В предыдущей теме «Металлургия железа 2» было показано, что максимальная производительность по воздуху для ручных клинчатых мехов составляет не более 0,6 м3/мин.
http://chronologia.org/cgi-bin/dcforum/dcboard.cgi?az=show_thread&om=10592&forum=DCForumID14&viewmode=all#55

Прошло время. И в данные приходится вносить уточнения.

В 2007-2008 годах были проведены испытания клинчатых мехов Norse Double Bag,
http://chronologia.org/cgi-bin/dcforum/dcboard.cgi?az=show_thread&om=10592&forum=DCForumID14&viewmode=all#21
с контролем расхода воздуха по анемометру, при различном сопротивлении потоку, которое создавалось тканью, намотанной на выхлопной патрубок.
http://www.warehamforge.ca/ironsmelting/bellowstest.html
Результаты испытаний представлены в таблице:

Замеры с сопротивлением рассматривать, наверное не стоит, поскольку оное никак реальному сопоставлено быть не может.
Интересно, что по размерам, приведенным авторами, рабочий объем мехов составляет 16 литров. Ну, с учётом толщины досок, геометрии гармошки и прочих чудес готов уменьшить на 20% (честно признаюсь – цифра из справочника Стеля!). Значит – примерно 13 литров. Но по данным замеров тех же авторов – разовый выхлоп – от 1,6 до 3,4 литра!
Понятно, что потери в неплотностях, обратный подсос, неполный размах – и тем не менее от 12% до 26% от теоретически возможного выхлопа!

Вот эти-то данные позволяют подправить и данные для метровых мехов, которые авторы называют Norse Über Bellows (см. по ссылке)
http://chronologia.org/cgi-bin/dcforum/dcboard.cgi?az=show_thread&om=10592&forum=DCForumID14&viewmode=all#31
Вкратце: новые меха в два раза больше в каждом измерении, разовый объем 90 л, качать можно в темпе 8-10 раз в мин, производительность 900 л/мин, определена только расчётным образом.
А вот на этот раз ребята погорячились. Теоретический объем действительно похож (у меня получилось 100 литров), но с чего бы эффективность использования объема стала равной единице? Если помните, на меньших мехах – не более 26%. Конечно, за счёт увеличения разницы между площадями впускного и выпускного отверстий доля обратного подсоса уменьшится, но всё остальное-то останется! Как хотите, а более 50% эффективности использования объема я не дам! Тем более что размах при максимальном открытии – 50 см. А попробуйте так помахать рукой, в которой вы держите доску весом килограмм эдак пять. Причём не десять минут, в виде зарядки, а часиков шесть.

Как мы помним, был установлен темп работ для маленьких мехов – порядка 90 качков в минуту. Для больших - 8-10

Но тут всех поджидала маленькая засада:
We were measuring shifts on the bellows using the water jar, on a 6 minute rotation. After about two hours, we started to realize that we were going to kill ourselves. Kevin was by far the best on the bellows action, Dave had the muscle to manage, and Darrell was just managing to hang in there. A command decision was made, and we switched to the electric blower at 2 1/2 hours into the smelt. As we were getting ready, we let a number of our DARC support team try a shift on the bellows - I don't think any of them wanted a second shift on it. We did leave the belows out for the public to try. None of them would work it even a good part of a 6 minute shift by the water jar!
То есть, поработав менее двух часов в ритме 6 минут через 18, нехилые ребята сдохли, и включили воздуходувку. А из зевак никто не смог и одной смены продержаться! Поэтому реальной конечно будет нижннее значение частоты качков - то-есть не более 8 раз в минуту.
То есть, реальная производительность составила около 360 л/мин, но поддерживать её в течение сколько-нибудь продолжительного времени оказалось невозможным.

Для оценки реального темпа работы в течение продолжительного времени можно воспользоваться, например, классификационными нормативами по бегу. Вот они.
http://www.rusathletics.com/pro/nor.php
На рисунке изображена зависимость скорости бега, от времени работы, сиречь, длины дистанции.
Квалификация - 1 спортивный разряд. Прямая линия – аппроксимация, выполненная на глаз, без всяких маленьких квадратиков.

Так вот, чтобы обеспечить возможность работать в течение 4 часов, вместо 15 и 6 минут соответственно, на маленьких мехах темп следует снизить до 67%, а на больших – до 60% от имевшего место в испытаниях.
Соответственно производительность составит 172 л/мин и 216 л/мин.

После того, как мы разобрались с воздуходувными приборами, обратимся к печам.
Рассмотрим режимы работы металлургических печей.
В качестве источников информации используем:
1. Металлургия чугуна. Сочинение Валериуса. Снкт-Петербкрг, 1862 г.
2. Производство чугуна. Краткое руководство доменной плавки. Соч. де-Билли. Москва, 1900 г.
3. Руководство к металлургии. Сочинение док. Д.Перси. Том 2. С-Петербург, 1869 г.
4. Experimental IRON SMELTING. http://www.warehamforge.ca/ironsmelting/index.html
5. A Practical Treatise on the Smelting and Smithing of Bloomery Iron. Lee Sauder, Skip Williams. HISTORICAL METALLURGY (ISSN 0142-3304) volume 36, part 2 for 2002. http://www.jernmager.dk/filer/treatise_on_iron_smelting.pdf

В таблице приведены данные по количеству дутья, подаваемому в разные типы печей.

На диаграмме эти же данные представлены в графическом виде.

Очень пригодились бы мне балансы плавок в словенских духачках и польских дымарнях, чтобы заполнить пробел в объёмах печей от 1 м3 до 10 м3, но тогда ещё мерять расход воздуха не научились, а строить такие реплики – вельми накладно!
Как видно из диаграммы, существует минимально допустимый расход воздуха при выплавке железа, при котором в репликах ещё получается нормальная крица – 7,7 м/мин.
На самом деле размерность – м3 воздуха/м2 площади поперечного сечения печи в зоне фурм*минуту. Но м/мин – проще, да и физический смысл имеет – валовая скорость потока воздуха в печи.

Влияние расхода воздуха на показатели процесса выплавки железа и, в особенности, на выход металла вполне естественно.
Чем больше дутья, тем интенсивнее горение угля, тем больше тепла выделяется в единицу времени в единице объёма, тем выше температура, тем больше скорость химических реакций и глубже восстановление руды, тем интенсивней идёт процесс сварки восстановленного по поверхности кусков руды железа в компактную крицу. Уф!
Вот например в Англии ребята решили соорудить печурку и все причиндалы исключительно из подручных материалов:
http://www.whitehallvilla.co.uk/index.html
Вот такая печурка:

Обратите внимание – дутьё – двумя мехами из кожаных мешков. Эффект (на слух!) говорят поразительный! Но вот результат:

Делая хорошую мину, при плохой игре, авторы заявляют:
5Kg of iron was produced from this experiment, however not in conventional bloom form.
Читай – крицу не получили, получили смесь шлака с металлизированной с поверхности рудой, каковой метал ни извлечь толком, ни использовать в дальнейшем невозможно.
А почему? Да дутьё неэффективное!

Уже упоминавшиеся Sauder&Williams демонстрируют влияние дутья на размеры крицы в своей экспериментальной реплике археометаллургической печи:

Вкратце: вот что происходит при дутье 0,4-0,8 л/мин*см2 и 1,2-1,5 л/мин*см2. Разница в размерах крицы - в разы!
Я пользуюсь другой размерностью – м/мин.
0,4-0,8 л/мин*см2 = 4-8 м/мин, 1,2-1,5 = 12-15 м/мин соответственно.
Собственно, эти данные изображены на диаграмме розовыми квадратиками.

Зачем всё это и к чему? А вот зачем.
В своём капитальном труде «Чёрная металлургия и металлообработка в древней Руси» Б.А.Колчин приводит изображения некоторых археологических и этнографических печей для прямого получения железа. Научная добросовестность автора простёрлась до того, что рядом с изображениями приведена масштабная линейка!
Вот эта картинка:



Не составило большого труда по приведенным изображениям восстановить некоторые характерные размеры указанных печей. Они приведены в таблице 2.


Естественно, наибольший интерес представляет последний столбец этой таблицы.
Мыслимое ли дело, набуровить по столько ручных мехов вокруг одной печурочки?
Да и как такую шоблу прокормить?
Очень показателен в этом смысле пример экспериментальных плавок, проведенных в 2010 году группой Darrell’а Markewitz
http://www.warehamforge.ca/ironsmelting/index.html
Напомню, что у группы уже имеется 10-летний опыт экспериментальных плавок в репликах археометаллургических печей. А общее количество плавок перевалило за полсотни
Вот отчёт о плавках 2010 года:
http://www.warehamforge.ca/ironsmelting/LAM/Vinland4/report6-10.html
А вот общая обстановка:


Ребята опять пытались использовать ручные мехи. Наивные!
Неприметный горшочек из глины, слева от мехов – и есть печь! Сравните размерчики!

В первой плавке расход дутья оценивали «на звук». Я не шучу! Вот цитата.
All the workers had past bellows experience, both at the smelter and as working blacksmiths. This allowed there to be a relatively constant supply of air over the entire progress of the smelt. This despite switching operators every 10 minutes or so, and individual fatigue over the roughly four hours of the smelt. Consistency of air delivery was based mainly on sound, as individual operators had differing styles of stroke.

Ну, и результат соответствующий.
As the bloom was pulled from the smelter, it was immediately obvious that the mass was significantly less that what has been come to be expected from earlier smelts…
… The total size was 12 x 6 x 4.5 cm, weight at 1400 gm, with a second small irregular piece at about 150 gm. With a total starting weight of ore at 20 kg, that equals a yield of only 8%.

Во второй плавке контроль дутья вели по частоте качков в минуту.
http://warehamforgeblog.blogspot.com/2010/09/smelting-in-vinland-draft-report.html
Результат чуть получше выход крицы 2,8 кг /- 14%. Тоже не густо!

Ну а когда ребятам надоело упахиваться, и они подключили пылесос – всё стало на свои места!
http://www.warehamforge.ca/ironsmelting/Nov10/nov10.html
Общий выход - 45%, правда, ребята чуть передули, поэтому получили и чугун! Тоже проблемка!