"Железная шляпа" попаданца

 Продолжаю серию про "простые решения" попаданцев. 

Что обеспечит доход попаданца, что нужно для развития промышленности, для военного дела и пушек?  Конечно, сталь и чугун. Железо — кровь прогресса, без него далеко не уедешь. В средние века топор из дряного железа стоил столько, что на эти деньги крепкая крестьянская семья могла безбедно прожить целый месяц.  Но наш герой не хочет получать железо архаичными способами, он видел в интернетах, что сейчас сталь получают в конвертерах — в каких-то больших железных грушах, где чугун продувают воздухом. Ну а что сложного, сделал яму, облицевал, залил чугун, продул его воздухом и, вуаля, у него отличная сталь за три копейки и никакой возни с крицами и мартеновскими печами! 

     А теперь рассмотрим этот увлекательный процесс повнимательней, под лупой. 

 Первым способом получения железа стал кричный передел — кузнец проковывал рыхлую крицу выплавленную в одноразовой сыродутной печи. Процесс был чрезвычайно трудоёмким, что и обусловило высокую цену железа. 

  Настоящая революция произошла в 1766 году - для получения стали начали использовать отражательные печи. Заливали чугун и перемешивали штангой смесь расплавленного металла и шлаков. В ходе процесса на штангу налипал металл, расплав становился более вязким образуя тяжёлую тестоподобную массу, которую ломами разбивали на несколько кусков. 

  В следствии отделения топки от ванной с металлом  для разогрева можно было использовать любое топливо, а не только дефицитный древесный уголь. Повысилось качество металлов, но главное, на порядок увеличился выход железа на одного работника. Кстати, в СССР этот процесс сохранился до тридцатых годов, что свидетельствует о неплохом качестве пудлинговой стали.

     И вот в XIX веке очередная революция — конвертеры. Выяснилось, что при продувке воздухом расплавленный чугун  не охлаждается как предполагали прежде, но, напротив, его температура возрастает настолько что чугун остаётся жидким, хотя сталь, которая образуется из него благодаря продувке имеет более высокую температуру плавления. 

  Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению при дутье вредных примесей - кремния, марганца и углерода. Сам чугун остаётся в жидком состоянии благодаря выделению тепла при реакциях окисления. 

  При начале эксплуатации первых конверторов всплыла масса проблем. Оказалось, что годная  сталь получается только из малофосфористого чугуна,  а из остального   она  выходила не годная  — хрупкая и ломкая. 

    Конвертер обеспечивает  выжигание примесей за счёт  реакции шлаков  с кислородом для чего в чугун добавляют известь и другие флюсы, связывающие их и образующие шлак. Большую  роль в процессе играет футеровка. Бесемеровский   процесс по другому  именовали   кислым - для облицовки конвертера  использовался кремнистый материал, в основном динасовый кирпич. 

    Попаданцу предстоит непростая  работа по подбору нужного флюса и футеровки. Но главная засада — углерод. Этот злодей имеет нехорошее свойство растворятся в расплаве железа. Если его больше 2%, то получается чугун, если меньше — инструментальная сталь, а меньше 0.7% —конструкционная сталь. Так что без хорошей лаборатории добиться  точного определения углерода в металле неподьемное дело, на которое могут уйти годы работы. Столкнулись с этой проблеме и в первых конвертерах. 

     Как определить момент прекращения продувки на заданном содержании углерода в стали?  Примерно до 40-х годов XX века этим занимались опытные мастера и они определяли содержание углерода на глазок, по цвету искры. Точность сами понимаете никакая и  продувка  заканчивалась при пониженном содержании углерода в стали. После   её дополнительно науглероживали в ковше. 

  Зачастую продувка приводила к повышению содержания в металле остаточного кислорода, а следовательно к увеличению расхода ферросплавов — раскислителей, в результате повышалось также содержание в стали неметаллических включений, что снова приводило к снижению качества.  Если мы промахнулись и углерода в стали оказалось мало, то в конце плавки её необходимо  науглероживать древесным углём, а если много, то раскислять ферромарганцем, феррокремнием или алюминием. Не проблема, если попаданец  их в калашном ряду прикупит.

     Проблему решили только в середине ХХ века, когда были установлены спектроскопы. По спектру вырывающегося из горловины конвертера пламени  с их помощью определяли содержание углерода, что позволило точно  определять момент требуемого окончания продувки. Нынче при  каждом металлургическом заводе есть своя лаборатория которая проводит анализ каждую плавку!  В начале, в середине и ближе к концу (для взятия проб временно прекращают продувку)

     Есть и ещё одна шляпа.  В конвертерах, работающих на воздушном дутье можно переплавлять только   чугун в котором содержится достаточно кремния, марганца и других примесей  способных вступить в реакции, сопровождаемые большим выделением тепла. А у попаданца будет именно такая руда? Точно... 

     Температура в конверторе с воздушным дутьем поддерживается за счёт выгорания кремния и марганца. Теплотворной способности одного  растворённого углерода  недостаточно. С переходом на кислород проблема отпала. Для поддержания температуры стало хватать растворённого углерода. Отсюда вытекает следующая проблема — регулирование температуры металла. Попаданцы  придётся его чем-то измерять и при необходимости  охлаждать добавками руды, окалины или скрапа (отходы, мелкие частички при выплавке металла). В РИ с регулированием температуры  выходило не шатко ни валко и дело сдвинулось с мёртвой точки только во второй половине ХХ века когда   конвертеры догадались вращать и тем самым перешивать массу металла.  

     Поскольку для большей части руды бессемеровский процесс не годился,   появился томасовский конвертер который  использовался для получения стали из чугуна, загрязнённого фосфором и другими нехорошими веществами. Этот конвертер   больше бессемеровского и  футерован   доломитом что дало возможность загружать в него известь, а значить получилось ошлаковывать, удалять вредный фосфор. 

     По сравнению с этими проблемами, остальные сущая ерунда: сконструировать и рассчитать водоохлаждаемую много-сопловую медную фурму (это трубка, через которую вдувают в расплав воздух).  В частности, могут возникнуть проблемы с расположением и  формой сопл.  Мы по умолчанию  рассчитываем что ГГ знает химию процесса и в состоянии рассчитать потребный объём вдуваемого воздуха. Что?!  Нет?!  В таком слцчае он не узнает, когда заканчивать продувку и загубит не одну тонну стали. 

    Агрессивный шлак и высокая температура быстро прикончат футеровку, для неё шамот уже не прокатит, нужен магнезит или хромомагнезит, как основой слой и выгорающий, внутренний слой из более дешёвого смолодоломита,  нужно правильное связующее, кладочная смесь и  печь на 1700 градусов для обжига огнеупоров.   Подробней о проблемах огнеупоров в первой  статье  https://author.today/post/52551. 

   Конвертер должен надо делать из клёпаных железных или бронзовых листов, желательно иметь механизм наклона и вращения. Для многотонной  конструкции  не такая простая задача. Нельзя сделать его неподвижным. Ведь его необходимо   наклонять после каждой плавки чтобы  сливать шлак, а после  металл, к тому же без внешнего каркаса не выдержит футеровка.

    Как только появились мартеновские печи, которые позволяли легко регулировать уровень углерода о таких примитивных конвертерах сразу забыли и вспомнили лишь спустя сто лет. Ближе к 70 годам 20 века  кислородный конвертер начал своё победное шествие по планете, а получение  кислорода  отдельная история.

     Вы ещё считаете постройку конвертера хорошей идеей? Тогда не забудьте о сотнях предварительных, экспериментальных тигельных плавках для  подбора пропорций  шихты, раскислителей, угля и руды. При загрузке конвертера потребуется  не толь чугун, но и железной лом  доля доходить до 30 % и попаданцы  его придётся  где то брать. 

     И ещё ложка дёгтя. Если попаданец думает, что у него выйдет хороший металл, то спешу его разочаровать. Конвертер, даже кислородный выдаёт лишь промежуточный продукт, как правило, металл придётся дополнительно рафинировать, выдерживать в ковшах или тиглях. При хорошем раскладе бессемеровская сталь сгодится на рельсы, молоты, станины. Стволы пушек из неё не отлить, а  доспехи и холодное  оружие будут хуже чем тем что  делали в Средние Века.

     По моему скромному мнению, попаданцу не стоит бежать впереди паровоза. Начните с тигельной плавки, отработайте состав шихты, огнеупоров и плавней, обаготите руду, поднимите уровень химии и  потом замахивайтесь для начала на пудлинговую печь... Быстро оно только кошки родятся, а металлургия, как и многое другое всегда идёт за общим уровнем развития технологий. Перепрыгнуть то можно, но это ж надо знать как!