Puddling (металлургия) - Puddling (metallurgy) - Wikipedia

Схематический чертеж пудлинговой печи

Лужа этап производства высококачественного железа в тигле или печи. Он был изобретен в Великобритании во времена Индустриальная революция. Расплавленный чугун был перемешан в отражательная печь, в окислительной среде, в результате чего кованое железо. Это был один из важнейших процессов создания первых заметных объемов ценных и полезных пруток железа (кованое железо) без использования древесного угля. В конечном итоге печь будет использоваться для производства небольших партий фирменных блюд. стали.

Хотя это был не первый процесс производства пруткового железа без уголь, лужа была наиболее успешной и заменила более ранние заливка и штамповка процессы, а также гораздо более старый древесный уголь наряд и цветущий процессы. Это позволило значительно расширить производство железа в Великобритании, а вскоре после этого и в Северной Америке. Это расширение является началом промышленной революции в черной металлургии. Большинство применений кованого железа XIX века, включая Эйфелева башня, мосты и оригинальный каркас Статуя Свободы, использовал луженное железо.

Позже печи использовались и для производства качественной углеродистая сталь. Это было высококвалифицированное искусство, и как высокоуглеродистые, так и низкоуглеродистые стали были успешно произведены в небольших масштабах, особенно для шлюзовой технологии инструментальная сталь а также высокое качество мечи, ножи и другие оружие.

История

В Wuchaoni процесс очистки, описанный в Тиангун Кайу энциклопедия опубликовано в 1637 г., написано Сун Инсин, показывает некоторое сходство с ранним процессом лужения.

Обработка стали луженным металлом была известна еще в древнем Китае в период династия Хан к 1 веку нашей эры. Прогресс в процессах производства стали улучшил общее качество стали за счет многократной ковки, складывания и складывания кованого железа из чугуна для изготовления мечей.[1]

Современная лужа была одним из нескольких процессов, разработанных во второй половине 18 века в Великобритании для производства пруток из чугун без использования древесного угля. Он постепенно заменил более ранний процесс на древесном угле, проводившийся в нарядная кузница.

Потребность в лужах

Чугун содержит много свободного углерода и является хрупким. Прежде чем его можно будет использовать, и до того, как с ним сможет работать кузнец, он должен быть преобразован в более податливую форму, как пруток, на ранней стадии кованое железо.

Авраам Дарби успешное использование кокс за его доменная печь в Coalbrookdale в 1709 г.[2] снизила цену на чугун, но этот чугун, содержащий кокс, изначально не был принят, поскольку его нельзя было преобразовать в чугун существующими методами.[3] Примеси серы из кокса сделали это 'горячий короткий ', или хрупкие при нагревании, поэтому процесс украшения был для него непригоден. Лишь примерно в 1750 году, когда паровая продувка печи повысила температуру печи настолько, чтобы можно было добавить достаточно извести для удаления серы, стал применяться чугун для коксования.[4] Кроме того, были разработаны более совершенные процессы его усовершенствования.[3]

Изобретение

Авраам Дарби II, сын новатора доменной печи, сумел превратить чушковый чугун в прутковый чугун в 1749 году, но никаких подробностей этого процесса неизвестно.[5] В Братья Крейндж, также работая вместе с Река Северн, достигла этого экспериментально с помощью угольного реверберационная печь, в котором железо и сернистый уголь могут храниться отдельно.[5] Они были первыми, кто выдвинул гипотезу о том, что железо можно превратить из чушкового чугуна в прутковый чугун только под действием тепла. Хотя они не знали о необходимых эффектах кислорода, подаваемого воздухом, они, по крайней мере, отказались от прежнего заблуждения, что необходима смесь с материалами из топлива. Их эксперименты были успешными, и в 1766 году им был выдан патент №851, но, похоже, их процесс не получил коммерческого применения.

В 1783 г. Питер Луки в Dowlais построил более крупную реверберационную печь.[5] С этого он начал успешную коммерческую добычу и получил патент №1370.

Пудлинговая печь была усовершенствована Генри Корт в Fontley в Хэмпшире в 1783–84 годах и запатентован в 1784 году. Корт добавил к дымоходу демпферы, чтобы частично избежать риска перегрева и «подгорания» утюга.[5] Процесс Cort заключался в перемешивании расплавленного чугуна в отражательной печи в окислительной атмосфере, обезуглероживая его. Когда утюг «пришел в натуру», то есть до пастообразной консистенции, его собрали в лужицу, покрытый черепицей, и свернул (как описано ниже). Это применение рифленых роликов к прокатный стан катание узких прутков также было изобретением Корта.[6] Cort удалось лицензировать этот процесс и получить от него доход, даже от металлургических заводов, таких как Cyfarthfa, где более ранний процесс был изобретен ранее их соседями в Довле. Корт в настоящее время считается «изобретателем» лужайки.[нужна цитата ]

Спустя 90 лет после изобретения Корта американская рабочая газета напомнила о преимуществах его системы:

«Когда железо просто расплавляется и заливается в любую форму, его текстура гранулирована, и оно настолько хрупкое, что совершенно ненадежно для любого использования, требующего большой прочности на растяжение. , и так изменил его анотомическое расположение, что сделало процесс прокатки более эффективным ".[7]

Процесс Корта (как запатентованный) работал только для белых чугун, нет серый чугун, который был обычным сырьем для кузн того периода. Эта проблема была решена, вероятно, в Мертир Тидвил путем объединения луж с одним элементом немного более раннего процесса. Это включало в себя другой вид очага, известный как «очистительный завод» или «истекающий огонь».[8] Чугун в нем плавился и сливался в корыто. Шлак отделился и плавал по расплавленному чугуну и был удален путем опускания дамбы в конце желоба. Эффект этого процесса заключался в десиликонизировать металл, оставляющий белый хрупкий металл, известный как «тонкий металл». Это был идеальный материал для загрузки в печь для лужения. Эта версия процесса была известна как «сухая лужа» и продолжалась в некоторых местах до 1890 года.

Альтернатива рафинированию серого чугуна была известна как «влажная лужа», также известная как «кипячение» или «кипячение в чушках». Это изобрел лужица по имени Джозеф Холл в Типтон. Он начал добавлять железный лом к заряду. Позже попробовал добавить железо шкала (в результате, ржавчина ). Результат был впечатляющим: печь сильно закипела. Это был химическая реакция между окисленным железом в окалине и углеродом, растворенным в чушках. К его удивлению, полученный шар из лужи дал хорошее железо.

Одна большая проблема с лужами заключалась в том, что почти 50% чугуна уходило со шлаком, потому что в качестве слоя использовался песок. Холл заменил слой обожженным огарком из крана, в результате чего количество отходов сократилось до 8%, а к концу века их количество сократилось до 5%.[9]

Впоследствии Холл стал партнером в создании Bloomfield Iron Works в Типтоне в 1830 году, а с 1834 года фирма стала называться Bradley, Barrows and Hall. Это версия процесса, наиболее часто используемая в середине-конце 19 века. Мокрая лужа имела то преимущество, что она была намного эффективнее сухой лужи (или любого более раннего процесса). Наилучший выход железа, достижимый из сухой лужи, - это тонна железа из 1,3 тонны чугуна (выход 77%), но выход из мокрого лужа составил почти 100%.

Производство мягкая сталь в пудлинговой печи было получено около 1850 г. в Вестфалия, Германия и был запатентован в Великобритании от имени Lohage, Bremme и Lehrkind. Он работал только с чугуном, полученным из определенных видов руды. Чугун нужно было быстро расплавить, а шлак - марганец. Когда металл пришел в природу, его нужно было быстро удалить и покрыть черепицей, прежде чем продолжить науглероживание произошел. Процесс был поднят на Низкопробный металлургический завод в Брэдфорд в Йоркшир (Англия ) в 1851 г. и в Луара долина в Франция в 1855 году. Широко использовался.

Процесс лужения начал вытесняться с введением Бессемеровский процесс, производившая сталь. Его можно было превратить в кованое железо с помощью Астон процесс за небольшую часть стоимости и времени. Для сравнения, средний размер загрузки для пудлинговой печи составлял 800–900 фунтов (360–410 кг).[10] в то время как заряд преобразователя Бессемера был 15 короткие тонны (13600 кг). Масштаб процесса образования луж нельзя было увеличить, так как он ограничивался объемом, с которым мог справиться лужица. Его можно было расширить, только построив новые печи.

Процесс

Внешний вид одиночной пудлинговой печи. А. Демпфер; Б. Рабочая дверь

Процесс начинается с подготовки печи для лужения. Это включает в себя доведение печи до низкой температуры, а затем чистка Это. Рубка - это процесс окраски решетки и стен вокруг нее оксидами железа, обычно гематит;[11] это действует как защитное покрытие, предохраняющее расплавленный металл от прожигания печи. Иногда вместо гематита использовали мелко измельченный огарок. В этом случае печь необходимо нагреть в течение 4–5 часов для расплавления огарки, а затем охладить перед загрузкой.

Либо белый чугун, либо очищенное железо затем помещается в под печи, процесс, известный как зарядка. Для мокрого лужения также загружается железный лом и / или оксид железа. Затем эту смесь нагревают, пока верхняя часть не плавится, позволяя оксидам начать смешивание; обычно это занимает 30 минут. Эту смесь подвергают сильному току воздуха и перемешивают длинными стержнями с крючками на одном конце, называемыми лужа баров или же сброд,[10][12] через двери в топку.[13] Это помогает кислород из оксидов вступать в реакцию с примесями в чушках, особенно кремний, марганец (с образованием шлака) и в некоторой степени сера и фосфор, которые образуют газы, уходящие с выхлопом топки.

Затем добавляется больше топлива и повышается температура. Утюг полностью плавится, и углерод начинает выгорать. При мокрых лужах образование углекислый газ из-за реакции с добавленным оксидом железа вызовет образование пузырьков, которые заставят массу казаться кипящей. Этот процесс вызывает шлак надуться сверху, давая валуну визуальную индикацию процесса горения. По мере сгорания углерода температура плавления смеси повышается с 1150 до 1540 ° C (от 2100 до 2800 ° F),[14][15] поэтому во время этого процесса в печь необходимо постоянно подавать питание. Температура плавления увеличивается, поскольку атомы углерода в смеси действуют как растворенные вещества в растворе, который снижает температуру плавления смеси железа (как дорожная соль на льду).

Работая бригадой из двух человек, пудлер и помощник могли произвести около 1500 кг железа за 12-часовую смену.[16] Из-за напряженного труда, жары и дыма у лужиц была очень короткая продолжительность жизни, большинство из которых умирало в возрасте 30 лет.[17] Процесс лужения никогда нельзя было автоматизировать, потому что лужайке нужно было чувствовать, когда шары «пришли в природу».

Пудлинговая печь

Горизонтальное (нижнее) и вертикальное (верхнее) сечения одной пудлинговой печи. A. Каминная решетка; Б. Огнеупорные кирпичи; C. Перекрестные связующие; D. Камин; E. Рабочая дверь; F. Hearth; G. Стопорные пластины из чугуна; H. Стена моста

В пудлинговая печь это технология производства металла, используемая для создания кованое железо или сталь из чугун произведено в доменная печь. Печь сконструирована так, чтобы нагнетать горячий воздух над железом без прямого контакта топлива с железом. Эта система обычно известна как отражательная печь или же мартеновская печь. Главное преимущество этой системы - отделение примесей топлива от заряда.

Схема двойной печи для лужения

В очаге железо загружается, плавится и разливается в лужу. Форма очага обычно эллиптическая; 1,5–1,8 м (4,9–5,9 футов) в длину и 1–1,2 м (3,3–3,9 футов) в ширину. Если печь предназначена для лужения белого чугуна, то глубина пода не должна превышать 50 см (20 дюймов). Если печь предназначена для варки серого чугуна, то средняя глубина пода составляет 50–75 см (20–30 дюймов). Из-за большого количества тепла, необходимого для плавления шихты, решетку пришлось охлаждать, чтобы она не расплавилась вместе с загрузкой. Для этого использовали постоянный поток холодного воздуха или поливали дно решетки водой.

В камине, в котором сжигается топливо, использовалась чугунная решетка, размер которой варьировался в зависимости от используемого топлива. Если битумный каменный уголь тогда средний размер решетки составляет 60 см × 90 см (2,0 футов × 3,0 фута) и загружается 25–30 см (9,8–11,8 дюйма) угля. Если антрацит Если используется уголь, то решетка имеет размер 1,5 м × 1,2 м (4,9 футов × 3,9 фута) и загружается 50–75 см (20–30 дюймов) угля.

Двойная пудлинговая печь похожа на одинарную пудлинговую печь, с основным отличием в том, что есть две рабочие двери, позволяющие двум пуддлерам работать с печью одновременно. Самым большим преимуществом этой установки является то, что она производит вдвое больше кованого железа. Кроме того, она более экономична и экономична по сравнению с одиночной печью.

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Чен, Ченг-И (1987). Наука и технологии в китайской цивилизации. World Scientific Pub Co Inc. (опубликовано в мае 1987 г.). п. 237. ISBN  978-9971501921.
  2. ^ Шуберт (1958), п. 99.
  3. ^ а б Шуберт (1958), п. 100.
  4. ^ Тайлекот, Р. Ф. (1992). История металлургии, второе издание. Лондон: издательство Maney Publishing для Института материалов. ISBN  978-0901462886.
  5. ^ а б c d Шуберт (1958), п. 106.
  6. ^ Шуберт (1958) С. 105–106.
  7. ^ "Лужа железа", Адвокат рабочего [Чикаго], т. 9, вып. 9 (25 января 1873 г.), стр. 1.
  8. ^ Называется Оверманом «нарядом» и «бегущим огнем», но не следует путать с нарядом в кузнице для нарядов.
  9. ^ Ланды (1969), п. 33.
  10. ^ а б Оверман, Фредерик (1854). Производство железа во всех его отраслях. Филадельфия: Х. К. Бэрд. стр.267, 268, 287, 283, 344.
  11. ^ Раджпут, Р. (2000). Инженерные материалы. С. Чанд. п. 223. ISBN  81-219-1960-6.
  12. ^ В. К. В. Гейл, Черная металлургия: словарь терминов (Дэвид и Чарльз, Ньютон Эббот 1971), 165.
  13. ^ Р. Ф. Тайлекот, «Железо в промышленной революции» в Р. Ф. Тайлекоте, Промышленная революция в металлах (Институт металлов, Лондон, 1991 г.), 236-40.
  14. ^ Смит, Кэрролл (1984). Инженер на победу. MotorBooks / Издательская компания MBI. С. 53–54. ISBN  0-87938-186-8.
  15. ^ В. К. В. Гейл, Британская металлургическая промышленность (Дэвид и Чарльз, Ньютон Эббот, 1967), 70–79.
  16. ^ Макнил, Ян (1990). Энциклопедия истории техники. Лондон: Рутледж. п.165. ISBN  0415147921.
  17. ^ Ланды (1969), п. 218.

дальнейшее чтение

  • Шуберт, Х.Р. (1958). Добыча и производство металлов: чугуна и стали. История технологии. IV: Промышленная революция. Издательство Оксфордского университета.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • В. К. В. Гейл, Железо и сталь (Longmans, Лондон, 1969), 55 и далее.
  • В. К. В. Гейл, Британская металлургическая промышленность: техническая история (Дэвид и Чарльз, Ньютон Эббот, 1967), 62–66.
  • Ландес, Дэвид. С. (1969). Свободный Прометей: технологические изменения и промышленное развитие в Западной Европе с 1750 года по настоящее время. Кембридж, Нью-Йорк: Пресс-синдикат Кембриджского университета. ISBN  0-521-09418-6.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Р. А. Мотт, «Сухая и мокрая лужа» Пер. Newcomen Soc. 49 (1977–78), 153–58.
  • Р. А. Мотт (редактор П. Зингер), Генри Корт: великий лучший (Общество металлов, Лондон, 1983 г.).
  • К. Барраклаф, Сталеплавильное производство: 1850–1900 гг. (Институт материалов, Лондон, 1990), 27–35.
  • Оверман, Фредерик (1854). Производство железа во всех его отраслях. Филадельфия: Х. К. Бэрд. стр.259 –302.
  • Статья Пола Белфорда на N. Hingley & Sons Ltd
  • Железная лужа: моя жизнь на прокатных станах и что из этого вышло. к Джеймс Дж. Дэвис. Нью-Йорк: Гроссет и Данлэп, 1922. (авторский сценарий К. Л. Эдсона)