Автор статьи 'Выплавка чугуна на торфе', опубликованной в 'Вестнике металлопромышленности'. В 1924 участвовал в съезде доменщиков, вскоре после которого заболел и умер. 'Замечательный русский доменщик', так назвал П.М.Вавилова академик-металлург М.А.Павлов.

В свое время был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт торфяной промышленности (ВНИИТП), в котором велись разработки различных видов топлив на основе торфа. Именно они легли в основу предложения кандидата технических наук Александра Михлина по получению торфяного кокса. Кроме того, в своем проекте он использовал собственный опыт работы по термообработке углеводистых материалов - в частности, по удалению из нефтяного кокса примесей серы. Именно эти экспериментально подтвержденные данные, полученные в Уфе в 1967 году, легли в основу высокотемпературной части его установки по получению торфяного кокса.

По расчетам автора, из 5,3 тонны торфа можно получить тонну качественного кокса, аналогичного древесному углю. Торфяной кокс, сходный по своим технологическим характеристикам с древесным углем, но обладающий прочностью каменноугольного кокса, практически не привносит в чугун нежелательных примесей. Соответственно, не потребуется дорогостоящих операций, необходимых для их извлечения.

Суть технологии такова. Исходный фрезерный торф поступает в дробилку, где формируются гранулы заданных размеров. После высушивания они загружаются в шахту коксования, где проходят зоны сушки, коксования и охлаждения.

Коксовальные печи (от простого к сложному)

1. Обугливание (коксование) торфа, подобно обугливанию дерева, может вестись в кучах (кострах), печах или ретортах; приемы обугливания почти тожественны с теми, какие употребляют для дерева. Выход угля при переугливании в кучах около 36%, в печах и ретортах - около 40%; торфяной уголь содержит до 20% золы. Из плотного торфа уголь крепок; торф землистый дает и уголь слабый, с большим количеством мелочи. Уголь получается пористый, звонкий и всегда легче взятого торфа; его кажущийся уд. вес меняется от 0,23 до 0,36, уд. вес истинный равен 1,4 - 1,5. Он ближе походит на кокс, чем на древесный уголь; по составу содержит 86% углерода, 4% золы до 10% воды и по температуре горения близок к древесному углю.

2.Дешевая конструкция типа старых стойловых печей без наружного нагрева, в которых торф обугливается без предварительного измельчения, в крупных кусках, жаром, развивающимся в его массе за счет собственного его неполного горения; внутрь печи дается для этого значительно стесненный приток воздуха (например через небольшое отверстие, пробитое в дверной заделке или сверху в загрузном окошке; иногда же еще проще ему предоставляется вход через случайные щели не совсем плотной печной кладки), и процесс идет почти таким же образом как при обугливании того же угля в кучах.

3.Коксовальные печи (чистая выдумка по аналогии с каменным углем), построены с таким расчетом, чтобы в них можно было сильно накаливать торф без доступа воздуха, печные стенки, со всех сторон закрывающие торф от наружного воздуха, делаются пустотелыми - внутри их закладываются многочисленные каналы, по которым идет огонь.

При обжиге торфа выделяются горючие газы и пары, которыми и пользуются для нагревания печи: продукты разложения из внутренности печи вводятся в ее стенные каналы, и здесь к ним пропускается воздух, иногда предварительно прогретый, который сжигает их; продукты горения, далее, уносятся в трубу, и иногда на пути к трубе они употребляются еще для предварительного прогрева воздуха, о котором упомянуто. Коль скоро жар передается, таким образом, торфу от стенок печи, - заложенные среди них массы оного не должны быть слишком толсты, иначе жар недостаточно скоро передавался бы к внутренности их; поверхности же нагревания должны быть значительны и по отношению к объему печи.

Оттого, не взирая ни на какой размер производства, каждое отдельное печное пространство никогда не делается объемистым, а по фигуре придерживаются геометрических форм, наиболее далеких от куба или шара, в которых отношение между объемом и поверхностью наименее благоприятно в данном смысле, а именно таких форм, которые по возможности сужены в одном направлении и вытянуты в другом - последнее преимущественно по длине камеры.

Коксовальная камера чаще всего получает, таким образом, форму длинного и узкого ящика, поставленного на узкое ребро; ее пространство ограничивается тогда с боков двумя длинными и не очень высокими, но близко друг к другу поставленными параллельными (или чуть-чуть расходящимися, чтоб легче выклинивать при выгрузке) стенками. Под узеньким и длинным дном камеры также проводится канал.

Доступа наружного воздуха к внутренности камеры совсем нет, разве через случайные щели, например через плохо примазанные загрузные двери; но из внутренности печи выходит газ, направленный в стенные огневые каналы, и известный избыток давления этого газа внутри печи сам по себе противодействует засасыванию воздуха. В согласии с размером производства, какой нужен при копях, доставляющих кокс, или при железных и т.п. заводах, приготовляющих кокс для себя самих, - коксовальные камеры строятся в любом числе друг около друга, обыкновенно десятками в один или в два ряда, в совокупности представляя многокамерную коксовую печь.

4. И, наконец, настоящая установка для получения торфяного кокса

Опишем одну из ретортных печей для коксования торфа, с приспособлением для собирания продуктов перегонки. Стенки реторты делаются вертикальными, из шамотной массы; между ними и стенками печи оставляется кольцевое пространство, назначенное для прокладки спиральных дымовых ходов, отводящих топочные газы из топки в трубу. Газы, образующиеся в реторте, направляются при помощи особого устройства в холодильник. Устройство это состоит в следующем: в реторту помещается ряд коротких цилиндров (вернее - тел колоколообразной формы) один на другом, образующих пустую внутри колонну, диаметра немного меньше самой реторты. В кольцевое пространство, между стенками реторты и колонной, засыпается торф, продукты разложения которого идут через щели между колоколообразными частями (нарочно оставленные) внутрь этой колонны, в отводящие трубы, там расположенные, к холодильнику, где и сгущаются. Кокс опускается вниз и здесь встречает заслонку ящика, назначенного для охлаждения (тушения) кокса при выгрузке. Открыв заслонку, наполняют ящик, а после остывания кокса открывают нижнюю заслонку, и он вываливается в отвозящую его тележку. Размеры реторты: 5 м - высота; 1,25 - 1,87 м - диаметр. Высота колоколоообразных тел около 20 - 30 см при таком диаметре, что свободное пространство (между колонной и ретортой) = 8 - 9 1/2 см. Печь требует около 2/3 топлива (от загрузки) и может переработать до 44 гкл торфа в сутки. Уголь (кокс) получается мелкий, годный не для всякого употребления. Эта печь не годна, если имеется в виду получать из дегтя парафин

Существуют печи Циглера для коксования торфа. Это двухретортные печи; реторты вертикальные, овального, почти эллиптического сечения, соединенные попарно, средняя часть их из огнеупорного кирпича, нижняя и верхняя - чугунные. Общая нижняя часть каждой пары реторт имеет патрубок для выгрузки кокса. Продукты разложения вытягиваются эксгаустером. Реторты отапливаются собственными газами от разложения торфа. Из описания видно, что в устройстве печей нет ничего принципиально нового.

При сухой перегонке торфа получаются: газы, не сгущаемые в холодильниках, газовая вода, деготь и кокс (торфяной уголь). Относительные количества этих веществ зависят не только от качества торфа, но и от способа перегонки его, формы реторт и т. д. Так, есть торфа, дающие около 60% газа, и другие - только 11%; в первом случае кокса остается около 19%, во втором - 26%, зато газовой воды эти торфа дают, соответственно, 21% и 58%, а дегтя 1,46 и 5,19. Количество дегтя меняется от 1,5 до 11% (голландский высушенный торф); газовой воды 23 - 52%, угля (кокса) 39 - 19%. Дальнейшей переработке подвергаются деготь и газовая вода. Деготь - это темно-бурая жидкость уд. веса 0,896 - 0,965, состоящая главным образом из твердых и жидких углеводородов и содержащая, кроме того, фенол и его гомологи. По продуктам перегонки, как и по элементарному составу, торф стоит ближе к дереву, чем к ископаемым углям. Деготь, предварительно отогретый от воды и очищенный серной кислотой и раствором (15RБ.) едкого натра, перегоняется в чугунных ретортах. Первый дистиллят - легкое масло удельн. веса 0,820 - 0,830, в количестве 8 - 10%, переходит в приемники вместе с водой; следующий погон 0,830 - 0,860 (тоже 8 - 10%) смешивается обыкновенно с предыдущим, так что получают 16% сырого легкого масла уд. веса 0,850. Следующий погон - тяжелое масло, в количестве 12%, идет с большим содержанием парафина, почему приток воды в холодильник прекращают (чтоб не застыло в трубах). Реторта затем охлаждается; через шесть часов ее открывают и оставшуюся в ней жидкость льют формы, где она и застывает. Полученный таким образом асфальт (16 - 18%) прямо идет в торговлю. В реторте остается кокс, который и выбивают.

Гораздо чище и спокойнее перегонка идет при употреблении перегретого водяного пара. Тогда кокса не остается и остаток перегонки - только асфальт. Из первого погона (легкое масло), после удаления щелочью креозота и кислотой органических оснований, приготовляется вторичной перегонкой осветительное масло; из второго погона - соляровое масло и парафин. Из щелочных растворов выделяют креозотовое масло. Газовая вода служит для получения древесного спирта, аммиака и уксусной кислоты. Кане и Сюлливан дают следующие средние цифры (в % от веса торфа):

Гесс (Hesz) сообщает результаты перегонки дегтя одного завода в следующем виде (в % от веса торфа):

Остановимся подробнее на добывании парафина . Отжатый под фильтр-прессом от тяжелого масла парафин содержит еще около 25% масел; второе прессование гидравлическим прессом в течение 3/4 часа (200 - 300 тыс. фунт.) дает лепешки бурого цвета, содержащие еще немного темных, густых машинных масел. Лепешки эти сплавляются с 8% легкого осветит. масла и подвергаются новому, более сильному пресованию (500 т. фунт.). Затем следует такая же обработка и прессование еще сильнее (800 т. фн.), пока парафин не будет вполне чист, т. е. будет сух, звонок, белого цвета, с просвечиванием по краям. Надежнее другой способ очистки - серной кислотой и щелочью. В этом случай продукт не буреет на свету, как это случается в предыдущем. Очистка ведется с 50% куп. масла с перемешиванием 2 часа, при темп. 75 - 80RС; затем промывают слабым раствором едкого натра, водой и прессуют. Из торфа парафин очень чист, дает свечи, не уступающие восковым по силе света. Стеарина можно без вреда примешивать к нему не более 10%

Есть что добавить или поругать? В комменты, плеазе!