понравилась мне статья англичан
http://www.wealdeniron.org.uk/Expt/ore.htm

в которой достаточно ясно и последовательно описан процесс получения кричного железа.
Поэтапно, как приводят авторы, даю получившийся перевод.


Руда

Железная руда Вилда (пустошь) это в значительной мере карбонат железа (сидерит), связанный с глинистыми отложениями. Он образует, лепёшкообразные включения или скопления от тускло - желтого до серого цвета, как правило, имеющие размеры между 5 и 25 см в диаметре, и также образует плоские слои толщиной до 25 см., когда встречается как прослойка внутри глин, илов или мелкозернистых песчаников.

Для экспериментальных плавок руда обычно собиралась в карьере современной добычи глины для производства кирпича в Шарпторне в Западном Суссексе. На месте залегания на поверхности карьера видны секции шахтных ям 12-13-ого столетия, (датированы по углероду 14) и не извлеченная руда, которую мы собирали.

Анализ руды, использованной в большинстве плавок, показывает, что это, как правило, минерал сидерит, являющийся карбонатом железа (FeCO3) и содержащий приблизительно 70% железа.. Руда также содержит приблизительно 7-9 % кремнезема (SiO2), который важен при формировании шлака, для удаления имеющихся других не железных элементов, таких как глинозем (Al2O3), негашёная известь (CaO), и магнезия (MgO). Руды из других частей Вилда могут содержать различное количество этих полезных ископаемых. В частности количество кремнезема изменяется.

Если содержание кремнезема слишком велико, то это будет препятствовать получению крицы, даже когда содержание железа в руде будет достаточным. В одном эксперименте, которое мы провели, использовалась руда, содержавшая приблизительно 30% кремнезема, никакой крицы не было произведено, только корольки железа, пойманные в ловушку вязким шлаком. Это предполагает необходимость производства такого жидкого шлака, через который корольки железа могут пройти и собраться, для формирования крицы.

Подготовка руды.

Руду желательно выдержать под открытым небом, чтобы сделать ее более рыхлой, промыть, чтобы удалить глину, разбить молотком на куски размером до 50 мм и обжечь в огне, чтобы удалить влагу и преобразовать карбонат в оксид и углекислый газ. Обжиг происходит в неглубокой яме, в которой сначала разжигают огонь, а затем на угли, перед добавлением руды, кладут несколько слоев дров. Следующий слой дров размещают сверху руды, и все покрывают листом гофрированного железа, так, как куски руды иногда взрываются, особенно если они большие, под давлением выходящих паров и углекислого газа. После 24 часов, когда руда достаточно охладиться, она собирается и хранится в металлических ведрах, готовая для дробления до 10 мм диаметра, размера подходящего для выплавки.

Анализ химических компонентов руды, как добытой, так и после обжига приведен в таблице 1. Хотя руда отличается по твердости, ее химический состав одинаковый. Иногда, можно увидеть внедренными в руду двустворчатые ракушки, указывающие на источник карбоната кальция.

Таблица 1. Анализ Шарпторнской руды (% веса)

А --(2) (3) -(4)
FeO - --46.88 46.03
Fe2O3 55.34 N/A N/A
SiO2 9.34 6.75 8.30
CaO 4.47 3.72 3.89
Al2O3 4.15 3.42 3.85
MgO 2.27 2.02 2.08
Mn3O4 1.71 1.53 1.40
P2O5 0.47 0.46 0.44
Na2O 0.11 0.08 0.11
TiO2 0.21 0.15 0.19
CO2(A) 21.9 34.99 33.71
Fe(B) 38.74 36.09 35.44

2 - обожженная руда
3 – не обожженная (твердая)
4 – не обожженная (мягкая)
(А) CO2 из разности
(В) Fe наличие в оксиде
(Следы <0.05% V, Ba, Zr, Zn, Sr)

Анализ содержания руды в таблице 1, проводился методом рентгеновской флуоресценции, который не регистрирует количество углекислого газа, полученное из карбонатов, следовательно, оно оценивалось из оставшегося баланса тех элементов, которые можно было измерить.
Присутствие основных минералов определенных рентгеновской дифракцией в таблице 2. Данный метод позволяет идентифицировать все присутствующие минералы, в том числе карбонаты.


(1) ----------(2) (3) ---(4)
SideriteFeCO3 знач. знач. значительное
MaghemiteFe2O3 знач. нет нет
HaematiteFe2O3 следы нет нет
Quartz SiO2 Minor Minor Minor (незначительное)
Kaolinite Al2Si2O5(OH)4 следы следы следы
CalciteCaCO3 следы следы следы

1– минерал-формула
2– обожженная руда
3– необожженная руда (твердая)
4– необожженная руда (мягкая)

После обжига, цвет руды меняется от серого до красного или иногда до бордового, а руда становится магнитной. Магнитные свойства происходят из-за минерала маггемита "гамма" формы оксида железа (Fe2O3). Пористость обожженной руды делает ее более удобной для проникновения в частицы диаметром около 10 мм во время плавки, а также повышает скорость восстановления, поскольку она, более проницаема, для газов.

При одинарном обжиге не весь карбонат железа превращается в оксид, но преобразуется достаточно, для того чтобы преобразование сделало более легким разрушение руды во время плавки. Любой карбонат, оставшийся в обожженной руде, разлагается в верхней части кричной печи так, как температура руды увеличивается при опускании по шахте печи. Слишком большое количество карбоната, оставшегося в руде, может вызвать падение температуры в печи так, как при разложении он поглощает тепло.

Плавка происходит в цилиндрической печи, построенной из местного песка Эшдауна. Он содержит около 88% диоксида кремния, с достаточным количеством естественной глины способной связать вместе частицы кремнезема. При строительстве не использовались камни или палки, а утрамбовка песчаной глины производилась уплотнением между внутренней и внешней поверхностью металлической цилиндрической формы для формовки стен печи. Высота печи около одного метра, а наружный диаметр 83 см. Стены толщиной 26 см, обеспечивали изоляцию и помогали сохранить тепло, а внутренний диаметр в 30 см дает площадь очага около 700 см2. Такая конструкция, - но не режим строительства - считается похожей на печи римского периода.

Выпускающая шлак летка у основания печи позволяет шлаку, расплавленному ненужному материалу, произведенному во время плавки, быть удаляемым время от времени в процессе плавления, если он достаточно жидкотекучий. Выпускающая летка, в другое время, оставалась закрытой дерном.
Воздух подавался в печь, используя две пары мехов, работавших поочередно, чтобы обеспечить постоянный поток воздуха, который создает высокую температуру в печи перед фурмой. Достигается температура выше точки плавления шлака, но ниже чем у железа.

Гибкий шланг, для того чтобы приспособить движение мехов во время прокачки, и держать насосы достаточно далеко от печи, и чтобы избежать вдыхания токсичного угарного газа CO, использовался, для соединения мехов с фурмой (трубой). Внутренний диаметр фурмы составлял приблизительно 25 мм, и она проходила через стену печи приблизительно на 16 см выше ее основания. Для достижения наилучших результатов выпуска шлака, фурма наклонялась вниз, для того чтобы сохранить основание печи горячим и уменьшить возникновение шлака, доходящего до фурмы и блокирующего ее. Наклоны от 15 до 30 градусов оказались подходящими.

Уровень дутья контролировался, и оценивался между 120 - 300 литрами в минуту (0.17 - 0.43 литр/мин/см2 в плоскости очага) и оказались успешными при производстве крицы.
Температура печи проверялась в двух точках посредством термопар. Одна располагалась в 6 см, а другая в 38 см, от вершины, более низкая размещалась на полпути между фурмой и вершиной печи. Попытки поместить термопары ближе в фурме привели к их преждевременному отказу из-за повреждения шлаком.

Каждый K-тип термопары защищен металлическим футляром, проникающим через стену печи под 90 градусов к фурме и высовывающимся приблизительно к геометрической оси шахты печи.
Перед плавкой, накануне вечером, печь предварительно подогревается горящими дровами. Следующим утром добавляется больше дров и позволено прогорать до тлеющих угольков. Во время этого предварительно разогрева, летка для шлака частично открыта и служит регулятором тяги для контроля воздуха, вовлеченного в огонь. Чтобы довести печь до температуры плавления, летка для шлака закрывается, а печь заполняется грубым древесным углем и воздухом, получаемым от мехов на уровне приблизительно в два раза большего от нормального уровня подачи при плавлении.

Древесного угля добавляется больше, чтобы сохранять печь заполненной, а угарный газ, выходящий из вершины печи, горящим, для предотвращения утечки этого ядовитого газа. Когда температура в главной термопаре достигает 750-800°C, условия становятся подходящими, для добавления смесь руды и древесного угля.

Два интересных момента сразу.

Первое - обжиг руды, технологически более поздний процесс, чем получение железа.
И второй момент, появление маггемита с "гамма" железом после обжига руды, то есть еще до плавки у нас железо способное поглащать углерод гораздо активнее, чем обычное природное железо в альфа состоянии. (стальная руда?)