Плавку металлов лучше всего производить на специальном оборудовании после соответствующей теоретической подготовки или же под руководством опытного литейщика — это, так сказать, идеальный вариант. В том случае, если вне пределов досягаемости находится и первое, и второе, и третье, а обстоятельства вынуждают вас стать литейщиком-любителем, можно попытаться самому построить плавильную печь.
Талантливый ученый-металлург, Евгений Ярославович Хомутов, рекомендует изготовить кустарную высокотемпературную печь по собственной разработке.
Основой печной конструкции будет являться стандартная огнеупорная труба, входящая в комплект огнеупорной шамотной кладки. Длина трубы должна быть равна 300 мм. С обоих краев трубы сверлятся по два замковых отверстия для крепежа нихромовой нити, которая будет являться нагревательным элементом. Вычислить длину проволоки можно по формуле: L=RxS/p
где: R — сопротивление нагревательного элемента, определяемое по закону Ома;
S — сечение нихромовой проволоки;
р — удельное сопротивление нихрома, равное 1,2;
L — искомая длина.
Проволока крепится в первом замке, затем берется кусок какого-либо шнура диаметром 1-2 мм, который будет служить в качестве "проводника" при намотке нихромовой проволоки, предохраняя витки нихрома от замыкания между собой. "Проводник" и нихромовая проволока плотно наматываются в виде спирали на трубу, второй конец проволоки крепится во втором замке, а вся намотанная спираль обмазывается "жидким стеклом" (конторским клеем). Когда силикатный клей немного подсохнет, "проводник" удаляется, и на трубе останется одна лишь спираль из нихромовой нити, зафиксированная клеем. После полного высыхания "жидкого стекла" труба многослойно обматывается асбестом.
Следующий этап постройки печи, будет, пожалуй, самым трудным — это сооружение датчика температуры. Дело в том, что широко применяемые в технике готовые термопары содержат в себе драгоценные металлы, и поэтому дорогостоящи. Евгений Ярославович предлагает схему изготовления самодельной термопары, изготовляемой из более дешевых материалов — хромелевой и алюмелевой проволок. Правда температурный порог работы такой термопары — немногим больше тысячи градусов, но для плавки золота и серебра такой температуры вполне достаточно. Два куска упомянутых проволок скручиваются друг с другом, длина скрутки должна быть 5-10 мм. Для спайки проводов автор разработки предлагает довольно необычный метод: к одному свободному концу скрутки подсоединяется провод, идущий от латра (регулируемого трансформатора), регулятор латра ставится на нулевое деление, на какую-либо диэлектрическую поверхность насыпается смесь графитового порошка и буры в пропорции 5:1. Второй провод от латра подносится к месту пайки, как показано на рисунке. Далее, по мнению автора, наступает самый "аккуратный" момент: на несколько секунд подается ток. Сигналом к окончанию операции пайки служит появление на месте контакта шарика расплава, состоящего из двух металлов. Рабочая часть термопары готова, остается вмонтировать ее в крышку печи, подсоединить к милливольтметру, рассчитанному на пятьсот милливольт и заново отградуировать шкалу, пользуясь, в качестве ориентира, точками плавления различных чистых металлов. Эта операция проводится уже в рабочей печи.
Датчик температур:
1 — латр,
2 — первый контакт на зажиме,
3 — второй контакт от латра,
4,5 — алюмелевая и хромелевая проволоки,
6 — чашка из диэлектрика,
7 — смесь графита и буры,
8 — скрутка двух спаеваемых проводков.
Для завершения постройки печки остается сделать верхнюю крышку из шамотной глины и дно, или, как его называют, под, который изготавливается из шамотного кирпича. Вся печка в сборе будет выглядеть так, как показано на рис. Дополнительно печь можно обустроить смотровым окошком из кварцевого стекла.
Самодельная плавильная печь:
1 — асбестовая термоизоляция,
2 — шамотная труба,
3 — нихромовая спираль,
4 — верхняя крышка,
5 — выходы нихромовой нити,
6 — термопары,
7 — милливольтметр,
8 — под из шамотного кирпича.
Если шихта будет загружаться непосредственно в печь, а не в тигли, то внутреннюю поверхность печи следует промазать графитовой пастой, замешенной на "жидком стекле". Такой смазки хватает на несколько рабочих плавок.
Следует заметить, что плавка и отливка металлов — один из наиболее опасных процессов, при котором несоблюдение правил безопасности может повлечь серьезные травмы. Выполнять плавку можно только на отлаженном оборудовании. Вся плавильная оснастка должна быть заранее подготовлена и разложена на удобных для работы участках. Плавку следует проводить в защитных очках. Загружать шихту в горячий тигель нужно при помощи жестяного совочка, размеры которого позволяют безопасно проводить эту операцию. Для помешивания расплава и снятия шлака служит специальная графитовая или кварцевая мешалка, длина которой должна обеспечивать удобство работы и надежную защиту рук от ожогов. Особая осторожность требуется при разливе металла в изложницы. Кроме того, что необходим навык, нужно убедиться в правильности установки изложницы и степени ее смазки. Лишняя смазка может вызвать разбрызгивание металла. Чтобы предотвратить это, участок стола для отливки должен иметь бортик. Плавильщик обязан работать в защитном фартуке из кожи, брезента или войлока. Выбрасывать слитки из изложниц и охлаждать их следует в асбестовых рукавицах.
Можно соорудить стационарную печь для выплавки металлов. Для создания такой печи уместно будет воспользоваться опытом древних литейщиков. Исторический материал взят из книги Е. Н. Черных "Металл — человек — время":
Металлурги начали с относительно простых приемов. Эти приемы использовались затем в течение ряда тысячелетий в большинстве районов Старого Света, а в некоторых используются вплоть до наших дней.
Самые древние печи часто представляли собой простую яму, обложенную вертикально поставленными плитами.
Плавильные печи, видимо, были довольно разнообразны, но реконструировать их очень и очень трудно. Дело в том, что каждое их этих устройств сооружалось преимущественно для одной-един-ственной плавки, а затем разваливалось, чтобы извлечь выплавленный металл.
По этому вопросу археология может сказать нам не очень-то много. Гораздо больше материала дает этнография.
Вероятно, об одной из самых примитивных конструкций печей, которой пользовались зулусы, пишет Брайант: "...Мы расспрашивали пожилых туземцев, которые детьми должны были видеть этот процесс, однако о нем у них сохранились лишь очень смутные воспоминания. Плавку производили на особом месте, подальше от дома и кузницы. В земле выкапывали неглубокую яму, на ее дно укладывали глиняную чашу диаметром около 50 см, поверх чаши насыпали слой древесного угля, на уголь — слой железной руды, размельченной до размеров щебня. Руду и уголь засыпали слоями, пока не получалась достаточно высокая куча, которую закрывали последним верхним слоем древесного угля. Под нижний слой угля подкладывали конец сопла и начинали нагнетать воздух. Постепенно металл в руде плавился, стекал и собирался в чаше на дне ямы. Скопившиеся на поверхности металла шлак и окалину снимали; окалину переносили в другие формы, предварительно выкопанные в твердой земле".
Другим важнейшим компонентом плавки было, безусловно, топливо — древесный уголь. В полупустынных и пустынных районах добыча топлива представляла собой достаточно сложную проблему. Вот почему крупное металлургическое производство могло возникнуть только в областях с изобильной растительностью. Древесный уголь готовился специально — для него годилось далеко не всякое дерево, и это превращалось в весьма ответственную операцию.
Ученик и преемник Аристотеля, выдающийся древнегреческий ученый-ботаник Феораст (370-285 годы до н. э.) посвятил древесному углю специальный раздел в своем фундаментальном "Исследовании о растениях":
Самые лучшие угли получаются из самых плотных пород, например... дуба и земляничного дерева. Угли из этих деревьев очень тверды: потому они горят очень долго и дают жару больше всех других углей. Поэтому ими пользуются в серебряных рудниках для переплавки руды...
Дерево для углей должно быть сырым.
Лучшие угли получаются из деревьев, когда они в самой поре, и особенно в том случае, если у них срезана верхушка: у таких деревьев плотность их, количество землистого вещества и влаги находится в равномерных соотношениях...
Для обжигания углей выбирают и рубят поленья прямые и гладкие, потому что для обжига их надо уложить как можно плотнее. Когда вся "печка" кругом укрыта, дрова постепенно зажигают и помешивают их шестами.
Обращает на себя внимание тщательность, с которой написан отчет, и то, что особо подчеркнуто отсутствие мертвых деревьев среди срубленных.
Вероятно, самые ранние печки были без принудительного дутья. Жар раздувался ветром, поэтому они, как правило, сооружались на вершинах гор. Сила дутья регулировалась каменными плитами, которыми загораживали или приоткрывали костер. Принудительное дутье являлось, конечно, шагом вперед в металлургической технике. Нагнетался воздух при помощи мехов, которые еще и сегодня можно встретить в деревенских кузнях. Они были самой разнообразной конструкции. Один из видов таких мехов, применявшихся индийскими металлургами прошлого века, описан Джоном Перси: "Берут кожу козла или лани, которая снимается с животного таким образом, что надрезается лишь задняя часть ее. Отверстия, соответствующие ногам, зашиваются, а в отверстие шеи ввязывается бамбуковое сопло. Хвост разрезается вдоль, и только утлы этой прорези сшиваются; таким образом, получается довольно узкая и длинная щель, служащая для притока воздуха в мех. С наружной стороны к краям этой щели плотно прикрепляются бамбуковые трости, при помощи которых удобно раскрывать и закрывать их. Таким образом, щель эта выполняет роль клапана. Натирая кожу сильно маслом или кислым молоком, ей сообщают надлежащую мягкость. К каждой печи приспособляется по крайней мере два меха, которыми управляет один человек.
Советский археолог Я. И. Сунчугашев, работая на древних медеплавильнях Тувы, обнаружил печь оригинальной конструкции, относящуюся к раннему железному веку. Горшок со "слоеным пирогом" угля и руды ставился на каменную плиту. Под плитой плавильщики устраивали дополнительную топку, обеспечивавшую нагревание плиты. Туда же подводилось дутье. Вероятно, каждый раз разбиралась лишь верхняя часть печи: горшок раскалывался, и из него извлекался слиток черновой меди. Слиток этот всегда имел форму односторонней линзы, т. е. повторял форму горшка.
Медь плавится при температуре 1083°С. Стало быть, чтобы получить слиток меди, плавильщику нужно было достичь, по крайней мере, этой температуры. В опыте, проведенном, например, Когленом, такого слитка не получилось, потому что температура оказалась недостаточной. Медь скорее походила на губку. 
Металлургический горн изобрели много позднее — видимо, не ранее римского времени. Принцип металлургического предела здесь оставался тем же, но все сооружение каждый раз не разбиралось. Расплавленная медь либо выпускалась из пода печи, либо вынималась вместе со шлаком после остывания. Последний вариант горна был более примитивным.
На тот случай, если у кустарного старателя в результате поисков где-нибудь на просторах Сибири возникает нужда выплавить черновую медь из найденных им медных руд, предлагаются следующие рекомендации того же автора вышеупомянутой книги.
Медь легче всего выплавляется из окисленных рудных минералов, но залежи таковых, как правило, маломощны и встречаются довольно редко. Чаще всего встречаются сульфидные минералы меди, в которых находится много серы. Для получения черновой меди серу необходимо удалить.
Раскаленный углекислый газ, так успешно отнимавший у меди кислород в окисленных минералах, оказался бессильным отнять у нее серу в сульфидах. Возникла необходимость применения новых, более сложных приемов металлургического передела.
Наибольшая трудность металлургического передела медных пиритов заключается в том, что медь и сера являются самыми близкими химическими родственниками. В природе почти нет реагентов, которые могли бы "привлечь" к себе серу больше, чем медь, и, соответственно, разъединить их. Вот почему процесс выплавки меди из халькопирита носит длительный характер.
Чтобы выплавить медь из сернистых медных минералов, нужно было проделать не менее трех последовательных операций, каждая из которых преследовала одну и ту же цель: уменьшить в промежуточном продукте количество серы и увеличить содержание меди.
К счастью для историков металлургии, в 1831 году в Индии была описана весьма примитивная плавка халькопирита, протекавшая несколько иначе. Руда обжигалась в небольшой куче, где горючим служил кизяк. Этот обжиг длился с вечера до утра, пока обожженная руда не становилась красного цвета.
Вероятно, что это — наиболее древний вид подобного процесса и, кстати, самый консервативный, так как он широко использовался еще в начале нашего века даже в европейских странах, только величина обжигаемых куч руды стала больше.
Черновая медь, получаемая таким путем, всегда содержала значительное количество примесей, и прежде всего — железо. В прошлом и нынешнем веках черновая медь должна была еще пройти рафинирование, или очистку. Лет 100 назад черновую расплавленную медь для этого продували воздухом или кислородом для окисления. Затем ее "дразнили" деревянными жердями, чтобы медь закипела, а большинство примесей ушло в шлак.
С дымом выходил избыток серы, а руда частично окислялась. Обжиг в огромных кучах продолжался много недель. В XIX-XX веках, например, на полный обжиг кучи затрачивали от полутора до трех месяцев.
Лишь после этого обожженную руду плавили на "медный камень" — штейн. А третьей операцией была переплавка штейна без промежуточного обжига на черновую медь. В шихту плавки добавлялись флюсы (плавни) — известняк или кварцит — для лучшего шлакования примесей.
|
