31.05.21

Wykład 5

1

Metalurgia i

Odlewnictwo

dr inż. Kowalski Jerzy

Metalurgia żelaza

PIECE DO TOPIENIA METALU

31.05.21

Wykład 5

2

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

ok.. 7000 pne. – przetapianie samorodków złota;

ok.. 6000 pne. – wytapianie ołowiu z rudy;

ok.. 5000 pne. – wytapianie miedzi z rudy;

ok.. 4000 pne. – wytapianie miedzi stopowej z rud mieszanych,
zawierających As, Pb;

ok.. 3000 pne. – wytapianie cyny z rudy;

ok.. 2500 pne. – otrzymywanie brązu przez stapianie miedzi z
cyną;

ok.. 1000 pne. – otrzymywanie mosiądzu przez stapianie miedzi z
rudą cynku.

31.05.21

Wykład 5

3

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Warsztat odlewniczy – malowidło z grobowca dostojnika Rechmire (Górny Egipt) z

ok. 1567 – 1320 pne.

31.05.21

Wykład 5

4

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Pracownia odlewnicza według wazy greckiej

31.05.21

Wykład 5

5

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Rekonstrukcja pieca
odlewniczego szybowego z
Olimpii.

8 - miech tłoczący powietrze,

15 - otwór spustowy metalu

31.05.21

Wykład 5

6

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Piec odlewniczy z tyglem wyjmowanym z XII w. (rekonstrukcja na podstawie
opisu mnicha Teofila)

31.05.21

Wykład 5

7

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – do XII w.

Piec odlewniczy z tyglem wyjmowanym z XII w. (rekonstrukcja na podstawie

opisu mnicha Teofila) z tyglem stałym

31.05.21

Wykład 5

8

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Piec tyglowy z naturalnym dmuchem na palenisku (na lewo) lub na trójnogu (na

prawo) z okresu Odrodzenia, według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

9

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Piec tyglowy z dmuchem sztucznym na palenisku (na lewo) lub na ognisku

kowalskim (na prawo) z okresu Odrodzenia według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

10

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Topienie metalu w łyżce odlewniczej na trójnogu (na lewo) lub na ognisku

kowalskim (na prawo) przy zastosowaniu dmuchu sztucznego z okresu Odrodzenia

według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

11

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Piece tyglowe stosowane do topienia większej ilości metalu na palenisku z gliny (na

lewo) lub zbudowanym z cegieł (na prawo) przy zastosowaniu dmuchu sztucznego z

okresu Odrodzenia według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

12

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – od XVI do XVIII w.

Miechy doprowadzające powietrze do pieca odlewniczego z okresu Odrodzenia,

według V. Biringuccia

31.05.21

Wykład 5

13

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

ok. 3000 pne. – żelazo (stop) meteorytowe;

ok. 1500 pne. – wytapianie żelaza z rud
(Armenia lub Indie);

ok. VII w. ne. - początki metalurgii żelza na
terenach Polski’

31.05.21

Wykład 5

14

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Schemat dymarki na zboczu pagórka; a) przekrój pionowy; b) widok z góry; 1 –

nachylenie pagórka,

2 – otwór doprowadzenia powietrza, 3 – miejsce robocze.

31.05.21

Wykład 5

15

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

DYMARKA

Pierwotny piec hutniczy służący

do otrzymywania żelaza z rud, z
zastosowaniem węgla drzewnego. Z
uzyskanej w dymarce bryły żelaza
gąbczastego, przez przekuwanie,
otrzymywano stosunkowo czyste żelazo.
Proces ten zwany dymarkowym, znano od
bardzo dawna (w Egipcie 3000 r. p.n.e.).

Początkowo do tego celu służyło

tzw. ognisko dymarskie - zagłębienie
(kotlina) w glebie, wyłożone wypaloną gliną.
Później budowano zagłębione lub naziemne
gliniane, rzadziej kamienne, piece szybowe
(których pozostałością są kloce żużla). W
wyniku dalszej ewolucji pieców dymarskich,
związanej m.in. ze zwiększeniem wysokości
szybu, powstał wielki piec, którego rozwój
doprowadził do zaniechania budowy
dymarek.

Przekrój dymarki (Muzeum Przyrody i
Techniki w Starachowicach)

31.05.21

Wykład 5

16

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

ŻELAZO DYMARKOWE.

Stal lana, której proces produkcyjny kończy się w pierwszym etapie spustem

surówki z wielkiego pieca, a w drugim odlewaniem wielotonowych kęsisk gotowej stali,
jest wynalazkiem prawie nam współczesnym. Jeszcze w połowie XIX w. produkowano na
skalę przemysłową wyłącznie stal zgrzewną, z wykorzystaniem procesu pudlarskiego,
który wynalazł w 1784 r. Henry Cont (Anglia), a pierwszą stal w postaci płynnej
otrzymano dopiero po wynalezieniu konwertora bessemerowskiego do świeżenia surówki
(1855 r. Henry Bessemer, Anglia). Przez prawie 3000 lat stal, a właściwie żelazo,
otrzymywano w postaci ciastowatej, porowatej i zanieczyszczonej żużlem masy, którą
należało oczyścić i zgrzać w jednorodna bryłę. Nie wiadomo, jak wyglądały najstarsze
piece hutnicze, ani jak dokonano wynalazku otrzymywania żelaza z rudy. Temperatura
zwykłego ogniska jest zbyt mała do przetopienia rudy i otrzymania łupki żelaznej, a więc
najprostsza hipoteza, o przypadkowym wytopie żelaza w ognisku obłożonym nie
kamieniami ale rudą żelaza, wydaje się mało prawdopodobna. Doświadczenie
przeprowadzone podczas III Festynu Archeologicznego w Biskupinie (1998 r.) przez
Aleksandra Strzyżewskiego i przeze mnie wykazało, że do takiego niezamierzonego
wytopu mogło dojść w prostym palenisku brązowniczym. Co prawda nie udało się w
wyniku tego eksperymentu uzyskać grudek kowalnego żelaza, ale wydatek cieplny i
temperatura osiągnięta za pomocą prymitywnego miecha, wystarczyły do częściowego
przetopienia rudy darniowej i spłynięcia żużla na dno paleniska.

31.05.21

Wykład 5

17

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Historyczne metody wytopu żelaza podzielić można (bardzo ogólnie,

ze względu na postać otrzymywanego żelaza) na dwa sposoby:

- Metoda dymarska.

Uzyskiwano żelazo w postaci gąbczastej masy o ciastowatej

konsystencji (łupki), wymagającej dalszego przekuwania w celu oczyszczenia
z żużla i resztek węgla, oraz zgrzania w jednolitą bryłę.
Metoda stosowana w starożytności i we wczesnym średniowieczu.

Najstarsza i najprostsza, ale budząca najwięcej kontrowersji jest

metoda dymarska. Znana w całej Europie już w starożytności, w okresie
wpływów rzymskich stosowana na ogromną skalę. Na terenach dzisiejszej
Polski istniało wówczas kilka ośrodków produkcji żelaza - w Górach
Świętokrzyskich, w okolicach dzisiejszego Opola, Warszawy i Wrocławia.
Szacuje się, że w czasie swojego największego rozwoju (II - III w.n.e.) zarówno
w okolicy Warszawy, jak i w Górach Świętokrzyskich produkowano
przynajmniej 40 - 80 ton żelaza dymarkowego rocznie.

31.05.21

Wykład 5

18

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Na terenach dzisiejszej Polski stosowano tzw. SZYBOWE PIECE

DYMARSKIE TYPU KOTLINKOWEGO. Sposób produkcji żelaza tą metodą
nie jest jednak do końca odtworzony, choć znane są jego teoretyczne
podstawy.

Schemat przebiegu procesu
metalurgicznego w
starożytnym piecu
dymarskim, według M.
Radwana

31.05.21

Wykład 5

19

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Do naszych czasów zachowały się tylko pozostałości takich pieców

hutniczych. Znajdowane na polach resztki glinianych szybów i powstałe
podczas wytopu kloce żużla, o wadze przekraczającej czasem 160 kg. (Góry
Świętokrzyskie oraz Pruszków, Brwinów i Milanówek k/Warszawy) a nawet
300 kg. (Tarchalice - na północ od Wrocławia), bardzo długo nie były
jednoznacznie wiązane ze starożytną działalnością hutniczą. Dopiero badania
archeologiczne prowadzone od 1955 r. w okolicach Nowej Słupi (Góry
Świętokrzyskie) przez Kazimierza Bielenina, ówczesnego kustosza Muzeum
Archeologicznego w Krakowie, przy współpracy Mieczysława Radwana,
wówczas docenta Akademii Górniczej w Krakowie, pozwoliły na próbę
rekonstrukcji takiego pieca. Badania doświadczalne nad jego odtworzeniem
rozpoczął prof. M. Radwan w 1957 r. W laboratorium AGH w Krakowie, a
następnie na terenie Starachowickich Zakładów Budowy Samochodów.

31.05.21

Wykład 5

20

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

- Metoda wielkopiecowa.

Żelazo otrzymywano w postaci płynnego stopu o wysokiej zawartości

węgla (surówki) odwęglanej (świeżonej) następnie w procesie fryszerskim
(żelazo fryszerskie) lub (po 1784 r.) pudlarskim (żelazo pudlarskie). Zaczęto ją
stosować w X w. w Styrii (Austria), w XII - XIV w. rozpowszechniła się na całą
Europę.

FRYSZERNIA

Miejsce pracy dawnych pieców, fryszerek (żelazna skrzynia wypełniona
węglem drzewnym, do której dyszami wdmuchiwano powietrze) do świeżenia
surówki żelaznej, czyli usuwania zawartego w niej węgla i innych domieszek.
Proces fryszowania stosowany był od XIII w., wyparty został w XVIII-XIX w.
przez bardziej wydajny proces pudlarski.

PUDLIGARNIA

Miejsce pracy pieców pudlarskich służących do świeżenia surówki
(oczyszczania surówki z domieszek). Proces pudlarski był procesem
nowocześniejszym i bardziej wydajnym od fryszowania, a polegał na
utlenianiu zawartych w niej domieszek w wysokiej temperaturze w piecach
płomiennych opalanych węglem.

31.05.21

Wykład 5

21

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Fryszerka – piec do przetapiania
w warunkach utleniających
niekowalnego produktu z
dymarki;

1 – sztaba wytopionej surówki, 2 –
dysza powietrza, 3 – położenie bryły
żelaza zgrzewnego wsadzonej do
rozżarzonego węgla drzewnego w
celu powtórnego nagrzania do
przekucia.

31.05.21

Wykład 5

22

PIECE DO TOPIENIA METALU

Historia – piece do wytopu żelaza

Huta Żelaza w Chlewiskach - obiekt obejmuje zespół wielkopiecowy

wybudowany przez Francuskie Towarzystwo Metalurgiczne w latach 1882-1892, w
którego skład wchodzi wielki piec (produkował 13 t surówki na dobę), trzy prażarki rudy,
wieża wyciągowa (tzw. gichtociąg wodny) oraz warsztat mechaniczny. Piec ten działał aż
do 1940 r. (produkcję wstrzymali Niemcy) jako ostatni w Europie Środkowej tego typu
obiekt pracujący w oparciu o węgiel drzewny.

Niezbędną do produkcji rudę uzyskiwano z szybów i kopalń rozrzuconych po

okolicy, głównie w rejonie Skłobskiej Góry, skąd dowożono ją kolejką wąskotorową, a za
opał służył węgiel drzewny wypalany w okolicznych lasach. Energię mechaniczną
zapewniała spiętrzona rzeczka, nad która leżą Chlewiska. Obecnie mieści się tu terenowy
oddział Muzeum Techniki w Warszawie.

Zabytkowa Huta Żelaza w
Chlewiskach - Oddział Muzeum
Techniki w Warszawie

Wielki Piec do wytopu surówki

Urządzenie do nadmuchu
powietrza do wielkiego
pieca

31.05.21

Wykład 5

23

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żelaza

Wielki piec

Schemat przebiegu procesu
wielkopiecowego; linia ciągła – kierunek
ruchu materiałów wsadowych, linia
przerywana – kierunek przepływu gazów.

31.05.21

Wykład 5

24

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żelaza

Piec niskoszybowy do
produkcji surówki;

1 – zsyp rudy, 2 – odlot gazów,
3 – obudowa, 4 – wyłożenie
ogniotrwałe, 5 –
doprowadzenie dmuchu, 6 –
trzon, 7 – gar, 8 – dysze.

OTRZYMYWANIE

SURÓWKI POZA

WIELKIM PIECEM

31.05.21

Wykład 5

25

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żelaza

Przekrój pieca elektrycznego
do wytapiania surówki;
1 – styki, 2 – masa elektrodowa,
3 – zsyp rudy, 4 – odprowadzenie
gazu, 5 – wykładzina ogniotrwała
pieca

OTRZYMYWANIE

SURÓWKI POZA

WIELKIM PIECEM

31.05.21

Wykład 5

26

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia miedzi

Schemat pieca płomiennego (podstawowy proces w procesie przeróbki

koncentratu miedziowego);

1 – przestrzeń robocza, 2 – kanał spalinowy, 3 – otwór do palnika.

31.05.21

Wykład 5

27

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia miedzi

Piec szybowy do wytapiania kamienia
miedziowego (stosowany w Polsce);

1 – urządzenie zasypowe zamknięte
podwójnym stożkiem, 2 – wylot gazów, 3 –
dysze, 4 – skrzynie wodne, 5 – murowana
część szybu, 6 – przewód powietrzny, 7 –
otwór spustowy

31.05.21

Wykład 5

28

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schematy pieców łukowych; a) o nagrzewaniu pośrednim, b) o nagrzewaniu

bezpośrednim.

31.05.21

Wykład 5

29

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat pieca indukcyjnego rdzeniowego (kanałowego);

A – cewka pierwotna (wzbudnik), B – rdzeń transformatora, C – kanał wypełniony

ciekłym metalem, D – zasadnicza komora pieca (zbiornik).

31.05.21

Wykład 5

30

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat pieca
indukcyjnego
bezrdzeniowego;

1 – cewka indukcyjna, 2 –
tygiel, 3 – wyłożenie
ogniotrwałe.

31.05.21

Wykład 5

31

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat urządzenia pieca
łukowego (typu Heraulta);

1 – trzon, 2 – sklepienie,
3 – mechanizm przechylający,
4 – kolumna teleskopowa,
5 – wysięgnik, 6 – uchwyt
elektrody,
7 – silnik napędowy elektrody,
8 – śruba napędu elektrody,
9 – transformator, 10 – szyny
zbiorcze, 11 – kable giętkie, 12
– pierścień chłodzący
elektrodę.

31.05.21

Wykład 5

32

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat próżniowego pieca
indukcyjnego;

1 – komora próżniowa, 2 – zbiornik z
dodatkami stopowymi, 3 – cewka
indukcyjna, 4 – tygiel, 5 – wlewnica,
6 – wziernik.

31.05.21

Wykład 5

33

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schemat budowy próżniowego pieca
łukowego;

1 – elektroda, 2 – uchwyt chłodzony wodą, 3 –
tygiel (miedziany krystalizator), 4 –
odprowadzenie do pompy próżniowej.

31.05.21

Wykład 5

34

PIECE DO TOPIENIA METALU

Elektrometalurgia stali

Schamat elektronowego pieca
próżniowego;

1 – pierścieniowa katoda, 2 –
elektroda (stop do przetapiania), 3 –
wlewek, 4 – krystalizator.

31.05.21

Wykład 5

35

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

Żeliwiak bez zbiornika (po
lewej);

Żeliwiak ze zbiornikiem stałym
(po prawej)

31.05.21

Wykład 5

36

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

h

ko

h

r

h

t,

m

in

h

m

h

t

h

o

h

t,

m

ax

h

s

h

k

P o z io m

d y s z

S tr e f a

s p a la n ia

S tr e fa

r e d u k c ji

S tr e f a

to p ie n ia

S tr e fa

p r z e g r z a -

n ia

S tr e fa

p o d g r z a -

n ia

S tr e fa

o b o ję tn a

C O

C O

2

O

2

t

g

M e ta l

K o k s

G ó r n y p o z io m

s łu p a

p r z e tw o r o w e g o

K o tlin a

Schemat układu stref w
żeliwiaku

31.05.21

Wykład 5

37

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

1 1

9

8

7

6

4

5

3

2

1

1 0

Żeliwiak z kominowym rekuperatorem
radiacyjnym (współprądowym);

1 – dzwon do regulacji ciągu, 2 – skrzynia
zbiorcza dmuchu gorącego, 3 – połączenie
dylatacyjne, 4 i 5 – walczaki rekuperatora:
wewnętrzny i zewnętrzny, 6 – użebrowanie
walczaka wewnętrznego, 7 – izolacja, 8 – skrzynia
zbiorcza dmuchu zimnego, 9 – palnik, 10 – otwór
wlotowy, 11 – otwór wsadowy.

31.05.21

Wykład 5

38

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

4

3

8

6

7

1

2

5

1 1

1 2

1 4

1 0

1 3

9

Schemat instalacji pieca „Flaven”;

1 – komora przegrzania, 2 – trzon, 3 – ruszt, 4 – komin, 5 – palniki, 6 – waga wsadowa, 7 –
wózek wsadowy,
8 – pomost wsadowy wraz z automatyką, 9 – pompa podająca ropę, 10 – wentylator, 11 –
rurociąg doprowadzający ropę, 12 – przewody powietrzne, 13 – rurociąg wodny, 14 –
zawór.

31.05.21

Wykład 5

39

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

31.05.21

Wykład 5

40

PIECE DO TOPIENIA METALU

Metalurgia żeliwa

1 8 0 0

1 6 0 0

1 4 0 0

1 2 0 0

Te

m

pe

ra

tu

ra

[

C

]

Ż

e

liw

ia

k

zw

yk

ły

Ż

e

liw

ia

k

z

go

rą

cy

m

dm

uc

he

m

P

ie

c

pł

om

ie

n

ny

st

ał

y

P

ie

c

pł

om

ie

n

ny

pr

ze

ch

yl

ny

n

a

ro

pę

P

ie

c

pł

om

ie

n

ny

ob

ro

to

w

y

P

ie

c

el

ek

tr

yc

zn

y

0

Temperatury przegrzania ciekłego metalu uzyskiwane w różnych

piecach