По мере совершенствования кузнечных мехов отпадает необходимость строить «нагревательные устройства» на горах, и их начинают размещать недалеко от жилищ. От дождя и снега очаг защищают навесом, а для подачи воздуха устанавливают мехи. В дальнейшем для удобства работы очаг горна (горновое гнездо) поднимают на некоторую высоту от земли. В таком виде горн просуществовал вплоть до настоящего времени.
Кроме того, кузнецы некоторых народностей, живущих в степных, северных или пустынных районах (цыгане, буряты, алтайцы, ненцы, якуты и др.) разворачивают свою «походную» кузницу прямо на земле. Для организации очага роют ямку, выкладывают ее камнем, ко дну ямки подводят сопло от кузнечного меха, разжигают уголь и нагревают заготовки. Наковальня устанавливается рядом на земле. На таком горне надо работать вдвоем – кузнец кует, а помощник качает мехи. Работу в такой кузнице часто демонстрирует украинский кузнец Богдан Попов на кузнечных фестивалях в Донецке (руководитель проекта – Виктор Бурдюк, заслуженный деятель искусств Украины).
Рис. 1.1.1. Открытый кирпичный горн с задним дутьем: 1 – постамент; 2 – короб с водой; 3 – ниша; 4 – очаг (горновое гнездо); 5 – фурма; 6 – дымоход; 7 – зонт; 8 – фурменная плита.
Широкое развитие кузнечного дела способствовало созданию современных горнов с регулировкой подачи воздуха и отводом дыма и продуктов горения от очага.
Основа стационарного кирпичного горна с задним дутьем – постамент (лежанка, постель, стол), который служит для размещения очага и нагреваемых заготовок. Обычно горн устанавливается по центру задней от входа (основной) стены кузницы. Высота постамента определяется ростом кузнеца исходя из удобства переноса заготовки из горна на наковальню и обратно и принимается равной 700–800 мм, а площадь горизонтальной поверхности «стола» обычно равна 1 × 1,5 или 1,5 × 2 м. Постамент горна может выкладываться из кирпича, пиленого камня или железобетона в виде ящика, заполненного мелким битым камнем, песком, глиной и горелой землей. Верхняя горизонтальная часть стола выравнивается и, если есть возможность, выкладывается огнеупорным кирпичом.
Постамент также может быть литым (рис. 1.1.2), сварным или сборным, а поверхность стола выкладывают огнеупорным кирпичом и окантовывают металлическим уголком.
Рис. 1.1.2. Стационарный горн с литым постаментом: 1 – вытяжная труба; 2 – зонт; 3 – бачок с водой для охлаждения инструмента; 4 – рычаг для регулирования подачи воздуха; 5 – воздухопровод; 6 – заслонки; 7 – конический запорный наконечник; 8 – фурма; 9 – литой стол; 10 – очаг.
Центральное место стола занимает очаг, или горновое гнездо, которое может размещаться как в центре, так и у задней или боковой стенки горна.
В очаге температура достигает максимума, поэтому его стенки обычно выкладывают огнеупорным кирпичом и обмазывают огнеупорной глиной. Размеры гнезда определяются назначением горна и размерами нагреваемых заготовок. Центральное гнездо в плане обычно имеет круглую или квадратную форму размером 200 × 200 или 400 × 400 и глубиной 100–150 мм.
Рис. 1.1.3. Литая фурма (а) со сменными колосниковыми решетками (б, в, г): 1 – корпус фурмы; 2 – заслонка; 3 – подводящий патрубок; 4 – донная крышка; 5 – груз; 6 – колосниковая решетка.
Рассмотрим один из конструктивных вариантов и принцип действия фурмы нижнего дутья (рис. 1.1.3 а). Воздух (от вентилятора или мехов) подводится через патрубок (п.3) и попадает в корпус (п.1) фурмы и через чугунную колосниковую решетку (п.6) в зону горения. Регулирование количества подаваемого воздуха осуществляется рукояткой, которая перемещает заслонку и тем самым перекрывает канал подводящего патрубка (п.3). Для очистки корпуса фурмы от золы и других отходов горения открывается донная крышка (п. 4), которая в исходном положении прижимается к днищу корпуса грузом (п.5).
Для создания пламени различного вида следует применять несколько колосниковых решеток с разнообразными формами отверстий для прохода воздуха. Равномерно расположенные круглые отверстия (рис. 1.1.3 б) способствуют образованию факельного пламени, щелевые отверстия (рис. 1.1.3 в, г) – узкого и удлиненного.
При горизонтальном расположении фурмы (слева или сзади; рис. 1.1.4 а) необходимо предохранять стенку горна от прогорания. Обычно для этого используют чугунную фурменную плиту, в которой имеются пазы для ввода конца фурмы (рис. 1.1.4 б). При выгорании участка плиты в районе фурмы ее переворачивают на 90°, и фурма устанавливается в другой паз. Чтобы не выгорала сама фурма, следует охладить ее изнутри холодной проточной водой. Внутренний диаметр фурмы в зависимости от размера горна составляет 25–30 мм.
Рис. 1.1.4. Стационарный горн с кирпичным зонтом. Общий вид (а): 1 – бачок с водой; 2 – водоохлаждаемая фурма; 3 – кронштейны; 4 – зонт; чугунная фурма (б); схема подвески зонта (в).
Над стационарным горном для сбора и отвода из кузницы дыма и газов устанавливается зонт, который может иметь различное конструктивное исполнение. Размеры нижнего входного отверстия зонта обычно совпадают с размерами стола горна. В качестве задней стенки зонта используется стена здания. Зонты обычно изготовляют из листового железа толщиной 0,5–1,5 мм.
Для лучшего улавливания дыма и газов зонты устанавливают над горном на высоте 400–800 мм, а точная высота уже определяется на месте в зависимости от индивидуальных особенностей горна (рис. 1.1.4 в) – силы дутья, высоты и размеров вытяжной трубы и других параметров. В некоторых случаях зонты оснащаются опускающимися крыльями. Недостаток металлических зонтов в том, что они могут прогореть, а ремонт их сложен и трудоемок. Наиболее долговечны зонты, сложенные из обычного или огнеупорного кирпича. Однако такие зонты значительно тяжелее металлических, и для их поддержки необходима жестко заделанная металлическая рама из уголков или швеллеров, а иногда и дополнительные подпорки по углам.
Более совершенная конструкция открытого горна показана на рис. 1.1.5. Горновая чаша (п.6) с чугунной решеткой (п.5), а также фурма (п.7) с крышкой (п.8) крепятся на сварной металлической подставке (п.9). Воздух от вентилятора подается в очаг горна по трубе (п.10) и регулируется заслонкой (п.11). Уголь (п. 4) закладывается на чугунную решетку, а газы удаляются через зонт (п.3) и две трубы (п.1) и (п.2). При прохождении дыма через наружную трубу внутренняя нагревается, что улучшает тягу. Зола и шлак, которые накапливаются на дне зольника, удаляются при открытии крышки (п.8).
Рис. 1.1.5. Стационарный горн из металла и кирпича.
Переносные горны – это цельнометаллические сварные или сборные конструкции, применяемые для нагрева заготовок небольшого размера при ремонтных работах на полевых станах, строительных площадках, в альплагерях, т. е. вдалеке от промышленных предприятий.
Переносной горн (рис. 1.1.6) состоит из металлической рамы (п.5), на которой сверху крепится стол с очагом (п.1) и вентилятором (п.6) для подачи воздуха. Вентилятор приводится во вращение от ножной педали (п.3)через кривошип, маховик (п. 2) и ременную передачу (п. 4). Они имеют небольшой вес и маленькие габариты и поэтому используются для ковки лошадей в полевых условиях, для устройства показательных выступлений кузнецов на различных праздниках и фестивалях. На рис. 1.1.7 показаны переносные горны (конструкции США).
Рис. 1.1.6. Переносной кузнечный горн.
Однако все открытые горны, о которых шла речь выше, имеют очень низкий коэффициент полезного действия (КПД – отношение количества теплоты, требуемой для нагрева заготовки, к общему количеству теплоты, получаемой в результате сгорания топлива), он составляет 2–5 %.
Установлено, что для нагрева 1 кг металла до ковочной температуры требуется 1 кг каменного угля. Кроме того, в результате непосредственного соприкосновения металла с каменным углем происходит насыщение поверхности нагреваемого металла серой, что ухудшает механические свойства кованых изделий. Поэтому необходимо закладывать заготовки в горн только тогда, когда уголь хорошо разгорится и сера выгорит. Для повышения КПД открытого горна кузнецы, используя способность каменного угля спекаться под действием высокой температуры, обычно устраивают над очагом куполообразную «шапку» из спекшегося угля и внутрь закладывают заготовки. В результате этого заготовки нагреваются быстрее, а окисляются меньше. Кроме того, экономится уголь.
