Доменная печь
С развитием промышленности требовалось всё больше железа. Запас легкоплавких руд иссяк, и пришлось из глубин земли извлекать тугоплавкие руды, требующие высокотемпературной переработки. Совершенствование плавильных печей в XIII-XVI вв. привело к появлению доменной печи. Попутно металлурги открыли ещё неизвестные свойства железа и новый способ его выплавки — кричный передел.
Штукофен — первый шаг
Для получения железа из тугоплавких руд нужно было повысить температуру и усилить дутьё. Появились штукофены — высокие (до 3,5 м) конусообразные печи из огнеупорного кирпича с открытым верхом (колошником) для загрузки угля и шихты (измельчённой руды) и с отверстием (фурмой) для поддува и извлечения крицы (губчатого железа). В высокой печи возникала сильная тяга, нагнетавшая жар, а дутьё усилили, раздувая мехи с помощью водяных колёс. Использование этих гидравлических двигателей вызвало массовый «переезд» плавильного производства с гор, где добывался металл, на равнины, к рекам с сильным течением.
Негодный чугун
При высоких температурах плавления рудное железо быстрее избавляется от окислявших его атомов кислорода и соединяется с атомами углерода (из угля). В штукофене железо обогащалось углеродом раньше, чем от него успевал отделиться шлак (иные примеси). Шлак выплавлялся, когда в печи уже образовывался не только комок крицы — железа с небольшим содержанием углерода, но и расплавленный чугун — переобогащённое углеродом железо.
Высокое содержание углерода делало чугун хрупким, не поддающимся ни ковке, ни сварке. Что было делать с таким металлом? А чугуна при выплавке тугоплавких руд получалось много, и он смешивался с жидким шлаком. Поначалу эту смесь выбрасывали, но в XIV в. стали извлекать из раздробленного шлака корольки — однородные кусочки чугуна и отливать из него грубые изделия.
Шаг второй — блауофен
Открытие литейных качеств чугуна привело к ещё более важному открытию переделочного процесса. Оказалось, что, если чугун снова переплавить с углём при сильном поддуве, углерод из расплавленного металла соединится с кислородом из воздуха и образует летучий углекислый газ. Так, у чугуна «отбирали» лишние атомы углерода, превращая его в крицу. Крица из чугуна оказалось лучше той, что выплавляли из руды, — в ней было меньше шлака.
Для переплавки чугуна стали строить ещё более высокие (до 6 м) печи с гидравлическим поддувом — блауофены. Плавка 70 кг руды в блауофене длилась 15 часов. После плавки печь охлаждали, извлекали крицу (до 40 кг) и чугун (до 20 кг), который вручную очищали от шлака для повторной переплавки в крицу.
Домна и кричный горн
Остывание печи, извлечение из неё крицы, чугуна и шлака, подготовка печи к новой плавке занимали до 10 часов, и очистка чугуна от шлака требовала много труда. Поэтому переделочный процесс в металлургии закрепился только в конце XV в., когда была изобретена доменная печь (домна) и найден двухступенчатый способ изготовления железа. В доменной печи руда плавилась долго и при высокой температуре и вся переплавлялась в переобогащённый углеродом чугун (крицу уже не извлекали). Выплавка в печи шла непрерывно — через колошник загружали шихту и уголь, они плавились в шахте печи и стекали вниз. Лёгкий шлак образовывал верхний слой расплава и вытекал через верхнюю лётку (отверстие), а тяжёлый чугун со дна стекал по нижней лётке. Домна была выше блауофена (высота современных доменных печей до 35 м), и для поддува в неё подавался не сырой, а горячий воздух, что позволяло увеличить нагрев до 2000 °С.
Чугун плавится при более низких температурах, чем руда, и его перерабатывали в железо в кричных горнах, сходных с сыродутными печами. За 1-2 часа плавки с углём углерод выгорал из чугуна, и на дне горна оседала мягкая масса кричного железа с низким содержанием шлака, который потом удаляли ковкой. В средневековых горнах за сутки из тонны чугуна получали около 920 кг железа. Процесс восстановления железа из чугуна называется кричный передел.
Развитие идеи
Усовершенствованные и механизированные доменные печи используются и по сей день. А на смену кричным печам в 1856 г. англичанин Г Бессемер предложил особый аппарат — конвертер, перерабатывающий расплавленный чугун в сталь путём продувки через него сжатого воздуха. Кислород из воздуха соединяется с углеродом из чугуна, образуя летучий углекислый газ и освобождая металл от избытка углерода. Бессемеровский процесс, экономя уголь, удешевил производство стали.
В 1864 г. француз П. Мартен для передела чугуна сконструировал печь с низким потолком, раскаляемую смесью горючего газа и воздуха. Мартеновские печи использовали больше 100 лет.
С 1970-х гг. сталь выплавляется преимущественно конвертерным способом (близким к бессемеровскому) и электроплавкой (с помощью электрического тока).
