VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
История кузнечного ремесла. Изготовление кузнечного горна в домашних условиях
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Ручная ковка становится всё более популярной как для удовлетворения собственных потребностей, так и для производства различной продукции на заказ. Нагрев металла, с целью повышения его пластических характеристик, необходимо выполнять в специальных нагревательных устройствах, простейшим из которых является кузнечный горн.
Актуальность моего исследования.
Кузнечное дело является одним из древних ремёсел, изучением которого в нашем крае никто не занимался. Издавна кузнечное ремесло считалось благородным, но не лёгким трудом. Но, к сожалению, мастеров своего дела уже не осталось. Хотя, в настоящее время, ни одно из предприятий не обходится без кузницы, или, по крайней мере, какого – ни будь кузнечного горна. В последнее время практикуется изготовление и применение переносных кузнечных горнов, наблюдается практика изготовления их в домашних условиях. Мне стало интересно, что собой представляет домашний переносной горн и как его изготавливают, что можно на нем делать. Вместе с этим мне пришла идея, и я захотел выливать из алюминия различные фигуры, брошки, трубки, мечи, пистолеты из разных игр, а потом разукрашивать их. Для того чтобы отливать в песке различные фигуры из цветных металлов, нужно сделать горн, чтобы плавить металлы. Это будет один из самых важных этапов достижения плавки цветных металлов. Я понял, что это можно делать на кузнечном горне, сделанном своими руками.
Цель моего проекта: разработка и изготовление переносного горна в домашних условиях.
Задачи:
Изучить и проанализировать литературу и источники сети Интернет по данной теме.
Рассмотреть историю кузнечного ремесла, как одного из древних видов.
Выяснить степень значимости древнего ремесла в наши дни.
Рассмотреть виды горнов и их характеристики.
Выполнить экскурсию в кузнечный цех нашего завода и изучить работу кузнечного горна и гидромолота.
Изучить виды материалов для изготовления кузнечного горна.
Создать переносный кузнечный горн в домашних условиях из подручных материалов.
Гипотеза исследования: кузнечные горны, изготовленные в домашних условиях, не отличаются от работы стационарных кузнечных горнов, можно делать такие же детали, ковать железо, плавить алюминий. Современные кузнечные горны поражают разнообразием, но принцип работы этих приспособлений одинаков и прост. Самостоятельное сооружение горна позволяет создать аппарат, максимально подходящий для специфики работы кузнеца. Главная задача горна – обеспечить стабильное повышение температуры металла до температур ковки, т.е., не менее чем до 1200 °С. Проблема заключается в том, что люди теряются в нынешних материалах, многие не могут подобрать, чем же топить горн: древесным углем или каменным углем, дровами, прессованными брикетами или газом.
Объект исследования: кузнечный горн.
Предмет исследования: практические работы по достижению максимальных температур в переносном горне.
Практическая значимость данной работы заключается в изготовлении кузнечного горна в домашних условиях из подручных материалов.
Методы исследования: подбор и изучение литературы, анализ, практические работы, экскурсия на предприятие, систематизация материала, корректировка полученных данных.
В ходе разработки данного проекта, я использовал в основном источники сети Интернет, фотографии, а также информацию и фотографии кузницы ОАО «Новокаолиновый горно – обогатительный комбинат».
Глава 1. История древнего кузнечного ремесла
Кузнечное дело – самое древнее ремесло, связанное с металлом. Первый изобретённый под ковку медных ножей и скребков (Ближний Восток, VI тысячелетие до н.э.) ещё древними халибами горн был в виде примитивного углубления в земле. Известны археологические факты того, что люди, проживающие уже в каменном веке, умели обрабатывать металл и ковать из него инструменты (приложение № 1). В дальнейшем кузнечное дело лишь развивалось. Строились кузницы, создавались удобные и практичные инструменты и приспособления для ковки металлических изделий. Одной из главных деталей кузницы всегда являлся кузнечный горн. Во многих музеях мира хранятся кузнечные инструменты тех далеких времен. Но точного времени зарождения кузнечного мастерства указать невозможно.
О том, как развивалось кузнечное дело в древней Руси, мы можем судить по данным археологических исследований. При раскопках древних поселений археологи находят остатки разнообразных инструментов, приспособлений и оборудования, которые применялись в кузнечном производстве. Это доказывает то, что все изделия из черного металла, которые оставила нам древняя Русь, были созданы кузнецами, владевшими очень сложной техникой производства. Кузнец бросал все дела и полностью отдавался занятию, которые требовали достаточно сложных технологических процессов[2].
В древнерусском поселении кузница ставилась отдельно от места проживания. Отовсюду вели тропки к сельской кузнице. Возле нее всегда было шумно и весело — скучать кузнецу не приходилось. Одна кузница обслуживала население в радиусе 10 - 15 километров [3].
В большинстве деревенских кузниц работали два человека – мастер и подручный (приложение № 2). Иногда в работе были заняты все члены семьи. Отец передавал сыну свое ремесло по наследству вместе с личным клеймом, которому сын добавлял «отпятныш» – дополнительную черту, обозначавшую, что клеймо принадлежит лично ему [3]. По наследству передавались и производственные секреты ремесла. Крыши кузниц украшались небольшими железными петушками. Ведь кузнечное ремесло было связано с огнем, а значит, с тайной, легендами и мифами, преданиями и поверьями, обрядами и ритуалами.
Глава 2. Что такое горн
2.1. Краткая характеристика кузнечного горна
Кузнечный горн - один из главных деталей кузницы, непременный атрибут мастерских, занимающихся производством разнообразных изделий методом ручной художественной ковки. Лишь некоторое число кованых элементов можно изготовить пластическим деформированием металлов при комнатных температурах. В большинстве случаев требуется их нагрев. Для стали, в частности, диапазон оптимальных ковочных температур, составляет (в зависимости от марки стали) от 800…900 ͦ с до 1100…1200ͦ С. [1].
Кузнечный горн – наиболее простой вид нагревательного устройства, которое вполне подходит для этих целей. Этот инструмент необходим для нагрева металла до необходимой температуры, благодаря чему металл поддавался ковке. Первый кузнечный горн выполнялся в виде примитивного углубления в земле размерами около 700 миллиметров [3]. Яма окружалась каменной стеной, в которой предусматривалось отверстие для вдувания воздуха. Нагнетание воздуха (который необходим для устойчивого горения топлива) производилось при помощи кузнечных мехов. Они представляли собой полость, изготовленную из козьих шкур, куда рычагами через воздушный клапан вдувался воздух. Обратный ход рычага обеспечивался камнем, который устанавливался на верхней пластине мехов, а функционирование клапана производилось за счёт разницы в давлениях холодного и горячего воздуха.В зависимости от устройства, отличали однокамерные и двухкамерные меха. Смотря, какой привод применялся, отличали ручные устройства и механизированные, которые приводились в действие силой воды (от оборотов водяного колеса). Также были меха кузнечные или металлургические. В последнем варианте использовалась так называемая ящичная конструкция, изобретение которой принадлежит Леонардо да Винчи [4].
На сегодняшний день кузнечное дело настолько развито в промышленной и в частной сфере, что существует множество видов кузнечных горнов, приспособленных для тех или иных условий ковки и выдающих, необходимый результат работы (приложение № 3).
Виды кузнечных горнов
Существует бесконечное количество конструкции горнов. Начнем с того, что горны бывают двух типов. В зависимости от установки горны бывают стационарными и переносными, стационарные горны устанавливаются в кузнечном цеху и не подлежат дальнейшей транспортировке. А переносные горны удобны для транспортировки. Стационарные горны устанавливаются в кузнечном цеху и не подлежат дальнейшей транспортировке. Благодаря специфике своей конструкции такие горны могут иметь как открытую, так и закрытую форму. В свою очередь, переносные горны могут быть только открытыми.
Тип переносного кузнечного горна удобен в случае, если необходимо создать единичную деталь непосредственно на месте ремонта или даже в полевых условиях. Переносные горны зачастую разборные, дальнейшая эксплуатация переносного горна удобна независимо от места его создания [5]. Недостатком переносной модели является его малая производительность, он не подойдет для выполнения масштабных работ и ковки больших изделий (приложение № 5).
Переносные горны часто изготавливают вручную, потому их конструкция возможна разнообразная, а ее нюансы зависят от фантазии мастера и подручных средств. По большому счету переносной горн представляется собой металлический стол с кладкой из огнеупорного кирпича. Неотъемлемой его частью является фурма. Для поддержания горения топлива используется принудительная подача воздуха, она может производиться при помощи механических устройств, таких как ручные или ножные меха, или при помощи вентилятора, пылесоса и т.д.
Стационарный горн в основном строится в центральной части задней стены цеха. Параметры стационарного горна зависят от роста и других особенностей кузнеца. Среднестатистические параметры горна варьируются в таких диапазонах:
высота лежанки — 700-800 мм;
ширина и длина стола 1 (1,5)-1,5 (2) м. [6].
Основной деталью такого горна является постамент, он может быть цельнолитым металлическим или сваренным. Иногда его изготавливают не из металла, а из огнеупорного кирпича, камня или железобетона. Внутренние стенки горна выкладывают огнеупорными материалами, так как температура внутри него внушительная. Внешняя облицовка может быть выполнена из древесных материалов, кирпича или камней [7].
Параметры центрального очага зависят от целевого назначения горна и от размеров изготавливаемых изделий. Также от целевой продукции зависит то, будет горн открытым или закрытым. Так, горны открытых типов больше подходят для художественной ковки, это позволяет кузнецу нагревать изделия любых форм.
Для поддержания процесса горения и достижения необходимой температуры в горновом очаге на его дне оставляют отверстие, которое обеспечивает подачу воздуха. Решетки, которыми эти отверстия покрывают, создают необходимый кузнецу вид пламени. Этот момент особенно важен для художественной ковки. Задачей фурмы в горне является равномерное распределение воздуха по очагу и сбор отходов горения.
В результате горения образовываются тяжелые и летучие отходы. Для вывода дыма и газовых образований используется такая деталь горна, как зонт [8]. Зонты изготовляют как из металлической основы, так и из кирпичной. Металлический зонт прост в установке, но при воздействии на него высоких температур быстро прогорает и практически не поддается ремонту. Кирпичный зонт более надежный и долговечный, но из-за своей тяжести требует предусмотрительной установки и дополнительной поддержки.
Для принудительной подачи воздуха в стационарный горн используют вентиляторы или компрессоры, в классическом варианте горна для этой цели применяются меха [9].
Глава 3. Кузнечный горн ОАО «Новокаолиновый ГОКа»
История горно – обогатительного комбината п. Новокаолиновый началась с 1941 года с началом Великой Отечественной войны. В первую очередь был запущен завод по переработке глины, а позднее – вспомогательные цеха, началось строительство самого посёлка. Для того, чтобы выяснить, как устроен кузнечный цех и как работают кузнечные горны на нашем комбинате, я решил сходить и получить необходимую информацию (приложение № 5), встретился с мастером кузницы Симановым Юрием Алексеевичем, единственного на заводе, который знает это ремесло (приложение № 6), оно передалось ему от старых кузнецов, допуск к кузнечному горну только у него (приложение № 7).
Кузнечный горн размещён в кузнечном цехе (приложение № 8). Сделан он из самого обычного металла и разделён на две части: одна часть предназначена для деталей поменьше, вторая часть – для изготовления деталей побольше. Стенки горна сделаны из листов нержавеющей стали толщиной 10 миллиметров с отверстиями примерно 7 – 8 миллиметров, через которые поступает воздух для поддержания горения. Под столом проходит труба, которая заканчивается колосником, а сама труба выходит за пределы цеха. На начале трубы установлен электрический мотор, а над столом зонт, через который уходят различные газы. Разжигают горн сначала дровами, далее засыпают кокс, который разгорается постепенно от одного кусочка. В итоге образуется большой огонь. По словам кузнеца, коксом топить выгоднее, предприятие закупает примерно тонну – полтора горючего, его хватает на год. К тому, же за короткое время достигается максимальная температура.
Горн в основном используется в изготовлении лопастей (приложение № 9). Лопасть или, как называют кузнецы – лепесток, это часть шнека, которую делают при помощи специального приспособления – «матрицы» (приложение № 10). Лопасти изготавливают специально для шнеков, необходимых при дроблении крупных камней глины в дробильном цехе. Их сначала сваривают, потом одевают на шнеки и дробят глину. По словам кузнеца нашего кузнечного цеха, всего имеется три разные матрицы, сверху дробилки стоят большие шнеки, чем ниже, тем меньше.
В кузне имеется гидравлический молот (приложение № 11), с помощью которого выправляют ломы, металлические пруты.
Глава 4. Практическая часть: разработка и изготовление переносного
горна в домашних условиях
Горн я сделал на основе металлической трубы в виде уголка, двух больших кастрюль, одной маленькой кастрюли, минеральной ваты, песка, жидкого стекла и чугунной тары.
Для начала берем первую большую кастрюлю и уголок. Сварочным аппаратом нужно прожечь круглое или квадратное отверстие по центру дна кастрюли, т.к. кастрюля будет перевернута, то нужно сделать еще одно отверстие в боковой стороне кастрюли, после всех проделанных операций нужно вставить в отверстия концы угла заварить их. Первая часть горна готова. Затем я сделал квадратное отверстие по центру двух кастрюль одной большой и второй кастрюли диаметром с чугунок, который мы будем заливать жидким стеклом. Переворачиваем первую конструкцию переносного горна и ставим на нее большую кастрюлю так, чтобы торчащая труба связывала их, в верхнюю кастрюлю ставим еще одну емкость диаметром дна чугунка. Между маленькой и большой кастрюлей плотно уложим любой не горючий материал.
В чугунке нужно равномерно сделать дырки шуруповертом не более 5,5 миллиметров и не менее 3 миллиметров. Ставим на маленькую кастрюлю чугунную тару и заливаем жидким стеклом с песком 50 на 50 все, что можно.
Ждем и поправляем, что бы чугунок стоял ровно. Желательно стекло заливать слоями 15 – 20 сантиметров для того, чтобы ничего не вытекло. Вот горн и готов (приложение № 12).
На изготовленном переносном горне в домашних условиях можно использовать старые скобы, которые сначала обрезаются путем нагрева металла. Скобы нагреваются и прекрасно разрубаются топором на импровизированной наковальне. В своём кузнечном горне я пробовал выплавлять алюминий.
Как я ранее уже писал, что главная задача горна – обеспечить стабильное повышение температуры металла до температур ковки, т.е., не менее, чем до 1200 °С. На своём горне я проверил и понял, что проблема кузнецов заключается в том, чем же топить горн. Я на своём горне попробовал топить горн дровами, каменным углём, т.к. как не было в наличии кокса. И, конечно, разница в выборе материалов большая. Углём топить лучше, при этом я смог достичь максимальной температуры в 2900 градусов.Но, достигнув такой температуры, чугунок стал плавиться, из этого можно сделать вывод, что лучше использовать легированную сталь или более тугоплавкий сплав вместо чугунка.
Заключение
Одним из древних благородных ремёсел является кузнечное ремесло. Ещё в советское время, в каждом совхозе была кузница и мастера кузнечного дела. В настоящее время, ни одно из предприятий не обходится без кузницы, или, по крайней мере, какого – ни будь кузнечного горна и гидромолота. В последнее время всё чаще используются переносные кузнечные горны, а многие изготавливают их в домашних условиях из подручного материала.
Я попробовал изготовить кузнечный горн дома, используя кастрюли, чугунок. Но, прежде, меня заинтересовала история кузнечного ремесла, как одного из древних видов, выяснил степень значимости кузнечного дела в наши дни. В своей работе я рассмотрел виды горнов и дал краткую характеристику. Для того, чтобы понять работу кузнечного горна, я выполнил экскурсию в кузнечный цех нашего завода. В ходе беседы с мастером – кузнецом изучил работу кузнечного горна и гидромолота. Отталкиваясь от этой информации и анализа видов материалов для изготовления кузнечного горна, я решил создать переносный кузнечный горн в домашних условиях из подручныхматериалов и достиг в нем максимальных температур.
Поставленная цель была достигнута в ходе решения задач. Выдвинутая гипотеза была подтверждена. Кузнечные горны, изготовленные в домашних условиях, работают так же, как и стационарные горны, можно делать такие же детали, ковать железо, плавить алюминий, выправлять ломы и другие предметы.
Главная задача горна – обеспечить стабильное повышение температуры металла до температур ковки, т.е., не менее чем до 1200 °С. На своём горне я достиг максимальной температуры 2900 градусов при использовании каменного угля. Но, к сожалению, при такой температуре, чугунок начал плавиться. Поэтому, лучше использовать в качестве топлива – кокс. Об этом пишут в различных источниках, это подтверждает и кузнец нашего предприятия.
В заключение могу сказать, что теперь я знаю какие виды горнов,существуют, и что можно своими руками изготовить кузнечный горн. Но идея, которую я хотел воплотить и из-за которой начал углубляться в эту тему пока не реализована. Я с самого начала хотел выливать из алюминия различные фигуры, брошки, трубки, мечи, пистолеты из разных игр, а потом разукрашивать их. Но это еще одна технология, о нюансах которой можно говорить довольно долго, всегда есть к чему стремиться. Думаю, что моя работа будет продолжена именно в этом направлении.
Список используемых источников
Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф. и др. Технология металлов и материаловедение М.: Металлургия, 1987.
http://silverhorseshoe.narod.ru/kuznets.htm
http://www.microarticles.ru/article/kyznechnoe-delo-v-raznie-vremena.html
http://www.m-deer.ru/stanki/kuznechnye-gorny.html
https://wikimetall.ru/oborudovanie/kuznechnyie-meha.html
https://pikabu.ru/story/kuznechnyiy_gorn_svoimi_rukami_poshagovaya_instruktsiya_dlinnopost_2817836
https://moyakovka.ru/instrumenty/konstrukciya-kuznechnogo-gorna.html
https://www.syl.ru/article/198017/new_kuznechnyiy-gorn-svoimi-rukami-cherteji-poshagovaya-instruktsiya
http://stroykirpich.com/gorn-iz-kirpicha-svoimi-rukami.html
П риложения
Приложение № 1. Наконечники боевых
копий, XI век
Приложение № 2. Мастер и подручный в кузнице.
Приложение № 3. Стационарный кузнечный горн.
Приложение № 4. Переносной кузнечный горн.
Приложение № 5. Экскурсия на ОАО «Новокаолиновый ГОК»
Приложение № 6. Во время беседы с мастером кузнечного цеха Симановым Юрием Алексеевичем об устройстве кузнечного горна на предприятии ОАО «Новокаолиновый ГОК»
Приложение № 7. Мастер кузнец Симанов Юрий Алексеевич
Приложение № 8. Кузнечный цех ОАО «Новокаолиновый ГОК»
Приложение № 9. Лопасть, их сваривают, одевают на шнеки и дробят глину
Приложение № 10. Матрица для изготовления лопастей, необходимых для шнеков
Приложение № 11. Гидравлический кузнечный молот, который находится
на ОАО «Новокаолиновый ГОК»
Приложение № 12. Изготовление кузнечного горна своими руками в домашних условиях с использованием подручных материалов.
Фото 1. Ёмкость, необходимая для засыпки угля
Фото 2. Общий вид моего переносного горна.
Фото 3. Так осуществляется подача воздуха в горн
Фото 4. Выплавка алюминия в кузнечном горне, сделанном в домашних условиях
Фото 5. Старые скобы, которые сначала обрезаются путем нагрева металла