Развитие горного дела и металлургии

В Европе до XIX в.

 

Начало нового периода характеризуется расширением объемов горного и металлургического производства, ассортимента металлов, освоением месторождений в различных горно-геологических условиях и бурным ростом народонаселения планеты. Происходят значительные сдвиги в росте производительных сил в Европе, Средней Азии, Закавказье. В Восточной Европе происходит процесс формирования славянских племенных образований, накапливаются силы для последующего (в XI-XII вв.) расцвета культуры Киевской Руси, Новгородской земли и других русских княжеств.

Важнейшим событием на Востоке стало возникновение могущественного арабского государства. На территории Средней Азии зарегистрировано свыше 300 древних и старинных рудников, плавилен, литейных и других памятников горно-литейного дела. Количество разрабатывавшихся рудников в одном только Таджикистане достигает нескольких тысяч.

Месторождения свинцово-серебряных, медных и других руд разрабатывались при помощи открытых поверхностных и подземных выработок, часто комбинированными системами. Для вскрытия рудного тела применялись открытые воронкообразные выработки (ямы), канавы, траншеи, щелеобразные выработки и карьеры, разносы, гротообразные выработки, штольни, шурфы, шахты. Добычные работы велись ходковой системой (по жиле), камерными выработками и карьерами-разносами. Руда добывалась при помощи небольших выработок, в отдельных случаях открытые и подземные выработки достигали внушительных размеров: карьер на руднике Канимансур имел длину 350 м и ширину 25 м, длина штольни в Бабакане 150 м, глубина выработки в Такели 120-150 м.

В ранние эпохи обработка золотосодержащих руд производилась в каменных ступах с последующим измельчением на каменных рудотерках. В период раннего средневековья в Средней Азии стал применяться метод измельчения руд, связанный с изобретением жерновов – бегунов в гранитных чашах.

Развитие горных промыслов в Закавказье (Армении и Грузии) и в южной части Восточной Европы (на территории расселения восточных славян) в V-X V вв. свидетельствует о существовании добычи камня и металлов уже в значительных для тех времен размерах. Специфической для Грузии особенностью является довольно широкое развитие пещерного строительства, нашедшего свое выражение в проходке специальных выработок пещеро- и штольнеобразного характера. В некоторых случаях возникали целые пещерные города и пещерные храмы (Бертубани). Пещеры Уплис-Цихе сохраняют до сих пор высеченные на скалах декоративные элементы, носящие следы позднеантичного влияния. Пещерное, преимущественно монастырское, строительство продолжалось и в X-XI вв.

Киевская Русь в X-XI вв. и русские княжества в XII-XIII вв. шли в ногу с передовыми странами Западной Европы, не отставая от них, а в отдельных случаях опережая: об этом свидетельствует добыча пирофиллитового сланца и камнерезный промысел в районе г. Овруча. Недаром умный монах Теофил, написавший в XII в. свой знаменитый труд о ремеслах, в списке стран-искусниц помещает Русь перед Италией, Аравией, Францией и Германией.

Добыча камня в России интенсивно начала развиваться в XIV-XV вв. в Новгороде и особенно в Москве, где в окрестностях (Мягковские и Протопоповские каменоломни) имелись значительные запасы белого известняка. Князь Дмитрий Донской возводит вокруг Кремля белые каменные стены. Широкое каменное строительство ведет Иван III, который на протяжении 25 лет расширяет Москву, перестраивает Кремль и город: новый Успенский собор (1475-1479), кремлевские стены, башни, ворота, дворец, Грановитая палата (1491), соборы и церкви.

Одним из важнейших промыслов на Руси с древнейших времен являлась добыча соли. О добыче соли в устье Днепра упоминает еще в V в. до н.э. Геродот. В XIII-XIV вв. соляные промыслы известны уже на севере Руси: в Архангельской области, в Галиче (Мерском), в Соли Галицкой, Вычегде, на Северной Двине, в Городце на Волге, Костроме, Нерехте, Торжке, Переяславле Залесском, Ростове, Старой Руссе и многих других местах.

Наряду с выварной солью из морской и озерной воды в копях добывали ломкой каменную соль, варкой получали рассолы подземных вод, сооружая специальные колодцы часто до 100-160 м глубиной, которые проходили ударным бурением.

Техника получения соли из морской или озерной воды была сравнительно проста и включала разлив в железные салги (котлы) или црены (сковороды размером до 9 м), выпаривание на огне, разведенном в печи под цреном. значительно более сложный процесс добывания соли из подземных рассолов требовал не только большого искусства и осторожности в процессе поисков и разведки глубинных соляных рассолов, но и значительного организационного и технического опыта в проведении дорогостоящих буровых работ, а также применения специальных соляных варниц (рис.6.1).

 

Рис.6.1. Соляная варница

Первые упоминания в древних письменных источниках о добыче соли из глубинных соляных рассолов относятся ко второй половине XIV в. О высокой для своего времени технической культуре русских солеваров-буровиков XIV в. свидетельствует найденная близ Тотьмы на солеварном заводе «Роспись как зачать делать новая труба на новом месте». Эта «Роспись», по существу, являлась подробным техническим руководством – инструкцией по ударному бурению.

Широкое (чуть ли не повсеместное) распространение на территории Восточной Европы железных руд, в частности, болотного, озерного и дернового происхождения, создавало исключительно благоприятные предпосылки для развития добычи железа в этом районе. В XIV-XV вв. известны разработки железной руды и ее обработка в Новгородской земле (к юго-востоку от оз. Ильмень и к югу от озера), в Устюжне Железнопольской, на побережье Белого моря, в районе Галича (Мерского).

В XV-XVI вв. в добыче, подготовке руды и «варке» железа уже существовала специализация труда. Копку и промывку руды вели рудники (рудокопы), в новгородских пятинах – копачи, варку железа производили дымари или домники, проковку криц – кузнецы. Копачи, домники и кузнецы, основным занятием которых был ремесленный труд, так же, как овручские камнерезы, были, в сущности, ремесленными рабочими (промысловцами).

В средневековой Центральной и Западной Европе заметно уменьшение потребности в горных продуктах и изменение характера потребностей. разработка руд благородных металлов имела все меньшее значение, росло производство железа, так как оно доставляло продукты, необходимые для изготовления оружия и орудий труда, хотя наряду с железными орудиями продолжали сохраняться и каменные. В силу примитивности способов добычи полезных ископаемых горным делом занималось само крестьянское население. Для этого времени типична фигура универсального горнорабочего, выполнявшего и функции кузнеца. Техника горного дела переживала известный застой.

Широкое распространение получают металлические воинские доспехи: шлемы, панцыри, щиты, латы, в которые облачается не только воин, но и его боевой конь, мечи, копья, кинжалы, ножи и т.д. Железо становится основным материалом для изготовления сельскохозяйственного инвентаря. В самом конце феодализма появляются спорадически применяемые машины, изготовлявшиеся, в основном, из дерева, наиболее ответственные части которых (валы, цапфы, шестеренки и т.д.) были металлическими.

Мировое производство чугуна в 1500 г. составляло 60 тыс.т, в 1790 г. – 278 тыс.т, в 1870 г. – 12 млн т.

Потребности войны на новой основе увеличивают потребность в знакомой уже Древнему Востоку бронзе для изготовления пушек, мушкетов (после появления пороха). Это требует поиска и восстановления заброшенных медных и оловянных рудников, расширения горного дела. В Западной и Центральной Европе оно развивается в новых районах: в Нижнем (с конца Х в.) и в Верхнем (в ХI в.) Гарце. Фрейбергские разработки серебра начались в конце XII в. и вскоре достигли расцвета, медные разработки в Мансфельде начались в XIII в. В этот же период начинаются разработки серебра в Шварцвальде и Силезии, Тироле, Штрирских Альпах и Чехии, серебра и свинца в Чехии и Тироле. Развиваются соляные разработки в Зальцимерусе, Эльзасе и возле Галле. Промывка россыпного золота ведется в Шварце на реках Эбере, Дунае и Рейне. Все шире распространяется разработка железной руды, особенно в Тюрингии, в Гарце.

Особое значение имеет развитие горного дела в Чехии в XIII-XVI вв. Первый свод горного права появился в 1249 г. (Иглавское горное право). В Словакии горное право было дано в 1255 г. в г. Быстрице, в конце XIII в. оно появилось и в Германии.

На территории Чехии существовали три района добычи полезных ископаемых. Первый – Кутная гора, там добывали серебряные руды, месторождения которых были открыты в XIII в. В XV-XVI вв. здесь применялась своеобразная горная техника, которая уже в то время позволила проходить горные выработки на глубину 600 м по уклону. Вторым центром добычи полезных ископаемых являлись Крушные горы (Чехия, г. Яхимов), где большой размах горного дела наблюдался в XVI в. Третьим центром развития горного дела стала Банская Штявница (Словакия). В течение ХШ-XV вв. руда добывалась во всех горных областях Словакии. Главным продуктом являлась медь, содержащая серебро.

В 1556 г. состояние горного дела в конце XV – начале XVI в. описал Агрикола в труде «О горном деле», отразив достижения, главным образом, горняков Крушных гор (Чехия). К этому времени уже выработались определенные принципы вскрытия месторождений горными работами, учитывающие форму и залегание рудного тела. Крутопадающие жилы вскрывали наклонной шахтой; штольни проходились лишь для вспомогательных целей, главным образом для водоотлива. При горизонтальном залегании пологого тела вскрытие производилось штольней с расширением ее в рудной зоне. Вертикальные шахты носили вспомогательный характер и служили преимущественно для вентиляции и подъема. Месторождения, состоящие из нескольких рудных тел, вскрывались при помощи шахты с радиальной системой выемок и сохранением промежуточных целиков (рис.6.2). Сечение шахт – прямоугольное 3 ´ 4,5 м, глубина до 145 м.

Широкое распространение получают наклонные, а также горизонтальные выработки, проводимые по рудной жиле и подготовляющие ряд «этажей» для разработки, и горизонтальные выработки

F

E

D

C

B

A

Рис.6.2. Шахта в крушных горах

 

А – шахтный ствол; ВС – продольная выработка; D – слепой ствол;

Е – штольня; F – устье штольни

по пустой породе – квершлаги. Развивается крепление вертикальных и горизонтальных выработок бревнами. Набор горных инструментов включает кирки разных размеров, железные клинья, ломы, кайлы, скребки и лопаты. Приемы горных работ при добыче полезного ископаемого остаются пока неизменными.

Увеличение длины горных выработок ставит проблему транспорта, в связи с чем начинаются поиски более экономичных способов транспортировки. Появляются одноколесные тачки, которые затем заменяются тележками на колесах, перемещающимися по специальному деревянному настилу и оборудованными направляющим костылем, который при движении тележки скользит в пазу настила.

На протяжении нескольких веков совершенствуется ручной ворот. Для увеличения мощности ручной ворот, приводившийся в движение людьми, оборудуется маховым колесом. Затем был изобретен конный привод. И, наконец, в качестве двигателя было применено гидравлическое колесо.

Эволюция водоотлива тесно связана с эволюцией подъема и прошла примерно тот же путь – от человеческой силы в качестве двигателя до водяного двигателя. Из нескольких видов созданных в средневековье водоотливных установок наиболее мощной долго оставалась ковшовая водоподъемная машина с гидравлическим верхнебойным колесом. Поршневые насосы в силу конструктивного несовершенства, а главное – из-за трудности изготовления труб для насосов из дерева, не получили широкого распространения и лишь предвосхитили будущее развитие водоотлива.

Была усовершенствована, по сравнению с предшествующим периодом, и вентиляция. Для усиления естественной вентиляции широко применялись специальные аккумуляторы ветра и диффузоры, начиная от щита, поставленного перед входом в шахту, в который ударяется струя воздуха, и кончая приспособлениями, усиливающими естественную вентиляцию (флюгеры, бочки, принимающие ветер, и т.д.). Но основное и решающее значение для проветривания рудников приобретают в то время нагнетающие и всасывающие меха, заимствованные из металлургии. Кроме воздуходувок, появляются вентиляторы, которые являются прообразами современных центробежных вентиляторов.

Значительное развитие в горном деле средневековья получило обогащение, связанное с повысившимся значением разработки серебро-свинцовых, оловянных и медных руд, а также общим прогрессом, достигнутым в конструировании горных машин, и применением гидравлического колеса. Процесс обогащения состоит из следующих звеньев: дробления, грохочения, размалывания, промывки. Наименее квалифицированный процесс – крупное дробление – остается немеханизированным, но более мелкое дробление производится при помощи прямолинейных возвратных толчей, а мелкие куски породы размалываются на специальных мельницах. Наряду с обогащением в наклонных желобах используется метод обогащения при помощи восстающей струи, при котором попеременно встряхивается погруженное в воду решето, наполненное размолотой рудой. Последующее развитие методов обогащения шло в направлении создания более совершенных машин, работающих по принципам наклонных желобов и восстающей струи. Прогресс технологий обогащения золота привел к использованию способности ртути соединяться с благородными металлами – амальгамированию, а также созданию комбинированных установок для дробления, размалывания, промывки и амальгамирования.

XVIII столетие в России связано с деятельностью Петра I, который строит заводы и фабрики для снабжения армии и усиления обороноспособности страны. на рост производства и производительных сил, потребности в совершенствовании технологий в этот период страна ответила появлением многих выдающихся техников и изобретателей, работы которых двигали вперед мировую технику.

С момента открытия Америки центр добычи благородных металлов переместился из Старого Света в Новый. В то же время в горном деле Европы растет роль разработки железных руд, причем на первые места вырываются страны, богатые не только железной рудой, но и лесами, необходимыми для получения древесного угля, на котором велся доменный процесс. В то время, как наиболее развитая в промышленном отношении Англия из-за отсутствия лесных массивов переживала горно-металлургический кризис, Швеция, Германия, а в XVIII в. Россия стали крупнейшими для того времени производителями чугуна.

Все большее значение начинает приобретать добыча нового вида минерального сырья, которому в дальнейшем суждено было определить линию развития всего горного дела – каменного угля.

Усиленно развивая черную металлургию, Россия уже в середине XVIII в. заняла первое место в мире по выплавке черного металла, а к концу XVIII в. выплавка чугуна в России превысила в 2,5 и 4 раза выплавку в Англии и во Франции соответственно.

Техника бурения шахт для добычи раствора соли в России к началу XVIII в. настолько усовершенствовалась, что стало возможным на отдельных пермских соляных промыслах проходить шахты глубиной до 100 м. Рассол добывался через рассоло-подъемные трубы, имеющие трехступенчатую конструкцию (верхняя часть трубы называлась матицей, через нее проходила вторая обсадная труба, а внутрь последней вставлялась веслая труба).

В Западной Европе способ бурения шахт был применен только в первой четверти XIX в.: в 1823 г. на одном из рудников Вестфалии некий Гейн пробурил через сланцевые глины вентиляционную скважину диаметром 31 см и глубиной 11 м.

К XVIII в. относится появление первых специальных способов проходки с использованием забивной крепи при пересечении плывунов. По углам шахты забивались окованные железом дубовые доски, которые позволяли производить выемку породы и закреплять шахту. К этому времени были освоены все виды современного деревянного крепления в вертикальных и горизонтальных выработках. Шахты крепились сплошным венцовым креплением, в более устойчивых породах применялось крепление на бабках. Горизонтальные выработки крепились полными или неполными дверными окладами. Сводчатое каменное крепление выработок применялось в XVIII в. на алтайских рудниках драгоценных металлов.

Усовершенствование горного дела было связано с применением для взрывных работ пороха. Впервые осуществленный в 1627 г. на рудниках Банской Штявницы (Словакия), этот способ распространился в Чехии, Австрии, Саксонии, Англии (1671). С 1687 г. для производства взрывных работ стали бурить шпуры, в которые засыпали порох, предназначенный для взрывания. Ежегодный расход пороха на рудниках Алтая (по Палласу) достигал 8000-10000 кг. Взрывные работы применялись на железных рудниках Ревдинского, Невьянского и Троицко-Петрокаменского заводов, также как и на медных рудниках Твердышева и Мясникова. Технология ведения горных работ в мягких породах оставалась прежней, как и способы поддержания выработок и управления горным давлением.

В XVII и XVIII вв. были усовершенствованы системы разработки полезных ископаемых. Основной системой был почвоуступный забой, детально описанный во всей горно-технической литературе XVIII в. Успехи в развитии взрывных работ приводят к тому, что наряду с почвоуступным забоем начинает получать распространение и потолкоуступный забой, особенно удобный для взрывных работ.

Наряду с рудными системами начинают складываться и угольные системы разработок. В XVII в. уголь в Англии добывается с применением систем разработок, отличных от систем разработок в рудной промышленности. Впервые камерные системы разработки былиприменены для пологих пластов средней мощности. Межкамерные целики не вынимались или вынимались не полностью: стремились как можно больше вынимать угля из камер, оставляя столбы, необходимые для поддержания кровли.

Камерные системы не получили широкого распространения. Во всяком случае, горно-техническая литература XVIII в. содержит описания системы разработки короткими столбами. При нарезке столбов стремились пройти выработки максимальной ширины. Продольные выработки имели ширину 4,5-5 м, поперечные 2 м, оставляемые столбы размеры 3 ´ 2 м. В результате нарезных работ добывали 2/3 угля, оставляя в столбах 1/3.

К XVIII в. относится возникновение систем разработки мощных пластов. Шахтное поле делилось на некоторое число больших участков, каждый из которых вырабатывался системой короткихстолбов. В целиках устраивались проходы, необходимые для откатки угля и проветривания очистных забоев. По окончании выемки угля оконтуренный участок изолировался при помощи газонепроницаемых перемычек, возводимых в проходах предохранительных участков. Здесь была использована идея изолированного выемочного участка, получившая впоследствии широкое распространение при всех системах разработки угля, склонного к самовозгоранию.

Наряду с подземными совершенствовались и открытые разработки. Здесь создавались предпосылки для детального разделения труда и выполнения каждой операции одним специализированным рабочим.

В XVII- XVIII вв. на рудниках появляются рельсысначала в виде деревянных брусьев с металлической накладкой, затем из углового железа. Усовершенствование подвижного состава связано с созданием четырехколесных вагонеток. В начале XVIII в. появились чугунные колеса с ребордами.

Рудоподъем в России в XVI-XVIII вв. производился с помощью ручного и конного ворота и гораздо реже гидравлическими подъемниками. Применение крепостного труда и незначительная глубина горных выработок не требовали коренного совершенствования техники рудоподъема.

При добыче железных руд, производившейся на незначительных глубинах (до 10-12 м) поверхностными разработками (открытыми ямами, разносами), добываемая руда выносилась на поверхность вручную, носилками, «при работе штольнями навыкат» – ручными тележками и тачками, а при более глубоких разработках – в бадьях ручным воротом, устанавливаемым над шахтой.

При добыче медных руд и руд драгоценных металлов с глубиной разработок до 60 м подъем руд на поверхность земли производился вручную, в основном, в бадьях ручным воротом.

На ряде рудников для подъема руды применялись конные вороты. Таковы, например, уральские медные промыслы (Ташевский с производительностью подъема 16 т в сутки с глубины 50 м, Богословский – 8 т с глубины 20 м), алтайские Змеиногорские рудники и др.

Рис.6.3. Чертеж Каменского доменного завода, 1701 г. (Эрмитаж)

В тот же период (80-е гг. XVIII в.) на алтайских Змеиногорских рудниках К.Д. Фролов (1726-1800) спроектировал и построил совершенные подъемники с гидравлическим колесом. От плотины на р. Змеевка высотой в 18 м вода по штольне, а затем по открытому каналу подводилась к гидравлическому колесу пильной мельницы и приводила его в движение. от мельницы поток воды под землей шел на рудоподъемное двойное железное колесо Екатерининской шахты диаметром 4,3 м. После этого под землей вода попадала на водоподъемное колесо Екатерининской шахты (диаметром 17 м). Отработав на водоподъемном и на рудоподъемном колесах, вода подавалась по подземным каналам на другую шахту, где она приводила в движение 16-метровое гидравлическое колесо, связанное с рудо- и водоподъемными установками, и только после этого по особой штольне вода отводилась и сбрасывалась. Общий пробег воды от плотины до места сброса составлял 2200 м.

Первенцами уральской черной металлургии были Каменский (рис.6.3) и Невьянский заводы. Их начали строить в 1699-1700 гг. Первый выпуск уральского чугуна из доменной печи состоялся 15 октября 1701 г. на Каменском заводе, а через два месяца – на Невьянском. Производительность доменных печей на этих заводах была значительно выше, чем на заводах центра России. Так, в конце 1702 г. доменный мастер Каменского завода Я. Фадеев сообщал: «…В сутки де выходит у него из домны чугуну по два выпуска, а в выпуске пуд по 90, и по 100, и по 110, и по 120». При этом на единицу чугуна по массе затрачивали 1,67-2,22 единицы руды и 4,0-5,3 единицы древесного угля.

Вслед за Каменским и Невьянским заводами на Урале возникли Уктусский и Алапаевский (1704), Верхне-Тагильский (1720), Выйский (1722), Екатеринбургский (1724), Нижне-Тагильский (1725). Всего с 1700 по 1725 г. на Урале построено 20 доменных печей, в которых в 1725 г. было выплавлено 595,2 тыс. пудов чугуна. В центре России – в Подмосковном районе, в Олонецком крае и близ Воронежа – у пяти заводчиков к началу XVIII в. насчитывалось всего 10 доменных печей (у Нарышкина две на Ченцовском и одна на Вепрейском заводах, у Меллеров две на Угодском, у Борина две на Воронежском, у Бутенанта две на Олонецких, у Воронина одна на Сорокинском). Небольшие доменные печи в центре страны были построены Демидовыми, Рюминым, Логиновым, Баташовым и Миляковыми. Эти заводы выплавляли 220 тыс. пудов. Следовательно, общая выплавка чугуна в 1725 г. составляла 815 тыс. пудов. Таким образом, за четверть века выплавка чугуна поднялась более чем в 5 раз, главным образом, за счет уральских заводов. В 1725 г. в стране насчитывалось 42 доменные печи, из них 25 действующих.

По описанию 1735 г., составленному В. Генниным, доменный корпус из двух печей казенного Екатеринбургского завода (рис.6.4) был сложен из кирпича. Высота рабочего пространства печи 7,5 м, наибольший диаметр поперечного сечения 2,8 м. В сутки одна печь давала 220-257 пудов чугуна, расходуя 1,89-2,0 единицы руды и 1,58-1,72 единицы угля на единицу чугуна по массе. Горн имел высоту 1,78 м, ширину по лещади 0,71 м и у заплечиков 1,07 м. Отношение диаметра колошника к диаметру распара около 0,75.

Рис.6.4. Доменная печь Екатеринбургского завода (рисунок XVIII в.)

Сравнение профиля уральских доменных печей первой половины XVIII в. с профилем западноевропейских свидетельствует о значительном прогрессе в строительстве доменных печей российских заводов. В Германии даже в 30-40-х гг. XIX в. продолжали выплавлять чугун в доменных печах, высота горна которых не превышала 0,3-0,35 м. Колошник там был также более узким.

В 1735 г., по данным В. Ген­нина, на Нижне-Тагильском заводе суточная производительность печи достигала 250-400 пудов чугуна. В 1740 г. на Невьянском заводе П. Демидова построена доменная печь высотой 12,8 м, которая оказалась самой высокой и мощной в мире, значительным изменениям подверглись и воздуходувные средства.

В 1765 г. И.И.Ползунов предложил новую конструкцию воздуходувки – цилиндрические мехи поршневого действия. Новая воздуходувная машина постепенно внедрялась на доменных заводах.

На отдельных заводах расход угля удалось снизить до 1,05 еди­ницы. Наиболее распространенными были доменные печи мощностью 350-500 пудов чугуна в сутки с расходом угля 1,2-2,0 единицы и 1,8-2,5 единицы руды на единицу чугуна.

В первой половине XIX в. в России осуществлены опыты по использованию колошниковых газов, применению горячего дутья и т.д. В 1805 г. на колошнике домны Кусинского завода была сделана рудообжигательная печь, работавшая на колошниковых газах, в 1807 г. подобные печи для обжига руды были устроены на Златоустовском и Саткинском заводах.

Во Франции опыты по использованию колошниковых газов были начаты только в 1809 г. на заводах Оберто. Здесь стали применять колошниковые газы для цементования железа, обжига известняка, кирпича и т.д. В 1811 г. Оберто получил привилегию на эти способы, которые затем стали широко практиковать и в других странах.

Еще одно значительное изобретение – применение горячего дутья в доменных печах и вагранках – было впервые осуществлено в России в первой половине 1829 г. в Петербурге на Александровском казенном литейном заводе, на казенном пушечном Александровском заводе в Петрозаводске и на доменной печи Кушвинского завода. На Выксунском заводе в 1837 г. сначала применили нагретое дутье в вагранке, а потом и в доменной печи.

В первой половине XIX в. русские древесно-угольные печи, достигшие совершенства или возможного предела в развитии, были превзойдены английскими коксовыми доменными печами.Однако доменное производство в России продолжало развиваться за счет снижения удельного расхода материалов на единицу массы чугуна. Если в 1829 г. расходовали 1,74 единицы руды и 1,45 единицы угля, то в 1860 г. 1,67 единиц руды и 1,33 единиц угля. Значительно выросла к 1860 г. и производительность доменных печей. В 100 доменных печах за этот год было выплавлено 14512 тыс. пудов чугуна.

Одновременно с развитием доменного производства был создан способ передела чугуна в железо, получивший название кричного. Первым был валлонский метод кричного передела чугуна в железо. Сначала он использовался в Люксембурге, потом в Льеже, далее в Швеции и Германии и, наконец, в Англии. Основное отличие этого метода от всех остальных состояло в том, что крицу получали в одном горне, а нагревали ее для ковки прутового железа в другом. В России кричный передел чугуна в железо впервые был применен на Тульских (Городищенских) заводах около 1637 г. Его осуществляли в кузницах.

Техника кричного передела и масштабы производства кричного железа с 1662 по 1690 г. заметно изменились. Так, типичной молотовой кузницей до 1662 г. было помещение, в котором устанавливали два горна и насаженный на двухсаженное «топорище» молот массой 17 пудов. Каждый горн получал дутье от двух кожаных мехов длиною по 2 сажени. Производительность таких горнов соответствовала производительности примерно одного горна Тульского (Городищенского) завода, т.е. 14,4 пуда.

в XVIII в. ускорилось развитие металлургии чугуна и железа в России. За 100 лет было построено более 100 заводов по производству чугуна и железа. С 1700 по 1800 г. производство чугуна выросло со 150 до 9787,8 тыс. пудов, а железа с 50 до 6153,5 тыс. пудов.

Известно около 90 вариантов кричного передела чугуна. Их различают по конструкции горна, главным образом по конструкции фурменного устройства; по способу обработки чугуна и кусков крицы, совместному в одном горне или раздельнму в разных горнах (как в валлонской группе вариантов); по числу расплавлений переделываемой садки чугуна или по методу расплавления и обработки в крицу; по методу присадки окалины и шлаков и по различным присадкам в процессе получения крицы.

Еще в XVII в. началась замена кожаных мехов деревянными клинчатыми. Деревянные мехи применялись в кричных горнах до второй половины XVIII в., да и в начале XIX в. они не были еще большой редкостью на заводах.

В 20-х гг. XIX в. во Франции был создан контуазский вариант кричного передела чугуна. Его стали широко использовать во Франции и за ее пределами: в Бельгии, Швеции и России. В 1838 г. на Никольском заводе (б. Бабаевском) были начаты опыты по использованию контуазского варианта французскими кричными мастерами, вывезенными из Оденкура, где этот вариант был уже хорошо изучен. Новшество быстро распространилось на заводах России: сначала на Юрюзань-Ивановском, затем на Златоустовском и Симском, далее на Кусинском, Саткинском, Артинском, Нижне-Турин­ском и многих других.

Особенность контуазского варианта кричного передела чугуна состояла в устройстве горна и, главное, в ином положении в горне фурмы, которая устанавливалась с меньшим наклоном, чем в обыкновенных кричных горнах. Если раньше струю воздуха стремились направлять на середину «донной» плиты, то в контуазском горне струю направляли на «противофурменную доску» на 7,6 см выше донной. В контуазских горнах удавалось получать больше продукции, чем в обыкновенных. В сутки изготовлялось 30-40 пудов железа при выработке на одного рабочего 5,0-6,6 пуда; угар чугуна достигал 30-35 %, расход древесного угля – 2,16 пуда на 1 пуд железа.

При внедрении двухстадийного способа получения железа почти в 7 раз уменьшились затраты труда на единицу продукции при почти одинаковых удельных расходах исходных материалов. В дальнейшем расход материалов снижался. Так, доменным печам середины XIX в. требовалось древесного угля в 2 раза меньше, чем печам середины XVII в., а топлива почти в 5 раз.

К 1860 г. уровень производства железа в кричных горнах достиг более 6 млн пудов в год, т.е. почти в 25 раз больше максимального уровня начала XVIII в.

Во второй половине XVШ в. в Англии был изобретен новый способ передела чугуна в железо, который получил название пудлингование (от английского слова «puddle» – месить). Пудлингование – это процесс передела чугуна в железо и сталь в пламенно-отражательных печах с дальнейшим прокатом полученных кусков металла в прокатных валках. Процесс пудлингования и получения полосового железа состоял из нескольких операций: пудлингование чугуна в пудлинговой (пламенно-отражательной) печи и получение крицы «сырого» железа; проковка криц под молотом для удаления шлака и уплотнения металла (здесь же крицы разрубали на несколько кусков); проварка металла в кусках в сварочной (пламенно-отражательной) печи; прокат проваренных кусков в прокатных валках на полосовое железо.

Производство железа пудлингованием стало еще одной ступенью в разделении металлургических процессов на отдельные операции и виды производства.

В 1762 г. Дж. Робек, основатель Карронских железоделательных заводов, получил патент на процесс, близкий к пудлингованию. В 1766 г. братья Т. и Дж. Кранедж построили отражательную печь, отапливаемую каменным углем, и переделывали в ней чугун на железо. 17 июня 1766 г. они получили патент. Известна подобная же попытка Дж. Кокшета в Америке в 1783 г.

Рис.6.5. Схема пудлинговой печи С. Пенна на Воткинском заводе

Наибольшую известность имело предложение англичанина Г. Корта (1740-1800), который использовал для пудлингования уже получившие распространение обыкновенные отражательные печи и разработал все четыре операции пудлингования. Г. Корт взял патент на свое изобретение 13 фев­раля 1784 г.

К началу XIX в. конструкция пудлинговой печи была значительно улучшена по сравнению с той, которую использовал Г. Корт.

В 1836 г. на Воткинском (Камско-Воткинском) заводе работали английские мастера С. Пенн и Дж. Пенн, которые построили печи для древесного топлива по образцу английских, и в сентябре 1837 г. на заводе пудлингование было освоено.

Пудлингование привлекало внимание повышенной производительностью, поэтому по образцу воткинской (рис.6.5) были построены печи на Выксунском, Вильском и Унженском заводах Баташевых и на Чермозском заводе.

Различные варианты пудлингования отличались методами передела чугуна. Вслед за сухим пудлингованием, в связи с заменой кислой подины на основную шлаковую, получило широкое распространение пудлингование на основной подине.Первый вариант его – пудлингование на зернистое железо – с успехом использовали в странах Западной Европы, в Америке и в России. Этот способ отличался от других вариантов, главным образом, тем, что чугун в печи в период выгорания примесей (в основном, углерода) охлаждался шлаком или водой.

Менее производительным, но позволявшим получать более чистое и однородное железо, был вариант пудлингования на волокнистое железо, при котором ванну металла в период выгорания углерода охлаждали вместе с печью. Этот вариант получил большое распространение на уральских заводах.

Новое направление в практике производства железа пудлингованием возникло в результате применения вместо твердого топлива газообразного. Вначале для этой цели использовали отходящие газы доменной печи. В 1837 г. Фабер дю Фор (Германия) пустил первую газовую печь для отбеливания чугуна, а в 1838 г. газопудлинговую печь, которые работали на доменных газах, взятых на некотором расстоянии ниже колошниковой площадки. Кроме того, на заводах Германии, Франции и других стран были сделаны попытки использования для пудлингования колошниковых газов.

На Воткинском заводе в 1842 г. была сооружена маленькая газопудлинговая печь, а затем большая с садкой чугуна в 11 пудов (рис.6.6). Газогенератор был сделан в соответствии с эскизом профессора Парижской горной школы П.Ж. Эбельмана, а пудлинговая печь – по образцу печи Фабер дю Фора, но с некоторыми изменениями в конструкции и размерах. Опыт пудлингования в газопудлинговой печи принес удовлетворительные результаты и стал применяться на других заводах.

К 1850 г. было построено шесть печей. Суточная выработка их достигала 135 пудов криц при угаре чугуна 6,5 % и затрате на 100 пудов железа в крицах 6,1 м³ дров. На изготовление 100 пудов полосового железа в газопудлинговой и газосварочной печах расходовали 115,6 пудов чугуна и 10,95 м³ дров.

А.А. Иосса (1810-1894), работая на уральских заводах, выполнил ряд теоретических работ, связанных с улучшением производства кричного и пудлингового железа, стали и цветных металлов, организовал на Воткинском заводе строительство и внедрение в производство газопудлинговых и газосварочных печей нового типа. Газогенератор был выполнен вместе с печью и весьма напоминал обыкновенную, но очень глубокую топку для дров. Экономия топлива в газогенераторе по сравнению с обыкновенной печью достигала 50 %.

 

 

Рис.6.6. Схема газопудлингов