Выплавка чугуна производится в домнице, выложенной из огнеупорных кирпичей. Достигает 6 м высоты при внутреннем диаметре около 2,5 м. Выход металла для болотных руд принимаем за 10 % от массы. Кроме того, угля к руде берем как 3:1 (а далее будем подводить нагретые колошниковые газы). Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием - колошником, которая закрывается подвижной колонкой - колошниковым затвором. Шахта домницы имеет форму слегка усеченного конуса, суживавшегося по направлению к верху. Середина печи назовем распаром, а нижнюю часть - горном. Через специальные отверстия в горне (фурмы)в домницу вдувается горячий воздух. Через колошник порциями (колошами) загружается руда и уголь. Закрытая шахта хорошо концентрирует тепло, а благодаря ее высоте плавка идет равномернее, медленнее и полнее, чем в том же блауофене, так что руда оказывается более использованной.
В стенке имеется одно отверстие для фурмы (трубы, через которую в печь с помощью мехов нагнетается воздух) и отверстия для отвода шлаков и расплавленной массы чугуна. Для приведения в действие мехов используют водяное колесо. Вал водяного колеса снабжается посаженными на него в разбивку кулачками, которые оттягивают крышки клинчатых кожаных мехов. Для каждой плавильной печи имеются два меха, работающих попеременно.
Доменную печь загружают сначала древесным углем, а затем послойно рудой с известняком в качестве флюса (последний для связывания пустой породы в шлаки) и тем же углем. Доменная печь работает непрерывно (пока хватает руды). По мере того как верхние слои руды и угля опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и угля доставляется по помосту на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку (будет введено на 2 этапе после получения некоторого кол-ва чугуна), закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи. А из нее, по изогнутым трубкам через фурмы в горн (2 этап). В горне уголь сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накаленного угля, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в СО2. Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах - кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха (2 этап). В любом случае, первичный подогрев вовздуха будет проводиться торфяными печами.
При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи - распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время огнеупорной глиной.
Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением: Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2. Это - тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс про который говорили ранее - CaCo3 (известняк). При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.
В качестве примера приведу процентное содержание веществ в шлаке (что вполне может отличаться у разных руд и разных технологий):
Главной составляющей шлака является фаялит. Шлак содержит по массе: 45-50 % монооксида железа, 25-35 % кремнезема, 4-6 % глинозема, до 5 % извести и магнезии и до 15 % монооксида марганца. Кроме того, в шлаке присутствует оксиды щелочных металлов, фосфор (иногда более 1 и сера. Железистые шлаки отличаются высокой жидкоподвижностью, поэтому они легко вытекают из печи через отверстия в стенках, расположенные немного ниже уровня фурмы.
ЗЫ: Присутствие в рудах монооксида марганца, взаимодействующее с кремнеземом, облегчает восстановление железа и уменьшает его потери в ходе плавки.
Спуск расплавленной массы чугуна идет по глиняным лоткам в конвертер, а, по его заполнению, его перебрасывают в отлив чушек, формы которых выдавлены либо в песке, либо в глине. Данные чушки плавят в тиглях и разливают по формам, либо пускают на переплавку в вагранки.
Конвертор (передел чугуна)
Располагаться будет рядом, но чуть ниже домницы по уровню. Неподвижный конвертер, выложенный из огнеупорных кирпичей имеет вид невысокой вертикальной печки, закрытой сверху сводом с отверстием для выхода газов. Примерные размеры конвертора в высоту 0,3 и в ширину тоже по 0,3 метра каждая сторона. Сбоку в верхней части конвертера второе отверстие для заливки чугуна по глиняным лоткам прямо из домницы. Готовую сталь выпускаем через отверстие в нижней части печи (во время работы конвертера его забиваем огнеупорной глиной). В середине конвертера отверстие для выпуска шлаков. Воздуходувные трубки (фурмы) находятся возле самого пода печи. Так как конвертер неподвижный, продувку начинаем раньше, чем вливаем чугун, в противном случае металл зальет фурмы. По той же причине надо вести продувку до тех пор, пока весь металл не будет выпущен.
Мощность продувки.
Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна - ~350 кубометров за 20 минут (т.е. ~17 кубов в минуту или ~ треть куба в секунду). Берем объем 0.2х0.2х0.2= ~60 кг. Т.е. дуть нам надо примерно со скоростью 20 лит/сек.
Теперь сравниваем с мощностью водяных колес. Имеем 12-14 Квт от двух. Если современные компрессоры имеют производительность около 3-4 литра в секунду на 1 кВт, то мы в лучшем можем рассчитывать на 1-2 литра на 1 кВт. Пусть будет 1.5 л/сек. Тогда на два колеса получим требуемые ~20л/c. Посколько конвертер получается маленьким, то основная его работа будет не при прямой заливки из домницы. Наверное, стоит плавить чугун в вагранках и уже металл из них сливать в конвертер. Весь процесс длится не более 20 минут. Малейшая задержка на любом этапе дает брак. Это неудобство, но, к сожалению, возможностей для вращающейся печи я пока не вижу.
Мощность воздуходувной техники (альтернативный пример)
В принципе 2 клинчатых меха может достигнуть требуемой нам мощности, но давайте не забывать, что внизу приведены максимальные значения и водный поток просто не сможет создать требуемую производительность колеса.
Устройства для подачи дутья в металлургические агрегаты Количество дутья,м3/мин.
Ручные меха до 1
Клинчатые меха с водяным приводом до 5
Водотрубная воздуходувка 'тромпа' (изобретена Джанбатиста дела Порта в 1589 г.) 5-7
Клинчатые меха с приводом от водоналивного колеса 10-15
Поршневые деревянные воздуходувки 20-30
Поршневая воздуходувка с чугунными цилиндрами конструкции Дж. Сметона, 1760 г. 60-70
Футеровка
Еще одна проблема - фосфор и сера не выгорают вместе с другими примесями; из чугуна они попадают в сталь и существенно снижают ее качество.
Основная футеровка нашего Томасовского конвертора (из обожжённого доломита) даёт возможность загружать в него известь для ошлакования и удаления фосфора. Таким образом, добавляем в конвертер до 12-15% свежеобожженной извести на первом этапе, а затем заливаем чугун. При этом образуются известковый шлак, способный удерживать фосфор в прочных химических соединениях. В результате фосфор выгорает вместе с другими ненужными примесями, а чугун превращался в сталь.
Первый период продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр.
Окисление железа, кремния, марганца идет по реакциям: Si + O2 = SiO2, 2Mn + O2 = 2MnO, 2Fe + O2 = 2FeO.
Образующаяся закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла.
Для удаления фосфора достаточны невысокие температуры металла и шлака, но необходимо достаточное содержание в шлаке FeO. Помимо вышеприведенных реакций для повышения содержания FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. Фосфор окисляется по формуле: 2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4*P2O5 + 5Fe. В результате окисления фосфор переходит из металла в шлак, поскольку тетрафосфат кальция может раствориться только в нем. Данная реакция также сопровождается выделением значительного количества тепла, за счет которого происходит более резкое повышение температуры металла. При повышенном содержании фосфора (а у нас именно так) для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, добавляя обожженную известь, что конечно снижает производительность конвертера.
Второй период начинается после почти полного выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для продолжения окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя. Когда содержание углерода в металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет.
При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая "кипение". При "кипении" уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему конвертера, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO. Все это способствует повышению качества металла.
Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа FeS растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO: [FeS]+ (CaO) = (CaO) + (FeO)
Образующееся соединение CaS растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак. Высокое содержание в шлаке FеО (до 7-20%) затрудняет протекание реакции удаления серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с ограниченным содержанием серы (до 0,07%).
По мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 - 3 мин. После третьего этапа в конвектор можно ввести раскислители для понижения содержания кислорода в металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.
Это можно сделать только в том случае, если подобрать так называемые синтетические шлаки. Однако я не думаю, что наши герои смогут за короткий срок сделать это. Однако есть еще способ дегазации конвертерной стали с помощью твердого углерода (например, графита). Однако для этого необходимо закончить продувку, что в нашем случае временно невозможно.
Напоминаю, что перед раскислением металла из конвертора необходимо удалить шлак, т.к. есть возможность, что фосфор из шлака будет восстанавливаться, и переводиться обратно в металл. Готовую сталь выпускают из конвектора в заготовленные формы. Чтобы получить сталь с заранее заданным количеством углерода, варьируем третий период и сливаем сталь, так как продувку металла прекратить не можем. Либо можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавить определенное количество чистого от примесей чугуна или набросать древесного угля (как в томассовском конвертере) и при возможности размешать, что не только повысит количество углерода, но и должно по идеи раскислить сталь. Цель - получение высокоуглеродистой стали ~1,7%.
Часть слитков сразу же можно пустить на изготовление булата.
Флюсы
Вместе с железной рудой в доменную печь попадает имеющаяся в ней пустая порода, и при сгорании топлива образуется зола. Для нормального хода доменного процесса необходимо, чтобы все примеси плавились при определенной температуре после восстановления из руды железа. А между тем температуры плавления имеющихся в железной руде примесей и золы топлива значительно превышают эту температуру.
Для понижения температуры плавления пустой породы и золы в доменную печь вводят флюсы. Последние сплавляются с пустой породой руды и золой, образуя шлак. Шлаки имеют низкую температуру плавления и малый удельный вес. Они всплывают на поверхность и удаляются из доменной печи.
В качестве флюсов применяются известняк и кремнезем. Каждый из этих минералов в отдельности тугоплавкий, а смесь их плавится при более низкой температуре.
Если в пустой породе железной руды содержится большое количество песчано-глинистых примесей (наш случай), в качестве флюса применяется известняк. При преобладании в железной руде известковых примесей флюсом служит кремнезем. Таким образом, состав и качество пустой породы в железной руде влияют на выбор флюса и его количество, а также на количество расходуемого топлива. При большом содержании кремнезема в пустой породе потребуется больше флюсов и топлива. Наиболее употребительным флюсом при получении чугуна является известняк.
Обогащение руды
Поступающая в доменную печь железная руда должна иметь определенный химический состав. Важное значение имеет также физическое состояние руды. Если куски руды будут слишком крупными, не все железо восстановится полностью. Мелкие куски руды будут частично уноситься из печи вместе с потоком газов. Кроме того, мелкие куски - в доменной печи слеживаются, пористость руды уменьшается и процесс восстановления железа затрудняется.
Бедная железом и содержащая вредные примеси железная руда подвергается обогащению с целью увеличения в ней процентного содержания железа. В процессе обогащения из руды частично удаляется пустая порода.
Сначала проводим мокрый способ обогащения в отсадочных машинах. В них имеются по крайней мере два отделения. Тяжелые частицы, попавшие в приемное отделение, скапливаются на дне; более легкие частицы всплывают. Подаваемая болотная руда захватывается подаваемой по желобу текущей водой и поступает в поверхностный слой на нижней части уклона, который стремится выплеснуться через край. Вода отмывает и уносит с собой глинистые и песчанистые примеси. Так как железная руда и содержащаяся в ней пустая порода имеют различные удельные веса, то во время отсадки более тяжелые частицы руды быстрее оседают в воде, чем более легкие зерна пустой породы. Легкий материал смешивается с верхним слоем, и поперечный поток воды сносит его через перегородку в соседнее отделение, где происходит аналогичная сепарация. Потом желоб перекрывается и обогащенная руда удаляется.
Далее, полученные крупные куски железной руды размельчаем на дробилках до получения зерен определенной величины. Образующаяся при размельчении руды мелочь просеивается на ситах, либо отделяется дутьем. После этого руда сортируется.
Из мелочи и рудной пыли получаем окатыши - полуфабрикат металлургического производства железа. Шихта, то есть смесь тонко измельчённых концентратов железосодержащих минералов, флюса (добавок, регулирующих состав продукта), и упрочняющих добавок (обычно это бентонитовая глина, будем экспериментировать), увлажняется и подвергается окатыванию во вращающихся чашах или барабанах.
В результате окатывания получают близкие к сферическим частицы диаметром 1-30 мм. Они высушиваются и обжигаются при температурах 1200-1300RC на специальных установках - обжиговых машинах. Обычно обжиговые машины представляют собой конвейер из обжиговых тележек (паллет), которые движутся по рельсам. В верхней части обжиговой машины над обжиговыми тележками располагают отопительный горн, в котором происходит сжигание газообразного, твердого или жидкого топлива и формирование теплоносителя для сушки, нагревания и обжига окатышей. Чаще же всего руду обжигают в кучах или в особых печах, например, вращательных, наподобие служащих для обжига цемента. Мы на первом этапе только подсушиваем окатыши.
Обожжённые окатыши приобретают высокую механическую прочность. При обжиге удаляется значительная часть сернистых загрязнений. При использовании окатышей исключается раздельная загрузка в доменную печь руды и флюсов, значительно сокращается количество шлака при переработке руд с низким содержанием железа. Кроме того, повышается производительность плавки чугуна в доменной печи.
Производится также термическая обработка руд, к которой относятся обжиг и агломерация. Благодаря обжигу в специальных печах при температуре 600-800RС из руды удаляются влага, углекислый газ, сера. В результате руда очищается и обогащается, становится более пористой и легче восстанавливается.
Агломерация заключается в спекании рудной мелочи в специальных машинах. Получающийся при этом агломерат состоит из пористых кусков руды с невысоким содержанием серы (сера частично выгорает в процессе спекания), что облегчает проникновение газов и тем повышает восстановимость руды.
Огнеупорные материалы (Футеровка)
Все металлургические процессы происходят в печах при очень высокой температуре. Поэтому дно и стенки печей должны изготавливаться из огнеупорных материалов - материалов, хорошо сопротивляющихся действию высоких температур. Кроме того, огнеупорные материалы должны обладать механической прочностью, не размягчаться и не растрескиваться при высоких температурах, не изменять свой объем при изменении температуры, не вступать в химические реакции с печными газами, шлаками, расплавленными металлами и их окислами: От качества огнеупорных материалов зависит продолжительность работы печей без ремонта.
Огнеупорными считаются такие материалы, температура оплавления которых лежит не ниже 1500R С. Из них изготавливаются кирпичи и фасонные изделия различной формы и размеров, применяемых для кладки печей. Защитная внутренняя облицовка называется футеровкой.
Все огнеупорные материалы подразделяются на кислые, основные и нейтральные. Для Томасовского передела, одним из достоинством которого является удаление фосфора, должна использоваться основные огнеупоры для футеровки. К ним относится и доломит. Доломит - минерал, являющийся смесью углекислых солей кальция и магния (СаС03, MgC03), его огнеупорность 1800- 1900R С.
Минерал доломит, природный карбонат кальция и магния, CaMg(CO3)2. Цвет белый, серый, блекло-желтый. Блеск на гранях - стеклянный, матовый. Царапается стальной иглой и отличается от известняка меньшей растворимостью и более сильным блеском. Доломит распространен почти так же широко, как известняк, и используется в большинстве случаев для тех же целей. Кроме того, он служит одним из источников получения металлического магния и употребляется при производстве стали, в основном в мартеновских печах (в качестве сырья для огнеупоров и флюса).
Доломит предварительно обжигают до образования свободных CaO и MgO ("спеченный", "намертво обожженный" доломит или доломитовый металлургический порошок). При обжиге в интервале 700-765 C доломит распадается на CaCO3, MgO и CO2, а выше 1000 C происходит полная декарбонатизация. Но такой оксид легко набирает влагу, его прокаливают дальше до 1400 (1700 это уже стекло из доломита). Полученную смесь MgO и CaO дробят в порошок, смешивают с дегтем (2-8%) или каменноугольной смолой, потом обжигают при 1400, без доступа кислорода или в восстановительной среде (избыток CO).
Булат
Данные слитки помещают сразу в горн и подвергают там медленному охлаждению ~10R С в час. При таком медленном охлаждении образуется грубая непрерывная сетка цементита по границам аустенитных зерен. При 800R С (цвет королевского пурпура) начинаем обжатие либо проковку. Если работаем с холодным слитком, то его вторично нагреваем до 800R С. Прокат осуществляем с восьмикратным обжатием по толщине. Во время прокатки слиток постепенно охлаждается с переходом через фазу аустенит + цементит. В результате этой операции, которая имитирует ковку, зерна вытягиваются в направлении прокатки, измельчаются и цементитная сетка сжимается, расстояние между слоями составляет около 100 мкм. Фактически, происходит выделение цементита из раствора в виде мелких равномерно распределенных частиц, а не грубой сетки. Прокатанная сталь имеет все же менее сложный узор, чем кованый клинок, либо совсем не имеет такого узора.
Такие сверхвысокоуглеродистые стали без узора имеют при комнатной температуре более высокие показатели прочности и вязкости, чем обычные стали. Более того, при температурах 600-800 С они проявляют свойства сверхпластичности, т. е. ведут себя подобно аморфным материалам, например расплавленному стеклу. Это позволяет формовать из них сложные детали, такие, как шестерни, при минимальных затратах на обработку и используя методы, применимые в массовом производстве. До появления возможности прокатки используется ковка по определенной технологии.
Водяное колесо

Приблизительно все будет выглядеть так. В настоящее время есть только запруда и одно колесо. Сама запруда сложена немного не так - напомню: частокол свай в два ряда и обтесанные с двух сторон бревна между ними. Сваи сверху попарно меж собой скреплены бревнами в лапу и по ним будут проложены широкие мостки на соседний берег. Кроме того, на соседнем берегу будет второе колесо. Сама река при этом полноводнее и берега повыше. Желоб пока более хлипкий, но со временем заменим таким. А лесопилка на соседнем берегу примерно так и будем выглядеть, разве что поначалу без стен. Напомню, второе колесо будет работать на пилораму, а первое на глиномешалку, на измельчение руды и, в дальнейшем, на дутье. Третье только для подачи воздуха в домницу и конвертер. Однако требуются механизмы сопряжения и переключения всех трех устройств, не говоря о том что для дутья колесо, возможно, потребуется переработать.
Поток воды - из расчета примерно 1 куб/сек для каждого желоба. Тогда мощность потока воды в реке: 1000 литров *10 (g) *3 метра (высота колеса)= 20000 = 29 Квт. Берем 50 % КПД колеса (из 80% мах для верхненаливного) из-за несовершенства конструкции. Делим это еще раз пополам из-за отсутствия подшипника и деревянных сочленений механизмов передачи. Т.е. получаем ~ 7 Квт. По максимуму.
Пилорама

Лесопилка пока будет действовать более примитивно, чем показано на эскизном рисунке, с отбором мощности от колеса через систему ременных приводов с возможностью отключения (см. главу 16). Полотен будет стоять сразу три. Но! Рама на которой крепится бревно, конечно будет, но первоначально запустится без механического движения по полозьям, которые, возможно, лучше сразу же отлить из чугуна. Двигаться рама будет мускульной силой. Помучаются немного, тогда начнут механизировать процесс. Но только после запуска домницы и отливки деталей.
Печь для обжига кирпича

Поначалу немного отличается от того, что на рисунке. Но к этому стремимся. Внутри рва, получившегося по ширине в четыре, а в длину около пяти метров, выкладываются поперечные внутренние перегородки из необожженных кирпичей, стоящие довольно близко друг от друга. Эти перегородки, пронзенные посередине камерой топки, в ширину примерно в полкирпича, а расстояния между ними сантиметров тридцать с небольшим, так что поверху их можно перекрывать, ставя длинной стороной плинфу на ребро. Таким образом, щели между плинфой служат продухами, через которые горячий воздух будет поступать в обжигательную камеру, хотя впоследствии, конечно, можно выложить для удобства что-то типа пода над перегородками.
В камере обжига, ряды плинфы, поставленные ребрами друг на друга поочередно в разных направлениях, в самом конце должны были перекрываться кирпичами, положенными плашмя. Таким образом, не нужновыкладывать закрытый свод, а положенную плашкой плинфу поверху можно засыпать слоем песка, соорудив деревянный настил от дождя гораздо выше такой крыши. Cвод выкладывается лишь у входа в топочную камеру и у перегородок над топками же.
Экономика некоторых процессов
Болотные и озерные руды, представляющие отчасти химический, отчасти механический осадок водной окиси и кремнекислой закиси железа, песка и глины в виде горошин, лепешек или ноздреватых пористых масс в болотах, озерах и других стоячих водах. Обыкновенно содержат 35-45% железа. Обогащением (промывка и обжиг) доводим до 50%. Домна размером 6х2.5 м. вмещает (с учетов сужения) около 24 куб.м.
Добыча.
Поиски велем с помощью специальных щупов, разработку - лопатами. Добываем летом с лодок, если глубоко, либо вброд, если мелко, зимой со льда. Черпаем большими деревянными лопатами (пока нет частых бредней, либо сит), сырую везем на место, сваливаем и запускаем процесс обогащения в в отсадочных машинах. Далее на размельчаем на дробилках, из пыли и мелких фракций делаем окатыши, сушим в вагранке.
На 1 тонну чугуна уходит около 600 кг кокса, кокс более плотен, чем древесный уголь (в 2-3 раза), соответственно дает на единицу объема больше тепла, кроме того, современные домны более совершенны, поэтому закладываем 3 тонны древесного угля на тонну чугуна или на 2 тонны руды. Учитывая его насыпную плотность около 200 кг на куб, получаем 15 кубов на тонну чугуна.
Вес сырой руды принимаем 2 тонны за куб, то есть на одну тонну чугуна нужно 2 тонны руды, что составляет 1 куб. В итоге на 24 куба объема (3 тонны руды и 4.5 тонны угля) можно получить около 1.5 тонны чугуна.
Пусть один человек (дети и женщины) за день (неполный) добывает примерно 300 кг руды. Для сбора руды на одну плавку нужно около 10 человеко-дней. Добычей руды занимаются подростки (~10 чел), так что принимаю 2 дня на добычу и обогащение руды без учета доставки из отдаленных районов. Обогащение руды включает промывку в отсадочных машинах и обжиг руды.
Если строить печь для того, чтобы пережигать уголь в печи (не в куче), то это дает нам выход порядка 20% от веса безводной древесины, то есть на тонну угля нам потребуется в идеале 5 тонн хорошо просушенной древесины, что равно около 10 кубов. На самом деле можно смело умножать на 1.5, потому как ель и сосна естественной влажности весят 800-900 кг куб. Даже с учетов зимней заготовки и сушки, часть древесины уйдет на дрова для поддержания пиролиза, и эту цифру возьмем, как основу. Одно дерево диаметром ствола в 40 см и высотой 10-15 м, даст около 2-3 куба пригодной древесины, таким образом, на тонну угля нужно 5-7 деревьев. Примем, что для этого надо 15 человеко-дней, а для заготовки угля на плавку 70 человеко-дней. Заготовку лучше вести зимой.
Кроме того, нужно 200-300 кг на подготовку 1 тонны агломерата, столько же угля на пережег одной тонны известняка в известь для шлака в конвертере и в 1,5-2 раза больше угля для пережога доломита на футеровку. В общем, в основном все оставшиеся подростки будут работать на уголь, и все равно его будет не хватать. Поэтому будем закупать у всех, кто может поставить.
Теперь посложнее. От 'Sergey'. На хим реакцию при которой на одну молекулу Fe2O3 потребуется 3 атома углерода. Учитывая молярный вес кислорода и углерода, на 1 кг кислорода потребуется 0,75 кг углерода. Таким образом, если в тонне агломерата (обогащенной руды) 50% Fe, то Fe2O3 составляет 75%, масса кислорода составит 250 кг, а масса углерода для его связывания 200 кг на тонну англомерата, кроме того, большая часть угля нужна, чтобы расплавить всю породу, часть уйдет на потери тепла и т.д.
Определим количество угля, которое нужно для этого и которое не будет идти на восстановление руды:
4500(всего кг угля)-3000(всего кг агломерата)*0,2(уголь на восстановление тонны агломерата)=3900 кг угля, (как уже указывалось выше на 2 кг углерода требуется 2,5 кг кислорода), итого требуется до 5 тонн кислорода. Содержания кислорода в воздухе 20%, таким образом потребуется 25 тонн воздуха, удельная плотность воздуха 1,2 кг на куб, т.е. при нормальных условиях нужно порядка 21 тыс. кубов воздуха. С учетом предположения, что длительность плавки будет составлять около суток, объем воздуха, который нужно подать домну за 1 мин. составит 21 тыс. кубов/24 часа/60 минут=~15 кубов в минуту.
Домница.
Обслуживание домницы (выплавка) и ремонт (постройка ее заново каждые полгода на первых порах, потом через год, но это надо считать отдельно). Принимаю за 3 чел/дней неспециалистов (загрузка) + 2 специалистов. Все прикидки на ремонт с потолка.
Водяное колесо.
Ремонт.
Один человеко-день. Специалист.
Вагранка, конвертер
Обслуживание и ремонт. Вагранка служит для сушки руды и плавки слитков чугуна. Конвертер для передела чугуна.
Принимаю за 2 человека в день. Специалисты.
Футеровка и известь.
Изготовление доломитного огнеупора и обжигание извести. Принимаю за 3 человека в день (далеко возить) неспециалистов и 1 специалиста.
Кирпичи.
Изготовление кирпичей, добыча и замес глины, формовка, сушка, обжиг.
Упрощенно принимаем:
для добычи 1 куба глины пусть будет 1 человеко-день.
для замеса 1 куба глины пусть будет 1 человеко-день (это с помощью колеса).
для формовки 1 куба кирпичей пусть будет 0.5 человеко-дней. Он же сушит (переворачивает и т.д)/ Итого 1 чел-день.
заготовка дров для обжига 1 куба кирпичей (~250 штук плинфы) - 5 кубов дров = 10 человеко дней (2 чел.-дня на куб дров)
Будет использоваться торф, но не думаю, что затраты сильно уменьшатся.
Итого 13 человеко дней на куб. Цикл берем в две недели. Обжигаем 10 кубов.
130 человек на 14 дней. Итог 10 человеко дней, если непрерывное производство. сам обжиг, ремонт и обслуживание печи - 2 человека день.
Всего 12 человек на день. На 2.5 тыс штук плинфы за 2 недели. Думал понадобится гораздо больше людей. Пусть будет 14.
Итог: Уйма народа + уйма угля.

Что может сдесь изменить наш ГГ не обладая специальными техническими или энциклопедическими познаниями?
Ну во первых сделать домницу не одноразовой а постоянной. Кирпичи у нас уже есть, пока их производство делается вручную специалистом Сучка. Увеличение производство кирпича путем внедрения печи для обжига уже предлагалось Петровичем в соавторстве с вашим покорным слугой. то предложение не выхвало ототржения и было признано форумчанами как возможное к реализации ГГ.
Именно исходя из создания печи для обжига кирпичей и может работать мысль ГГ. Если можно сделать печь для обжига глины постоянной, то почему нельза сделать подобного рода устройства и для выжига угля и для плавки металла? Именно на примере уже готовой, работающей модели печи, можно показать Погорынскому Кулибину Лавру, идею будущей домны.
У нас будут главный строительный материал для домны это кирпич! Да разумеется он не ОГНЕУПОРНЫЙ, но первые опыты по обустройству домны я бы начал именно из простого кирпича! Два три десятка плавок кирпич однозначно выдержит (подтверждено мнением специалистов). За это время мы сможем отработать и различные проблемы технологического характера.
Как получить огнеупорные кирпичи. На форуме уже говорилось о том, что в Погорынье есть каолин, глина его содержащая на вид очень светлая. Да ГГ САМ может и не обладать информацией о том, что именно это сырье может послужить основой для огнеупорного материала, но что мешает ему использовать эту глину так скажем в "темную". Просто делать из него изделия и после обжига обнаружить, что изделия из него более термостойкие.
Второй вариант, шамотный кирпичь. По этой технологии в глину для изготовления кирпича подмешивают порошок уже переженной глины. Гг вполне может слышать. что таким образом в 20 веке его делают, но не знать подробностей. Сколько и в каких пропорциях это делается выявляется опытым путем, методом "научного тыка". Толочь в порошок при этом вовсе не обязательно кирпичи. для это можно спекать более мелкие фракции. Допустим перетирая глиняную смесь сквозь крупно ячеистое сито из проволоки. Что то вроде керамзита. Перемолоть будет проще.Вполне вероятно для пущей легкости и хрупкости в глину подмешивать навоз. При обжиге органика выгорит.

Итак вместо обмазывания глиной ветвей, стоит попробовать изготовить домницу из кирпича, повысив температуру плавления в ней, за счет тяги. Которую мы обеспечим высокой трубой (кирпич) и принудительным наддувом.

Второе именно наддув. У нас есть водяные колеса. Изготовить большие меха с приводом от колес, вполне реально. Для того, что бы воздух ими подаваемый попадал в домну не "холодным" его надо предварительно греть. Думаю вполне можно устроить вокруг домны примитивных теплообменник. Прогоняя закачиваемый воздух через кирпичные пазухи вокруг стенок домны, тем самым мы будем паралельно остужать и ее наружние стены.

Итак что мы получим от подобных нововведений. мы поднимем температуру в плавильне. Причем вполне вероятно до тех степеней когда метал будет переходить в жидкое состояние.

Третье. Состав шихты. Его придется определять опытным путем, опять методом "научного тыка" постоянно добавляя в процентном соотношении подсыпаемую в фурму известь.

По моему мнению НЕСПЕЦИАЛИСТА. подобный путь усовершенствования вполне вероятен и возможен. Дъявол разумеется в деталях. Но именно по ним я и желал бы услышать аргументированные предложения.
Фурмы. Из чего делать? Как выглядят? Как избежать выброса огня?
Сопла поддува? Что за материал? Когда прогорят, каким образом менять?
Отверстие слива метала и шлака. Как и чем его заделывать - просто глина? После слива шлака и металла, отверстие нужно затыкать обратно, как это осуществлять технически, ведь в этом месте большие температуры!
Контроль уровня шлака и металла. Как осуществлять?
Ну и наверно еще куча вопросов которые я упустил

Кучное (костровое) углежжение не требует вообще никаких материалов, кроме дров, дерна и воды. По способу укладки различают стоячие и лежачие кучи. Первые, объемом 15–400 м3, выкладывают в форме стога с куполообразным суженным верхом. Лежачие, объемом до 1000 м3, имеют прямоугольное основание и скошенную поверхность.
Из опыта углежогов известно, что нельзя в одной куче перерабатывать ель и сосну. Лиственные породы можно смешивать в таких сочетаниях:
1.) береза, ольха, клен, акация;
2.) осина, тополь, липа, ива;
3.) дуб, вяз, бук, граб.
Сочетания определяются разной плотностью древесины и, вследствие этого, различной скоростью переугливания.
При углежжении в стоячих кучах площадку для кучи, именуемую током, делают на ровном сухом месте. Ток освобождают от верхнего растительного слоя, пней и корней. Хорошим основанием для тока служит суглинистый или супесчаный грунт. Диаметр тока должен быть на 4 м больше диаметра основания кучи. Середина тока делается на 15–20 см выше, чем периферия. Если место сырое, вокруг тока выкапывают водоотводную канаву. В центре тока ставят вертикальный шест высотой 5 м, а иногда четыре шеста, образующие квадрат, или трубу из досок, неплотно подогнанных друг к другу. По радиусам укладываются круглые жерди и по ним, плашмя, ряд колотых дров. Это так называемый настил. На настиле в 2–3 яруса стоймя выкладывают дрова.
Сначала выкладывается зажигательный канал. В разных местностях его формируют по–разному: иногда — горизонтально от периферии к центру, иногда — вертикально по центру. Затем ставят короткие (около 1 м) дрова под углом 70–80 ° к горизонту, опирая на центральный шест. На верхний ярус кладут короткие сухие дрова, и на самую верхушку — горизонтально мелкие дрова. Эту часть кучи называют чепец. Всю поверхность кучи покрывают хвойным лапником и поверх — дерном. Затем укладывают по всей поверхности землю толщиной внизу кучи 25 см, вверху до 20 см. У основания проделываются 10–15 отверстий (продухи) по окружности в зависимости от размера кучи.
Обычно расстояние между отверстиями 1,5 м, их размер — до 30 см. В зажигательный канал заранее укладывают мелкий сухой хворост, щепки, сухие колотые дрова. Это топливо поджигают, и канал закрывают дерном. Дальнейший процесс углежжения заключается в открывании и закрывании отверстий для впуска воздуха и выпуска образующихся газов. По мере переугливания объем кучи уменьшается, и наверху куча проседает. Сверху подбрасывают свежие дрова («кормление кучи»). Этот процесс повторяют 4–6 раз. В верхней части кучи делают отверстия для выхода газов.
На первой стадии идет сушка дров и из отверстий вырывается пар («потение кучи»). Этот период продолжается 6–10 дней. Признаком начала пиролиза является изменение цвета выходящего газа — он желтеет, затем буреет.
По мере продвижения зоны пиролиза вниз верхний ряд отверстий закрывают и ниже делают новый. Так продолжают до самого основания. Когда дым приобретает синеватый цвет, все отверстия и продухи закрывают и покрышку утолщают. Через двое суток кучу постепенно разбирают, начиная сверху. Принято рассчитывать длительность переугливания, исходя из того, что в среднем в сутки переугливается 15 м3 дров. Таким образом, куча в 300 м3 дров будет переугливаться 20–30 суток. Продолжительность переугливания зависит от исходного сырья (порода, влажность, размеры), а также от температуры и влажности окружающего воздуха, осадков. Зимой процесс идет медленнее, чем летом, а в сильные холода может и вовсе прекратиться. Весь процесс от закладки до разборки занимает 1–1,5 месяца. Уголь в кучах получается хорошего качества, но выход его низкий (около 30%) Из сухого исходного материала можно получить до 60% выхода. При недостаточном опыте углежогов уголь может быть загрязнен золой от прогоревших покрышек из дерна и земли.
Обслуживание углевыжигательной кучи — это тяжелый ручной труд, при этом необходима высокая квалификация рабочего, ведущего процесс, т. к. работника подстерегают опасности — взрывы газа, провалы кучи, самовозгорание вынутого угля, а процесс ведется без приборов, только по внешним признакам.

“Теперь мы с полной уверенностью можем говорить о существовании в средние века на территории сегодняшней Чувашской Республики металлургического производства”, — к такому заключению пришли сотрудники Чувашского национального музея, которые в июне-июле провели археологические раскопки близ села Ильинка в Моргаушском районе.

Случайностей, как известно, не бывает. И, наверное, закономерно, что один из нынешних участников экспедиции оказался два года тому назад во время “разведки” по Моргаушскому району на крутом берегу Волги после сильного ливня. Многие здесь до него бывали, но лишь он обратил внимание на почву рядом с вывороченным с корнем деревом.

“Мы стали чистить тогда склон и вышли на поддувало горна, — рассказывает руководитель экспедиции, научный сотрудник музея Дмитрий Спрыжков. — Зафиксировали находку, и в этом году наша экспедиция, единственная в Чувашии, получила открытый лист, дающий право на ведение археологических раскопок”

.
Три недели неустанно трудились четыре научных сотрудника Национального музея и пять “сочувствующих” помощников из друзей и знакомых. Сначала несколько дней вырубали деревья на месте будущих раскопок, а потом постепенно, за один прием не глубже чем на высоту штыка лопаты, снимали землю. “Это очень трудоемкий процесс, отнимает много сил, — продолжает Дмитрий. — Выкопать яму было бы быстрее, проще, а мы убирали почву слой за слоем на немалой по площади территории. Много времени уходило на фиксацию, чертежи, фотосъемку, снятие нивелировочных отметок”.
Журналисты “Граней” появились на месте раскопок накануне отъезда археологов и смогли оценить масштабы проведенной работы. Перед нами возвышался более чем пятиметровый срез земли с широкой площадкой наверху, переходящей в воронкообразную яму, которая внизу заканчивалась неким подобием транспортерной ленты. То был горн для выплавки металла.
Он, объяснили нам, сориентирован строго на север, так как в этой местности постоянно дуют северный или северо-западный ветра. Они и обеспечивали постоянный приток воздуха в топочную камеру, в которой поддерживалась температура до 1300 градусов. В топку шел, разумеется, лес, а вот руду — болотную — привозили с левой стороны Волги. О том, что добывали ее именно в болотистой пойме реки, свидетельствуют найденные при раскопках окаменевшие улитки.
“Болотная руда закладывалась по принципу слоеного пирога: руда, уголь, руда, уголь... — объясняет Д.Спрыжков. — Так до края ямы. Наверху сооружалась куполообразная конструкция, для прочности она оплеталась ветвями деревьев и обмазывалась глиной. Для дыма оставляли отверстие. Потом сверху все поджигалось. Уголь горел, шлаки вытекали, скорее всего, из поддувала, а в воронкообразной яме оставалось так называемое кричное железо.
Горн при сильном ветре работал 2-3 дня, потом столько же времени конструкция остывала. Верхняя куполообразная часть разбиралась, глина разламывалась (было найдено очень много ее кусков). Яму вычищали до основания, металл извлекали и отправляли на дальнейшую обработку. Затем горн использовали заново.
Мы не обнаружили материалы, подтверждающие время сооружения горна, но подобного типа металлургические печи использовались либо в раннем железном веке, либо в раннем средневековье”.
На территории нынешней Чувашии и прежде археологи отыскивали различные предметы из железа, но никогда не находилось подтверждения тому, что в средние века было развито, как бы мы сейчас сказали, металлургическое производство. Научным сотрудникам Национального музея первым по­счастливилось обнаружить горн для плавки металла. И по всей вероятности, поблизости есть и другой, а может, и не один. Их еще предстоит раскопать и изучить.

Получили распространение только на территории средневековой Франции и Испании. Каталонский горн представлял собой низкую, но интенсивно работающую печь, постоянно подгружаемую шихтой. Существовало три вида этих печей – собственно каталонский горн, наиболее крупный по размерам и производительности, наваррский и бискайский горны меньших размеров. Длина горнов составляла от 0,6 до 1,2 м, ширина — от 0,6 до 1,0 м и глубина -0,5-0,8 м. Таким образом, объем рабочего пространства пиренейских горнов составлял всего лишь 0,3—0,9 м3, что в 5 раз меньше объема рабочего пространства высокошахтных печей. Однако производительность каталонских горнов была на уровне производительности штюкофенов.
Каждый железоделательный завод оснащался более чем 10-ю каталонскими горнами. Они располагались в ряд вдоль одной общей стены, построенной со стороны реки, где строились водоналивные колеса, приводившие в действие дутьевые меха. К этой стене (заводской) примыкали фурменная и противофурменная стены. В фурменной стене под углом около 40° к уровню земли устанавливалась коническая, слегка сплюснутая фурма из красной меди длиной около 50 и диаметром 6—8 сантиметров.
Противофурменная стена устанавливалась со значительным наклоном наружу и выполнялась с изогнутым сводом. В лицевой стене предусматривались два отверстия для ломов и выпуска шлака, а также специальное устройство для установки шесточной железной доски, которая меняла угол наклона для регулирования загрузки в горн шихтовых материалов.
Особое внимание уделяли сооружению дна горна. Выполнен он был из цельного огнеупорного камня – гранита, песчаника или же слюдяного сланца. Верхняя сторона камня тщательно обрабатывалась, до гладкого и слегка вогнутого состояния. Срок службы камней составлял от 3 месяцев до полугода. Под камнем на старом мельничном жернове устраивалась «постель» из дробленого шлака и глины. Трубы как таковой над горнами не было – образующиеся газы выходили через отверстие в крыше заводского строения.
Процесс подготовки к плавлению состоял в тщательной очистке горна от остатков предыдущей плавки и засыпке и уплотнении древесного угля до уровня фурмы. На плотный слой древесного угля насыпалась кусковая руда, обычно бурый железняк.
По ходу процесса плавки, выгорания угля и плавления руды, в горн вводились их новые порции. Жестких требований к газодинамическим параметрам шихтовых материалов не было, что делало возможным использование руды мелких фракций. Применялись комки рудной пыли, смоченные водой. Шлак периодически выпускался из предусмотренных отверстий. Контакт крицы с железистым шлаком имел определенную пользу – это позволяло перевести в шлак большую часть фосфора, который снижает качественные характеристики выходного материала.
Самой сложной была операция «опускания руды в горн», для выполнения которой между противофурменной стеной и рудой вставляли лом и, пользуясь им как рычагом, подвигали нижние слои руды к фурме. Сигналом к окончанию процесса служил белый цвет пламени, который указывал на начало окисления железа крицы. Обычная длительность плавки достигала 5—6 часов. Таким образом, за сутки успевали произвести 3—4 крицы массой 100—150 кг. После прекращения подачи дутья с крицы сгребали покрывающие ее шихтовые материалы и в отверстие в лицевой стене вставляли лом, а второй лом опускали в горн сверху. Действуя ломами как рычагами, крицу вынимали из горна по пологой выгнутой противофурменной стене.
В эпоху позднего Средневековья при нормальном ходе процесса извлечение железа из руды в крицу достигало 60-70% при расходе древесного угля 3-3,5 кг на 1 кг крицы. Получался низкоуглеродистый металл (менее 0,5% углерода). Содержание оксида железа в шлаке было существенно ниже, чем при применении обычных сыродутных горнов: оно составляло 35—40%.
Обслуживанием каждого каталонского горна занималась бригада из 8-ми человек. В состав бригады входили мастер, его помощник, следивший за работой воздуходувной техники, два плавильщика, обеспечивавшие процесс производства крицы, молотовой мастер с помощником, рабочий, готовивший шихтовые материалы к плавке, и весовщик, осуществлявший контроль за хранением, расходованием материалов и ведавший учетом готовой продукции.
Хотя каталонские горны обладали весьма простой конструкцией, они находились в эксплуатации и после появления доменных печей, с которыми они конкурировали в Испании вплоть до середины XIX в. Секрет «долгожительства» каталонских горнов объясняется тем, что с XVII века для их обслуживания начали применять мощные водотрубные воздуходувки, или тромпы. Тромпа обеспечивала не только интенсивную, но и равномерную подачу дутья в металлургический агрегат.

Каких-либо особых конструктивных различий между штюкофенами и осмундскими печами не было; различались они в основном во внешнем оформлении. Осмундские печи, как правило, заключались в деревянные срубы, а конструкция штюкофенов усиливалась снаружи каменной кладкой. Печи были многогранного сечения, чаще всего в виде двух четырехгранных призм с общим большим основанием. Использовалась одна фурма, установленная горизонтально в нижней части печи таким образом, что ниже нее располагались лишь отверстия для выпуска из печи шлака.
Перед тем, как приступить к плавке, внутренней пространство печи обмазывалось огнеупорной глиной и набивалось угольным порошком. Далее производилось обжигание горна. Этот процесс заключался в прогреве кладки, что осуществлялось сжиганием дров, смешанных с некоторым количеством древесного угля. После этого печь наполовину загружали порцией древесного угля, перемешанного с небольшим количеством легкоплавкой железной руды. В результате плавления этой первой, или задувочной, шихты стенки нижней части печи покрывались своеобразным защитным слоем — гарнисажем. Только после такой длительной подготовки агрегата переходили собственно к процессу плавки.
Подготовка шихты была тщательной – куски руды, преимущественно красный или бурый железняк с 50% содержания железа, дробились до размера лесного ореха. Древесный уголь измельчался до размеров грецкого ореха. Процесс очистки компонентов шихты от мелких частиц и пыли осуществлялся вручную.
Печь наполовину заполнялась древесным углем, а затем загрузку руды и угля производили последовательно горизонтальными слоями толщиной около 10—12 см.
После воспламенения древесного угля в нижней части печи, где проходила реакция неполного горения углерода угля до монооксида углерода (СО), достигалась температура 1400—1450°С. На верху печи, на колошнике (от «колоша» – мера твердого сыпучего материала), температуры отходящих газов (в основном, СО и азот) составляла около 800°С. Именно поэтому отходящий газ, взаимодействуя с кислородом воздуха, воспламенялся и непрерывно горел в течение всего процесса плавки. Основным механизмом восстановления железа из оксидов была их реакция с твердым углеродом, поэтому содержание СО2, образующегося при восстановлении железа монооксидом углерода, в отходящих газах было очень мало.
Главной составляющей шлака, как и в обычных сыродутных горнах, был фаялит. Шлак содержал 45—50% монооксида железа, 25—35% кремнезема, 4-6% глинозема, до 5% извести и магнезии и до 15% монооксида марганца. Кроме того, в шлаке в значительных количествах присутствовали щелочи, фосфор (иногда более 1%) и сера. Железистые шлаки отличаются высокой жидкоподвижностью, поэтому они легко вытекали из печи через отверстия в стенках, расположенных несколько ниже уровня фурмы. Присутствие в рудах монооксида марганца, взаимодействовавшего с кремнеземом, облегчало восстановление железа и уменьшало его потери в ходе плавки.
В результате плавки получался металл с низким содержанием кремния (менее 0,05%), марганца (менее 0,5%) и фосфора (менее 0,01%). Содержание углерода в различных участках крицы колебалось в широких пределах от 0,05 до 1,5%. Как известно, температура плавления низкоуглеродистого железа, составлявшего основную массу крицы, достигает 1480—1520°С, поэтому крица получалась твердой. Однако с повышением высоты печей и улучшением условий теплообмена содержание углерода в крице увеличивалось, и с начала 2-го тысячелетия ее часто извлекали из штюкофенов несколько оплавленной.
Плавка длилась 4—6 часов, после чего раскаленную добела крицу клещами извлекали через пролом в передней стенке горна. Пролом делался в месте установки фурмы, что позволяло одновременно производить контроль состояния и при необходимости замену сопла дутьевого устройства. В крице оставались включения угля и шлака, составлявшие до 10% ее массы, поэтому ее уплотняли деревянными молотами, а затем тщательно проковывали кузнечным молотом для удаления шлака из мелких пор. Потери железа со шлаком и в результате отбраковки все также оставались высокими и могли достигать половины от количества железа, попавшего в печь с рудой. Всего за сутки с учетом постоянного ремонта печи успевали произвести 2—4 крицы.
Высоким был и расход древесного угля: непосредственно на процесс экстракции железа из руды он составлял 3-4 кг на 1 кг «сырого» железа, еще столько же топлива требовалось сжечь при переработке сырца в товарный продукт. Учитывая то, что при производстве древесного угля масса продукта составляла не более 15% от массы дров, общий расход высококачественной древесины на производство 1 кг железа достигал почти 50 кг. Потребность в древесном угле была столь высока, что к концу первого тысячелетия пришлось существенно усовершенствовать технологию его производства: от архаичного способа выжига в ямах перешли к более производительной и экономичной технологии получения продукта в кучах диаметром свыше 3 метров.
Штюкофены и осмундские печи обеспечивали самый высокий температурный уровень термических процессов раннего Средневековья. Температура продуктов плавки (крицы и шлака) в них гарантированно достигала 1400°С, но условия науглероживания металла в печах все же еще не позволяли получать в них чугун. Требовался еще один шаг, еще некоторое увеличение высоты агрегата, чтобы получить новое качество и новый продукт процесса, а именно высокоуглеродистый сплав — чугун. Этот шаг был сделан после появления печей шахтного типа - домниц - в начале XIV в.

В XI веке металлургическое производство уже имело большое распространение, и в городе, и в деревне. Сырьем для получения железа служили болотная и озерная руды, не требовавшие при обработке сложной технологии и широко распространенные в лесостепи. Русские княжества располагались в зоне рудных месторождений, и кузнецы почти повсеместно были обеспечены сырьем. Найти железную руду было не труднее, чем залежи гончарной глины. Болотная руда сохраняла свое значение для металлургической промышленности некоторых районов страны до XVIII века. На ней работали небольшие заводики с полумеханизированным процессом дутья - мельничьим приводом. По внешнему виду болотная руда представляет собой плотные тяжелые землистые комья красно-рыжего оттенка. Она иногда залегает в земле слоями толщиной до 30 см, но чаще - на дне болот и озер. Ее разведывали шестом и черпали ковшами с длинной рукоятью. Обычно железную руду добывали в августе. Затем ее сушили и в середине осени обжигали на кострах. Самым сложным и ответственным делом являлась выплавка железа из руды. Ее осуществляли зимой при помощи так называемого сыродутного процесса – нагнетания в печь холодного воздуха, необходимого для восстановления железа. Окислы железа в виде железной руды, засыпанной в печь поверх горящего угля, в результате химических реакций теряли кислород и при температуре 700-800 град С превращались в железо, которое в виде густой тестообразной массы (губчатой ноздреватой крицы) стекало в нижнюю часть печи. Температура в 1500-1600 град С, необходимая для превращения железа в жидкое состояние, была недоступна древним металлургам, поэтому процесс выплавки железа в то время назывался «варкой». Недостатком этого способа был низкий процент выплавки металла из руды. Часть металла оставалась в руде. В районе залегания руд почти каждое селение имело свои плавильни (домницы), в сыродутных горнах которых производилась варка железа - труднейшая из работ.
Первым сыродутным горном был обычный очаг в жилище. Специальные горны появились позднее. В целях пожарной безопасности их располагали у края городищ. Ранние печи представляли собой густо обмазанные глиной круглые ямы диаметром в один метр, вырытые в земле. Их народное название - «волчьи ямы». В X веке появились наземные печи, воздух в которые нагнетался с помощью кожаных мехов. Меха раздувались вручную. И эта работа делала процесс варки очень тяжелым. Археологи до сих пор находят на городищах признаки местной выработки металла - отходы сыродутного процесса в виде шлаков. По окончании «варки» железа домницу ломали, удаляли посторонние примеси и ломом извлекали из печи крицу. Горячая крица захватывалась клещами и тщательно проковывалась. Проковка удаляла с поверхности крицы частицы шлака и устраняла пористость металла. После проковки крицу снова нагревали и снова клали под молот. Эта операция повторялась несколько раз. Для новой плавки верхняя часть домницы реставрировалась или строилась заново. В более поздних домницах передняя часть уже не ломалась, а разбиралась, и расплавленный металл стекал в глиняные емкости.
Но, несмотря на широкое распространение сырья, выплавка железа производилась далеко не на каждом городище. Трудоемкость процесса выделила кузнецов из общины и сделала из них первых ремесленников. В древности кузнецы сами плавили металл, а затем его ковали. Необходимые принадлежности кузнеца - горн (плавильная печь) для нагрева крицы, кочерга, лом (пешня), железная лопата, наковальня, молот (кувалда), разнообразные клещи для извлечения из горна раскаленного железа и работы с ним - набор инструментов, необходимых для плавильных и ковочных работ. Техника ручной ковки почти не менялась до XIX века, но подлинных древних кузниц истории известно еще меньше, чем домниц, хотя археологи периодически обнаруживают в городищах и курганах много кованых железных изделий, а в погребениях кузнецов их инструменты: клещи, молот, наковальню, литейные принадлежности. Письменные источники не сохранили до нас технику ковки и основные технические приемы древнерусских кузнецов. Но исследование старинных кованых изделий позволяет историкам говорить о том, что древнерусским кузнецам были известны все важнейшие технические приемы: сварка, пробивание отверстий, кручение, клепка пластин, наваривание стальных лезвий и закалка стали. В каждой кузнице, как правило, работало два кузнеца - мастер и подручный. В XI-XIII вв. литейное дело частично обособилось, и кузнецы занялись непосредственно ковкой железных изделий. В Древней Руси кузнецом назывался любой мастер по металлу: «кузнец железу», «кузнец меди», «кузнец серебру».
Простые кованые изделия изготавливались с помощью зубила. Применялась также технология использования вкладыша и наваривания стального лезвия. К наиболее простым кованым изделиям можно отнести: ножи, обручи и дружки для ушатов, гвозди, серпы, косы, долота, шилья, лопаты и сковороды, т.е. предметы, не требующие специальных приемов. Их мог изготовить любой кузнец в одиночку. Более сложные кованые изделия: цепи, дверные пробои, железные кольца от поясов и от сбруи, удила, светцы, остроги, - уже требовали сварки, которую осуществляли опытные кузнецы с помощью подручных.
Мастера производили сварку железа, нагревая его до температуры 1500 град С, достижение которой определяли по искрам раскаленного добела металла. Зубилом пробивали отверстия в ушках для ушатов, лемехах для сох, мотыгах. Пробойником делали отверстия в ножницах, клещах, ключах, лодочных заклепках, на копьях (для скрепления с древком), на оковках лопат. Эти приемы кузнец мог осуществлять только с помощью помощника. Ведь ему необходимо было держать клещами раскаленный кусок железа, что при небольших размерах тогдашних наковален было нелегко, держать и направлять зубило, бить по зубилу молотом.
Сложным было изготовление топоров, копий, молотков и замков. Топор выковывали с применением железных вкладышей и навариванием полос металла. Копья ковали из большого треугольного куска железа. Основание треугольника закручивали в трубку, вставляли в нее конический железный вкладыш и после этого сваривали втулку копье и выковывали рожон. Железные котлы делали из нескольких больших пластин, края которых склепывались железными заклепками. Операция кручения железа применялась для создания винтов из четырехгранных стержней. Приведенный выше ассортимент кузнечных изделий исчерпывает весь крестьянский инвентарь, необходимых для постройки дома, сельского хозяйства, охоты и обороны. Древнерусские кузнецы X-XIII вв. владели всеми основными техническими приемами обработки железа и на целые столетия определили технический уровень деревенских кузниц. Основная форма серпа и косы с короткой рукояткой были найдены в IX-XI веках. Древнерусские топоры претерпели значительное изменение и к X-XIII вв. обрели форму, близкую к современной. Пила в деревенском зодчестве не употреблялась. Для плотничных работ широко применялись железные гвозди. Их почти всегда находят в каждом погребении с гробом. Гвозди имели четырехгранную форму с отогнутым верхом. К IX-X веков в Киевской Руси уже существовало ремесло вотчинное, деревенское и городское. В XI век русское городское ремесло вступило с богатым запасом технических навыков. Деревня и город были до того времени еще совершенно разобщены. Обслуживаемая ремесленниками деревня жила небольшим замкнутым мирком. Район сбыта продукции был крайне мал: 10-15 километров в радиусе. Городские кузнецы были более искусными мастерами, чем деревенские. При раскопках древнерусских городов оказалось, что почти каждый городской дом был жилищем ремесленника. С начала существования Киевского государства они проявляли высокое мастерство ковки из железа и стали самых различных предметов – от тяжелого лемеха и шлема с узорчатым железным кружевом до тонких игл; стрел и клепаных миниатюрными заклепками кольчужных колец; оружие и бытовой инвентарь из курганов IX-X вв. Помимо кузнечного ремесла они владели слесарным и оружейным делом. Все эти ремесла имеют некоторое сходство в способах обработки железа и стали. Поэтому достаточно часто ремесленники, занимавшиеся одним из этих ремесел, сочетали его с другими. В городах техника варки железа была более совершенна, чем в деревне. Городские кузницы, так же как и домницы, обычно располагались на окраине города. Оборудование городских кузниц отличалось от деревенских - большей сложностью. Городская наковальня позволяла, во-первых, отковывать вещи, имеющие пустоту внутри, например, племя, втулки копий, кольца, а самое главное – она допускала применение ассортимента фигурных подкладок для поковок сложного профиля. Такие подкладки широко применяются в современном кузнечном деле при выковке кривых поверхностей. Некоторые кованые изделия, начиная с IX-X вв., носят следы обработки при помощи таких подкладок. В тех случаях, когда требовалась двусторонняя обработка, очевидно, применялись и подкладка и зубило-штамп одинакового профиля, чтобы поковка получалась симметричной. Подкладки и штампы применялись и при изготовлении боевых топоров. Ассортимент молотков, кузнечных клещей и зубил у городских кузнецов был разнообразнее, чем у их деревенских собратьев: от небольших - до огромных. Начиная с IX-X вв. русские мастера для обработки железа применяли напильники. Древнерусские городские кузницы, слесарные и оружейные мастерские в X-XIII вв. имели: горны, меха, простые наковальни, наковальни с отрогом и вырезом, вставки в наковальню (различного профиля), молотки-кувалды, молотки ручники, молоты-секачи (для перерубания) или зубила, молоты-пробойники (бородки), ручные зубила, ручные пуансоны, клещи простые, клещи с крючьями, клещи малые, тиски (примитивного типа), напильники, точила циркульные. При помощи этого разнообразного инструмента, не отличающегося от оборудования современных кузниц, русские мастера готовили множество различных вещей. В их числе сельскохозяйственные орудия (массивные плужные лемехи и сошники, плужные ножи, косы, серпы, топоры, медорезки); инструменты для ремесленников (ножи, тесла, долота, пила, скобели, ложкари, пуансоны и фигурные молоточки чеканщиков, ножи к рубанкам, кронциркули для орнаментации кости, ножницы и др.); бытовые предметы (гвозди, ножи, окованные ковчежцы, дверные пробои, скобы, кольца, пряжки, иглы, безмены, гирьки, котлы, очажные цепи, замки и ключи, корабельные заклепки, кресала, дужки и обручи ведер и др.); оружие, доспехи и сбруя (мечи, щиты, стрелы, сабли, копья, боевые топоры, шлемы, кольчуги, удила, шпоры, стремена, плети, подковы, арбалеты).