Елена Стрельникова - Химия. Узнавай химию, читая классику. С комментарием химика

Включения графита в чугуне и придают ему хрупкость: при ударе графит, в отличие от пластичного железа, легко раскалывается. Это свойство чугуна и предопределяет его дальнейшее использование. 90 % получаемого в домнах чугуна переделывается в сталь (передельный чугун), а 10 % идет на отливку чугунных изделий (литейный чугун). Казалось бы, жидкий литейный чугун, полученный в доменной печи, сразу же можно и даже нужно разливать в формы, пользуясь тем, что он еще жидкий. Но отливки из свежеполученного в домне чугуна имели низкое качество: «чугун первой плавки» содержал большое количество вредных примесей, повышавших его хрупкость. Проблема эта была решена путем повторной плавки доменного чугуна в специальных печах. Их и называют вагранками. В ходе повторной плавки из чугуна выжигаются лишние примеси, и «чугун второй плавки» обладает гораздо более высоким качеством.

Печь, явившаяся прообразом современной вагранки, была сконструирована и впервые запущена в 1774 г. на Гусевском чугуноплавильном заводе (теперь в этом месте расположился город Гусь-Железный), принадлежавшем Андрею Родионовичу Баташеву. В конце XVIII в. на заводах знаменитых заводчиков Баташевых выпускалась девятая часть российского чугуна и железа. Причем чугун производства А. Р. Баташева был лучший в Европе благодаря, в частности, проведению повторной плавки. Из баташевского чугуна были, например, отлиты скульптуры на Триумфальной арке в честь 1812 г., фонтан на Театральной площади, квадрига на фронтоне Большого театра. За поставку бесплатных ружей для российской армии Екатерина Великая в 1783 г. возвела род Баташевых в дворянское достоинство.

Появление вагранок привело в конце ХІХ – начале ХХ в. к отделению литейного производства от доменного. Ведь в них загружают не жидкий чугун, а застывший в виде болванок. Литейные цеха, оборудованные вагранками, стали появляться на многих заводах, в том числе небольших. Вагранка первоначально имела восьмигранную форму и складывалась из камня, а затем приобрела форму цилиндра, изготовленного из стального листа и выложенного изнутри огнеупорным кирпичом. Цилиндр помещался на четырех столбах (вагранка фабрично-заводского училища, описанная В.П. Беляевым, стояла «на изогнутых стальных лапах»).

Нижняя часть печи называется горном, там сгорает топливо. На дно складывают дрова, которые поджигаются с помощью лучин. В книге подробно описана последовательность действий: сначала зажигают лучины, а когда загораются дрова, дверцу в горне замуровывают и пускают дутье. Воздух гонится вентиляторами через специальные трубы – фурмы – в горн, горение усиливается, температура повышается, и загорается кокс, насыпанный поверх дров. В вагранке он играет роль топлива, горение которого дает энергию для плавления чугуна. Поверх кокса в вагранку загружают болванки литейного чугуна и металлолом, требующий переплавки. Кроме чугуна и кокса в печь обязательно загружают флюсы, способствующие образованию легкоплавкого шлака. В качестве флюсов обычно используют знакомые уже нам известняк, доломит, а также некоторые другие вещества, которые сплавляются с золой кокса и прочими примесями, образуя шлак. Он должен всплывать на поверхность расплавленного чугуна, не растворяясь в нем. Кокс, металл и флюсы чередуются в печи слоями. Это называется «шихта» (от немецкого die Schicht – «слой»). Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива в горне, поднимаются вверх и нагревают шихту. В середине печи температура достаточна для плавления чугуна и образования шлака. Капли чугуна стекают в горн, нагреваясь до 1500 °C и попутно освобождаясь от излишних примесей, которые при этом выгорают и переходят в шлак. Жидкий чугун выпускают через отверстие в нижней части горна, которое называется «лётка». Когда надо остановить поток чугуна, летку затыкают затычкой из влажной огнеупорной глины (Жоре Козакевичу потребовалось две таких затычки). При необходимости выпустить чугун глину в летке пробивают. Жора Козакевич делал это вручную, стальным ломиком, рискуя оказаться под струей раскаленного чугуна. Сейчас, конечно, это делается автоматически.

Кокс – это продукт высокотемпературной обработки каменного угля. Он состоит в основном из углерода в кристаллической форме графита и пришел в металлургии на смену древесному углю.

В XVIII в. в вагранках, как и в доменных печах, а ранее в сыродутных печах, использовали древесный уголь. В период промышленной революции, которая в 60-е гг. XVIII в. набирала обороты в Англии, на фоне роста спроса на продукцию металлургии производство металла сокращалось. Дело в том, что древесный уголь резко рос в цене из-за вырубки лесов. Если в 1066 г. – во времена Вильгельма Завоевателя – лесами была покрыта шестая часть территории Англии, то к началу ХХ в. они занимали лишь 5 % суши. Пустоши и торфяные болота, по которым ночами бегала собака Баскервилей – плата Британских островов за развитие промышленности. И во второй половине XVIII в. Великобритании приходилось 60 % потребностей в железе и его сплавах удовлетворять за счет экспорта. Причем значительная часть металла ввозилась из России, в частности, с заводов Баташевых. Но британские промышленники искали выход из сложившейся ситуации.

Выход нашел английский металлург Абрахам Дерби. Его еще называют отцом английской металлургии. В 1713 г. он впервые добавил к древесному углю в доменной печи кокс. Абрахам Дерби решил применить кокс в доменном процессе для экономии дорогостоящего древесного угля. Первую плавку чугуна на коксе без добавления древесного угля осуществил в 1735 г. старший сын уже покойного Абрахама Дерби, тоже Абрахам. Он же изобрел чугунные рельсы для вагонеток, которые подвозили к домне сырье. Это изобретение увеличило скорость движения вагонов и было затем применено при создании железных дорог.

Для получения кокса каменный уголь в течение длительного времени нагревается без доступа воздуха до температуры свыше 1000 °C. Сложные органические вещества, образующие каменный уголь, разлагаются. В печи остается твердый остаток – кокс, содержащий до 98 % углерода.

«Посадить козла» на металлургическом жаргоне – значит, допустить застывание расплавленного металла в печи. Козел может получится при застывании чугуна в доменной печи или вагранке, а Андрюха, герой сказа П. Бажова «Две ящерки», посадил козлов в две медеплавильные печи заводчика Турчанинова. Удалить козла трудно, обычно для этого требуется разбирать печь. Полевой предостерег Жору Козакевича от преждевременного выпуска чугуна. Чугун из вагранки выпускают, когда он раскалится добела, то есть достиг температуры 1500 °C. Если температура ниже, чугун может слишком быстро остыть и затвердеть.