Архивная версия статьи, 2002 год (без графики и таблиц)

     Древесный уголь в металлургии железа в эпоху Средневековья

   До сих пор, рассматривая технологии извлечения и обработки металлов, мы лишь изредка упоминали основное металлургическое топливо Древнего мира и Средневековья - древесный уголь. Вместе с тем это такой же необходимый компонент металлургического производства, как и руда. Без древесного угля процесс извлечения металлов из руд был бы просто невозможен. Особая роль древесного угля в процессе плавки руды Неспециалисту может показаться, что для металлургических целей можно использовать продукт пиролиза любой древесины. Однако сложность применяемых древними мастерами процессов указывает на то, что выжиг древесного угля стал настоящим искусством на самой ранней стадии освоения технологии извлечения металлов. Особенно важное значение качество древесного угля приобрело после появления сыродутных горнов. Проблема заключается в том, что при обработке железной руды древесный уголь выполняет функции не только источника тепла и восстановителя, но и обеспечивает газодинамические параметры процесса. Когда в нижней части горна происходит плавление железистого шлака, древесный уголь остается твердым кусковым материалом, что обеспечивает возможность свободного прохода продуктов горения через слой вязких тестообразных материалов, начинающих переходить в жидкое состояние. Уже в эпоху Древнего мира, когда производство древесного угля осуществлялось в ямах (практически таких же, которые применялись в наиболее древних процессах плавки руд), к выбору твердого топлива для сыродутного процесса подходили очень тщательно. А с появлением в средневековой Европе агрегатов высотой сначала 3-4 м, затем более 5 м требования к качеству древесного угля резко возросли. На первое место выдвинулась прочность материала, поскольку он должен был выдерживать всю массу железных руд и флюсов, тестообразных и жидких продуктов плавки, заполнявших объем агрегата высотой до 6 м. После широкого распространения технологии доменной плавки к середине XVI в. древесный уголь превратился в самый дорогостоящий сырьевой материал, используемый при производстве первичного черного металла, и его расход стал определять экономическую эффективность всего производства в целом. Кроме того, качество древесного угля стало определяющим параметром длительности кампании печи (т. е. времени ее безаварийной работы). При непрерывном процессе выпуска из печи жидких продуктов - чугуна и шлака - необходимость проведения ремонтов чаще всего зависела от интенсивности накопления в горне печи мусора древесного угля и формирования тугоплавких образований (настылей), загромождавших внутреннее пространство агрегата. Именно в это время в ведущих металлургических странах - Англии, Германии, Франции - были созданы гильдии, объединявшие производителей древесного угля. Эти организации просуществовали во многих западноевропейских странах вплоть до 2-й половины XIX в., когда резкое увеличение высоты доменных печей и изобретение высокопроизводительного способа выплавки литой стали (бессемеровского процесса) окончательно превратили каменноугольный кокс в основное твердое топливо металлургии железа. Как получали древесный уголь В эпоху позднего Средневековья в Европе повсеместное распространение получил кучной способ выжига угля, гораздо более производительный, чем архаичный ямный способ. Процесс начинался с выбора древесины. Деревья не должны были быть сучковатыми или изогнутыми. По сути, к ним предъявлялись требования, аналогичные требованиям к так называемой «корабельной» древесине. Как отмечалось в руководстве по выжигу древесного угля конца XVIII в., «слишком молодое или старое дерево, дерево червоточное и потерпевшее уже начало гниения дают уголь дурной, хрупкий, в малом количестве и негодный для выделки железа». Поэтому нередко перед властями стоял вопрос: разрешить использовать строевые леса для судостроения или для производства металлургического древесного угля? Древесные породы подразделялись углежогами на «твердые» (они же «темные» и «тяжелые»), «мягкие» (они же «белые» и «легкие») и «смолистые» (см. табл. 1). Твердые породы давали самый прочный и плотный уголь, смолистые обеспечивали наименьшее содержание вредных примесей. Одновременное использование различных видов древесины считалось нежелательным. Заготовка леса производилась поздней осенью или зимой, т. е. в то время, когда древесина содержала наименьшее количество влаги. Рекомендовалась длина поленьев от 3 до 4 футов (примерно 1 м) при толщине не более 6 дюймов (примерно 15 см). Термической обработке древесины предшествовала длительная сушка в естественных условиях: «лес, срубленный зимою и надлежащим образом подверженный действию воздуха, может быть обугливаем с выгодою в течение лета следующего года, если только погода не была слишком дождливая». В состав бригады угольщиков, как правило, входило 8-10 человек. Часто это были члены одной семьи. Мастер и помощник подготавливали ток (место для углежжения), покрывали кучу, наблюдали и регулировали процесс углежжения, разбирали («разламывали») кучу с готовым углем. Двое или трое настильщиков перевозили дрова от места рубки и складывали в кучу. Четверо или более работниц занимались плетением щитов из соломы и веток, которые использовались для укрепления «покрышки» кучи. Такая бригада одновременно обслуживала 8-12 куч диаметром в основании до 5 метров. Важнейшее значение для успеха углежжения имел выбор местности для тока. Она должна была обеспечивать ровную поверхность земли, защиту от сильного ветра, близость источников воды (для «тушения» готового угля). Почвенный слой должен был быть сухим и не слишком плотным, «чтобы давать снизу доступ атмосферному воздуху». Кладка кучи начиналась с устройства центральной части - трубы. Она обычно изготавливалась из нескольких вертикальных шестов, воткнутых в землю и скрепленных тонкими деревянными распорками и перевязками. Труба служила для разжигания кучи и организации естественной тяги в нее воздуха. Поленья укладывались концентрическими слоями от трубы к периферии как можно плотнее и с небольшим наклоном, необходимым для поддержания впоследствии земляной покрышки кучи. Всего устраивалось от 3 до 5 ярусов поленьев, причем в верхнем ярусе кучи - «голове» - они укладывались горизонтально, в остальных ярусах - вертикально. При этом соблюдались следующие правила. Поленья ставились сердцевиной к центру кучи, а пустоты между ними заполнялись мелкими дровами или углем. Поленья нижнего яруса укладывались толстым концом (комлем) вверх, в остальных ярусах - толстым концом вниз. Выравнивание поверхности кучи осуществлялось заполнением мелкими дровами и головнями от предыдущих операций углежжения всех промежутков между поленьями. Затем у основания (подошвы) кучи на высоту 6-12 дюймов делали пояс, состоящий из мелких ветвей, укрепленных деревянными рогатками, воткнутыми в землю. Пояс являлся опорой для покрышки кучи, обеспечивал выход газов вначале процесса и приток воздуха впоследствии. Покрышка кучи производилась в два этапа. Сначала из зеленого дерна, мха, хвороста, листьев и т. п. укладывался слой высотой 3-4 дюйма. Затем из смеси сухой земли и угольного порошка из старых токов формировали второй слой высотой до 2 дюймов у основания и до 4 дюймов на «голове» кучи. Нижние ярусы кучи подвергали легкой трамбовке, со стороны возможного ветра покрышку усиливали плетеными щитами и хвоей. Зажигание кучи производили всегда на рассвете, потому что первые 16-18 часов процесс требовал тщательного наблюдения. Для зажигания в трубу последовательно помещали горящие угли, далее доверху - качественные угли и, наконец, увлажненный угольный мусор. Пиролиз, или сухая перегонка дерева без доступа воздуха, проводится при максимальной температуре процесса 600-650 °С. При этом сначала происходит сушка дерева (до 150 °С), затем выделение легковозгоняемых смол (до 300 °С) и, наконец, выделение летучих веществ и обугливание древесины (300-500 °С). В общем-то для обеспечения процесса обугливания теплом достаточно около 20% массы дров, но при кучном способе получения древесного угля большая их часть просто сгорала. Поэтому выход готового продукта в Средневековье составлял лишь 12-15% от массы исходной древесины. О ходе процесса обугливания судили по дыму, выходящему из кучи. В первые сутки куча «парила», выделяя пары желтовато-серых цветов, тяжелые, стелящиеся по земле. В это время в куче образовывались пустоты вследствие неравномерного выгорания дров, и их необходимо было заполнять новыми дровами, головнями и углями, возобновляя каждый раз покрышку кучи. Эту операцию часто называли «кормлением» кучи. В последующие 3-4 дня усиливали покрышку кучи, уплотняя все возникающие в ней щели и периодически смачивая поверхность водой. Через 8-10 дней в подошве кучи устраивали небольшие отдушины. Пар, выходивший из них, постепенно становился все более легким и голубоватым. Выжигание считалось законченным, когда из отдушины начинало выходить пламя. Очень ответственной операцией была разборка кучи после окончания углежжения. Ее производили через небольшие отверстия диаметром около одного фута. Уголь выгребали специальным крюком тонким слоем, и тут же быстро закладывали отверстие землей для предотвращения загорания угля в куче. Вынутый уголь тушили, обливая водой, реже - засыпали землей. Отверстия устраивали каждый раз на новом месте, постепенно продвигаясь от подошвы к голове кучи. Дойдя до головы, начинали разрабатывать новый слой рядом с предыдущим. Охлажденный уголь подвергали тщательной сортировке. Крупный, размером более кулака, предназначался для доменных печей; средний, от кулака до грецкого ореха, использовался в кричных горнах; мелкий, от ореха до горошины, - для обжига руды и известки. Угольный порошок, головни и необугленное дерево использовались при формировании новых куч. Вследствие частого контакта с землей в ходе процесса углежжения и особенно во время разборки кучи древесный уголь всегда содержал много земляного мусора, песка и т. п. Поэтому перед загрузкой в печь его часто отмывали в специальных чанах с водой. Операция отмывания древесного угля от грязи была обязательной при производстве чистового цветного металла, например, олова, серебра, свинца. Химический состав древесного угля, даже полученного из разных сортов древесины, имел небольшие колебания. Содержание углерода составляло 86-89% по массе, золы - от 0,8 до 2,0% у мягких и смолистых пород и от 3,0 до 3,6% - у твердых пород (остальное - водород и кислород). Для сокращения потерь от тряски перевозка угля к потребителю осуществлялась в специальных плетеных коробах, вместимость которых не превышала 3 м3. Хранили древесный уголь в хорошо проветриваемых ангарах в кучах высотой не более 6 м. Перед загрузкой в доменные печи рекомендовалось выдерживать уголь в таких ангарах 2-3 года. Считалось, что в этом случае он имеет большую прочность, чем свежеприготовленный, т. е. «несет больше руды». Стратегический продукт эпохи Великих географических открытий В эпоху Средневековья затраты древесины на металлургические нужды непрерывно росли. Но особенно ярко этот процесс проявился в XVI в. В 1540-х гг. в Англии была разработана технология отливки чугунных артиллерийских орудий. Это событие ознаменовало собой настоящую революцию в военном деле и резко повысило спрос на черный металл. Масштабы затрат на производство чугуна во 2-й половине XVI в. может проиллюстрировать следующий пример. Важнейшим родом войск позднего Средневековья в Европе являлся флот. Не будем забывать о том, что это была эпоха Великих географических открытий, и именно на море в это время выясняли между собой отношения наиболее могущественные державы того времени - Испания, Португалия, Франция, Англия, добившаяся независимости Голландия, быстро прогрессировавшие Швеция и Дания. Мощными флотами располагали средиземноморские государства и прежде всего Венецианская республика. Основу флотов большинства европейских государств в это время составляли галионы - суда водоизмещением до 1000 т и более, длиной свыше 50 и шириной 10-12 м. Одним из наиболее известных судов этого типа была «Золотая лань», на которой знаменитый английский мореплаватель Френсис Дрейк в 1577-1580 гг. предпринял пиратскую экспедицию в Вест-Индию, а затем совершил второе (после Магеллана) кругосветное путешествие. Для галионов характерно наличие двух батарейных палуб, на которых размещалось 50-80 орудий, в подавляющем большинстве чугунных, снабженных 120-150 чугунными ядрами. Масса корабельных орудий зависела от их калибра и колебалась от 300 до 2500 кг, а масса ядер - от 1,2 до 10,2 кг. Для получения 1 т древесного угля, пригодного для использования в доменных печах, требовалось около 2 т, или 2,5 м3, высококачественной древесины, т. е. 5-6 здоровых деревьев, находящихся в стадии наибольшего развития. Корневая система таких деревьев распространяется на площадь около 20 м3. Расход древесного угля на производство 1 т чугуна составлял в то время около 3 т, а с учетом большого количества брака в отливках достигал 4-5 т на 1 т готовой литой продукции. Принимая среднюю массу артиллерийского орудия в 1 т, количество ядер для него - 150 шт., а общее количество орудий на галионе - 60 ед., нетрудно подсчитать, что для снаряжения одного военного судна требовалось вырубить около 3500 деревьев с территории примерно 7 га. Для экипировки только артиллерии Великой армады, сформированной королем Испании Филиппом II в 1588 г. для войны с Англией, на вооружении 75 военных судов которой находилось 2431 орудие (из них свыше 80% были чугунными) и 124 тыс. ядер, было вырублено свыше 4 км2 отборного строевого леса. Конечно, Великая армада - явление исключительное. Однако интенсивность военных действий на море была очень высока и без создания многочисленных флотов. Большое количество артиллерийских орудий устанавливалось в крепостях и фортах, в т. ч. на завоеванных заокеанских территориях. На вооружении гарнизонов французских и испанских крепостей нередко находилось свыше 100 орудий различного калибра, а масса некоторых из них достигала 5-6 т. Осадные же орудия, изготовленные по «индивидуальным проектам», могли достигать массы свыше 10 т. Английский парламент и королева против вырубки строевых лесов Таким образом, лесные массивы Западной Европы, причем с наиболее качественной древесиной, исчезали во второй половине XVI в. с интенсивностью в несколько десятков км2 ежегодно. Существенный «вклад» в этот процесс, помимо военно-металлургической, вносила и стекольная промышленность. Своеобразная революция в стекловарении произошла после изобретения французом Кокереем в первой половине XIV в. так называемого «лунного» стекла. Его получали быстрым вращением полушария, получавшегося после разрезания выдутого ранее шара. Формировавшийся в результате вращения круг служил заготовкой для изготовления оконного стекла. Постепенное развитие этой технологии привело к тому, что во 2-й половине XVI в. оконное стекло перестало быть дорогостоящим уникальным материалом и стало доступным средним слоям общества позднего Средневековья. Вырубка угодий с высококачественной древесиной, необходимой для выплавки чугуна и варки стекла, стала столь значительной, что вопрос о сохранении строевых лесов стал регулярно рассматриваться английским парламентом. Например, на одном из его заседаний в 1851 г. лорд Эвелин выступил с речью, названной им «О всепожирающих железных и стекольных заводах». В ней он упоминал некоего углежога из города Дархема, срубившего к тому времени «уже более 20 тысяч дубов». «Если он (углежог) еще немного проживет, - отмечал лорд, - то может оказаться, что во всей стране скоро не найдется и пары стволов на ремонт даже одной церкви.» В результате активной деятельности парламента в 1584 г. королева Елизавета I вынуждена была принять специальный указ, в котором, в частности, говорилось: «Усматривая, что по причине множества железных и стекольных заводов строевые леса претерпевают страшные повреждения и в самое короткое время могут быть окончательно истреблены, мы повелеваем, чтобы с праздника Пасхи не было воздвигнуто ни одного горна, ни одной кузницы, ни одного завода для выделки стекла и железа.» Для уже существующих предприятий вводилась система патентов (привилегий), выдаваемых монархом на право вырубки конкретных лесов. За рубку корабельного и строевого леса и обугливание деревьев без разрешения устанавливался очень высокий для того времени штраф - 40 шиллингов. Однако даже такие строгие меры уже не могли спасти ситуацию. Слишком притягательной оказалась возможность заработать на экспорте чугунных артиллерийских орудий и оконного стекла в страны материковой Европы. Дело закончилось принятием в 1615 г. «Закона о запрете использования дров» и переходе к использованию в промышленности и быту каменного угля. В скором времени аналогичные законы были приняты во Франции, Голландии и многих германских государствах. * * * Таким образом, быстрое развитие технологии и масштабов производств литейного чугуна за каких-то полвека привело к одному из самых жестоких энергетических и экологических кризисов в истории Западной Европы. Уникальность функций древесного угля, выполняемых им в доменной плавке, предопределило то обстоятельство, что замена этому замечательному материалу была найдена лишь в XVIII в., когда был изобретен процесс коксования каменного угля. В стекольной промышленности выход был найден гораздо раньше: уже в 1618 г. английский изобретатель Теллуэл разработал принципиально новую конструкцию печи, использующей в качестве твердого топлива уголь вместо дров. Энергетический кризис 2-й половины XVI в. имел еще одну сторону: старые металлургические регионы Европы вынуждены были на долгое время перейти на использование импортных материалов: древесного угля, чугуна, железа-сырца. Англия, Франция, Германия более века развивали в основном индустрию металлообработки. Большое развитие в этих странах получили также технологии переработки железного металлолома. Во Франции для него даже был придуман специальный термин - ferraille. Что же касается производства первичного черного металла, то в этой отрасли на ведущее место выдвинулись новые страны, богатые ресурсами древесины, железными рудами и проводившие активную внешнеторговую политику. Лидерами в металлургии железа в XVII и XVIII вв. стали сначала Швеция, а затем Россия. П. И. Черноусов, кандидат технических наук, доцент МИСиС

 Важно:
  ДЛЯ ОБМЕНА КНОПКАМИ - возьмите наш код, поставьте его на Ваш сайт и добавьте Ваш ресурс ЗДЕСЬ

Код кнопки:


Главная | Рубрикатор | Размещение рекламы | Рекламные агентства | Обзор выставок
Строчная реклама | Рынок металлов | Статьи и анонсы | Адреса фирм из статей
Содержание справочника ЛКМ | Анкета для посетителей | Доска объявлений | Страница ссылок