Металлургия железа в истории цивилизации

Черноусов П.И., Мапельман В.М., Голубев О.В.
Учёба (МИСиС), 2005 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Металлургия железа в истории цивилизации

Не меньшее восхищение искусством средневековых металлургов вызывает, отлитый в X в. чугунный колокол диаметром 3 м и высотой 4 м. Его масса составляет свыше 60 т. Подобные многотонные чугунные колокола изготавливались в Китае и в дальнейшем. Они являются исключительно восточной традицией в технике колокольного литья, поскольку в странах Европы для литья колоколов применялась только бронза.

Высокие литейные свойства китайских чугунов, позволявшие получать подобные изделия, объясняются как удачной конструкцией печей для их получения, так и использованием железной руды, богатой фосфором. Помимо природных руд, китайские мастера также использовали содержащие фосфор вещества («черную землю»), что значительно снижало температуру плавления чугуна и улучшало его литейные свойства. Такая техника применялась до VI в. н.э.
Очень интересен вопрос о распространении технологии выплавки чугуна. Возможно, её освоение на территориях Западной Сибири, Средней Азии и Восточной Европы происходило под влиянием металлургических традиций Китая. Например, при раскопках золотоордынского города Болгара были обнаружены три горна, имеющих большое количество воздуходувных отверстий. Судя по сохранившейся части горнов, их высота достигала 2-2,5 м. Воздуходувные отверстия располагались по окружности горнов на разных уровнях. В одном из горнов обнаружено 26 отверстий диаметром 2-3 см. Возможно, такая конструкция позволяла получать высокие температуры, достаточные для плавления железа и его интенсивного науглероживания. Найденные золо-тоордынские монеты позволяют датировать горны в пределах 1336-1361 гг. новой эры.
Чугунолитейное производство было известно на территории Монголии, Забайкалья, Тувы уже в середине I тыс. н.э. Втульчатые чугунные топоры-кельты из поселения на полуострове Песчаный на Дальнем Востоке возле города Владивосток датируются X-IX вв. до н.э.
В Восточной Европе чугунные изделия появляются в XIV в. н.э. в период татаро-монгольского нашествия. Это остатки чугунных котлов для варки пищи, чугунные ступицы колес для повозок. В Украине чугунные изделия встречаются при раскопках поселений XIII-XIV вв. н.э. На Древнерусском поселении Озаричи в Сумской области найдены 29 фрагментов более 10 котлов. На поселении Комаровка в Черкасской области в древнерусском слое найдены целый котел и несколько фрагментов котлов. Есть сведения о находке фрагментов чугунных котлов в поселениях ХП-ХШ вв. н.э. Но ни на одном из этих памятников не обнаружено остатков печей для выплавки чугуна и форм для отливки котлов.
Технология получения стали из чугуна была разработана в Китае во II в. до н.э. Этот трудоёмкий метод получил название «сотня очисток» и заключался в многократном интенсивном обдувании расплава воздухом, благодаря чему происходило окисление углерода. О нем упоминается в трактате «Хуайнань-цзы» (180-122 гг. до н.э.).
Другой, более древний способ получения высококачественной стали, заключался в науглероживании кричного железа. В печи при контакте с углем поверхностный слой железа науглероживался. Затем железо обрабатывали молотом и вновь помещали в печь. В ходе многократной обработки терялось до 90 % от массы исходной крицы.
В III в. китайцы освоили технику производства оружия путём сваривания полос железа с различным содержанием углерода, а в V в. научились получать «чугунно-стальной» композит путем сплавления чугуна с низкоуглеродистым кричным железом (подробнее этот процесс описан в шестой главе, посвященной производству высококачественных оружейных сталей).
Редким исключением из мировой практики является участие в Китае в денежном обращении чугунных монет. Они широко использовались в империи в Х-ХШ вв. В это время в Китае существовал большой дефицит меди, поэтому вывоз из страны этого металла и его сплавов был запрещен. В некоторых регионах страны с целью экономии меди имели хождение только чугунные монеты.
Все китайские монеты, начиная с древних, отливались с отверстиями. Это было связано с тем, что их было принято носить на специальных шнурах. В связке, как правило, было 400 или 1000 монет, причем счет деньгам в крупных торговых сделках вели именно связками. Постепенно общераспространенной стала круглая форма монет с квадратным отверстием, которая просуществовала в Китае до начала XX в. Выпуск миллиардных количеств монет и высокие требования к их качеству, наряду с необходимостью сохранения уровня затрат на производство ниже номинальной стоимости монеты, способствовали быстрому совершенствованию литейных технологий.
Высокая технология тигельной плавки позволила древним китайцам производить металлы, которые в других регионах мира стали известны спустя сотни лет. Установлено, что в эпоху Хань (206 г. до н.э. - 221 г. н.э.) в Китае выплавляли цинк. Пластины из этого металла использовались для письма и своеобразной художественной техники изобразительного искусства. В тоже время было освоено производство тройного сплава никеля, меди и цинка, получившего название «пактонг» («пакфонг»). Этот сплав, обладавший высокой износостойкостью, являлся одной из доходных статей китайского экспорта. Он пользовался спросом во многих богатых странах Средней Азии. Например, в Бактрии из пактонга изготавливали монеты.
Интересно, что состав древнего сплава очень близок к современному нейзильберу, называемому также «новым серебром». Начиная с 1850 г. нейзильбер широко используется для чеканки монет практически во всех странах (впервые монеты из нейзильбера были выпушены в Швейцарии). Масштабы применения медноникелевых сплавов для чеканки монет поистине огромны: столбик из таких монет, выпущенных за 150 лет производства, дважды покрыл бы расстояние от Земли до Луны.
Тем не менее, необходимо отметить, что большинство современных исследователей считает металлургические знания древних китайцев заимствованными из Древней Индии. Это касается, прежде всего, технологии тигельной плавки бронзы и железа и способов производства экзотических металлов Древнего Мира и Средневековья - цинка, висмута и сурьмы.
2.3.2. Древняя Индия
Древним центром индийской цивилизации считается территория в верховьях реки Инд. В III тыс. до н.э. здесь жил народ, обладавший письменностью, строивший большие города, умевший обрабатывать металлы и достигший выдающихся успехов в животноводстве. Древние индийцы сумели одомашнить не только лошадей, овец, коз и свиней, но еще и буйволов и слонов. Цивилизация, построенная в Пенджабе (ее называют также цивилизацией Мохенджо-Даро или Хараппской), поддерживала взаимовыгодные торговые связи с жителями древнего Шумера. По мнению некоторых специалистов здесь находился один из первых металлургических центров человечества.
Новой страницей в истории древнего государства стало завоевание Пенджаба конными племенами ариев, родственных персам. Оно произошло в период около 1500 г. до н.э. Постепенно арии распространили свое господство на весь полуостров. С этого момента вплоть до покорения Индии войсками Тимура в начале XIV в. развитие цивилизации на полуострове проходило без значительных потрясений со стороны внешних противников.
Искусство индийских мастеров металлургов было широко известно народам Древнего Мира. У соседей индийцев - персов - существовала поговорка «в Индию сталь возить», близкая по смыслу нашей пословице «ехать в Тулу со своим самоваром». С высочайшим качеством индийского металла смогли познакомиться воины одной из лучших армий латенской эпохи железного века- македонской. Известность получил случай, произошедший в сражении армии Александра Великого с войсками индийского царя Пора на реке Идасп. Царь Пор, все время находившийся в гуще сражения, в итоге был захвачен в плен, однако на его доспехах победители не смогли обнаружить существенных вмятин или царапин - настолько прочной оказалась сталь, из которой они были сделаны.
К началу новой эры индийская сталь была важнейшей статьей импорта и к западу от Индии - в Римской империи, и к востоку - в империи Поднебесной. Однако стоимость ее была чрезвычайно высока: известны случаи, когда за один клинок отдавали нескольких слонов. Неудивительно, что металлургическое ремесло было окружено в Индии ореолом таинственности, а в рассказах об искусстве металлургов правда перемежалась с домыслами. Вот как описывает технологию изготовления меча из «чистого» (высококачественного) железа древнеиндийская поэма: «…. .Когда огонь молнии пронзает землю и проникает в глубь ее, копают по следу молнии и извлекают из земли кусок железа. железо разрубают на куски и нагревают до цвета пылающего угля. Затем его скармливают голодным домашним птицам, которые выделяют его с пометом готовым для изготовления мечей».
Качество стали, получаемой тигельной плавкой, определяющим образом зависело от состава исходной руды - только природнолегированный металл мог в результате сложной и кропотливой обработки превратиться в прекрасную сталь. Это обстоятельство отмечали и сами индийцы. Знаменитый ученый-энциклопедист Бируни, живший в X-XI вв., в своем трактате «Минералогия, или собрание сведений для познания драгоценностей» посвятил главу металлургии железа (она так и называется «О железе»). Бируни подразделял железо по его способности принимать или не принимать закалку на «мужское» и «женское». Первое - твердое уже по своей природе, а второе - мягкое, и обрабатывать его с целью изготовления оружия бесполезно просто из-за его «женского» происхождения.
Выступавшие над гравием части тиглей обкладывались древесным углем, камышом и кустарниковыми растениями, дававшими при горении высокую температуру. По мере повышения температуры в тигле начинался процесс восстановления оксидов железа углеродом древесного угля, затем плавился шлак и, наконец, железо.
Окончательный состав стали формировался в нижней части тигля в результате просачивания капель металла через слой ранее образовавшегося и более легкого шлака. Тигель оставался в горне после окончания процесса до полного остывания. Остывший слиток металла извлекали, разбивая тигель. Его масса редко превышала 2-3 кг, но этого количества было вполне достаточно для изготовления клинка или деталей доспехов.
Секрет высокого качества тигельной стали заключался в длительном контакте сначала крицы, а позднее - расплавленного металла, с железистым шлаком. При этом из металла в шлак переходили наиболее вредные, с точки зрения качества металла, примеси: фосфор и сера.
3.1.2. Сыродутный горн
Сыродутный горн стал первым металлургическим агрегатом, специально предназначенным для производства железа из руд. Его конструкция явилась следствием желания древних металлургов повысить интенсивность поступления в агрегат воздуха, что было необходимым условием повышения температуры процесса.
Сначала для экстракции железа из руды использовали «волчьи ямы», их иногда применяли еще и в начале новой эры. Например, в ямах диаметром до 1,5 м и глубиной до 0,6 м обрабатывали железную руду германские племена. Ямы обязательно устраивались в местах интенсивного естественного движения воздуха: на холмах, в предгорьях, в лесных просеках. Однако очень быстро пришли к тому, что наиболее эффективным способом усиления дутья является сооружение над ямой надстройки - своеобразной аэродинамической трубы.
В основании древнейших из известных сыродутных горнов располагались все те же круглые ямы, стенки которых были обмазаны толстым слоем глины. Именно к ямам подводились каналы для нагнетания в агрегат воздуха. Над ямами из прутьев сплеталась коническая конструкция, которая затем обмазывалась огнеупорной глиной. Впоследствии сыродутные горны перестали сильно углублять в землю, что значительно облегчило их обслуживание.
По данным последних археологических исследований, первые сыродутные горны появились в начале II тыс. до н.э. Широкое, практически повсеместное распространение, они получили в латенском периоде железного века, то есть в V-I вв. до н.э.
Название горна «сыродутный» (сырое дутье) появилось в середине XIX в., когда для подачи воздуха в доменные печи стали использовать мощные паровые машины, а сам воздух - подогревать. После этого архаичные печи, в которые дутье подавалось с помощью привода от водяных колес, а тем более за счет мускульной работы человека, быстро стали неконкурентоспособными. Именно к таким печам и стали применять термин «сыродутные».
В настоящее время, с точки зрения истории металлургической техники, принято деление агрегатов для экстракции железа из руд по виду основного продукта процесса:
«сыродутный горн» - агрегат, в котором при любых параметрах процесса может быть получено только кричное железо; «домница» - печь, в которой в зависимости от условий плавки можно было
производить либо кричное железо, либо чугун, либо оба продукта одновременно;
«доменная печь» - агрегат, в котором при любых параметрах плавки может
быть выплавлен только чугун.
Другое название сыродутного горна, используемое в специальной литературе -«низкий горн» - указывает на то, что его высота не превышала человеческий рост, то есть составляла не более 1,5 м, и он легко обслуживался мастерами-металлургами вручную.
Температура нагрева материалов в сыродутных горнах не превышала 1300 °С, что является недостаточным для плавления получавшегося в результате процесса, низкоуглеродистого железа. Поэтому продуктом «плавки» была «крица», представлявшая собой пористый (похожий на губку) материал - спек неравномерного по химическому составу железа со шлаком. шлак постоянно вытекал из печи через специальный канал в ее нижней части. Отсюда происходит еще одно название сыродутного горна, особенно часто применяемое в немецкой литературе - «печь с бегущим шлаком».
Главной составляющей шлака, как и в случае тигельной плавки, был фаялит, поэтому потери железа со шлаком были чрезвычайно высоки и достигали на начальном этапе освоения технологии 80 % от массы загруженного в агрегат железа. Тем не менее, сыродутный горн во многих регионах Азии и Африки просуществовал до конца XIX в., а у народов некоторых отдаленных регионов (например, на островах Индийского и Тихого океанов) встречается до сих пор.
Сыродутные горны отличались большим разнообразием конструкций (рис. 3.3). Чаще всего они строились из высокоогнеупорной глины на каркасе из плетеных прутьев, а для укрепления стенок печи применялись деревянные обручи. Иногда горн полностью помещался в деревянный сруб или обкладывался камнями. У славянских народов и в Скандинавии распространение получила конструкция, в которой нижняя часть печи располагалась в землянке, а верхняя незначительно выступала над поверхностью земли.