Тигельная сталь

Кричное железо и сталь (сначала сырцовые, а затем передельные и пудлинговые) использовались для изготовления инструментов и оружия на протяжении тысячелетий. При грамотной обработке, состоящей в первую очередь в многократной проковке для гомогенизации и выжимания остатков шлака, удавалось получить весьма качественный материал. Но настоящую однородную сталь можно получить только переплавкой — например, в тиглях.

История тигельной стали началась достаточно давно. По всей видимости, впервые выплавлять высокоуглеродистую сталь начали на юге Индийского полуострова в VI-V вв. до н.э. В дальнейшем подобные технологии достаточно широко использовались на Шри-Ланке, на Ближнем Востоке и в Центральной Азии, а также в Китае. Сталь получалась различными способами — науглероживанием кричного железа, сплавлением железа с чугуном или восстановлением железной руды (или скорей частично восстановленного агломерата из сыродутного горна) в тигле. Тигли, способные выдерживать высокие температуры и достаточно устойчивые в образующимся шлакам, были ключевым элементом технологии, и зачастую глину для тиглей импортировали.
Для достижения температуры плавления железа использовался специальный тип печи в виде купола, внутреннее пространство которого заполняли тиглями и топливом, обычно древесным углем, воздух же для горения обеспечивался интенсивным дутьем.

Древесный уголь — не очень подходящее топливо для плавления железа, так как очень быстро прогорает, а высокая пористость делает очень сложным достижение высокой температуре — уголь активно реагирует с углекислым газом с поглощением тепла:
C + CO2 = 2CO
Поэтому древняя тигельная сталь получалась только высокоуглеродистой, а за счет недостаточно высокой температуры — обычно неоднородной, что в итоге привело к легендарному булату.
В Европе производство тигельной стали было впервые организованно в 1740 г. Бенджамином Хантсманом, который в поисках лучшего материала для часовых пружин разработал способ переплавки цементной стали в тиглях. Способ Хантсмана на протяжении почти 150 лет использовался практически без изменений — увеличивалось лишь количество переплавляемого за одну загрузку металла и менялся состав шихты — и был основным способом получения качественной инструмениальной или оружейной стали.
Плавка стали производилась в самодувных горнах, приток воздуха в которые обеспечивался тягой дымовой трубы. Горны, или плавильные ямы, рассчитанеые на 1, 2 или 4 тигля, обычно располагались в ряд вдоль стены с дымоходами.

Сами тигли, которые требовались в больших количествах, готовились из огнеупорной глины, с добавлением шамота или графита в самой сталелитейной мастерской и сушились несколько недель на стеллажах над плавильными ямами.
Высушенный тигель обжигали прямо в горне, и затем загружали металл — цементную сталь или смесь железа с чугуном или древесным углем, также добавляли верхушки ранее отлитых болванок и флюс — обычно зеленое бутылочное стекло. Вместимость тигля при этом составляла 15-30 кг металла. Сверху плотно примазывалась крышка, а сам тигель устанавливался на колосники через прокладку из огнеупорной глины, предотвращаюшей дно от охлаждения воздухом. В качестве топлива практически всегда использовался кокс, расход которого составлял двух- трехкратное количество от выплавляемой стали, древесным же углем пользовались редко, так как его расход был в несколько раз выше и нужная температура достигалась с трудом.
Сама плавка длилась 2-4 часа, после чего тигель доставали из ямы и расплавленный металл выливали в изложницу.

Ключевым фактором, обеспечивающим высокое качество получающейся стали, было время выдержки после плавления — недодержанная сталь получалась неоднородной, а передержанная — с большим количеством пузырей из-за растворившихся в жидком металле газов. Сама операция отливки тоже требовала большого мастерства и силы — металл из 30-кг тигля нужно было вылить непрерывной струей, не касающейся стенок изложницы, и не допустить попадания шлака.

На русских заводах изложницы обычно смазывали бараньим салом, которое обеспечивало восстановительную среду и препятствовало образованию пузырей. После остывания верхнюю часть слитка с усадочной раковиной отрезали и добавляли в следующую плавку, а сам слиток проковывали и использовали для изготовления слесарных и столярных инструментов, бритв, столовых приборов, оружейных стволов и т.д.
Таким же способом отливали не только отдельные слитки, но даже и загототовки пушек, весом в многие тонны, собирая металл из сотен тиглей. Сталь для крупных отливок часто плавили ускоренным способом, помещая в разогретые тигли железо, магнитный железняк и заливая чугуном, предварительно расплавленным в вагранке — так отливали пушки на Обуховском заводе.
По сравнению с конвертерной или мартеновской сталью тигельная сталь была сильно дороже, но тем не менее производительность типичной мастерской в Шеффилде с 12 горнами и семью рабочими составляла около 25 тонн стали в неделю (6 рабочих дней с тремя плавками в день), а производство всех шеффилдских заводов в конце XIX в. — более 1000 тонн только лучшего сорта инструментальной стали в неделю (не считая стали низших сортов и мягкого литого железа для котельных листов и заклепок). В больших объемах тигельная сталь производилась также в Германии, России, США и других странах.
Кроме обычной углеродистой стали в тиглях плавили и легированеые — например, вольфрамовую сталь. Тигельная сталь постепенно вытеснилась сталью, выплавляемой в электропечах, однако последние заводы были закрыты в 1950-х — почти 200 лет с начала производства стали Хантсманом.
Лимитирующие факторы для более раннего внедрения тигельной стали — высокотемпературные огнеупоры и кокс (хотя в России использовали и древесный уголь). Также стоит дополнить технологию плавки введением раскислителей (кремния, марганца, магения, алюминия и др.), которые предотвращают образование пузырей в отливке. Тигельный горн отлично подойдет для выплавки легированных сталей — быстрорежущей (1% углерода и 5-20% вольфрама или молибдена) или марганцевой стали Гадфилда (1% углерода и около 13% марганца).

Источник: Попаданцев.Нет