Физика пирометаллургических процессов


Рощин В. Е., Рощин А. В.










                ФИЗИКА ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ





Учебник




  Допущено федеральным учебно-методическим объединением по укрупненной группе специальностей и направлений 22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебника при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия» соответственно, а также при подготовке аспирантов, обучающихся по направлению 22.00.00 «Технологии материалов»















Москва Вологда «Инфра-Инженерия»

2021

УДК669.017
ББК 34.2
    Р58



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В. А. Бигеев; доктор технических наук, профессор Г. В. Галевский; доктор технических наук, профессор О. Ю. Шешуков




     Рощин, В. Е.
Р58      Физика пирометаллургических процессов : учебник / В. Е. Ро     щин, А. В. Рощин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. -304 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-0701-4

     Изложены основы физических процессов образования вещества и появления металличности во Вселенной, причины проявления у вещества металлических свойств и происхождения металлов на Земле, описаны физические явления на электронном уровне при нагреве, плавлении, отвердевании и кристаллизации металлов. Проанализированы процессы электронного и ионного обмена в химических реакциях, протекающих в восстановительных агрегатах при пирометаллургическом извлечении металлов из руд.
     Для студентов и аспирантов металлургических направлений подготовки. Может быть полезно исследователям процессов в области доменного, сталеплавильного и ферросплавного производств, а также практическим работникам металлургической и машиностроительной промышленности.





УДК 669.017
ББК 34.2



ISBN 978-5-9729-0701-4

     © Рощин В. Е., Рощин А. В., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие..........................................................6
Раздел I. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕТАЛЛАХ
          И ФИЗИКЕ ПРОЦЕССОВ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ
Глава 1.  Развитие пирометаллургии от неолита до наших дней
          1.1. Эволюция представлений о металлах.....................7
          1.2. Краткая история пирометаллургии.......................10
          1.3. Получение расплавленного железа и литой стали.........15
          1.4. Современные способы производства сплавов железа.......20
          1.5. Проблемы и нерешённые вопросы пирометаллургии железа..24
Глава 2. Развитие представлений о происхождении и структуре вещества
          2.1. Роль пирометаллургии в зарождении науки о веществе....30
          2.2. Развитие науки о структуре вещества...................33
          2.3. Элементарные частицы вещества и взаимодействий........35
          2.4. Неклассическая физикаХХ века..........................41
          2.5. Античастицы и антивещество............................44
          2.6. Причины и масштабы агрегации вещества во Вселенной....46
          2.7. Хронология появления и агрегации вещества.............49
          2.8. Образование химических элементов, присутствующих на Земле... 56
Глава 3. Агрегация вещества под влиянием
          электромагнитного взаимодействия
          3.1. Электромагнитное взаимодействие в атомах..............62
          3.2. Электромагнитная природа химической связи в молекулах, микро- и макротелах........................................66
          3.3. Агрегатные превращения вещества.......................74
          3.4. Идеальные и предельные состояния вещества.............77
Глава 4. Металлическое состояние вещества
          4.1. Типы металлов.........................................80
          4.1.1. Металлы - химические элементы.......................81
          4.1.2. Металлы - сплавы химических элементов...............85
          4.1.3. Металлы - химические соединения элементов...........86
          4.2. Кристаллические структуры металлов....................86
          4.3. Реальные кристаллы....................................90
          4.4. Физические свойства металлов..........................93
Раздел II. ФИЗИКА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛАХ
Глава 5. Температурные процессы в твёрдых металлах
          5.1. Кристаллическая решётка металлов при нагреве ниже температуры плавления...................................... 97
          5.2. Изменения в кристаллической решётке при плавлении.....100
          5.3. Изменение свойств металлов при плавлении..............102
          5.4. Модельные представления о процессах плавления.........107
          5.5. Состояние теории плавления реальных кристаллов........111
Глава 6. Структура металлических расплавов
          6.1. Экспериментальные исследования структуры металлических расплавов..................................................113
          6.2. Модельные представления о структуре металлических расплавов 117
          6.2.1. Квазигазовые модели.................................117

3

           6.2.1.1. Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса...............118
           6.2.1.2. Модель жёстких сфер...............................118
           6.2.1.З. Структурная модель Дж. Бернала.......................120
           6.2.2. Квазикристаллические модели............................122
           6.2.2.1. Модель свободного объёма..........................12З
           6.2.2.2. Модель сиботаксисов...............................124
           6.2.2.З. Дырочная модель Френкеля..........................125
           6.2.2.4. Квазиполикристаллическая модель...................127
           6.2.2.5. Квазихимическая модель............................128
           6.2.2.6. Кластерная модель.................................129
           6.З. Изменение структурно-чувствительных свойств расплавов при перегреве и охлаждении.....................................1З0
           6.З.1. Экспериментальные результаты........................1З0
           6.З.2. Неравновесные состояния многокомпонентных расплавов.1З8
Глава 7. Кристаллизация металлических расплавов
           7.1. Зарождение и рост одиночных кристаллов................140
           7.1.1. Термодинамика гомогенного зарождения центров кристаллизации.............................................140
           7.1.2. Рост сверхкритических зародышей.....................145
           7.1.З. Формирование габитуса кристаллов....................146
           7.1.4. Гетерогенное зарождение кристаллических зародышей...148
           7.2. Кристаллизация расплавов при контакте с холодной стенкой.150
Глава 8. Отвердевание металлических расплавов без кристаллизации
           8.1. Кинетика кристаллизации и отвердевания...................157
           8.2. Составы сплавов, склонных к аморфизации...............161
           8.З. Практика получения аморфных и нанокристаллических металлов.... 165
Раздел III. ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ИЗ РУД
Глава 9.  Атомно-молекулярные теории твердофазного восстановления
           9.1. Термодинамикауглеродотермического восстановления.........170
           9.2. Атомно-молекулярные представления о механизме твёрдофазного восстановления...............................17З
           9.2.1. Механизм контактного взаимодействия.................17З
           9.2.2. Массоперенос при контактном взаимодействии..........174
           9.З. Атомно-молекулярные модели двухстадийных реакций углеродотермического восстановления........................179
           9.З.1. Газификация восстановителя..........................179
           9.З.2. Диссоциация оксидов.................................18З
           9.З.З. Сублимация оксида...................................185
           9.4. Проблемы атомно-молекулярных теорий восстановления....187
Глава 10. Процессы в кристаллической решётке оксидов при нагреве и изменении парциального давления кислорода
           10.1. Структура и дефекты решётки кристаллических оксидов.....192
           10.2. Диффузионная подвижность ионов в твёрдых оксидах........197
           10.З. Электропроводность твёрдых оксидов при изменении температуры и парциального давления кислорода..............202
Глава 11. Связь электропроводности оксидов и восстановления металлов
           11.1. Особенности массо- и электропереноса в твёрдых оксидах, не учитываемые атомно-молекулярными теориями восстановления.211
           11.2. Материалы и методы экспериментального исследования электропроводности оксидов.................................21З

4

           11.3. Изменение электрического сопротивления оксидов при нагреве в разных условиях...........................................215
           11.4. Электрическая проводимость железосодержащих комплексных руд   218
           11.5. Связь температуры появления электропроводности, транскристаллической диффузии и начала твёрдофазного взаимодействия.............................................222
Глава 12. Процессы в коллективных системах анионов и валентных электронов оксидов при восстановлении металлов
           12.1. Элементарные акты восстановления в конденсированных оксидах....................................................224
           12.2. Распространение вакансий и «свободных» электронов в оксидах... 228
           12.3. Термодинамические особенности образования металлических зародышей в оксидах........................................236
           12.4. Рост и формирование габитуса металлических кристаллов.238
           12.5. Восстановление многозарядных катионов, диссоциация оксидов и сублимация субоксидов.....................................239
           12.5.1. Механизм диссоциации конденсированных оксидов.......239
           12.5.2. Диссоциация и сублимация оксидов кремния............241
           12.5.3. Диссоциация и сублимация оксидов алюминия..........246
Глава 13. Роль карбидов в процессах производства чугуна и углеродистых ферросплавов
           13.1. Существующие атомно-молекулярные представления о роли карбидов в процессах восстановления.........................251
           13.2. Результаты экспериментального исследования образования карбидов при восстановлении хрома...........................255
           13.3. Влияние силикатных фаз на образование карбидов и скорость восстановления хрома и железа в хромовых рудах.............263
           13.4. Окислительный характер процессов образования карбидов.266
Глава 14. Электронно-вакансионная теория восстановления и её следствия для практики извлечения металлов из руд
           14.1. Состояние газов и оксидной фазы в восстановительных условиях с учётом электронного строения вещества...........274
           14.2. Результаты экспериментальных исследований электронного и ионного обмена между твёрдыми реагентами химических
           реакций в условиях восстановления..........................277
           14.3. Условия твёрдофазного электронного и ионного обмена между углеродом и оксидами в восстановительных агрегатах....280
           14.4. Обобщение экспериментальных результатов углеродотермического восстановления металлов.............. 284
           14.5. Следствия из электронно-вакансионной теории восстановления
           для практики извлечения металлов из руд....................289
Библиографический список..............................................298

5

        ПРЕДИСЛОВИЕ


       Металлургия - это не только важнейшая для экономики отрасль производства, но также глубокая, сложная и очень интересная наука о металлах, призванная обосновывать, разрабатывать и объяснять технологические процессы их получения и первичной обработки. Эти процессы связаны с изменениями химического состава и агрегатного состояния веществ. Изменение свойств веществ при изменении их состава является предметом изучения химии, а их изменение при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое - предметом исследования физики.
       В металлургических агрегатах изменение состава веществ и их агрегатного состояния осуществляют при высокой температуре. Поэтому основой теории металлургических процессов является физическая химия, которая химические процессы изменения состава веществ исследует методами, принятыми в физике, то есть с учётом влияния внешних параметров - температуры и давления газовой фазы. Но базовые законы термодинамики и статистической механики, составляющих основу физической химии, сформулированы в конце XIX века в результате исследования поведения газов, то есть еще до экспериментального доказательства существования молекул и атомов. В дальнейшем и до сих пор физическая химия и теория металлургических процессов путём введения различных поправок и коэффициентов, получаемых в эксперименте, приспосабливают «газовые» законы к конденсированным системам как большим коллективам частиц, подчиняющимся законам классической механики.
       Таким образом, существующая теория металлургических процессов базируется, в конечном счёте, на положениях молекулярной физики. Но в конденсированных металлургических системах - в твёрдых металлах, рудах и в их расплавах нет ни молекул, ни атомов, есть только ионы и связывающие их тем или иным видом электромагнитной связи электроны. Химические превращения веществ обусловлены изменением распределения валентных электронов металлов между ионами, а поведение электронов как элементарных частиц определяется законами не молекулярной, а квантовой механики. Поэтому адекватно описать металлургические процессы лишь на молекулярном уровне невозможно, этого можно достичь только с использованием положений квантовой механики.
       Отсутствие в учебной литературе трактовки процессов пирометаллургии, обусловленных поведением электронов, с учётом положений квантовой механики является серьёзным недостатком научной подготовки кадров для металлургии, а это затрудняет поиск эффективных решений практических задач и существующих проблем металлургии. Авторы надеются данным учебником хотя бы в некоторой степени восполнить этот пробел.

6

        РАЗДЕЛ I. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕТАЛЛАХ И ФИЗИКЕ ПРОЦЕССОВ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ

                              Изучать физику - значит изучать Вселенную, как работает Вселенная. Вне всяких сомнений, физика - самая интересная ветвь науки, поскольку Вселенная куда сложнее, чем кажется, и она вмещает в себя всё сущее.

        Глава 1. Развитие пирометаллургии от неолита до наших дней

        1.1. Эволюция представлений о металлах

      Современную жизнь невозможно представить без металлов - железа, меди, алюминия, титана и многих других химических элементов, которые мы относим к металлам, а также сплавов на основе этих элементов - стали и чугуна, бронз и латуней, силуминов и дюралюминов, и многих, многих других. Металлы - фундамент современной цивилизации, материальной культуры человечества, основа основ технического прогресса. Будущее человечества также неразрывно связано с металлами, получением на их основе новых материалов, обладающих самыми разнообразными свойствами и способными работать в невероятно разнообразных условиях - в космическом вакууме и в глубине сверхглубоких скважин, в ракетных двигателях и в атомных реакторах, на поверхности других планет и в других совершенно невероятных с сегодняшней точки зрения условиях.
      А ведь ещё два с половиной века назад человечество знало о существовании только восьми металлов - золота, серебра, меди, железа, свинца, олова, сурьмы и ртути. На основе уже этих знаний человечество пыталось понять, что же это такое - металлы? Оказалось, что ответить на этот вопрос непросто и сегодня. Для этого следует выделить и обозначить свойства, присущие только металлам, и не встречающиеся у других элементов и материалов. Сегодня мы считаем металлами порядка 90 химических элементов и десятки тысяч металлических сплавов на их основе, однако до сих пор нет устойчивого и общепринятого определения металлов. Понятие «металлы» всё ещё уточняется и постоянно расширяется. Для подтверждения этого достаточно посмотреть, какое определение металлам дают энциклопедические словари по химии, физике, разные технические справочники, а также сравнить это определение в однотипных, но изданных в разное время словарях и справочниках. Объективными причинам такого положения являются огромное разнообразие свойств, присущих металлам, и постоянно углубляющиеся знания о природе металлов.
     На каждом этапе познания природы люди выделяли какое-то хорошо известное им свойство металлов, которое отсутствовало или проявлялось слабо у других веществ, и, основываясь на этом свойстве, делали заключение о сути металлов. На протяжении многих веков, начиная с конца каменного века, наи

7

более ярким и широко используемым человечеством отличительным свойством металлов от других веществ была их способность к деформации в холодном или горячем состоянии. Кроме того, обращал на себя внимание блеск металлов, с которыми люди познакомились ещё на стадии собирательства и обработки самородных металлов. Поэтому нам известно в принципе правильное по сути самое краткое и ёмкое определение металлов, которое дал два с половиной века назад в своём научном труде «Первые основания металлургии или рудных дел» М.В. Ломоносов: «Металлы суть ковкие блестящие тела». При этом он исходил из общности этих свойств для шести из восьми известных ему металлов - золота, серебра, меди, железа, свинца и олова. Но уже и во времена М.В. Ломоносова это определение металлов являлось недостаточно точным и неполным, так как не позволяло отнести к металлам известные ещё в древности и уже достаточно широко использовавшиеся человеком ртуть и сурьму, поскольку ртуть при нормальных условиях - жидкость, а сурьма непластична и при ковке разрушается.
      Дальнейшее уточнение сути металлов шло путём расширения и дополнения сформулированного М.В. Ломоносовым определения всё новыми свойствами, открытыми или изученными у металлов, а само определение становилось всё более обширным. После того, как люди познакомились с электричеством и определили хорошую электрическую проводимость металлов, наиболее отличительным свойством металлов стали считать (некоторые и до сих пор продолжают считать) их высокую электропроводность. По мере успехов химии в XVIII и XIX веках в исследовании химических превращений веществ выяснилось, что металлы образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа. Поэтому спустя полтора века после Ломоносова в энциклопедическом словаре Мейера (1897, нем.) давалось уже такое определение металлов: «...элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа». В этой формулировке заслуживают внимания оговорки - «...в не слишком тонком слое...», «...преимущественно...». Значит, эти признаки необязательны? Или они присущи и неметаллам?
      Современные отечественные энциклопедические словари дают, как правило, довольно обширные определения металлов, которые, в общем, хотя и совпадают, но всё же имеют и заметные расхождения. Так, «Физический энциклопедический словарь» (М., Советская энциклопедия, 1984) определяет металлы как «...простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокими электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение...». Уместно заметить, что уже в годы подготовки и издания этого словаря началось промышленное производство аморфных металлов, у которых кри

8

сталлическое строение не выявляется. «Политехнический словарь» (М., Советская энциклопедия, 1980) наряду с простыми веществами относит к металлам и множество металлических (?) сплавов, обладающих аналогичным набором свойств. В химии под металлами понимают простые вещества - химические элементы. В физической, технической и экономической литературе к металлам наряду с химическими элементами относят сплавы, смеси, а иногда и химические соединения, обладающие комплексом «металлических» свойств.
     Вместе с тем, Большая советская энциклопедия указывает, что не следует абсолютизировать ни свойства, характерные для металлов, ни их отличия от неметаллов. Это в ещё большей степени усложняет понимание термина «металлы» - по мере углубления знаний о природе металлов расширяется представление об их сути и, соответственно, их определение.
     В начале XX века (1900 г.) немецкий физик П. Друде связал свойства металлов со строением кристаллической решётки металлов. Он представил кристаллическое строение металлов как остов из положительно заряженных ионов, погружённый в электронный газ. Отрицательный заряд электронов газа компенсирует взаимное отталкивание положительно заряженных катионов и удерживает их на определённом расстоянии друг от друга, а сами электроны имеют возможность свободно перемещаться в объёме между ионами, то есть вести себя в кристаллической решётке металлов подобно газовым молекулам в газах.
     Понятие электронного газа позволило объяснить многие важнейшие свойства металлов (высокую электропроводность, теплопроводность, металлический блеск, пластичность) и их отличие от неметаллов. Однако позже выяснилось, что электронный газ металлов не подчиняется газовым законам, что потребовало усложнения представлений о металлах.
     В настоящее время самое широкое толкование понятия металлов даёт астрофизика - наука о структуре и эволюции Вселенной, в которой металлами считаются все элементы, пока кроме водорода и гелия. Таким образом, с точки зрения астрофизики, предметом изучения которой является вся Вселенная, её происхождение и процессы развития, металлами являются не только известные широкому кругу людей железо, медь, хром и другие, но и такие элементы как кислород, углерод, сера, фосфор и даже элементы группы инертных газов. Более того, в докладе на XX Менделеевском съезде в 2016 году президент РАН В. Фортов сообщил о получении в металлическом состоянии последнего химического элемента - водорода. Таким образом, при определённых условиях металлами могут быть все известные химические элементы, а также многие сплавы и химические соединения элементов.
     Возможно у многих людей и, тем более, у металлургов, занятых извлечением из руд и первичной обработкой металлов в обычных («нормальных») условиях, это утверждение вызовет удивление и, возможно, даже неприятие, но это именно так, хотя ни углерод, ни инертные газы нельзя отнести к «ковким блестящим телам». Чтобы понять, что же является общим «металлическим» у золота, меди, железа и, например, аргона, представить причины и условия по


9

явления привычных нам металлов на нашей планете Земля, необходимо знать не только историю освоения металлов человечеством, но и хотя бы на познавательном уровне ознакомиться с современными представлениями о материи, структуре и тонком строении вещества.


        1.2. Краткая история пирометаллургии


       В 1816 году датский историк Х.Ю. Томсен при систематизации в музее археологических находок пришёл к выводу о целесообразности деления истории человечества, о которой имеются хоть какие-нибудь материальные свидетельства, в зависимости от материала, использовавшегося для изготовления орудий труда, на три периода: каменный век, бронзовый век и железный век (рис. 1). Используемые материалы характеризуют качество и степень развития орудий труда. Для доисторических времён это основополагающий и определяющий критерий, но и в наше время он имеет существенное значение.


Рис. 1. Хронология освоения производства материалов для орудий труда

      Согласно современным представлениям человеческий вид окончательно выделился из животного мира, лишь когда приручил огонь. Овладев огнём, человек коренным образом изменил условия своего существования. Подвергнутая тепловой обработке пища легче усваивалась, расширился ассортимент употребляемых в пищу продуктов, резко улучшилась энергетическая возможность человеческого организма, расширились возможности приспособления человека к обитанию в различных климатических и географических условиях. По мере совершенствования процесса горения топлива и повышения температуры огня человек находил всё более полезные сферы его использования. Пожалуй, вершиной достижений древнего человека в использовании жара огня явилось его применение для получения и обработки металлов. В последнее вре

10

мя часто используют ставшее крылатым выражение, что каменный век закончился не потому, что закончились камни, а потому что человек научился получать металл и изготавливать из него несоизмеримо более совершенные орудия труда.
      Слово металлы имеет греческое происхождение (metallon от metalleuo - выкапываю, добываю из земли), а металлургия в первоначальном смысле - искусство извлечения металлов из земли. Почему металлы надо выкапывать из земли?
      Это обусловлено тем, что главная особенность металлов, обуславливающая все их свойства, заключается в способности их атомов легко терять слабо связанные с ядром внешние, так называемые валентные электроны, находящиеся на большом расстоянии от ядра атома. А поскольку в коре Земли в настоящее время самым распространённым химическим элементом является кислород (рис. 2), который обладает высокой способностью присоединять электроны, то он, отбирая электроны у металлов, связывает их в химические соединения -оксиды, которые и составляют основной материал земной коры. Близкой к кислороду спо
собностью связывать электроны металлов об-  ^ис. ². Содержание ⁽масс. %)
,                           элементов в веществе коры
ладают ещё сера, фтор и хлор, поэтому часть 3                     '
металлов в коре Земли находятся в виде сульфидов, фторидов, хлоридов. Поэтому чтобы выявить, исследовать и использовать металлы, их надо как-то получить, то есть извлечь из оксидов, сульфидов, фторидов или хлоридов.
      Лишь несколько «благородных» металлов - платина, золото, серебро могут сохраняться на Земле в свободном состоянии в виде так называемых самородков. Но их на Земле очень мало, и поэтому хотя, по-видимому, самородные металлы были известны и древним людям, особого значения для изготовления орудий труда и развития производительных сил человека они не имели. К тому же благородные металлы весьма пластичны, изделия из них легко деформируются. Для изготовления орудий труда они непригодны, поэтому всегда использовались, главным образом, для изготовления украшений и ювелирных изделий.
      К благородным металлам близко примыкает медь, которая в земных условиях хотя и соединяется с кислородом и серой, но образует относительно непрочные соединения оксидов и сульфидов, которые при нагревании, например в костре, разлагаются (диссоциируют) с выделением металла и кислорода или серы. И хотя в природе медь иногда встречается и в виде самородной, она, по-видимому, была

11

первым металлом, полученным человеком в конце позднего (нового) каменного века (неолита) из неметаллических материалов - из руды. Но чистая медь, как и благородные металлы, весьма пластична и мало пригодна для изготовления орудий труда. Поэтому и медь не внесла существенных изменений в темпы развития человеческой цивилизации.
      Однако в рудах медь часто встречается вместе с другими элементами, например мышьяком или оловом, которые при нагревании руды в костре могли переходить в металл, образуя сплавы с медью - бронзы. В отличие от чистой меди бронзы обладают более широким спектром свойств и могут наряду с пластичностью при нагревании и охлаждении приобретать высокую твёрдость и прочность. А это, в свою очередь, позволяет придавать изделиям из бронзы не только необходимую форму, но в результате нагревания и быстрого охлаждения изделий формировать свойства, требующиеся от орудий труда. Поэтому освоение процессов получения бронзы и изготовления из неё орудий труда послужило мощным импульсом в развитии цивилизации в так называемый бронзовый век. Кроме того, с точки зрения металлургии освоение техники получения бронзы и изготовления из бронзы орудий труда позволили человечеству приобрести навыки извлечения металла из руды, его плавления и обработки. Бронзовый век подготовил технологическую основу получения и обработки других металлов, в первую очередь железа.
      Железо с кислородом образует более прочные соединения по сравнению с оксидами меди. Поэтому для восстановления железа из его оксидов только нагрева до температуры костра недостаточно. Получение металлического железа при температуре костра возможно в результате химической реакции взаимодействия молекул оксидов с атомами углерода Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO. Углерод в виде древесного угля в костре образуется всегда, поэтому уже в костре можно получать железо в виде металла. Но ещё при производстве бронзы в Древнем Египте научились существенно повышать температуру горения путём вдувания в очаг воздуха. Сочетание повышенной температуры с химической реакцией взаимодействия углерода с оксидами железа позволило примерно 3 500 лет тому назад получить железо в металлическом состоянии и освоить способы его обработки. И первыми металлургическими «агрегатами» были костры, обложенные рудными камнями.
      Но температура плавления железа превышает 1500°С, что существенно выше температуры в костре. Поэтому долгое время железо получали в виде пластичной лепёшки - крицы, в которой металлическое железо перемешано с оксидами (шлаком). Для изготовления собственно железных изделий из крицы необходимо было удалить шлак, что удавалось обеспечить выдавливанием пластичного шлака при ковке раскалённой крицы.
      Для повышения температуры и увеличения производительности костры увеличивали в размерах и теплоизолировали путём обкладывания их камнями с боковых сторон. Итогом совершенствования очага стал так называемый сыродутный горн, в котором стенки выполнялись в виде плетня из деревянных шестов, обмазанного глиной. Его называют сыродутным, потому что в этот очаг вдували «сырой», то есть не подготовленный специально воздух. В сыродутном горне также

12

получали крицу, а для получения железных изделий всё также использовали ковку крицы и кусков полученного таким образом металлического железа (рис. 3).
    Сыродутный горн служил агрегатом для получения железа на протяжении 3-х

тысяч лет, а в некоторых регионах существовал ещё и в XX веке. При этом горн, естественно, совершенствовался, увеличивались его размеры, росла производительность. Так, в XV веке сыродутные горны объёмом 1,1.. .1,7 м³ производили в сутки 1200.1300 кг крицы (кричного железа). Выработка в сутки на одного работника составляла около 250 кг. За последующие 200 лет объём увеличился до 3,4...4,5 м³, выработка - до 1800.2100 кг на один горн и почти до 400 кг на одного работника.

Рис. 3. Сыродутный горн

      Наиболее существенное влияние на производительность сыродутного горна

оказало использование для вдувания воздуха привода воздуходувных мехов от водяного колеса. Повышение давления вдуваемого мехами воздуха позволило увеличить высоту горна и, следовательно, слоя шихты, состоящей из руды и древесного угля. Более интенсивное горение угля в воздушном потоке привело к повышению температуры в горне. Повышение температуры увеличило подвижность атомов в металле, в результате возросла скорость диффузии, и в металл начал внедряться углерод. Железо стало превращаться в сплав железа с углеродом, то есть в чугун. А это сопровождается снижением температуры плавления металла, и, в конце концов, в горне вместо вязкого полутвёрдого железа в виде крицы появился более легкоплавкий и потому жидкий чугун. Агрегат для получения чугуна получил название домницы (от славянского глагола дметъ - дуть), а позднее - доменной печи.
      В отличие от железа медь не растворяет углерод, поэтому получение сплава железа с углеродом не было подготовлено практикой производства бронзы и оказалось неожиданным. Вначале чугун рассматривали как брак при производстве железа. В ряде языков чугуну давали пренебрежительное название, например «сорное», «свинское» железо (в русском языке до сих пор существует устойчивое словосочетание «чушка чугуна»). Но образование жидкого чугуна вместо крицы позволило выливать металл из горна самотёком, а после заполнения формы получать отливки необходимой геометрии. Это существенно уменьшило трудовые затраты на получение металла и металлических изделий, повысило производительность агрегатов и людей, что, несомненно, было положительным результатом.
      Однако чугунные отливки невозможно ковать, поскольку чугун является хрупким сплавом. Поэтому начались поиски методов «исправления» этого продукта. Оказалось, что его можно превратить в ковкое железо, если ещё раз пропустить через горн при меньшем количестве угля в шихте. В результате куски чугуна вновь приобретали способность пластически деформироваться и соединяться (сваривать

13