Плавка болотной железной руды в сыродутной печи — от руды до кованого железа

Выберите ровный сухой участок земли на расстоянии не менее 5 метров от любых построек или горючих материалов. Печь излучает сильный жар и выделяет густой дым в течение нескольких часов. Расчистите радиус 3 метра до голой земли. Избегайте низин, где ветер заблокирован — естественная тяга дополняет мехи.

Выкопайте чашеобразную яму глубиной 30 см и диаметром 40 см. Этот очаг собирает шлак во время плавки и поддерживает шахту печи над ним. Тщательно утрамбуйте стенки ямы. Если почва песчаная, выложите яму слоем глины толщиной 2 см, чтобы предотвратить обрушение.

Смешайте огнеупорную глину с мелким песком и измельчённой соломой в соотношении примерно 3:1:0,5 по объёму. Песок повышает термостойкость и уменьшает растрескивание при усадке. Солома выгорает при обжиге, оставляя поры, которые поглощают термический удар — без неё стенка печи трескается при нагреве. Тщательно вымешивайте смесь до однородности, добавляя воду до получения густой, пластичной консистенции, похожей на хлебное тесто.

Постройте цилиндрическую шахту, центрированную над ямой-горном. Стройте вверх, используя толстые жгуты или пласты глиняной смеси, каждый слой толщиной 5-8 см. Целевые размеры: внутренний диаметр 30 см, высота 60-80 см, толщина стенок 5-8 см. Поддерживайте внутреннюю поверхность гладкой, а стенки — максимально ровными. Оставьте проем у основания (10 см над уровнем земли) для отверстия фурмы — не заделывайте это отверстие.

Фурма — это воздухозаборное отверстие, через которое сопло мехов входит в печь. Сформируйте круглое отверстие диаметром 5–7 см, расположенное на 10 см выше основания шахты. Слегка направьте его вниз (примерно на 15 градусов), чтобы воздушная струя попадала в центр горна. Фурма может быть отверстием в стенке или отдельной глиняной трубкой, вставленной в стенку. Следите за тем, чтобы сопло мехов плотно входило, но при этом его можно было извлечь.

Дайте печи естественно просохнуть в течение как минимум 24 часов. Если позволяет время, лучше 2–3 дня. Быстрая сушка приводит к растрескиванию. Когда поверхность просохнет, разожгите внутри небольшой огонь (растопка и несколько палочек) и поддерживайте его в течение 2–3 часов, чтобы вывести влагу из стенок. Постепенно увеличивайте размер огня. Пар, выходящий из стенок, — это нормально; трещины можно залатать свежей глиной. Печь должна быть полностью сухой перед полноценной плавкой, иначе существует риск взрывного отслаивания из-за запертого пара.

Перед плавкой руду необходимо обжарить на открытом огне. Разложите высушенные болотные железные конкреции на слое горящих дров и поддерживайте сильный огонь в течение 1–2 часов. Обжиг удаляет химически связанную воду из лимонита (FeOOH → Fe₂O₃ + H₂O), превращая гидратированную руду в безводный оксид железа. Руда меняет цвет с охристо-коричневого на тёмно-красный или фиолетово-чёрный. Обожжённая руда более пористая и быстрее восстанавливается в печи.

После остывания разбейте обожжённую руду на куски размером 1–2 см, используя молоток на плоской каменной поверхности. Более мелкие фрагменты открывают большую площадь поверхности для восстанавливающих газов внутри печи, значительно повышая выход железа. Выбрасывайте любую порошкообразную пыль — она забивает воздушный поток. Отсортируйте и отложите примерно 5 кг раздробленной обожжённой руды.

Разбейте древесный уголь твёрдых пород (кусковой) на однородные кусочки размером 2-3 см. Однородный размер обеспечивает равномерную подачу воздуха через колонну печи: крупные куски создают холодные зоны, а пыль перекрывает тягу. Подготовьте примерно 15 кг просеянного древесного угля. Соотношение древесного угля к руде для болотной железной руды составляет примерно 3:1 по массе — топлива нужно гораздо больше, чем руды.

Заполните шахту печи дровами и древесным углем и зажгите сверху. Дайте печи свободно гореть в течение 30–60 минут, пока внутренние стенки не засветятся оранжевым. Этот этап постепенно доводит огнеупорные стенки до рабочей температуры, предотвращая появление трещин от термического удара. Печь готова к плавке, когда через отверстие фурмы виден оранжево-красный жар.

Вставьте сопло мехов в отверстие фурмы. Загерметизируйте любые зазоры вокруг сопла влажной глиной, чтобы предотвратить утечку воздуха. Начните качать меха ровным темпом 60–80 ходов в минуту. Принудительное воздушное дутьё усиливает горение внутри печи, повышая температуру примерно с 800°C (естественная тяга) до 1100–1300°C (принудительная тяга). Когда воздушное дутьё начнёт действовать, вы услышите гул печи.

При работающих мехах и печи на полном нагреве досыпьте древесного угля, чтобы заполнить шахту. Затем добавьте первую порцию руды — примерно 500 г измельчённой обожжённой руды, равномерно распределённой поверх угля. Немедленно накройте её слоем древесного угля толщиной 5 см. Руда медленно опускается через угольную колонну, проходя зону восстановления, где монооксид углерода отнимает кислород: CO + Fe₂O₃ → Fe + CO₂.

Каждые 10-15 минут добавляйте очередную порцию руды массой 500 г, а затем древесный уголь, чтобы шахта оставалась заполненной. Древесный уголь постоянно выгорает, поэтому столб сырья оседает. Соблюдайте постоянный ритм: загрузка, работа мехов, загрузка, работа мехов. Плавка требует 3-5 часов непрерывной загрузки в зависимости от количества руды. Не прерывайте работу мехов — даже короткая пауза опускает температуру ниже порога восстановления.

Через 1–2 часа зарядки в горне начинает образовываться жидкий шлак. Шлак — это стекловидная смесь силикатов железа (файалит, Fe₂SiO₄), которая отделяется от металлического железа. Он может вытекать из основания печи в виде светящейся оранжево-желтой жидкости или скапливаться в углублении горна. Если шлак блокирует фурму, используйте щипцы или длинную палку, чтобы его прочистить. Текущий шлак — хороший знак: это означает, что печь достаточно горяча и восстановление работает.

После загрузки всей руды продолжайте работать мехами ещё 30–60 минут. Это финальное дутьё уплотняет частицы железа в единую крицу на дне печи. Криця формируется непосредственно над шлаковой ванной, где восстановленные частицы железа спекаются при высокой температуре, не расплавляясь полностью. Остановите мехи, когда последняя порция древесного угля прогорит до уровня фурм.

Разбейте переднюю часть печи у основания с помощью клещей и молотка. Сыродутные печи обычно одноразовые — шахту приходится разрушать, чтобы добраться до крицы. Запустите длинные клещи внутрь и извлеките раскалённую крицу. Она будет представлять собой грубую, губчатую, неровную массу, светящуюся оранжево-белым, пронизанную фрагментами древесного угля и включениями шлака. Обращайтесь с ней крайне осторожно — температура крицы превышает 1000°C, а шлак может разбрызгиваться.

Немедленно переложите раскалённую крицу на плоскую каменную плиту или поверхность наковальни. Бейте по ней кувалдой уверенными ровными ударами. Каждый удар выдавливает захваченный жидкий шлак (он разлетается горячими искрами — используйте защиту). Частицы железа свариваются под совместным действием жара и давления. Поворачивайте крицу между ударами, чтобы проработать все стороны. Если она остыла ниже оранжевого каления, перегрейте её в древесноугольном огне, прежде чем продолжать. Повторяйте, пока криця не уплотнится в плотную заготовку приблизительно брусковидной формы.

Как только крица будет уплотнена в твёрдый брусок, закалите её в ведре с водой. Быстрое охлаждение фиксирует железо в обработанном состоянии. Осмотрите поверхность — качественное железо из криц имеет серебристо-серый металлический цвет с волокнистой структурой, видимой на изломах. Типичная загрузка руды массой 5 кг даёт 500–1500 г пригодного железа из криц (выход 10–30% является нормальным для болотной руды). Теперь это кованое железо можно ковать в инструменты, оружие, гвозди или любые другие железные изделия.