Таким образом, согласно теории, нет существенной разницы в пропорции углерода между серым и белым чугуном, но первый представляет собой механическую смесь кристаллов углерода, почти чистых, с железом, содержащим меньшую пропорцию углерода, чем белый, в то время как белый чугун является однородным сплавом углерода и железа.
На основе этой теории можно объяснить все факты, которые оказались совершенно несовместимыми с другой.
1. Чем интенсивнее жар печи, тем глубже цвет и, следовательно, выше качество чугуна.
2. Изменения, которые происходят от серого к белому чугуну, просто из-за разницы в скорости охлаждения.
3. Обратное превращение белой разновидности в серую путем простого нагревания ее выше температуры плавления и предоставления возможности медленно остыть.
4. Образование несовершенных кристаллов графита (kish) на поверхности серого чугуна. 5. Приближение серого чугуна к ковкости, что совершенно несовместимо с тем, чтобы он был однородным соединением, более насыщенным углеродом, чем белый.
Основой белого чугуна, по-видимому, является определенное химическое соединение двух атомов железа на один атом углерода, и поэтому оно аналогично по своему химическому составу карбиду водорода и карбиду серы, но, как и все металлические сплавы, оно способно содержать избыток одного из веществ в состоянии смеси во время плавления, который не отделяется при быстром охлаждении. В этом веществе в избытке находится только железо.
Сталь, по-видимому, содержит лишь половину того количества углерода в своих химических пропорциях, что и белый чугун, но, подобно ему, восприимчива к различным смесям; если пропорция углерода достигает трех процентов, она теряет свойство ковкости, если пропорция падает до одного процента, она больше не поддается закалке и идентична более твердым разновидностям полосового железа. Поскольку карбиды железа, будь то в форме чугуна или стали, можно рассматривать как сплавы, если их представить другим металлам, результаты неизбежно должны отличаться от того, что происходит, когда чистое железо подвергается воздействию того же вещества. Соединение, которое может произойти в одном случае, может не произойти в другом. Часто может случиться так, что когда железо чистое, произойдет истинное химическое соединение, в то время как в другом случае может быть достигнута не более чем механическая смесь. По той же причине последствия могут быть совершенно иными, когда третье вещество представляется железу при его первом дезоксидировании, в присутствии лишь избытка углерода, и когда соединение с этим веществом уже произошло.
Если другие металлы восстанавливаются одновременно с железом, они соединяются с ним более охотно, чем с карбидом, и впоследствии могут препятствовать его соединению с углеродом, ибо существует мало металлов, если они вообще есть, кроме железа, которые имеют какое-либо сродство к углероду.
Чугун может содержать основания земель, которые составляют часть его руд. Из них силиций является наиболее обычным, и, вероятно, нет такого чугуна, который не содержал бы его части. По-видимому, он делает эту форму металла тверже и менее пригодной для целей формовщика, но почти полностью отделяется, когда он превращается в ковкое железо.
Мы видели партию чугуна, которая была отмечена своего рода белым налетом, при исследовании оказавшимся кремнеземом; литейщик отверг его из-за твердости, но при производстве методом пудлингования он дал полосовое железо хорошего качества.
Из того, что было только что сказано, следует, что другие металлы более обычно существуют в чугуне в состоянии сплава с чистым железом, которое тесно смешано с карбидом. Таким образом, как общее правило, чугун, который их содержит, будет с большей вероятностью иметь серый цвет, чем тот, который их не содержит, но, тем не менее, его качество может быть ухудшено. Точный эффект таких сплавов на чугун, по-видимому, не был полностью изучен.
Руды, из которых получают железо, являются оксидами, за исключением карбоната, из которого в некоторых местах сталь получают непосредственно. Они содержат в соединении с железом или образуют части гетерогенного агрегата, разнообразные земляные вещества. При восстановлении этих руд необходимо достичь двух целей: отделения кислорода и плавления земляной массы. Углерод в какой-либо из своих природных или искусственных форм используется для достижения первой цели, исходя из того же принципа, что и при применении к другим металлическим оксидам. Таким образом, необходима печь, в которой огонь из углеродистого вещества поддерживается и доводится до максимально возможной степени интенсивности с помощью воздуходувных машин. Когда земли чисты, даже самый высокий жар печей не способен их расплавить, и хотя оксиды древних металлов, и среди прочих оксид железа, повышают плавкость одной из земель; все же, если присутствует только одна земля, лишь в немногих случаях простая руда сама по себе обеспечит средства для собственного плавления. Поэтому мы вынуждены использовать свойство, присущее землям, делать друг друга более легкоплавкими.
Кремнезем — это та земля, к которой мы обращались как к способной к плавлению при смешивании с оксидом железа. Кремнезем также при смешивании с другими землями делает их более легкоплавкими, чем его собственная смесь с оксидом железа. Отсюда можно сформулировать общее правило: руды, не содержащие кремнезема, не могут быть разложены без добавления этой земли. Большинство наших американских руд содержат кремнезем в достаточном количестве; поэтому обычно к ним в процессе восстановления добавляют карбонат извести, который называется флюсом. Если бы руда не содержала кремнезема, это не дало бы эффекта, и надлежащая смесь трех земель — кремнезема, глинозема и извести — по-видимому, необходима для получения наиболее выгодных результатов.
Замечания Карстена по этому поводу новы и заслуживают внимания.
«Именно от выбора и точной пропорции флюса в значительной степени зависит прибыль производителя. Используемые в слишком больших количествах, они не выполняют важную задачу придания шлакам надлежащей консистенции. Очень трудно точно определить их пропорции, и, по правде говоря, они должны варьироваться в зависимости от того, как работает печь; но обычно принимается пропорция, определенная для состояния печи, когда температура не слишком высока и не слишком низка.
Химики и металлурги пытались определить степень плавкости земель при смешивании друг с другом; но их исследования пролили мало света на управление доменными печами. Мы, вопреки им, все еще вынуждены прибегать к опыту. Однако далеко от меня намерение умалять попытки Ахура, Бергмана, Шаптала, Крамера и др.; они ценны, по крайней мере, тем, что указывают путь, по которому следует следовать в экспериментах.
Из этих экспериментов в общих чертах следует, что известь, кремнезем, глинозем и магнезия неплавки, когда не смешаны друг с другом; что никакая смесь земель не плавится без присутствия кремнезема; что плавление оксидов железа не может произойти при добавлении какой-либо простой земли, кроме кремнезема; что тройные смеси более легкоплавки, чем двойные; что четверные смеси остекловываются еще легче, и что оксид марганца быстро определяет разжижение всех земель.
Теория остекловывания оксидов, подкрепленная испытаниями в малом масштабе, указывает на вид земляной смеси, которую следует использовать, но она не может установить точную пропорцию различных земель, которую следует принять; она также не учит средствам замены земли ее химическим эквивалентом, как, например, извести магнезией. Решение вопроса будет зависеть скорее от свойств силикатов извести и магнезии при высоких температурах, чем от действия этих силикатов на железо. Вряд ли вероятно, что железо, полученное из всех руд, могло бы быть одинаково хорошим, даже если бы к этим рудам можно было добавить самые подходящие флюсы. Те, кто придерживался этого мнения, ошибочно полагали, что восстановление руды всегда может быть осуществлено при одних и тех же обстоятельствах, что было бы невозможно, даже если бы эти флюсы были установлены и использованы».
Большинство железных руд требуют перед тем, как их подвергают процессу восстановления, подготовительной операции, называемой обжигом. Она состоит в подвергании их воздействию сравнительно низкого жара. Более важное использование этого процесса заключается в том, чтобы сделать массу более восприимчивой к механическому разделению, но он также служит во многих случаях для отделения серы и мышьяка, которые могут существовать в руде. Существуют некоторые руды, как, например, руды ряда шахт в округах Моррис и Сассекс, Нью-Джерси, которые настолько свободны от примесей и которые так легко поддаются механическим средствам, используемым для их разделения, что этот процесс совершенно не нужен; но такие руды редки, и процесс обжига должен, вообще говоря, выполняться.
Механическое разделение, которое открывает большую поверхность для воздействия тепла и химических агентов, называется дроблением; это обычно выполняется соответствующими машинами, но в младенчестве этого искусства выполнялось вручную.
Восстановление богатых железных руд, таких как те, что почти полностью состоят из его оксидов и содержат мало земляного вещества, может быть выполнено в обычной кузнечной горне. Восстановление в этом случае происходит непосредственно в дутье мехов, где интенсивно нагретая руда находится в контакте с горящим древесным углем; и если образуется карбид, он немедленно разлагается, и результатом является чистое железо. Таков, вероятно, самый древний из всех процессов получения ковкого железа, и он до сих пор используется в определенной степени даже в наши дни. Горн, в котором операция выполняется в настоящее время, отличается от горна обычного кузнеца только своим большим размером и увеличенной мощностью мехов. Подготавливается полость, в которой разжигается огонь из древесного угля и к которой направляется сопло или фурма мехов; руда в мелких фрагментах бросается на горящее топливо, свежий уголь и руда добавляются время от времени, и последняя, будучи восстановленной до ковкого состояния, опускается по мере сгорания древесного угля на дно полости. Здесь последовательные порции, все еще поддерживаемые в горячем состоянии топливом над ними, агглютинируют и образуют пористую массу, содержащую в своих полостях черное стекловидное вещество, которое состоит из земляного вещества, сделанного легкоплавким металлическим оксидом. Эта пористая масса называется крицей.
Было бы небезопасно подвергать крицу немедленному воздействию тяжелых железных молотов. Поэтому после извлечения из огня ее бьют деревянными молотами, чтобы привести ее части в более тесный контакт и выжать стекловидное вещество. Пока это выполняется, она остывает настолько, что требует повторного нагрева, что делается в том же огне. Действительно, один и тот же горн используется во всех последовательных нагревах, которые требует железо в этом процессе.
После того как крица была снова нагрета, ее можно подвергнуть молоту. Это, несомненно, в древности был молот, приводимый в движение вручную; но теперь во всех мануфактурах такого характера для этой цели используется тяжелая масса из цементированного железа; она поднимается машинами, приводимыми в движение водяным колесом, и ей позволяют падать на крицу. Крица снова нагревается и снова сбивается в неправильную восьмиугольную призму, называемую сингелем; это после третьего нагрева формируется в прямоугольный блок, называемый кричным железом; и все это или соответствующая пропорция этого вытягивается в полосу при трех последовательных нагревах; середина выбивается первой, а два конца по очереди. Таким образом, в дополнение к теплу, используемому при первоначальном восстановлении, железо должно быть по крайней мере шесть раз перенагрето, прежде чем оно станет готовой товарной полосой.
Таким образом, руда Эльбы до сих пор производится в Каталонии и Тоскане, и нет сомнений, что это идентично первоначальному грубому процессу, с помощью которого железо той самой древней из известных шахт подготавливалось к тому, чтобы стать объектом торговли. Процессы в этих двух районах отличаются друг от друга в некоторых мелких деталях и известны на континенте Европы как процессы à la Catalane и à l'Italienne. Этот метод известен в Соединенных Штатах под названием blooming (кричный процесс).
Кричные горны часто встречаются в Соединенных Штатах, находясь во многих частях первобытной страны, где в изобилии имеется магнитная железная руда. Железо, произведенное кричным процессом, вообще говоря, примечательно своей «жилкой», будучи прочным и вязким в высшей степени, если только руда не с изъяном. Оно, однако, не является однородным, будучи склонным содержать то, что называют «булавками» или зернами, которые имеют твердость и консистенцию стали. Кричный процесс — сравнительно дорогой процесс. Он, действительно, требует мало первоначального капитала, но продукт в пропорции к используемому капиталу невелик. Он совершенно непрактичен с бедными рудами и требует большого количества времени и расхода топлива, если только руда не очень легкоплавкая. Другое возражение против него является общим для процесса, который мы опишем далее, — процесса рафинирования, и заключается в многочисленных последовательных нагревах, которые малый объем огня и медленный процесс ковки делают необходимыми, прежде чем полоса будет закончена. В Нью-Джерси пытались уменьшить расходы, связанные с этими нагревами, выполняя их в отражательных печах. Экономия топлива в небольшом количестве, вероятно, была бы таким образом достигнута, но количество нагревов все равно осталось бы прежним. Более важное и полезное улучшение вытеснило последнее; был введен процесс прокатки, который будет описан далее, и с помощью него полоса может быть вытянута при единственном нагреве и при гораздо меньших затратах ручного труда. Такие предприятия существуют в Дувре и Рокавее, Нью-Джерси, которые получают железо, полностью восстановленное из соседних горнов, и формируют его в полосы.
Горновый огонь и, следовательно, процесс кричного производства недостаточны для превращения бедных руд или тех, которые содержат много земляного вещества, в железо. Обработанные таким образом, эти руды, если они вообще плавкие, превратились бы в массу шлака, так как земля потребовала бы при температуре горнового огня весь или большую часть металлического оксида для своего плавления.
После того как железо было введено и его ценные применения стали известны, стало необходимым в тех странах, которые не дают богатых руд, открыть метод, с помощью которого можно было бы восстанавливать более бедные. Это могло быть достигнуто только путем придания такой степени тепла, которая сделала бы земляное вещество способным к плавлению при меньших затратах металла. Увеличение массы топлива путем увеличения глубины полости и фактическое формирование ее из стен, тем самым позволяя ей содержать большее количество, было бы очевидным средством достижения этой цели. Руду необходимо добавлять в меньших пропорциях, и, находясь дольше в контакте с нагретым древесным углем, она стала бы карбированной; поэтому углерод должен быть окончательно выжжен, прежде чем можно было бы получить ковкое железо. Грубый, но эффективный процесс такого рода описан Гмелином как используемый среди татар; аналогичный метод, использование которого было вытеснено железом, импортируемым из Европы, был найден среди народов Гвинеи; и Мунго Парк видел более совершенное применение того же принципа в Камалии, на Гамбии. Печи аналогичного характера, но более искусно сконструированные, до сих пор используются в некоторых частях Германии и называются stuckoffen (штукофен).
Поскольку в этих процессах должен образовываться карбид, или собственно чугун, и поскольку отделение углерода на дне глубокого цилиндра, где металл, вероятно, был бы покрыт стекловидной жидкостью, затруднительно, железо могло иногда сопротивляться усилиям, направленным на то, чтобы сделать его ковким, и вытекать из печи в жидкой форме. Поэтому могло легко прийти на ум, что было бы менее затратно закончить процесс в горне. Таким образом, штукофены были превращены в flossoffen (флософен), или плавильные печи, откуда жидкий карбид извлекался, а затем превращался в полосовое железо. Такова, вероятно, была причина, которая привела к первоначальному открытию чугуна — открытию, которое нельзя проследить далее конца пятнадцатого века.
Использование чугуна для целей, к которым неприменимо ковкое железо, и легкость, с которой он формуется путем заливки в формы, привели к увеличению размера философен и мощности воздуходувного аппарата, что вызвало введение доменной печи. Это формирует основу методов, с помощью которых железо во всех его формах главным образом подготавливается в наши дни, и поэтому заслуживает особого рассмотрения.
Разница между собственно доменной печью и древними огнями, из которых она постепенно возникла, состоит исключительно в ее превосходной высоте и в большей мощности воздуходувных машин, с помощью которых ее горение снабжается воздухом.
Это увеличение высоты добавляет к массе содержащегося горючего — поэтому требуется дополнительный воздух для осуществления его полного воспламенения, и совместный эффект заключается в том, что генерируется гораздо более высокая температура. Благодаря этому земляные вещества, либо содержащиеся в рудах, образующие части горючего, либо добавленные в качестве флюсов, становятся легкоплавкими при меньших затратах оксида железа; образовавшийся карбид становится более текучим, и продукт с большей вероятностью принимает характер серого чугуна.
Древесный уголь, как и в других процессах, был топливом, первоначально используемым, и до сих пор главным образом используется в большинстве стран. Но уголь, лишенный своих летучих частей и обугленный или превращенный в кокс, был заменен в некоторых регионах, как будет сказано далее. Каждое из этих видов топлива требует печи соответствующего характера и требует разницы в способе управления.
Доменная печь — это полая камера, заключенная, вообще говоря, в массу каменной кладки в форме усеченной пирамиды. Камера состоит по существу из трех частей; верхняя имеет фигуру усеченного конуса, чье наибольшее основание находится внизу: это можно назвать корпусом печи; средняя часть также имеет фигуру усеченного конуса, чье большее основание находится вверху и является общим для него и верхней части: это сужение называется заплечиками печи; нижняя часть называется горном и обычно окружена с трех сторон стенами из огнеупорных веществ, с четвертой она ограничена двумя камнями, один из которых служит перемычкой, называемой «тимп», другой опирается на фундамент и известен под названием «дам». Такова, по крайней мере, форма доменных печей, находящихся в обычном употреблении, и которой будет достаточно для нашей нынешней цели.