Evropská metalurgie od ohně k martinské peci / Habr

V průběhu lidských dějin kovy definovaly ekonomický model naší civilizace. Obecně řečeno, všechny první kovy objevené lidstvem se nacházejí v elektrochemické řadě kovových napětí napravo od vodíku. Je to tak jednoduché, protože všechny ostatní, podle zákona neúprosné termodynamiky, budou oxidovány ve vlhkých a oxidačních podmínkách atmosféry a litosféry. Přesněji řečeno, ty napravo od vodíku budou také oxidovány – ale mnohem později. Mezitím se seznamte: měď, stříbro, zlato, antimon!

Vpravo jsou všechny kovy, které nás zajímají, a také rtuť a platina. Palladium a bismut se sem nehodily, ale ty jsou méně běžné než meteority.

Všechny tyto prvky lze s jistou dávkou štěstí nalézt v jejich původní podobě – neslýchané štěstí pro ty, kteří dříve museli používat kamenné nástroje. Kov může mít téměř jakýkoli tvar, neštípe se, ale při úderu se deformuje a lze jej také nabrousit a zpracovat na kvalitnější nástroje. Zlato, stříbro a měď se již v pozdním neolitu hojně používaly k výrobě šperků a v 6. tisíciletí lidstvo objevilo měděné nástroje. Nejlepším dostupným kovem však bylo samozřejmě železo. Abyste ho našli v čisté podobě, potřebujete skutečně ďábelské štěstí – nachází se pouze v padlých meteoritech a je skutečnou královskou výsadou (například dýka z hrobky Tutanchamona je vyrobena z tohoto železa).

Nový milník v historii kovodělného zpracování znamenala redukční metalurgie. Lidé objevili, že pokud spékají některé minerály s uhlím, kousky mědi se budou třpytit v oblázcích výsledné strusky. To umožnilo lidstvu dosáhnout nebývale vysoké technologické úrovně ve srovnání s neolitem. Nové měděné nástroje byly již o řád lepší než kamenné, ale nyní se staly skutečně dostupnými. Brzy se objevily první pece na tavení mědi, které se například nacházejí ve starověkých městech Anatolie. První nalezený odlitek tak pochází z doby 5000 př. n. l.

Ellinghamův diagram

Nyní se krátce vraťme do současnosti a podívejme se na Ellinghamův diagram. Tento diagram nám ukazuje, jak stabilní jsou různé oxidy při různých teplotách. Umožňuje nám také snadno určit, zda uhlík nebo oxid uhelnatý redukuje požadovaný oxid na kov při dané teplotě – k tomu stačí sledovat, v jakém bodě se čára C a CO dostane níže než čára odpovídajícího kovu. Z něj lze například pochopit, že i při malém zahřátí uhlík i oxid uhelnatý s pískáním redukují měď, ale k redukci železa se budete muset hodně snažit (ale stále méně než u mnoha jiných kovů).

Problém není jen v tomto. Nestačí kov jen obnovit, je nutné ho také roztavit, jinak místo ingotu, kterému lze dát jakýkoli tvar, získáte pouze šedý (v případě železa) nebo červený (v případě mědi) prášek. Pro efektivní výrobu železných výrobků tedy potřebujete pec, která dokáže železo tavit. Její stavba však není tak snadná, první železné pece se objevily na území téže Anatolie u Chetitů kolem roku 1200 př. n. l. Předtím si lidstvo vystačilo s mědí nebo bronzem – slitinou mědi s arsenem nebo cínem (bronz byl pevnější než měď, déle se opotřebovával a tavil se při nižší teplotě).

Pec na výrobu sýrů

Tyto požadavky formovaly vzhled evropské železářské hutnictví po mnoho staletí. Konstrukce pece zůstala stejná: vysoká hliněná/zemní trubka s vrstvami železné rudy (obvykle bahenního hnědého slizu nebo horninové rudy) a dřevěného uhlí naskládaného ve střídajících se vrstvách. Celý podnik byl z hlediska cílového produktu extrémně nerentabilní; na železo se přeměňovalo nanejvýš asi 30 % rudy. Navzdory tomu byly železné nástroje díky své mnohem vyšší kvalitě řádově ziskovější než nástroje vyrobené z jakéhokoli jiného kovu dostupného Evropanům.

Výše popsaná metoda tavení železa se nazývala bloomery. Výsledný kus železa obsahoval extrémně velké množství strusky, takže byl mnohokrát kován. Zároveň mělo výsledné železo značnou nevýhodu. Po získání bylo extrémně tvrdé a neostřitelné (protože obsahovalo velké množství uhlíku) a při dalším vypalování velmi měkké. Jediným způsobem, jak získat normální, funkční produkt, bylo proto svařování několika železných svazků kováním složených vrstev železa, posypaných boraxem. Po zdokonalení technologie vícenásobného kování obrobku na hranici možností a střídání měkkých a tvrdých vrstev železa se lidstvo naučilo vyrábět damaškovou ocel – jeden z nejlepších druhů hutních výrobků své doby.

Jednou z hlavních strusek v hutní výrobě středověku byla litina. Tavila se z rudy dříve než všechny ostatní, protože má více uhlíku a čím více nečistot v jakékoli pevné látce, tím nižší je její bod tání. Litina je také extrémně křehká a těžká, což ztěžovalo její použití v hutnictví. Poměrně velká část železa vždy přešla do strusky ve formě litiny, odkud ji již nebylo možné vytáhnout. Ve velkých pecích (stuckofens a blaufen) se čtyř-pětimetrovými „zásobníky“ na rudu a uhlí přešlo do litiny a strusky obrovské množství železa. Obvykle se pak litina používala k výrobě nízkotechnologických produktů, jako jsou palice, dělové koule atd. Zajímavostí je, že dodnes se struska z hutní výroby používá při stavbě silnic jako materiál na dlažební kostky.

Schéma moderní vysoké pece

Dalším milníkem ve vývoji výroby železa byla vysoká pec. Lidstvo přišlo na to, že pokud by byla pec dostatečně velká, bylo by možné do ní během tavení přímo házet uhlí a rudu a z ní samostatnými odpichovými otvory vylévat železo, ocel, litinu a strusku. Tento proces se v 15. a 16. století stal pro Evropu dalším technologickým boomem – navzdory skutečnosti, že vysokou pec nebylo možné zastavit a spotřebovávala naprosto přemrštěné množství uhlí a rudy, umožnil Evropanům překonat celý svět v tavení kovů na obyvatele, a v důsledku toho i v dělostřelecké síle.

S přihlédnutím k populačnímu růstu a neustále rostoucí poptávce po železe dosahovala jeho produkce na obyvatele v 11. až 13. století zhruba kilogramu na osobu a rok. Pro srovnání, malý moderní nůž váží asi 200 gramů, malá sekera – asi 700 gramů a stále je potřeba něco na vaření, něco na stavbu a nejrůznější kovové výrobky, jako jsou hřebíky, sponky, háčky atd. V důsledku toho chápeme, že úroveň surové metalurgie, i s přihlédnutím k pokrytí některých potřeb jinými kovy, dávala strašně málo.

Situace se paradoxně změnila s nárůstem počtu kovových výrobků – bylo možné kácet více stromů, kopat hlubší šachty, stavět složitější konstrukce. Produkce rostla exponenciálně – velikost pecí na tavení železa se zvětšovala, z jednoduché bloomery pece se zvětšovala na stukofen a blaufen a nakonec se rozrostla na skutečnou vysokou pec s nepřetržitým tavicím cyklem. A pak to začalo – pozitivní zpětná vazba udělala své.

Celoevropské zavedení vysoké pece v 15. a 16. století okamžitě, doslova během několika desetiletí, zvýšilo množství železa vyrobeného na obyvatele trojnásobně, nebo dokonce čtyřnásobně. Naše civilizace měla poprvé skutečně přístup k tvrdým železným rudám. Do budoucna řeknu, že ve Švédsku, zemi, která v té době dodávala více než polovinu veškerého evropského železa, dosáhla v 18. století produkce neuvěřitelných 20 kg železa na osobu. K obohacování a dalším technologickým procesům jsme však zatím nedosáhli – prozatím se do pece jednoduše plní rudnými kameny, uhlím a tavidlem – speciální látkou, která snižuje množství nečistot v tavenině a snižuje teplotu tání.

Problém s výrobou ve vysokých pecích spočíval v potřebě obrovského množství kvalitního dřevěného uhlí – uhlí obsahovalo mnoho nečistot škodlivých pro železo, takže stromy musely být káceny ve velkém měřítku. O životní prostředí se tehdy nikdo nestaral, ale zjevně ne všechny země měly nekonečné lesy. Další zjevnou nevýhodou byl stále úbytek obrovského množství železa do litiny, která byla křehká a proto nevhodná pro výrobu nástrojů a železářství. Jediným rozsáhlým využitím litiny bylo dělostřelectvo – mnoho tun litiny se používalo k odlévání kanónů a dělových koulí. A zde lidstvo učinilo čistě empirický, ale velmi důležitý objev – uhlík může z litiny vyhořet za vysokých teplot. O žádném uhlíku se tehdy přirozeně nemluvilo, ale tato skutečnost umožnila výrobě železa posunout se na další technologickou úroveň výše.

Každý si pamatuje, jak v mrazáku mrzne slaná voda? Vytvoří se velký kus ledu, samotná solanka se zmenší, koncentrace soli v ní se zvýší. Podobný proces nastává, když se litina taví na vzduchu. Uhlík částečně shoří, částečně přejde do kapalné fáze a na dně pece se začnou tvořit krystaly železa. Tohoto jevu si všiml anglický metalurg Henry Cort a brzy se v Británii extrémně rozšířila praxe pudlování – míchání taveniny litiny.

Pec pro pudlování. 1) Dno 2) Trubka s ventilem pro regulaci tažné síly 3) Práh oddělující kov v pracovním objemu od paliva 4) Rošt, na kterém se nachází hořící palivo (uhlí) 5) Boční okno pro pudlování 6) Okénko pro vhazování paliva

Jak probíhalo pudlování? Nejprve se litina tavila v peci vyložené žáruvzdornou vyzdívkou (povrchová úprava pece, která umožňuje chránit těleso pece před ničivými účinky tavenin) bez přístupu k otevřenému ohni. Po nějaké době dělníci do taveniny vložili obrovské železné tyče (o hmotnosti asi 40 kilogramů) a začali ji intenzivně míchat. Brzy na tyčích krystalizovalo čisté železo, jehož bod tání je mnohem vyšší než u litiny. Poté byl výsledný běl z taveniny vyjmut, kován a rozdělen na ingoty.

Tento proces samozřejmě nebyl zdaleka snadný, ale umožnil průmyslu uvolnit obrovské množství čistého železa a najednou vyřešit problém s přebytečnou litinou. Pudlovací proces dominoval metalurgii téměř sto let, poté jej nahradily tři metody najednou – Bessemerova (objevena Henrym Bessemerem v roce 1856), Thomasova (objevena v roce 1878 Sidneym Gilchristem Thomasem) a martinská nístějová.

Princip fungování jakéhokoli převodníku

Bessemerův a Thomasův proces jsou si poměrně podobné. Hlavním reaktorem je vřetenovitá pec se žáruvzdornou vyzdívkou (v případě Bessemerova procesu – kyselou, obsahující SiO2, v případě Thomasova procesu – bazickou, obsahující dolomit CaCO3xMgCO3). Během procesu tavení se pec zahřívá, opět bez přístupu k otevřenému plameni, a poté se profukuje stlačeným vzduchem tryskami umístěnými ve spodní části pece. Tavenina se udržuje v horkém stavu díky oxidačnímu procesu rudných nečistot, ke kterému dochází s uvolněním teploty. Získané železo poté podléhá dalšímu nauhličování za vzniku oceli. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma metodami spočívá v chemickém složení taveniny.

Thomasův proces umožňuje použití rud kontaminovaných sírou a fosforem – produkty oxidace fosforu a síry se vážou na vyzdívku, čímž vzniká oxid uhličitý, který oxiduje železo. Tato metoda má nevýhodu – fosfor a síra se z taveniny zcela neodstraní, takže železo je křehčí. U Bessemerova procesu vyzdívka pece neumožňuje použití bazických tavidel, což z něj činí náročnější kvalitu rudy. Tato metoda však produkuje kvalitnější železo, což z dlouhodobého hlediska určilo její výrobní výhodu.

Je čas říci pár slov o procesu s otevřeným ohněm. Byl objeven v roce 1864 francouzským inženýrem Pierrem Martinem. Jeho hlavní rozdíl od metod Bessemera a Thomase spočívá v tom, že plynné palivo (obvykle zemní plyn nebo koksovací plyn) je přiváděno přímo do tavicí zóny, kde se litina taví a zároveň oxiduje. Proces s otevřeným ohněm se rozšířil zejména jako metoda konverzní metalurgie, která využívá železný šrot k tavení nové oceli.

Dnes se téměř všechny procesy starověku (samozřejmě kromě tavení ve vysokých pecích) staly minulostí. Nahradili je noví giganti – konvertorově-kyslíková (revidovaná Bessemerova metoda) a metoda tavení oceli elektrickým obloukem. Jejich historie je však, jak se mi zdá, docela fascinující k připomínání a k zájmu o ni.

Božsky krásný Thomas Converter

Autor: Pavel Ilčuk

VPS servery od MacLeodu jsou rychlé a bezpečné.

Zaregistrujte se pomocí odkazu výše nebo kliknutím na banner a získejte 10% slevu na první měsíc pronájmu serveru libovolné konfigurace!