Кузнечный горн своими руками: газовый, угольный

Опубликовано: 03.09.2018

«Горн» слово германского происхождения horn, изначально – «рог», потом horn получило множество других значений, лишь бы предмет как-то на рог походил или от него происходил; одна из высочайших вершин Альп называется Matterhorn. Древний плавильный горн, в котором получали кричное железо, с виду похож на сигнальную трубу из рога, поставленную раструбом вниз, так он и стал горном, а от него и кузнечный горн, хотя на рог он уже никак не похож.

В кузнице горн применяется для разогрева металла перед ковкой, цементирования и других операций термообработки. Горн – вещь очень нужная всем, кто работает с металлом: он позволяет получить в кустарных условиях температуру до 1100 и даже 1200 градусов , может быть как большим стационарным, так и маленьким настольным, а сделать горн своими руками не представляет большого труда и сложностей.

Изготовление угольного кузнечного горна своими руками

Чтобы пользоваться кузнечным горном традиционной конструкции, нужно быть достаточно сведущим и умелым мастером, особенно по части выбора топлива, о чем ниже будет сказано подробнее. Немалого опыта требует и основа очага горна – фурма – и устройство наддува. Использование для нагрева природного газа хотя и не позволяет выковать в домашней кузне дамасский клинок или индийский булат вуц, как классический угольный горн, но существенно упрощает конструкцию: газовый горн можно собрать за полчаса-час из 6 шамотных кирпичей и нескольких обрезков стали , а температура и качество нагрева будут достаточны для столь популярной сейчас мелкой художественной ковки или плавки цветных металлов и сплавов под литье.

Устройство горна

Классический производственный горн устроен следующим образом, см. рис справа:

Устройство кузнечного горна

стол горна из огнеупорного материала; топливник (очаг) с колосниковой решеткой; воздушная камера; воздушный дренаж; подающий воздуховод; воздушный вентиль; камера (шатер) горна; окно для подачи длинномерных заготовок; зонт горна; дымоход (газоотвод); съемное горнило; закалочная ванна (бадья, лохань); газовоздушная камера.

Принцип действия горна

Чтобы самому сделать горн и успешно им пользоваться, разберемся, как работает горн, что в нем к чему и что в нем можно удешевить и упростить в условиях домашнего использования без ухудшения качества обработки металла. В основе работы горна лежит химическая реакция горения углерода 2C + O2 = 2CO2 + 188,1 ккал . По ее энерговыходу (94,05 ккал/моль, т.е. 12 г С, полностью сгорев, дадут 94,05 ккал тепла) видно, что углерод – весьма сильный восстановитель, т.е. жадно соединяется с кислородом.

Это свойство углерода с незапамятных времен используется в металлургии для выплавки железа и других металлов: их руды часто представляют собой соответствующие окислы или их производные соединения. Углерод бесцеремонно обирает себе кислород, и обездоленному металлу не остается ничего иного, кроме как выделиться в свободном виде.

В кузнечном горне восстановительная способность углерода также используется отчасти, как препятствующая окислению заготовки. Попросту, чтобы металл не сгорел. Но не менее здесь важна высокая теплотворная способность углерода: поддувая в массу топлива достаточно воздуха, чтобы углероду его хватило, можно сжечь его довольно быстро, а большое количество выделившегося тепла и температуру разовьет высокую.

Дутье в горн регулируют таким образом, чтобы кислорода топливу чуть-чуть не хватало, это полностью предотвратит окисление металла. Однако, если заготовку в горне передержать, то пойдет науглероживание: металл, особенно сталь, станет, как говорят, пересушенным – чрезмерно, непропорционально возрастанию твердости, хрупким. Пример совершенно пересушенного железа – чугун. В металлургии, чтобы получить из него конструкционную сталь, расплавленный чугун подвергают переделу: в конверторе или иным способом вводят в него кислород, отнимающий лишний углерод.

На другом топливе

Так работает стародавний угольный горн. Первоначально его топили древесным углем, потом – коксом. То и другое – почти чистый углерод. В принципе горн можно топить и дровами, дав им предварительно прогореть до углей , т.е. до древесного угля; как – посмотрим далее.

Устройство горна много упрощается, если на топливо взять очищенный моногаз, пропан или бутан. Они состоят из углерода и водорода, который тоже отличный восстановитель и, соединяясь с кислородом, дает еще больше тепла. Причем газ можно смешивать с кислородом воздуха заранее, еще в горелке. Как устроены газовые горелки для горна, мы тоже далее разберемся, а пока констатируем факт: газовый горн из кирпича можно собрать на скорую руку, лишь бы горелка была, см. рис. (Как сделать самому газовый горн, также можно посмотреть на видео в конце раздела).

Простые газовые горны из кирпича

Однако это касается только чистых моногазов промышленного назначения. Бытовой природный газ, во-первых, состоит из смеси насыщенных и ненасыщенных углеводородов, имеющих для полного сгорания разную потребность в кислороде и разное тепловыделение. Т.е., настроить тут оптимальную подачу воздуха для нагрева металла под качественную закалку или цементирование принципиально невозможно.

Во-вторых, в составе природного газа в ничтожных количествах есть сера, кремний, фосфор. Хотя бы в виде искусственно вводимой в бытовой газ для немедленного обнаружения утечки «отдушки» – меркаптана. Если фосфор и кремний при точной дозировке еще могут быть полезны (первый – для поверхностного фосфатирования; второй – для улучшения магнитных свойств), то сера – злейший враг стали, начисто убивающий ее эксплуатационную ценность, причем необратимо, для восстановления нужна полная переплавка.

Поэтому бытовой газ как топливо для горна можно использовать, во-первых, только после очистки от серосодержащих соединений . Простейший, но отнюдь не бесплатный ее способ – пропустить газ из баллона, прежде чем подавать в горелку, через емкость с нафталином. Он до серы охоч не менее, чем углерод до кислорода. Во-вторых, нагревать в газовом горне только не ответственные и не нагружаемые в дальнейшем детали ; скажем, декоративные элементы художественных металлоизделий.

Примечание: в древесине серы тоже хватает с избытком для отравления стали. Но ее и другие, т. наз. легирующие яды, можно выжечь заранее, см. далее.

Видео: газовый горн своими руками

Назначение частей горна

Теперь вернемся к списку в начале и посмотрим, что в горне для чего. А тогда уже возьмемся за изготовление горна по образцам, рассмотренным далее или самостоятельно, исходя из имеющихся в наличии материалов и возможностей.

В промышленности на футеровку стола идет преимущественно кварцевый огнеупорный кирпич, он при интенсивной рабочей нагрузке служит десятилетия. Самодельный горн обычно футеруют печным шамотным кирпичом , более дешевым и доступным. При нерегулярном пользовании его тоже хватит на годы.

Топливник с колосниковой решеткой, воздушной камерой с дренажом и подающим патрубком с вентилем образуют сердце горна – фурму. В промышленных образцах применяют сменные фурмы под разные способы нагрева и нагреваемые заготовки. Любителю или мастеру-индивидуалу чаще всего достаточно одной наглухо вмонтированной в стол с цельной перфорированной круглыми отверстиями колосниковой решеткой.

Воздушный дренаж необходим, чтобы точно и оперативно, не отрывая взгляда от заготовки, регулировать дутье . Недогретую деталь проковать не удастся и закалку она не примет; перегретая и пересушенная пойдет рваться под молотом, а в закалочной ванне ее поведет как минимум, а то и треснет. И уж во всяком случае окажется недопустимо хрупкой. Как по виду раскаленной заготовки определить ее готовность для ковки или закалки – разговор особый. Но опытные кузнецы знают, что перепустить лишний воздух в атмосферу нужно успеть за секунды.

Назначение камеры, или шатра, горна совместно с его зонтом и дымоходом – удалить дымовые газы из рабочей зоны . Их при подготовке угольной массы (см. ниже) выделяется предостаточно, и ни один для здоровья не полезен. Тяга в дымоходе нужна хорошая, т.к. переднее (рабочее) окно шатра и проемы для длинномера (трубы, металлопрофили) открыты постоянно.

Что касается закалочной ванны и газовоздушной камеры, то они могут быть, а могут и не быть, это уж по вашему усмотрению. Закалочная ванна обязательно нужна, если вы собираетесь ковать т. наз. дамаск, изделия из булатной стали. Им нужна термоударная закалка, т.е. из горна – мгновенно в ванну.

Примечание: о нравах прошлого. Когда-то лучшими считались булатные клинки, закаленные в живом теле пленного сильного врага или, в крайнем случае, мускулистого раба.

Газовоздушная камера в промышленности используется:

Для дополнительной сушки и подогрева воздуха. Для очистки дутьевого воздуха от примесей и конденсата. Для введения в воздух газообразных легирующих присадок.

В домашних условиях супер-супер спецспавы не получают; проблема конденсата на производстве возникает при дутье от общей сети сжатого воздуха. В маломощном горне воздух достаточно нагревается, проходя через отверстия колосника фурмы, а очистить бытовой газ от серы можно, пропуская его сквозь слой нафталина, как сказано выше. В общем, делайте газовоздушник, не делайте, дело ваше.

Наконец, горнило. Это жаростойкий колпак, расширяющий зону предельно высокой температуры . Его ставят, если в горне плавят в тигле цветные или драгоценные металлы и сплавы (температура плавления золота 1060 градусов, серебра 960, меди 1080, латуни и бронзы 900), цементируют детали в муфеле и т.п. Искать дорогое готовое горнило нет смысла, в домашней кузне его вполне заменит десяток шамотных кирпичей, выкладываемых на сухую по детали. В такой комплектации самодельный горн заменит и дорогостоящую муфельную печь .

Как топят горн?

Чтобы взяться наконец-то за свой собственный горн, осталось выяснить, а как же его топить? Тогда и в конструкциях разобраться будет проще.

Лучшее топливо для горна – мелкий кокс . Кузнецы его называют коксиком, название переняли и торговцы. Если в продаже кокс, а есть и коксик в мелкой упаковке. Стоит коксик, смотря до региону, раза в 3 дороже каменного угля, но уходит его на 1 ковку при умелом обращении раз в 4-5 меньше.

Кокс – практически чистый аморфный углерод, карбон. Действительно чистый: коксовый газ – ценное химическое сырье, так что металлурги не халтурят. Воспламеняется при 450-600 градусах, поэтому растопка нужна двойная: дровами разжигают уголь, а уж на него накладывают слой в 150-170 м кокса и включают дутье на максимум. Когда уголь прогорит (это видно по пламени), массу кокса разгребают, оставив на колоснике слой в 1/3-1/4 от высоты всей кучи, вводят в очаг заготовку и загребают горящим топливом. Дутье сбавляют до нормы для данной операции и ждут, пока деталь дозреет.

Для работы с дамаском нужен древесный уголь , он загорается при меньшей температуре и сгорает быстрее, т.к. сохраняет микропористую структуру древесины. А также, как активированный уголь в противогазе, дополнительно поглощает легирующие яды. Дело в том, что булат проковывают из пучка проволок или прутков разной твердости. Собственно изделие получается их взаимной диффузией при ковке. Процесс очень тонкий, и регулировка дутья нужна ювелирная, а легкий пористый древесный уголь на манипуляции воздушным дренажом отзывается мгновенно.

Обечайка для топки горна дровами

Если топить каменным углем, ему нужно дать прогореть до карбона , т.е. летучие составляющие, тот самый коксовый газ, должны выгореть. Это опять-таки видно по цвету пламени. Но столь полного извлечения летучих, как в коксовой батарее, прямо в горне не добиться, так что на угле можно ковать декоративные или среднего качества обиходные изделия. Как правило, одной загрузки угля не хватает и его приходится дожигать. Догрузку на дожигание подкладывают к очагу сбоку на стол и по мере прогорания подгребают образующийся карбон на заготовку.

Дровами топят в общем так же, как углем, но только лиственными . Просто кучей дрова скорее прогорят до золы, чем полностью выпустят летучие и образуют уголь. Кроме того, допускать попадания непрогоревших щепок на деталь никак нельзя, уж больно много в древесине вредных для стали примесей. Поэтому дрова на карбон в горне выжигают в обечайке, см. рис. Догрузку выжигают подложив вплотную к ней и по мере прогорания угли переносят в обечайку шипцами.

Беремся за горн

Начинающему кузнецу для приобретения опыта и чутья лучше всего быстренько сделать мини-горн из 6 шамотных кирпичей, см. рис. Лезвие топора, чтобы побриться можно было, или охотничий нож в нем не раскалишь под закалку, но можно греть мелочь для художественной ковки, концы длинномера под ковку или гнутье или плавить в тигельке драгцвет.

Мини-горн из 6 кирпичей

Полки колосниковой решетки из обрезков стальных труб, а самые колосники – из стальной полосы 4-6 мм толщиной. Колосники нужно закрутить на угол винтом, чтобы захватывали дутьевой поток, как показано на рис. Топливо – кокс или уголь. Розжиг и дутье – паяльной лампой, газовой или бензовоздушной горелкой. Если используется паяльная лампа, между ней и горном нужно поставить асбестовую перегородку с окном под сопло: горн интенсивно излучает тепло и резервуар лампы может взорваться. Пользуются этим горном только на открытом воздухе, т.к. зонта с дымоходом нет.

Примечание: еще интересный вариант – небольшой горн на скорую руку минимальной стоимости, см. видео:

Переносной

Следующая конструкция – переносной горн из… гусятницы. Конструкция ясна из рис. Футеровка – шамотный мергель в смеси с шамотным песком (молотым боем шамотных кирпичей, есть в продаже). Обжиг футеровки после сушки – по ходу работы.

Переносной горн из гусятницы

Наддув не обязательно вентилятором от ручной сирены, как на рис. Можно использовать любой подходящий, см. далее, присоединив его металлогофром. Это, кстати говоря, сделает работу с длинномером удобнее. В таком случае на глухом конце воздуховода необходим воздушный дренаж вроде того, как для передвижного горна, о котором еще будет сказано.

Возможности горна из гусятницы пошире, чем у 6-кирпичного, т.к. рабочее пространство больше и открыто сверху. Но появляются и существенные недостатки:

Неразборная конструкция: при прочистке фурмы (см. далее о стационарном горне) нагар падает вниз и засоряет перфорацию воздуховода, даже если ее отверстия ориентированы вбок или вниз. Для чистки приходится ломать футеровку. Работает только на коксе или древесном угле, т.к. стола с пространством для выжигания нет. Дорогая эксплуатация: расход карбона сравним с таковым угля в настоящих горнах. Невысокая рабочая температура, до 900 градусов, т.к. не обожженная толком футеровка при большей трескается.

О кавалерии и швейных машинах

Кавалерийский горн

Когда-то каждый эскадрон кавалерии всех армий мира имел на хозяйстве переносной горн с ножным приводом от кривошипно-шатунного механизма для ковки подков и подковных гвоздей. Его так и называли кавалерийским, см. рис. Если говорить об энергонезависимых горнах, то это куда удобнее, чем вентилятор от сирены: обе руки свободны. Да еще смекалистые конники приучали лошадей давить на педаль копытом.

Ныне кавалерийский горн можно увидеть разве что в музее РККА. Но – проявим и мы смекалку – старые швейные машинки с ножным приводом еще эксплуатируются и продаются. А это – тот же кривошип с ведущим шкивом подходящего диаметра и прочная станина для стола. Плюс колесики, на которых горн катать можно.

Устройство кузнечных мехов

Какой нужен вентилятор?

Ниже мы перейдем к конструкциям уже вполне функциональным, для которых требуется полноценное дутье. И электричество для вентилятора найдется везде. Но какой нужен вентилятор для горна? Когда-то горны поддували мехами; кому любопытно, как кузнечные мехи устроены, см. рис. справа.

Примечание: именно по остаткам кузнечных мехов глубокой древности археологи установили, что металлургия у первобытных народов имела мистически-сексуальный смысл – от Скандинавии до Южной Африки глиняный штуцер горна выполнялся в виде мужских гениталий, а гнездо под него в горне – женских.

Что касается производительности, то для стационарного горна на коксе вполне хватит 200-250 л/мин. Т.е., мощность мотора вентилятора достаточна от 80-100 Вт.

Существенно важнее то, что нам нужно протолкнуть воздух сквозь довольно плотную массу спекшегося топлива. Поэтому при выборе вентилятора прежде всего нужно обратить внимание на создаваемое им давление при нулевой производительности , т. наз. предельное давление. Смысл этого параметра прост: предельное давление вентилятор создаст, нагоняя воздух в замкнутую полость.

Для горна нужно предельное давление от 220-230 мм. рт. ст., что соответствует примерно 0,3 ати. Осевые вентиляторы (крыльчатки) такое создают только промышленные, типа ВН-2 или его аналогов. Бытовые вытяжные и промышленные охлаждающие по предельному давлению вообще не нормируются и, как правило, нужного не создают.

Кроме того, нагоняют они воздух до предельного давления медленно, за минуты, а при тонких ковочно-кузнечных работах дутье нужно менять за секунды. Ставить ресивер бесполезно: при открывании вентиля воздух в нем расширится по адиабате, что при 0,3 ати даст только пшик.

Итого вывод: для наддува горна нужен центробежный вентилятор-улитка . Спецификацию можно и не смотреть, нужное предельное давление даст любой центробежный вентилятор по самому принципу своего действия. Лучше всего брать улитки от систем радиационной защиты военной техники, у них и производительность высокая. Правда, питание – 12, 24 или 27 В постоянного тока, так что понадобятся трансформатор и выпрямитель соответствующей мощности.

Отлично подойдет любой старый бытовой пылесос, но тут нужно учесть, что его мощность почти всегда будет избыточна. Уменьшать ее ЛАТРом или тиристорным регулятором не следует: мотор будет работать в тяжелом режиме чрезмерного скольжения ротора и ресурс и так подызношенного старика окажется невелик. Лучше всего в фурме сделать широкий воздушный дренаж, как в далее описанном стационарном горне.

Передвижной

Здесь на рис. – чертежи заслуженно популярной конструкции: уже полнофункционального передвижного горна, предназначенного для использования на открытом воздухе. Именно такого рода устройство имелось в виду при размышлении о кавалерии и швейных машинах.

Чертеж передвижного горна

Обратите внимание на узел, обозначенный цифрой 1. Это дренаж тонкой регулировки дутья. Дренажная трубка выдвигается-задвигается, а внизу в ней насверлен продольный ряд мелких, 1-2 мм диаметром, отверстий. Перепуская воздух в дренаж, можно очень точно регулировать наддув.

Стационарный

Стационарные горны делают опытные мастера под свои антропометрические данные. Кусок раскаленного до оранжевого железа весом в несколько кило в клещах – предмет чрезвычайно травмоопасный, поэтому эргономика стационарного горна должна быть идеальной.

Примечание: в романе А. Н. Толстого «Петр Первый» красочно описан случай, как молодой еще царь-мастеровой получил порядочную выволочку от подневольного кузнеца за неловкость при наварке лапы якоря. Только огромная физическая сила Петра предотвратила тогда производственное ЧП.

Берем размеры

Приблизительные размеры стационарного горна показаны на рис.

Примерные размеры кузнечного горна

Именно приблизительные, но высоту стола и его размеры нужно определить точно:

Становимся ровно, ноги на ширине плеч. Правую свободно опущенную руку сгибаем в локте. Помощник измеряет расстояние от локтевого сгиба до пола. Добавляем к нему 5-7 см, это и будет высота стола. Теперь берем в ту же руку самые большие клещи, помощник измеряет расстояние от живота до концов их губок. Добавляем к нему 10-12 см, мы получили половину длины диагонали стола. Длину стороны квадратного стола берем равной 1,4 от длины полудиагонали (0,707 от полной диагонали).

Примечание: делать стол круглым не нужно, т.к. детали клещами брать придется разные. А прямоугольным – можно, если работать будете вдвоем с подручным.

Конструкция

Последовательность изготовления стационарного горна видна из рис. Воздушник фурмы с наддувом от пылесоса или улитки автопечки лучше опустить пониже, а заслонку воздушного дренажа при этом (пп. 4 и 5) сделать выдвижной вперед. Получится воздушный ресивер достаточно большой емкости, и заслонку можно будет выдвигать-вдвигать носком обуви.

Изготовление стационарного горна

Обратите также внимание на цельный колосник, поз. 2. Он в данном случае специальный для горнов. Секрет – в перекрещивающихся ложбинках, разделяющих плиту на квадратики. В них скапливается нагар. Если насверлить отверстия в гладкой плите, то их после каждой ковки придется прочищать стальным прутом.

Но почему нельзя сделать колосниковую решетку наборной из планок, как в печке? Потому, что масса топлива спекается не однородно. В щелях между планками поток воздуха будет прыгать туда, где ему свободнее выйти. В том месте температура окажется выше, и вся заготовка может оказаться пересушенной пятнами. На-глаз мастер-любитель этого не заметит, но под нагрузкой местная хрупкость скажется. А пропускание воздуха сквозь двумерную регулярную структуру (печной колосник одномерный) уменьшает неравномерность воздухораспределения на порядок. Если колосник трехмерный, как показано на рис. с устройством горна в начале, то неравномерность распределения воздуха практически не сказывается.

Самодельная фурма с воздушным душем

А как быть, если негде взять спецколосник? Тогда приемлемый выход – полностью самодельная фурма с концентрическим расположением отверстий диаметром 8-10 мм, см. рис. справа, такая система не так быстро засоряется и дутье по площади обеспечивает более-менее равномерное. По принципу действия похоже на рассеиватель душа.

Наддувать воздушный душ пылесосом нельзя, топливо выдует. Нужно взять улитку от автопечки или подобную ей. Регулировать дутье дренажом в таком случае тоже нежелательно, оптимальный для равномерности дутья наддув слабоват. Нужно встроить в воздуховод дроссельную заслонку, а нижнюю крышку фурмы сделать съемной только для чистки.

Газовые горелки

И под конец дадим чертежи нескольких горелок для газовых горнов. Для художественной ковки они вполне подойдут, а, что ни говори, из кузнечных работ она самая востребованная. Все эти горелки – инжекционные прямоточные. Куда более эффективные и универсальные вихревые слишком сложны для самостоятельного изготовления.

Первая, на рис., самая сложная. Чтобы ее сделать, нужно быть токарем-фрезеровщиком не ниже 5 реального разряда. Зато работает на любом газе (кроме ацетилена, см. ниже!), бензовоздушной смеси и дает очень мощный наддув: может продуть и большой стационарный горн, описанный выше.

чертежи газовых горелок для кузнечного горна

Следующая (см. рис.) попроще и содержит меньше деталей, хотя и здесь нужно точно точить пологие конусы. Дует тоже отлично, но работает только на пропане. Под бутан сопло требуется совсем узкое, да бутан и применяется мало.

Обтачивать вчистую внешнюю поверхность инжектора Д1 и сверлить сопло нужно в один установ. Сопло сверлится твердосплавным сверлом и проходится вчистую разверткой. Это и есть главный недостаток конструкции: требуется мелкий точный инструмент, не везде и не всегда доступный.

Ниже на рис. две горелки попроще. Слева – точеная универсальная под бытовой газ или пропан. Продуть может максимум небольшой передвижной горн, но выточить детали под силу токарю-середняку. Нужно только владеть технологией посадки деталей в горячий натяг. Которая, впрочем, не сложна.

Справа – горелка-самоделка. Большинство деталей, включая ниппель – от велосипеда. Из токарки требуется только обточить в размер самую малую звездочку от велосипедной КПП. Эта горелка всеядна: пропан, бутан, бытовой газовый коктейль, бензовоздух. Но греть ею можно только малые кирпичные замкнутые горны, показанные в начале.

Примечание: ни в коем случае не запитывайте эти горелки ацетиленом! Металл в горне сожжете и до взрыва недолго!

В заключение

Что ж, как сделать горн, мы теперь знаем. А что в нем делать с металлом – отдельная большая тема. Кузнечное дело с горна только начинается.