Когда в феврале я поехал в хакерский лагерь в Нидерландах, я рассчитывал провести несколько дней в уютном месте с кучей друзей, выпить пива, увидеть концерт чиптюна и сказать «Ооо!» много интересных проектов, которые люди принесли с собой. Я сделал все это, но я также открыл дверь для чего-то неожиданного. Ребята из RevSpace в Гааге привезли с собой свою портативную кузницу, и вскоре я обнаружил, что работаю с куском горячей арматуры в комично неподходящей одежде. Одно повлекло за собой другое, и я получил приглашение прийти и посмотреть еще один их проект по металлообработке: перейти от руды к декоративным технологиям за один уик-энд.
From Dirt To Space - это сотрудничество голландских хакерских сообществ с простой целью: взять железную руду и переработать ее в компонент, который будет запущен в космос. Полный проект должен быть опробован в немецком хакерском лагере CCCamp в августе, но для проверки оборудования и методов потребовался пробный запуск. Таким образом, я оказался в поезде-автовозе Le Shuttle в туннеле под Ла-Маншем, направляющемся в хакерское пространство Hack42 в Арнеме, где должны были собраться все заинтересованные стороны.
Для начала постройте доменную печь
Доменная печь с соответствующей химией. OpenStax [CC BY 4.0]
Выплавка чугуна - это не обычное дело, если вы не работаете в этой отрасли. Если вам действительно повезло, вы могли узнать что-то об этом процессе на школьных уроках химии. Но ради общего блага давайте кратко подведем итоги.
Доменная печь, установленная позади Hack42. На переднем плане вентилятор сервера и фурменная труба из нержавеющей стали.
Железная руда принимает форму оксидов железа, и для получения металлического железа ее необходимо восстановить - удалить атомы кислорода. Делается это в доменной печи. Это вертикальные печи, загружаемые сверху смесью измельченной руды и углерода. При тщательном контроле воздуха, нагнетаемого в нижнюю часть печи, уголь сгорает не полностью, выделяя большое количество тепла.
Печь достигает температуры где-то выше 1500 градусов по Цельсию, и образуется очень горячий угарный газ (СО). Этот горячий CO проходит через слой руды и образует восстановитель, удаляющий кислород из железа с образованием двуокиси углерода или CO2. В верхней части печи любой оставшийся CO сгорает, попадая на свежий воздух, в то время как железо будет слипаться в виде расплавленного металла и собираться в нижней части печи в виде массы горячего металла, называемой налетом.
Есть также примеси, такие как силикаты в железной руде, которые плавятся в стеклообразное вещество, называемое шлаком, которое должно образовывать слой, плавающий поверх блюма. Обычно в руду добавляют флюс, такой как дробленый известняк, чтобы сделать шлак более жидким, и руду также предварительно обжигают, чтобы удалить воду и другие летучие соединения.
С точки зрения химии процесс удивительно прост, но в его работе существует огромное количество переменных, которые могут привести к его сбою. Цель выходных состояла в том, чтобы набраться опыта и определить те части, которые могут вызвать проблемы.
Дробление руды. Фото: © Martina Short, использовано с разрешения.
Печь, построенная на выходных после Hack42, была достаточно простой: вертикальный дымоход из шамотных кирпичей на песчаном ложе, с колодцем на дне для сбора железа, три легко снимаемых кирпича сбоку для предусмотреть эвакуацию шлака и небольшой зазор между кирпичами с одной стороны для инжектора воздуха или фурмы. Это была просто труба из нержавеющей стали с парой мощных процессорных вентиляторов, продувающих воздух, похоже, что опасность домашних доменных печей может заключаться в слишком большом количестве нагнетаемого воздуха. Топливом был древесный уголь для барбекю, а не кокс, который вы ожидаете в промышленности, и, что необычно, руда была не добытым гематитом или магнетитом, а болотной рудой - наростами оксидов и гидроксидов железа, осажденными бактериями на богатые железом грунтовые воды - с фермы. в северных Нидерландах. Эта руда прошла процесс обжига в печи RevSpace, поэтому представляла собой хрупкие и легко раздавливаемые черные куски, а не твердые камни, которые обычно выходят из-под земли. Первой задачей дня было измельчить руду и древесный уголь молотками до кусков диаметром около 10 мм, затем пришло время начать розжиг и загрузку печи.
Плавка: удовольствие пиромана
Разжечь доменную печь такого размера на удивление легко, она была начата с небольшими дровами и паяльной лампой, а затем с небольшим количеством дров, чтобы разогреть ее и разжечь хороший огонь в нижней части. Они использовали заряд древесных пеллет перед включением подачи воздуха с целью создания слоя мелкого древесного угля в самом низу, через который мог бы просачиваться расплавленный чугун, это оказалось ошибкой, так как пеллеты слипались во время горения и пришлось прочистить кочергой через вентиляционное отверстие. Когда огонь уже разгорелся, пришло время загрузить в печь равные количества по 1 кг как древесного угля, так и руды, процесс, который продолжал поддерживать ее наполненность на протяжении всего времени ее работы.
Угарный газ горит в верхней части печи с характерным пламенем. Фото: © Martina Short, использовано с разрешения.
Поскольку огонь действительно разгорелся, стало очевидно, что он горит так, как мы и предполагали. Слышимая нота сменилась более пронзительным ревом, и черная сажа, скопившаяся во время раннего розжига в горловине печи, сгорела, когда жар достиг вершины. Розоватое пламя указывало на присутствие окиси углерода, и было видно, как красная руда оксида железа (Fe3O4) превращалась в черную окись железа (FeO) в горловине печи. Мы должны были быть осторожны, чтобы держаться с подветренной стороны от печи, так как даже с пламенем она производила значительное количество ядовитого CO.
Выстрелы оказались более проблематичными, чем предполагалось. В качестве флюса было добавлено немного песка, чтобы облегчить обращение со шлаком, но он по-прежнему слипался в горячей зоне огня и нуждался в регулярном выбивании кочергой. Это стало закономерным процессом, иногда сопровождаемым внушительной рекой раскаленного расплавленного шлака, а иногда и сплошными комками раскаленного шлака. Мы были рады обнаружить в шлаке несколько железяк размером с горошину, хоть что-то работало.
Разбираем его и получаем немного железа
Разрушая печь, слой за слоем.
Этот процесс продолжался в течение всего дня, который по стечению обстоятельств был днем рождения короля Нидерландов и днем национального праздника. Голландские деликатесы были съедены, и в качестве вклада в празднества в духе межнациональной гармонии я прихватил с собой галлон своего сидра. Тем временем стало ясно, что печь работает не так ровно, как хотелось бы, а вечером отключили подачу воздуха и начался медленный процесс разборки печи.
Горячая руда, зола и шлак убирались лопатами слой за слоем, и по мере их расчистки мы могли воочию увидеть, как устроен ожог. На дне мы обнаружили не тот большой налет, на который мы надеялись, а нечто похожее на несколько кусков железа размером с мяч для гольфа, а также значительное количество шлака. Было ясно, что мы достигли нужной температуры, потому что в огнеупорных кирпичах, ближайших к фурме, наблюдалось некоторое плавление, но также было ясно, что самая горячая область была довольно маленькой и концентрировалась с этой стороны. Следующим шагом будет обработка железа, чтобы выгнать примеси и попытаться собрать их в одну массу. Если бы это продолжалось достаточно долго, это привело бы к созданию нечистого кованого железа.
Чему вас научит день с доменной печью?
Последние куски расплавленного железа цветут.
Итак, что мы узнали, и что команда Dirt to Space сделает по-другому в следующий раз? Обсуждение сосредоточилось вокруг фурмы и того, как ее работа должна была заключаться в том, чтобы подавать достаточно воздуха в центр печи. Была предложена переработанная конструкция, включающая в себя обжиг нескольких керамических фурм с соплом, предназначенным для создания большей струи воздуха со всех сторон. Выплавить железо вообще в такой печи - это уже какая-то удача, и, проведут ли они еще одно испытание перед пионерским лагерем, в следующий раз оно может быть только удачнее. Между тем я знаю, что мой августовский визит в Германию будет связан с еще одним участием в питании и уходе за небольшой доменной печью. Я люблю наше сообщество!
В заключение я хотел бы выразить благодарность ребятам из Hack42 за то, что они такие приятные хозяева, ребятам из RevSpace за то, что принесли свою кузницу и другое оборудование, а также всем другим друзьям, которые пришли и сделали это такие отличные выходные. И моей подруге Мартине, на чьей машине, которая намного лучше, чем моя, мы стильно плыли по континенту.